超實(shí)用的射頻芯片基礎(chǔ)介紹、功能及應(yīng)用的分享

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RF即Radio Frequency——射頻。指的是什么呢？廣泛定義，應(yīng)是指300KHZ到300GHZ范圍之間的高頻交流變化電磁波。射頻技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域中被廣泛使用，它的定義范圍隨著時(shí)代和科技應(yīng)用逐漸演化和發(fā)展。RFIC——射頻芯片，我們也稱(chēng)之為MMIC。指的是將無(wú)線電信號(hào)通信轉(zhuǎn)換成一定的無(wú)線電信號(hào)波形，并通過(guò)天線諧振發(fā)送出去的一個(gè)元器件（模塊），它包括功率放大器、低噪聲放大器和天線開(kāi)關(guān)。

今天的文章，將從RFIC的芯片架構(gòu)，展開(kāi)說(shuō)到RFIC的應(yīng)用。

射頻芯片結(jié)構(gòu)詳解

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射頻芯片架構(gòu)包括接收通道和發(fā)射通道兩部分。發(fā)射電路由發(fā)射調(diào)制器、發(fā)射鑒相器、發(fā)射壓控振蕩器(TX-VCO)、功率放大器(功放)、功率控制器(功控)、發(fā)射互感器等電路組成。發(fā)射時(shí)，邏輯電路處理過(guò)的發(fā)射基帶信息送入發(fā)射調(diào)制器，與本振信號(hào)調(diào)制后用TX-VCO把信號(hào)頻率上升為基站能接收的頻率信號(hào)。

當(dāng)TX-VCO工作后，產(chǎn)生頻率信號(hào)分兩路走:

A、路取樣送回發(fā)射調(diào)制器，與本振信號(hào)混頻產(chǎn)生一個(gè)發(fā)射鑒頻信號(hào)，送入鑒相器中與發(fā)射中頻進(jìn)行較；若與工作信道不符合，則鑒相器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)跳變電壓去控制TX-VCO內(nèi)部變?nèi)?a target="_blank">二極管的電容量，達(dá)到調(diào)整頻率目的。

B、路送入功放經(jīng)放大后由天線轉(zhuǎn)化為電磁波輻射出去。

接收電路由天線、天線開(kāi)關(guān)、濾波器、高放管(低噪聲放大器)、接收解調(diào)器等電路組成。接收時(shí)，天線把基站發(fā)送來(lái)電磁波轉(zhuǎn)為微弱交流電流信號(hào)經(jīng)濾波，經(jīng)過(guò)天線開(kāi)關(guān)接收通路，送高頻濾波器濾除其它無(wú)用雜波，高頻放大后，送入接收解調(diào)器與本振信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到接收基帶信息送到邏輯音頻電路進(jìn)一步處理。以上所有的器件和信號(hào)處理，構(gòu)成了一個(gè)完整的射頻芯片（或射頻模塊）。

射頻芯片應(yīng)用

射頻芯片其實(shí)應(yīng)用廣泛。很多介紹是以手機(jī)為例，因此對(duì)于射頻，消費(fèi)者可能以為，除了藍(lán)牙（2.4G），就是3G、4G、5G之類(lèi)。實(shí)際上，涉及無(wú)線通信，滿(mǎn)目RF。也許我列出一個(gè)表格，會(huì)有人發(fā)出一聲：“噢！這么多！”以下是日常生活中常見(jiàn)的一些RFIC涉及生活方面的應(yīng)用。涉及消費(fèi)電子比如手機(jī)的，一般是4G/5G通信的RFIC應(yīng)用；筆記本、無(wú)線鼠標(biāo)等一般是2.4G應(yīng)用；wifi一般是2.4G/5G的RF應(yīng)用。

涉及汽車(chē)電子的可能是77G倒車(chē)?yán)走_(dá)、24G距離監(jiān)測(cè)等雷達(dá)模塊；涉及智能家居多是2.4G 的RFIC應(yīng)用，便宜便捷常見(jiàn)；涉及工業(yè)無(wú)線環(huán)境和環(huán)境測(cè)試，可能是sub1GHZ，也會(huì)用2.4GHZ；涉及無(wú)線抄表，電表一般與消費(fèi)電子統(tǒng)一起來(lái)并晚于消費(fèi)電子的發(fā)展一個(gè)臺(tái)階，如今進(jìn)入5G的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，而無(wú)線抄表逐漸從3G時(shí)代換到4G模塊通信；而家用的氣表和水表則一般使用sub1GHZ。

智慧樓宇應(yīng)該是應(yīng)用RFIC最廣泛且五花八門(mén)的場(chǎng)合了，比如監(jiān)控?cái)z像頭使用4G通信，保證實(shí)時(shí)性和流暢性；煙霧報(bào)警使用sub 1GHZ或者2.4GHZ，保證能和網(wǎng)關(guān)及時(shí)聯(lián)通，組網(wǎng)通信即可；智能家居也是如此，不過(guò)，為了便民和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一般使用2.4GHZ的RFIC；玩具過(guò)去更多更常見(jiàn)的是使用1GHZ的RFIC，如今也逐漸出現(xiàn)了很多2.4GHZ的RFIC，便于與手機(jī)等連接。

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3G、4G、5G隨著手機(jī)的更新?lián)Q代，大家都比較熟悉了，無(wú)非是不同國(guó)家不同標(biāo)準(zhǔn)，不同運(yùn)營(yíng)商不同頻段的使用。而除了手機(jī)以外，由上文知道，我們生活中應(yīng)用最多的是2.4G，悄摸摸出現(xiàn)而不為人知的是1G（有的廠家指的是315/433/470/868/ 915MHZ這些1GHZ以?xún)?nèi)的頻段），我們今天主要來(lái)談一談這兩個(gè)頻段的RFIC。

Sub-1GHZ與2.4GHZ的區(qū)別

Sub-1GHZ與2.4GHZ一般應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景以及之智能家居、玩具、環(huán)境監(jiān)測(cè)當(dāng)中，在免許可頻段的無(wú)線通信應(yīng)用中，Sub-1GHZ 和 2.4GHZ 兩個(gè)無(wú)線頻段是主要的選擇。Sub-1GHZ 無(wú)線頻段適合于組建低數(shù)據(jù)速率低功耗的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，2.4GHZ 比較適合于小范圍內(nèi)的高數(shù)據(jù)速率通信。所以，應(yīng)用時(shí)，一般會(huì)考慮距離、功耗、干擾、組網(wǎng)便捷程度等幾個(gè)方面因素。這就需要對(duì)Sub-1GHZ與2.4GHZ的RFIC的特性進(jìn)行比較。

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由表格可以得出應(yīng)用選擇時(shí)應(yīng)以如下結(jié)論為標(biāo)準(zhǔn)：

1、Sub-1GHZ 相對(duì)而言覆蓋范圍大，是規(guī)模化連接組網(wǎng)比較好的選擇（如圖3的MESH組網(wǎng)，各節(jié)點(diǎn)間通信，可做到忙時(shí)互相通信，閑時(shí)上傳網(wǎng)關(guān)）。

2、Sub-1GHZ在以少數(shù)據(jù)量而非視頻等高流量的應(yīng)用中，僅需要較窄的帶寬進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)射頻收發(fā)的功耗要求也低，適合于電池供電或能量收集供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用。

3、較低帶寬導(dǎo)致較低的熱噪聲，接收靈敏度有較好的表現(xiàn)。使用 Sub-1GHZ 頻段系統(tǒng)可以降低無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部署的基礎(chǔ)設(shè)施成本。

此外，相對(duì)而言，2.4GHZ 設(shè)備近距離部署密集會(huì)對(duì)射頻有一定干擾，Sub-1GHZ 干擾情況會(huì)比 2.4GHZ 好些。因此，雖然我們可以經(jīng)常聽(tīng)說(shuō)、接觸到的時(shí)2.4GHZ，但是Sub-1GHZ也具有廣泛的應(yīng)用天地。

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Sub-1GHZ 頻段為不同無(wú)線電發(fā)射設(shè)備分配使用，呈現(xiàn)行業(yè)化應(yīng)用特點(diǎn)，不同無(wú)線電發(fā)射設(shè)備規(guī)定的頻段不同，基本形成專(zhuān)用頻段和公用頻段兩部分，專(zhuān)用頻段主要面向國(guó)防、鐵路、公安、政府、電力等系統(tǒng)應(yīng)用。公用頻段可以分為許可頻段和免許可頻段，許可頻段如NB-IoT、LoRa 等，免許可頻段主要是公眾對(duì)講機(jī)、微功率短距離無(wú)線電設(shè)備等。

Sub-1GHZ RFIC應(yīng)用主要是以遙控、語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信為主。遙控是如門(mén)禁、遙控器和開(kāi)關(guān)等應(yīng)用；語(yǔ)音則以對(duì)講機(jī)為主；數(shù)據(jù)通信一般是Lora或NB-IOT無(wú)線組網(wǎng)、規(guī)模化應(yīng)用部署是數(shù)據(jù)通信應(yīng)用的主要特點(diǎn)，主要的典型應(yīng)用是無(wú)線抄表。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對(duì) Sub-1GHZ RFIC有著更為廣泛的需求。目前，低功耗物聯(lián)網(wǎng)的傳感器或設(shè)備供電方式電池是主流的搭配。隨著對(duì)電池長(zhǎng)壽命的要求以及其他能量采集（如太陽(yáng)能、無(wú)線能量傳輸?shù)龋┕╇姺绞降膽?yīng)用發(fā)展，應(yīng)用對(duì) Sub- 1GHZ RFIC發(fā)射功耗的要求也越來(lái)越高。笙科的Sub- 1GHZ RFIC有較多的型號(hào)滿(mǎn)足目前低功耗的需求。

笙科是一家專(zhuān)業(yè)的 RF 芯片設(shè)計(jì)公司，一直專(zhuān)注研發(fā) CMOS 制程的 RF 半導(dǎo)體芯片。產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于智能電網(wǎng)中的無(wú)線智能電表、無(wú)線智能水表以及熱表、無(wú)線智能插座、車(chē)用防盜器、無(wú)線安全密碼鎖、加密型遙控卷簾門(mén)、智能建筑節(jié)能系統(tǒng)、無(wú)線餐飲管理、無(wú)線影音傳輸、ETC、AMR 無(wú)線自動(dòng)讀表 (如無(wú)線熱表，燃?xì)獗淼鹊?、家庭自動(dòng)化等。除了我以上提及的2.4GHZ、Sub- 1GHZ以外，還有5.8GHZ/5.2GHZ RFIC產(chǎn)品（用于高品質(zhì)無(wú)線音頻流媒體、 ISM系統(tǒng)、無(wú)線玩具和游戲控制器），以及衛(wèi)星通信產(chǎn)品、無(wú)線音頻產(chǎn)品（加鏈接）、Bluetooth? LE/Zigbee產(chǎn)品。

其中Sub- 1GHZ產(chǎn)品多大20多個(gè)，根據(jù)頻段、傳輸速率、功耗區(qū)分，適合各類(lèi)應(yīng)用。尤其適合ISM頻帶數(shù)據(jù)通信、無(wú)線遙控器、樓宇自動(dòng)化、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（戶(hù)外網(wǎng)絡(luò)注重低功耗，定時(shí)上傳數(shù)據(jù)）、能源控制和管理、自動(dòng)計(jì)量閱讀等場(chǎng)合。部分RFIC支持窄帶應(yīng)用的高效能射頻芯片，提供低接收電流模式，內(nèi)部設(shè)計(jì)的各種功能可以延長(zhǎng)電池的使用壽命，有效地降低開(kāi)發(fā)復(fù)雜度與開(kāi)發(fā)成本。

由于無(wú)線應(yīng)用市場(chǎng)越來(lái)越要求低成本化、降低開(kāi)發(fā)難度、縮短開(kāi)發(fā)周期，笙科采用高整合概念設(shè)計(jì) RFIC,芯片內(nèi)置 VCO、PLL、LNA、PA、FIFO、RSSI、Auto Calibration 等功能,使用者可自行選擇熟悉的 MCU 通過(guò) SPI 接口控制 RFIC, ,RFIC與 MCU 之間均為數(shù)字接口,易于開(kāi)發(fā)與除錯(cuò),很大程度上能讓客戶(hù)在使用時(shí)感受到方便快捷可靠。

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