[ 導讀 ] 無線感測網路(WSN)應用多半以微功率(Micro-power)電池為系統供電，因此對元件功耗要求相當嚴苛。

 　　無線感測網路(WSN)應用多半以微功率(Micro-power)電池為系統供電，因此對元件功耗要求相當嚴苛。超低功耗Sub-GHz收發器由于能在低至1.1伏特的電壓下運作，耗電量極低，故可實現以能源采集方案進行供電的無線感測器，從而降低WSN建置成本。

 　　近幾年來，無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN)和超低功率(Ultra-low Power, ULP)無線電市場的大幅成長，是大家有目共睹的。WSN應用包括短距離機器對機器(M2M)、人體周圍的醫療感測器和許多針對新興感測和自動化市場的其他應用。這類無線電應用從大量建基于工作周期點量測傳輸(Duty-cycled Spot Measurement Transmission)擴展到資料較為密集的連續連結(Continuous Link)，同時采用更小電池和可替代能源方案，如能源采集設備。

 　　人體周圍的無線感測器可以分為兩類網路，分別為無線個人區域網路(WPAN)和無線近身通訊(WBAN)。WPAN的網路空間圍繞在個體的四周，覆蓋附近的生活或工作空間，通常可達10公尺的范圍，這包括藍牙(Bluetooth)和ZigBee等協定。WBAN是圍繞在一個人四周的更小無線空間，通常為1公尺范圍，常用在與人體相關感測器之間的通訊。雖然WPAN和WBAN的網路空間是有差異的，但兩者間的許多應用卻互有重疊。無線電技術和低功率感測器的發展為WSN開啟了新的發展領域。對于超低功率WSN而言，另一個重要的組成部分就是有效的能量儲存和管理。諸如薄膜電池的微功率(Micro-power)電池，近年來在技術上也隨著微功率管理解決方案的發展，而有了長足的進步。ULP技術的進展已經取代了對于AA或AAA電池的需求，達到更小的電池容量和尺寸。因此，讓電池壽命長且體積小、靈活的智慧型無線感測器也得以實現。

 　　新一類無線感測器系由采集來的能源來供電，因而毋須更換電池。它們會被運用在感測和監測難以觸及的環境和應用，這些環境和應用地點可以采集能量。利用采集到的能源運作的無線感測器，具有一系列比常規無線感測器更嚴格的要求，除了一般的低功耗外，還要有低峰值功率、超低待機電流等其他需求。這是相當新的WSN領域，具有廣泛的應用，包括醫療、M2M、軍事和其他研究領域。

 　　在這一類低功率無線感測器的效率方面，短距離無線電收發器的技術和設計考慮因素在其中扮演著重要的角色，適合上述應用的收發器需求如圖1所示。

　　圖1 超低功率無線電收發器的要素

　　收發器電源需求極為關鍵

 　　在無線感測器的設計和應用中，收發器的電源需求是一項關鍵因素。因為大多數ULP感測器在微小型電池和能量采集電源下運行，非常需要低于2伏特(V)的工作電壓。

 　　大多數感測器使用的是單一電池，視電池化學特性而定。在低至1.1V電壓下工作的無線電收發器，可為感測器設計提供額外的靈活性，并減少功率管理限制。在比較不同的解決方案時，供電電壓、功率放大器耗能和連結資料的速率常常會被忽略。然而，這三項因素全部都具有實質性的影響。在2.5V電壓下工作的無線電裝置的功耗，是相同電流消耗但在1.25V電壓下工作的無線電裝置的兩倍。僅當需要輸出功率超出5dBm時才會要求在較高的電壓下工作，但這并不是短距離應用的情況，因為輸出功率很少超過0dBm。在系統層級上，低供電電壓是降低功耗的一種簡單的方法，但是需要一個設計用于低電壓運行的無線電射頻(RF)積體電路。

 　　峰值電流是收發器的另一個關鍵參數。幾乎所有基于無線的感測器網路皆以工作周期來達到省電的目的，并限制無線電空間的使用，這會在感測器的電流消耗曲線上產生峰值。具有高峰值電流的無線電將會對電源管理帶來限制，并使得滿足電源抑制的要求更加困難。

 　　對于運行在能源采集下的無線感測器來說，上述限制甚至更加重要。通常能量采集轉換器比電池具有更高的輸出阻抗。在轉換器和感測器之間的微功率管理層改變了供電特性，包括源阻抗；因此，在無線電收發器中的低峰值電流消耗減少了對無線感測器的電源限制。

 　　對于無線電發射器來說，功率放大器(PA)的功耗是非常大的。對于一個25公尺的自由空間范圍而言，許多802.15.4或藍牙無線電消耗25～40毫瓦(mW)，其中95%以上都浪費掉了。圖2顯示出每位元能耗與某些針對25公尺自由空間范圍的可用解決方案的比較。以電池或能量采集供電的系統來說，最佳的組合情況應與左下角的接近。

　　圖2 每位元能耗與峰值功率的比較

 　　從發射器PA的角度來看，其主要參數來自于接收器。在給定的范圍內，其靈敏度決定了必須發射多大的功率。大多數無線電的靈敏度范圍在85～95dBm之間，帶來了十倍的PA功耗。接收器靈敏度、載波頻率和輸出阻抗是影響功耗的三項主要因素。它們是相加的，對于相同的范圍，疊加在一起可出現超過兩個數量級的PA功耗變化。

 　　圖3比較了常用無線電收發器的供電電壓、發射(Tx)和接收(Rx)端功耗。其他IC級規范，如泄漏電流和喚醒時間，也會影響功耗；然而，對于極低的有效負載資料速率，它們是非常具有關鍵性的，其重要性可減少超過10bit/s的速率。

　　圖3 部分無線電收發器解決方案的工作電壓、Tx和Rx功率

 　　影響PA功耗的另一項重要參數就是輸出阻抗。大多數無線電的輸出阻抗低于100。只有高輸出功率(長距離)需要低阻抗，但與較高的輸出阻抗選項相比，它會帶來高達五倍的電流消耗，而高輸出阻抗選項比較適合短距離的無線互聯應用。總之，假設接收器靈敏度和PA效率相似，高阻抗900MHz無線電在它的PA中僅使用1mW，即可達到與使用25～40mW的50/2.4GHz無線電相同的距離。

 　　載波頻率的選擇是收發器的一個重要參數。在工業、科學和醫療(ISM)無線電頻帶中的兩個可用選項為2.4GHz或Sub-GHz頻率。對于此一選擇，要考慮的一些因素有范圍、功耗、資料速率、天線尺寸、互用性(標準)、全球部署的情況等。

　　Sub-GHz載波頻率聲勢起

 　　無線區域網路(Wi-Fi)、藍牙和ZigBee技術正大力推廣已在市場上廣泛使用的2.4GHz協定。然而，對于低功率和較低資料速率應用，比如無線感測器、無線醫療監測、家庭保全/自動化和智慧型儀表，Sub-GHz無線系統提供了幾項優勢，包括在給定功率下擁有更長的距離、更低的功耗和較低的配置和運行成本。

 　　Sub-GHz載波頻率具有高于2.4GHz頻率的某些優勢。首先就是距離和訊號品質。當無線電波通過墻壁和其他障礙物時，訊號會減弱。在更高頻率時，衰減率會增加，因此2.4GHz訊號的減弱速度比Sub-GHz訊號更快。2.4GHz無線電波還比Sub-GHz電波更快消失，因為致密的表面會反射它們。在高度擁擠的環境中，2.4GHz傳播會快速減弱，從而對訊號品質帶來負面的影響。

 　　另一方面，根據頻率特性，生物組織會吸收RF的能量。低頻可以輕易穿透身體而不會被吸收，這意味著相較于2.4GHz，Sub-GHz連結具有更好的RF連結或較少的功率消耗。

 　　即使無線電波以直線傳輸，但當它們碰到固體邊緣(例如建筑物的一角)時也會轉向。因為頻率降低，繞射角會增加，讓Sub-GHz訊號在障礙物周圍進一步轉向，減少了阻塞效應。

 　　Friis方程式證明了Sub-GHz無線電優異的傳播特性，顯示出2.4GHz的路徑損耗比在900MHz的時候高出8.5分貝(dB)。對于900MHz無線電來說，這可轉化為延長2.67倍的距離，因為功率每增加6dB，傳輸范圍約增加一倍。如果要匹配900MHz無線電的范圍，2.4GHz解決方案將需要大于8.5dB的額外功率。

 　　對于相同的連結配置，除了需要較高功率外，2.4GHz頻帶出現干擾的機會更大。空中擠滿了相互沖撞的2.4GHz訊號，它們來自于不同的來源，例如家庭和辦公室Wi-Fi集線器、啟用藍牙的電腦和手機周邊設備以及微波爐，2.4GHz訊號的壅塞會產生許多干擾。Sub-GHz ISM頻帶大多會應用在專用的低工作周期連結，不太可能會相互干擾。更安靜的頻譜意味著傳輸會更容易，重試的次數會更少，效率會更高，并節省電池功率。

 　　功率效率和系統范圍是接收器靈敏度加上傳輸頻率的函數。靈敏度與通道頻寬成反比，因而較窄的頻寬可以產生更高的接收器靈敏度，并讓在較低的傳輸速率時，可以更有效地運行。

 　　例如，在300MHz上，假如發射器和接收器的晶體誤差(XTAL偏差)均為百萬分之十(10ppm)，每個的誤差都為3kHz。對于有效傳送和接收的應用而言，最小通道頻寬為誤差率的兩倍，或6kHz，這是窄頻應用的理想選擇。在2.4GHz上，相同情況需要48kHz的最小通道頻寬，浪費了用于窄頻應用的頻寬，并需要大幅增加工作功率。

 　　總之，運行在較高頻率下的所有無線電電路，包括低雜訊放大器、功率放大器、混合器和合成器，需要更多的電流來達到與低頻裝置相同的性能。

 　　范圍、低干擾和低功耗是Sub-GHz應用能夠超越2.4GHz應用的基本優勢，但它經常被提到的缺點之一就是天線尺寸比在2.4GHz網路中使用的要大。對于433MHz應用，最佳的天線尺可能會高達7寸；然而，天線尺寸和頻率是成反比的。假如節點尺寸是一個重要設計考量，開發人員可以提高頻率(高達950MHz)，以便采用更小的天線。

 　　無線感測器的總體功耗不僅是實體層項目的函數，比如無線電架構、載波頻率和天線選擇，而且也是無線電需要運行的時間量的函數，以便在空氣中傳送有效負載的資料。這取決于建立和保持通訊連結的資料速率要求和協定開銷(Protocol Overhead)。

 　　資料速率是規定工作周期無線連結功耗的重要因素之一。平均功率幾乎與連結資料速率成反比。在相同的有效負載下，100kbit/s無線電幾乎消耗50kbit/s無線電的一半功率。對于給定的有效負載，較高的資料速率可視為改進能源效率的方法。在比較RF收發器時，每位元能耗是一個比電流消耗更好的指標，但高資料速率無線電通常帶有較高的峰值電流。對于大多數小型電池或能量采集器來說，這些是非常不受歡迎的，因為它們產生了大的泄漏儲存電容，一般為數百微法(F)。

 　　在網路層上，協定對平均功率預算有著重大影響。今天的標準，比如802.15.4或藍牙，提供了高度復雜的連結和網路層，但這些堆疊總共產生了50～75%的無線電功耗和較大的開銷。對于超低功率系統，一體通用(One Size Fits All)的標準化選項通常不是最佳解決方案。相反的，超低功率應用應該考慮使用已針對它們需求而優化的協定。

 　　網路的延時需求也具有重大的影響。用于監聽或探測的時間節點數量是延遲的函數。低延遲意味著可連續或頻繁地進行探測。在高負荷系統中，探測、接收器功率是功率預算中最大的部分；例如，在802.15.4網狀網路中，大約9%的系統功率是用于接收。在更高的有效負載系統中，探測消耗的能耗可能不是主要的，但接收功率仍將超過RF預算的50%。對于實現超低功率RF遙測而言，最低的接收器功耗常常是必要的。

　　[@B]超低功率Sub-GHz方案競出籠[@C] 超低功率Sub-GHz方案競出籠

 　　目前已有不少廠商推出超低功率無線電和電源管理的解決方案。如ZL70251，即是美高森美(Microsemi)的完全整合超低功率Sub-GHz ISM頻帶收發器，專門在功率至關重要的應用中使用。盡管它的功率非常低，但ZL70251仍然具有足夠的資料速率來支援語音或聲音通訊(圖4)。因為資料速率超過186kbit/s，所以它具有足夠的頻寬來傳送連續性的生物訊號，比如心電圖(ECG)、電話品質語音連結或更高品質的聲音和某些ULP訊號處理。另外，它的總體功耗大約為4～5mW，所以可讓使用薄膜電池的無線聽診器貼片，連續監測慢性呼吸道疾病或支持睡眠呼吸暫停的研究。

　　圖4 使用ZL70251收發器的無線感測器之平均功率和有效負載資料速率比較

 　　在功率非常重要，且有效負載要大于10bit/s的應用中，超低功率RF技術是非常具有關鍵性的。先前的可穿戴式無線感測器僅能用于緩慢變化的參數，而新的RF技術可以幫助觀察變化更快的生理參數，比如心臟和腦電活動(Brain Electrical Activity)或血氧的水準，它們要求大約0.5～5kbit/s等級的速率來提取有意義的波形。

 　　基于ZL70251的無線身體感測器消耗的電流平均小于100微安培(A)，使得薄膜電池乃至熱電能量采集器成為可行的電源選項。圖5是當作感測器使用的ZL70251的典型應用。

　　圖5 基于ZL70251的典型無線感測器方塊圖

 　　微控制器(MCU)通常與ZL70251和特定應用感測器或輸出設備相連接；如對于Lead-1 ECG而言，ULP類比前端(Front-end)，輸出連接至運行應用和通訊協定的微控制器的類比數位轉換器(ADC)，其結果是形成了具有極低功率的無線ECG解決方案。某些其他類似超低功率的參考設計也競相問世，包括三軸加速度計和脈搏血氧計。

 　　ZL70251具有極低的峰值電流，因而成為能源采集應用的理想選擇，并且涵蓋了ISM頻帶，包括在779MHz的中國ISM頻帶。在業界，已經有廠商成功開發出可測量身體溫度的無線可穿戴式感測器原型，它采用的是熱電轉換器(Thermo-electric Generator, TEG)。圖6顯示了此類感測器的結構，它永遠不需要更換電池。

　　圖6 由能量采集器供電的無線感測器方塊圖

 　　綜上所述，Sub-GHz ISM頻帶超低功率頻帶收發器，在市場的定位是要能滿足嚴苛需求的應用，比如由能量采集器供電的無線感測器、為可穿戴式無線醫療設備提供生物訊號(Bio-signal)的連續監測，以及短距離機器對機器(M2M)應用中的感測應用。

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