【導(dǎo)讀】RSSI是Received Signal Strength Indicator(接收信號(hào)強(qiáng)度指示器)的縮寫,用于測量接收到的信號(hào)強(qiáng)度。在低功耗藍(lán)牙設(shè)備中,RSSI也具有重要的作用。
一、RSSI的作用
RSSI是Received Signal Strength Indicator(接收信號(hào)強(qiáng)度指示器)的縮寫,用于測量接收到的信號(hào)強(qiáng)度。在低功耗藍(lán)牙設(shè)備中,RSSI也具有重要的作用,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
? 信號(hào)強(qiáng)度測量:通過測量接收到的信號(hào)強(qiáng)度,可以判斷兩個(gè)設(shè)備之間的距離遠(yuǎn)近,從而進(jìn)行定位和距離測量等應(yīng)用。在低功耗藍(lán)牙設(shè)備中,RSSI通常用于確定設(shè)備之間的近距離連接,如近場支付、智能家居設(shè)備的控制等。
? 功耗控制:在低功耗藍(lán)牙設(shè)備中,電池壽命是一個(gè)非常重要的考慮因素。通過RSSI的測量,可以判斷設(shè)備之間的距離遠(yuǎn)近,從而控制設(shè)備的發(fā)射功率,減少不必要的電量消耗,從而延長電池壽命。
? 自動(dòng)化控制:通過RSSI的測量,可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化控制。例如,當(dāng)設(shè)備之間的距離達(dá)到一定的范圍時(shí),可以自動(dòng)觸發(fā)某個(gè)操作或切換到某個(gè)模式。
? 安全措施:在低功耗藍(lán)牙設(shè)備中,通過RSSI的測量,可以檢測到外部干擾或攻擊信號(hào),從而采取相應(yīng)的安全措施,保護(hù)設(shè)備和用戶的安全。
總之,RSSI在低功耗藍(lán)牙設(shè)備中具有重要的作用,可以幫助實(shí)現(xiàn)距離測量、功耗控制、自動(dòng)化控制和安全措施等功能,從而提高設(shè)備的性能和用戶體驗(yàn)。
二、常用藍(lán)牙接收機(jī)架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)RSSI的方法
RSSI的測量是通過檢測在藍(lán)牙信道中的有效信號(hào)能量的大小,通過計(jì)算所得的數(shù)值來表示。
下圖是一個(gè)當(dāng)前低功耗藍(lán)牙芯片中最常用的接收機(jī)的架構(gòu)。在該架構(gòu)中,最關(guān)鍵的模塊是用高速零交叉(Zero Crossing)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的量化。
過零檢測是一種常用的GFSK信號(hào)解調(diào)技術(shù),它通過檢測信號(hào)中連續(xù)的過零檢測點(diǎn)來獲取調(diào)制信息。具體而言,當(dāng)GFSK信號(hào)的頻偏較小時(shí),信號(hào)的過零檢測點(diǎn)會(huì)非常明顯。通過在接收端設(shè)置一個(gè)閾值,檢測到信號(hào)的過零檢測點(diǎn)后,就可以判斷信號(hào)的相位變化,并恢復(fù)出原始的調(diào)制信息。這種方法相對(duì)簡單,對(duì)硬件的要求較低,因此在實(shí)際應(yīng)用中被廣泛采用。特別是在深亞微米的半導(dǎo)體集成電路工藝中,比如55nm以下的工藝中,由于晶體管的開關(guān)速度得到大大提升,這種方法可以大大降低芯片的成本和功耗,同時(shí),充分可以利用更高密度的數(shù)字電路的運(yùn)算能力。因而,成為低功耗藍(lán)牙設(shè)計(jì)公司所采用的主流電路架構(gòu)。然而在這種過零檢測的電路結(jié)構(gòu)中,比較難直接測量射頻信號(hào)的RSSI值。因?yàn)檫^零檢測是在基帶信號(hào)上進(jìn)行的,而基帶信號(hào)已經(jīng)經(jīng)過了解調(diào)和低通濾波,射頻信號(hào)的能量分布已經(jīng)不同于原始的射頻信號(hào),難以直接測量射頻信號(hào)的能量。因此在實(shí)現(xiàn)中,通常通過一些間接的方法來估計(jì)射頻信號(hào)的能量和RSSI值。比如,圖中所描述的用一個(gè)射頻信號(hào)的帶通濾波器,將射頻信號(hào)限制在一個(gè)較窄的頻帶內(nèi),然后通過一個(gè)可調(diào)增益放大器將信號(hào)放大到一個(gè)合適的范圍內(nèi),在此基礎(chǔ)上,用一個(gè)低精度的ADC,用于估測射頻信號(hào)的RSSI值。由于這種方法采用了可調(diào)增益放大器,其估算出來的RSSI值與實(shí)際的RSSI值之間的差異如下圖。紅色的是實(shí)際讀取的RSSI值;黑線是理想的RSSI值。
三、巨微接收機(jī)架構(gòu)中的E-RSSI(Enhanced RSSI)的實(shí)現(xiàn)方法
不同于主流結(jié)構(gòu),巨微在自己的設(shè)計(jì)中,充分考慮到準(zhǔn)確測量RSSI值的重要性,在接收端的低中頻架構(gòu)中,采用一種增強(qiáng)型接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(Enhanced Received Signal Strength Indicator,簡稱E-RSSI)。該技術(shù)采用高精度的中頻ADC(Analog to Digital Converter,模數(shù)轉(zhuǎn)換器)的方法,這種方法包括一個(gè)高精度復(fù)數(shù)域連續(xù)時(shí)間調(diào)制器(High resolution complex continuous sigma-delta modulator)和相應(yīng)的濾波器。該結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢(shì):
? 高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換:可以提高數(shù)字信號(hào)的采樣精度和信噪比,從而避免了在ADC轉(zhuǎn)換之前的AGC造成的模擬增益偏差,進(jìn)而提高GFSK解調(diào)的準(zhǔn)確度和提高RSSI的檢測精度。特別是在BLE通信中,因?yàn)锽LE信號(hào)帶寬比較窄,通常在1MHz以下,所以需要使用高分辨率的ADC來確保采樣精度和動(dòng)態(tài)范圍。
? 高精度帶通濾波:對(duì)于低功耗藍(lán)牙這種窄帶通信標(biāo)準(zhǔn),有效的濾除帶外的信號(hào),對(duì)于信號(hào)的解調(diào)和信號(hào)能量的評(píng)估尤為重要。RSSI計(jì)算在數(shù)字域完成,精確穩(wěn)定;不受工藝偏移影響。
? 最小帶內(nèi)群延時(shí)(Group Delay)誤差:由于藍(lán)牙的有效信號(hào)分布在1MHz的帶寬內(nèi),在整個(gè)信號(hào)處理的過程中,保持信道內(nèi)的各個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)的延時(shí)相等,對(duì)于后面的GFSK解調(diào)尤為重要。巨微實(shí)現(xiàn)電路中,在濾波器的選取和參數(shù)設(shè)計(jì)上,保證了最小的群延時(shí)特點(diǎn)。信號(hào)經(jīng)過信號(hào)等延時(shí)濾波器,保持相位信息,易于同一時(shí)間點(diǎn)的能量計(jì)算。
? GFSK解調(diào)與RSSI計(jì)算在同一時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行,測量準(zhǔn)確,不受同頻干擾影響。
在上述的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,整個(gè)接收端的RSSI的實(shí)際測量性能與理想性能的比較如如圖。紅色的是實(shí)際讀取的RSSI值;黑線是理想的RSSI值。對(duì)比主流的RSSI測量性能,顯然有明顯的提升。
然而,集成復(fù)數(shù)模擬信號(hào)中頻濾波器的高精度ADC并不是沒有代價(jià)的。首先,它結(jié)構(gòu)復(fù)雜,設(shè)計(jì)難度大,需要克服穩(wěn)定性、工藝漂移等技術(shù)問題,需要設(shè)計(jì)人員有很好的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。同時(shí),由于成本高,功耗偏大,不利于深亞微米集成。
E-RSSI的測量值是基于解調(diào)后的有效信號(hào)來做的計(jì)算,而不是所有同頻信號(hào)。模擬和數(shù)字域多級(jí)中頻濾波器,對(duì)帶外干擾有更好的抑制。由于在結(jié)構(gòu)中沒有自動(dòng)增益調(diào)節(jié)器,避免了模擬自動(dòng)增益級(jí)帶來的工藝、延時(shí)的誤差。同時(shí),采用高精度ADC,完整保持了射頻有效信息,在RSSI計(jì)算中保持更高精度。
四、實(shí)測的E-RSSI的效果
E-RSSI的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的射頻,具有以下優(yōu)點(diǎn):
? 芯片出廠的RSSI測量基準(zhǔn)一致性好,差異小,易于產(chǎn)品方案成型后的距離校準(zhǔn);
? 在不同溫度、電壓下,測量得到的差異小;
? 測量得到的RSSI值穩(wěn)定,不會(huì)發(fā)生跳變。
以下是針對(duì)同一批次晶圓的不同芯片,做了相同輸入的信號(hào)幅度,讀取RSSI值的對(duì)比。從結(jié)果可以看出,對(duì)于相同設(shè)計(jì)的PCB和封裝芯片,在相同的輸入藍(lán)牙信號(hào)的情況下,不同的芯片讀出的RSSI值接近相同。
下圖是對(duì)比上述三顆芯片的RSSI值讀數(shù)與平均值的差異,結(jié)果可見:芯片之間的讀數(shù)差異在±1左右,接近相同。
同時(shí),巨微選取過去3年中,幾批工藝參數(shù)不同的晶圓封裝的芯片,其晶圓磨劃、封裝打線、測試模塊形狀和嵌入的系統(tǒng)程序都有較大差異。數(shù)據(jù)總結(jié)如下圖。
由圖中比較可見,不同的芯片,在RSSI值的變化斜率上接近相同,其差異在于天線、封裝的不同設(shè)計(jì),導(dǎo)致的信號(hào)衰減不一樣。這代表利用E-RSSI技術(shù),如果在產(chǎn)品端做出廠校準(zhǔn),最終產(chǎn)品可以完全實(shí)現(xiàn)RSSI值測量的可重復(fù)性和一致性。
經(jīng)過長時(shí)間驗(yàn)證,用E-RSSI技術(shù)和HID協(xié)議棧,在無感解鎖的應(yīng)用場景下,其一致性接近100%。
五、在實(shí)際應(yīng)用中E-RSSI的應(yīng)用場景和優(yōu)勢(shì)
下圖是典型的利用RSSI和HID協(xié)議,在兩輪車的無感解鎖中的應(yīng)用。在該應(yīng)用中,當(dāng)手機(jī)靠近兩輪車時(shí),嵌入在兩輪車中的藍(lán)牙模塊通過讀取接收到的手機(jī)發(fā)出的RSSI值,來判斷手機(jī)距離的遠(yuǎn)近,從而決定是否開鎖或關(guān)鎖。
常用的系統(tǒng)操作流程如下:
? 配對(duì):將車主的手機(jī)與目標(biāo)產(chǎn)品(比如:兩輪車)的藍(lán)牙模塊進(jìn)行藍(lán)牙配對(duì)。這個(gè)配對(duì)過程可以通過專用APP完成。在配對(duì)中,APP完成設(shè)備的尋找、選取和密鑰設(shè)置。同時(shí),在配對(duì)過程中,方案商可以對(duì)距離和RSSI值之間做校準(zhǔn),并通過藍(lán)牙連接更新到目標(biāo)產(chǎn)品中。配對(duì)完成之后,手機(jī)和目標(biāo)產(chǎn)品之間將建立智能鑰匙的功能。該配對(duì)連接是基于HID協(xié)議,并且在操作系統(tǒng)底層得到支持。
? 連接HID設(shè)備:設(shè)備的藍(lán)牙芯片在配對(duì)完成之后,會(huì)不斷掃描周邊已經(jīng)配對(duì)的手機(jī),并試圖與斷開的手機(jī)重新建立HID連接。當(dāng)手機(jī)在設(shè)備藍(lán)牙的掃描范圍之內(nèi)后,手機(jī)和設(shè)備重新建立連接。此時(shí),設(shè)備開始讀取手機(jī)發(fā)出的藍(lán)牙信號(hào)的RSSI值。
? RSSI讀?。涸O(shè)備端的藍(lán)牙芯片與建立好HID連接的手機(jī)之間,不斷的交換信息,同時(shí),設(shè)備的藍(lán)牙通過巨微芯片的E-RSSI結(jié)構(gòu)讀取RSSI值,并以此判斷手機(jī)與設(shè)備之間的距離。
? 解鎖:當(dāng)RSSI值高于預(yù)設(shè)的值,設(shè)備判斷為距離足夠近,并實(shí)施解鎖動(dòng)作。
? 關(guān)鎖:當(dāng)RSSI值小于預(yù)設(shè)的值,設(shè)備判斷為距離足夠遠(yuǎn),并實(shí)施關(guān)鎖動(dòng)作。
在自動(dòng)解鎖應(yīng)用中,以電瓶車為例,無感智能鑰匙的體驗(yàn)需要:
? 用RSSI值來解鎖的重復(fù)性和一致性;
? RSSI值的大小不易被同頻干擾影響;
? 與HID協(xié)議配合,可以實(shí)現(xiàn)后臺(tái)加密、解鎖;
? 客戶可以自己配置解鎖距離;
? 方案公司可以自己標(biāo)定解鎖距離;
? 不需要后臺(tái)駐留APP或小程序;
? 手機(jī)兼容性好。
在巨微的E-RSSI方案中,以上都可以做到。
以下是兩種典型的應(yīng)用場景。
在汽車T-Box上的典型應(yīng)用
? MS1682承擔(dān)T-Box內(nèi)部的主控、存儲(chǔ)和藍(lán)牙;
? MS1658完成定位錨點(diǎn)(Anchor)的功能;
在這種架構(gòu)下,巨微的MS1682通過藍(lán)牙與各個(gè)錨點(diǎn)芯片(Anchor-1、Anchor-2,...)建立連接,并根據(jù)RSSI的讀數(shù)來計(jì)算手機(jī)與車體的實(shí)際距離。當(dāng)手機(jī)接近或離開車體到設(shè)定值之后,啟動(dòng)解鎖或關(guān)鎖。
在兩輪車解鎖模塊(報(bào)警器、儀表盤)的典型應(yīng)用有下面兩種典型形態(tài)。
? 主控MCU還是用系統(tǒng)原有的。
? 用兩個(gè)藍(lán)牙芯片做錨點(diǎn)(anchor)來提升定位精度;其中一個(gè)錨點(diǎn)芯片視成本需求,可以省掉。
? 用MS1642替代主控MCU,同時(shí)做錨點(diǎn);
? 另一個(gè)MS1642做錨點(diǎn),該芯片視成本需求,可以省掉。
在上述實(shí)現(xiàn)中,兩個(gè)錨點(diǎn)(或一個(gè))將讀到的手機(jī)發(fā)射的藍(lán)牙RSSI值,進(jìn)行計(jì)算,并根據(jù)估計(jì)的距離來實(shí)現(xiàn)解鎖或關(guān)鎖。
六、巨微相關(guān)產(chǎn)品信息
巨微現(xiàn)有芯片中支持E-RSSI 的藍(lán)牙MCU型號(hào)和特點(diǎn):
在上述型號(hào)中,支持HID(應(yīng)用于后臺(tái)解鎖)和OTA(應(yīng)用于現(xiàn)場校準(zhǔn))功能的芯片,特別適合像接近無感解鎖這樣的應(yīng)用場景。
同時(shí),我們提供下列設(shè)計(jì)套件。
關(guān)于巨微
巨微集成電路是一家技術(shù)領(lǐng)先、擁有全面底層芯片技術(shù)的芯片設(shè)計(jì)公司,公司擁有行業(yè)資深人員組成的強(qiáng)大研發(fā)團(tuán)隊(duì),設(shè)計(jì)與提供給市場高競爭力的通用無線芯片和無線MCU芯片和方案。巨微2014年7月成立于上海張江,公司辦公總部和研發(fā)中心位于張江云飛大廈(長三角國家技術(shù)創(chuàng)新中心張江創(chuàng)新綜合體)。巨微核心團(tuán)隊(duì)具備19 年+芯片研發(fā)/市場營銷經(jīng)驗(yàn),擁有10億級(jí)以上出貨量的SOC/射頻/模擬芯片領(lǐng)域研發(fā)專家。公司具備完整自主演進(jìn)的芯片系統(tǒng)架構(gòu)和核心IP,技術(shù)能力覆蓋射頻、模擬、SOC和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì),公司創(chuàng)新的射頻“薪火”架構(gòu)通過軟硬件協(xié)同計(jì)算,實(shí)現(xiàn)靈活而廣泛的應(yīng)用適配,賦能碎片化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
(來源:巨微,作者:巨微-技術(shù)平臺(tái)部)
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