1GHz以下未授權的工業、科學與醫療(Industrial, Scientific and Medical, ISM)頻段廣泛地應用於消費性、工業等領域，這些應用對於長距離、系統成本和電池長效性等條件的要求特別嚴苛。
這些市場區隔中的應用極為多樣化，包括家庭自動化、安全、工業控制、遠端感測、自動水電表讀取、玩具、氣象觀測站及其他各類消費性電子應用。1GHz以下的ISM頻段有優良的傳輸特性，具備更大的可擴充使用範圍，且其運作的功率消耗遠低於現行的2.4GHz方案。此外，與相對應的2.4GHz解決方案相比，1GHz以下頻段不受微波、無線區域網路(Wi-Fi)和藍牙(Bluetooth)的干擾，使得連結更為實質可靠。
調和高效能/低成本/低功耗
設計消費性電子和工業應用所需收發器最大的技術挑戰在於，如何管理高效能和低成本、低功耗這些互相抵觸 的目標。芯科實驗室(Silicon Laboratories)全新的EZRadioPRO產品線可解決上述問題，在最小化物料清單(BOM)成本、降低系統成本的同時，還提供優異的效能和電流消耗表現。
EZRadioPRO引以為豪的關鍵優勢適用於嚴苛的系統參數、範圍/鏈路預算、電流消耗和系統材料清單成本。此外，還提供這些參數所需的重要優點，就通道選擇過濾、模組化格式、模組化參數、頻寬最大化和封包處理特性等面向，EZRadioPRO具備高度可組態和彈性的特點。這種高度可組態性讓用戶能在廣泛而多樣的應用中輕易地提供大幅客製化選擇。圖1的線路顯示採用天線分集(Antenna Diversity)的典型應用。
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| 圖1 具備天線分集和跳頻功能的+20dBm應用 |
拓展頻段範圍 改善鏈路預算
EZRadioPRO是一個在無線感測器中具備完全整合功率放大器的解決方案，可提供最高達+20dBm的增益並且內建天線分集演算法。+20dBm的功率放大器是針對高效率而設計，如此TX電流消耗才不會大幅地影響電池壽命。此功率放大器採用Class E設計，是為了同時達成低功耗和高輸出功率兩個原本背道而馳的目標。解決部分電路設計的問題後，再結合極大化的印刷電路板(PCB)組態，透過使用標準的互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程，就能達成高效率的輸出功率。
此系列產品針對高功率ISM應用的重大突破是，符合FCC Part 15.247規範對於跳頻和數位模組的要求。對於需要低輸出的應用，EZRadioPRO產品線還提供功率放大器設計，最高可達+13dBm，以維持高效率的表現水準。
除了高效率的功率放大器選擇外，EZRadioPRO系列還提供同類型產品中最佳 -118dBm的靈敏度，藉此得以提供最大的鏈路預算。但即便發揮次GHz和大鏈路預算的優勢，次GHz使用範圍仍不免受到多路徑衰減(Multi-path Fading)和干擾的影響。
多路徑衰減肇因於接收多重方向的傳送訊號，通常是由其他物體如人體、牆壁、樹木等的訊號反射所引起，而訊號反射會在接收天線端導致訊號終止或衰減。反制多路徑衰減的標準方法是使用天線分集，該分集係根據先進的科學論文和實驗，能在典型的多路徑衰減環境中，增加恢復鏈路預算達8～10dB。
Simple Link Budget=PTX－PRX＋PANTDIV
範例： Simple Link Budget=+20dBm－(-118dBm)+ ~10dBm
參數意義：
PTX：Transmitter Output Power
PRX：Receiver Sensitivity
PANTDIV：Recovered Signal by Antenna Diversity
然而，在大部分的狀況中，天線分集並不常被採用，因為此方案軟體運算非常密集，造成較大的微控制器(MCU)作用次數(On-times)，進而增加對微控制器的規格要求和更大的整體系統電流消耗。
EZRadioPRO系列是為了達到各種ISM頻段的最大範圍而設計，毋須使用昂貴的外部功率放大器或低雜訊放大器。經由多種前端改善的鏈路預算，包括增益達+20dBm的高效率功率放大器、靈敏度達-118dBm的低雜訊和高線性接收器前端、靈敏的高效能數位GFSK/FSK/OOK數據機及高整合天線分集演算法，且毋須藉由微處理器負載來恢復受到多路徑衰減影響的鏈路預算。
支援最低電流消耗 延長電池使用
無線市場區隔中的多數應用都是透過電池供電，在選擇射頻元件時，電流消耗便成為嚴苛的首要評估參數。透過最低電流消耗的深眠模式(Deep Sleep Mode)來延長電池續航力已行之有年，與市場上其他ISM接收器相比，EZRadioPRO指標性地將電流消耗減少到十分之一。
而接收電流消耗，則是大部分接收器設計的次要考慮參數，特別是無線電元件須耗費大量時間搜索和輪詢可用且有效的訊號以供應用。在大 部分的應用中，通常透過最小電流消耗的低頻 時脈來維持裝置上不同節點間的時序。EZRadioPRO系列提供多樣化的低功率模式，包括32kHz RC振盪器、32kHz XTAL振盪器及感測器控制，皆支援最低電流消耗模式以延長電池使用時間。
整合功率放大器降低系統成本
EZRadioPRO的開發以降低系統成本為依歸。多數應用中，額外的外部元件主導了材料清單成本，而為了達到更遠的使用範圍，通常要外加功率放大器，因此導致0.5美元的額外花費。EZRadioPRO提供完全整合的+20dBm功率放 大器，和其他依賴外部功率放大器的解決方案相比，大幅減少系統成本。與常見的+10dBm功率放大器搭配高調諧天線相比，如果終端應用並未要求+20dBm的增益，額外的輸出功率就可用來補償小型、低成本、低等向輻射功率天線，以低成本卻可達到同樣的使用範圍。
EZRadioPRO的特色包括強大的封包處理程序，得以使用低成本的微處理器；而自動功率合成器，則讓用戶可以使用頻率容差較寬鬆的低成本石英振盪器。其他的特性還包括具備溫度感測器、通用型類比數位轉換器(ADC)及完全整合穩壓器的射頻晶片，以支援各種類型的潛在應用。EZRadioPRO的高度線性前端，與其數位通道選擇濾波器一起，巧妙地規避了常見於其他解決方案中接收路徑對於精密表面聲波濾波器的需求。多數具競爭力的解決方案通常會需要一個外部表面聲波濾波器，以符合混附訊號效能(Spurious Performance)的規範性要求。而外部表面聲波 濾波器往往造成材料清單成本居高不下，EZRadioPRO無需外部表面聲波濾波器，而是透過建置數量有限的常用被動元件如電阻、電容，達到同樣要求的過濾和匹配效用。其他優點則經整合進一步降低系統成本，包括具備可程式閾值的低電力感測、通用型8位元ADC、可編程時序的溫度感測器、超低功耗喚醒計時器及自動週期接收掃描所需的低工作週期模式。另外，並且針對多種應用如天線分集、可程式時脈輸出、阻斷輸入(Interrupt Input)的需求，提供三個通用型輸入輸出(GPIO)接腳。
高靈敏度最佳化 避免無謂干擾
EZRadioPRO的架構和方塊圖設計經審慎選擇以提供出色的低電流消耗表現。圖2即為接收器架構概要。
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| 圖2 EZRadioPRO 架構方塊圖 |
EZRadioPRO接收器架構針對高靈敏度進行最佳化，並且對於干擾高度免疫。至於窄頻應用，靈敏度最低可達118dBm，無需外部低雜訊放大器(LNA)。而70dB阻斷器的干擾免疫力，是透過高度最佳化低雜訊放大器、正交混波器(Quadrature Mixer)、可程式增益放大器(Programmable Gain Amplifier)和ADC的類比設計來實現，通道選擇和數據機靈敏度則是在數位網域(Digital Domain)中執行。這樣的分割化處理有助於進行效能、功率消耗和系統成本最佳化，而動態範圍可進一步透過低雜訊放大器和可程式增益放大器的幾個增益步階(Gain Steps)來擴充。增益步階是由自動增益電路控制，並可將無線訊號強度指標(RSSI)範圍擴充至120dB。
數位數據機的主要功能包括通道選擇過濾、調變暨解調、自動增益控制(Automatic Gain Control, AGC)、自動頻率檢驗(Automatic Frequency Calibration, AFC)、天線分集演算法和封包處理。通道選擇濾波器、調變暨解調區塊都能夠編程以涵蓋大範圍的應用。通道選擇濾波器也是可編程，頻寬範圍最小2.6kHz到最大620kHz，同時支援窄頻和寬頻ISM應用。此外，還支援GFSK、FSK和OOK三種調變模式。傳輸率亦可透過程式調整，從1k～128kbit/s，GFSK/FSK位差調整亦為可程式化，從625Hz到320kHz。
高斯濾波器亦被整合在其中，減少邊頻發射以符合規範性要求，並同時供應數位無線訊號強度指標，解析度為0.5dB。載波感應功能具備可程式閥值以支援淨空頻道評估(Clear Channel Assessment)和載波偵聽(Listen Before Talk)應用。AFC電路則能夠補償石英振盪器空白容差造成的頻率錯誤，讓用戶能採用成本低廉、容差較大的石英振盪器。拜可靠的封包擷取演算法之賜，接收器能在僅為8位元的前導序列(Preamble)即可定置。OOK模式則能與寬通道濾波頻寬結合，最高可達620kHz，以因應傳輸訊號過程中的大型的頻率錯誤，在低成本的傳輸器上實現此功能。
嵌入式天線分集設計獨具一格
EZRadioPRO系列最獨具一格的功能是嵌入式天線分集，對低成本ISM收發器的設計而言，是極重大的突破。當裝置中存在兩個天線時，天線分集演算法會自動選擇接收到較強訊號的天線，並將鏈路預算恢復為8～10dB。整合封包處理器的優點多不勝數，例如縮短開發時間並得以使用成本較低的微處理器。前導序列長度、同步字元(Synchronization Word)、標頭、封包長度和循環多餘碼檢查(CRC)都自串列周邊介面(SPI)密集地進行編程。以每64位元區隔TX和RX FIFO，便能簡化外部控制器和EZRadioPRO之間的通訊。另外還加入重複傳輸的功能以重複傳輸封包，而毋須在TX FIFO中再度載入資料。標頭長度可以程式修改，最長可達4位元組(Byte)，可容許全面性的封包過濾和播送。封包標頭還支援資料白化/去白化(Whitening/De-whitening)以及曼徹斯特編/解碼(Manchester Coding/Decoding)。
分數-N型鎖相迴路可將發送器和接收器解調至用戶想要的頻道，EZRadioPRO系列是唯一可提供持續性覆蓋率的解決方案，涵蓋240M～960MHz整個次GHz ISM頻段。對頻段和標準不斷推陳出新的無線通訊產業來說，無異省下額外的研發資源。透過使用單一LC-VCO以及可組態分割計畫，便能克服覆蓋大範圍且持續的頻率範圍的挑戰。
一個在高頻段、良好的312.5Hz解決方案和低頻段156.25Hz，有助於導正GFSK/FSK調變和通道諧調。通道解析度的選擇，則能精確諧調各種常見的通道空間，例如10kHz、12.5kHz和100kHz等。其他額外的編程特色亦被整合，以支援經簡化的頻率編程。這個概念涉及定義通道距離(Channel Step)尺寸和基本頻率，簡單地透過SPI介面將通道數編程到單一登錄，就能接取想要的通道。分數-N型鎖相迴路的快速安置時間支援跳頻和接收傳送快速回復時間，反之亦然。傳送輸出訊號的高度頻譜純度，得以使用高階的輸出功率，而不至違反頻譜遮罩的規範。
綜而觀之，藉由提供更高的效率、更多功能並同時維持低功耗和低成本，此收發器扮演技術進展推手的角色。
(本文作者為芯科實驗室行銷經理)