【導讀】RSSI是Received Signal Strength Indicator(接收信號強度指示器)的縮寫,用于測量接收到的信號強度。在低功耗藍牙設備中,RSSI也具有重要的作用。
一、RSSI的作用
RSSI是Received Signal Strength Indicator(接收信號強度指示器)的縮寫,用于測量接收到的信號強度。在低功耗藍牙設備中,RSSI也具有重要的作用,主要體現在以下幾個方面:
? 信號強度測量:通過測量接收到的信號強度,可以判斷兩個設備之間的距離遠近,從而進行定位和距離測量等應用。在低功耗藍牙設備中,RSSI通常用于確定設備之間的近距離連接,如近場支付、智能家居設備的控制等。
? 功耗控制:在低功耗藍牙設備中,電池壽命是一個非常重要的考慮因素。通過RSSI的測量,可以判斷設備之間的距離遠近,從而控制設備的發(fā)射功率,減少不必要的電量消耗,從而延長電池壽命。
? 自動化控制:通過RSSI的測量,可以實現設備的自動化控制。例如,當設備之間的距離達到一定的范圍時,可以自動觸發(fā)某個操作或切換到某個模式。
? 安全措施:在低功耗藍牙設備中,通過RSSI的測量,可以檢測到外部干擾或攻擊信號,從而采取相應的安全措施,保護設備和用戶的安全。
總之,RSSI在低功耗藍牙設備中具有重要的作用,可以幫助實現距離測量、功耗控制、自動化控制和安全措施等功能,從而提高設備的性能和用戶體驗。
二、常用藍牙接收機架構中實現RSSI的方法
RSSI的測量是通過檢測在藍牙信道中的有效信號能量的大小,通過計算所得的數值來表示。
下圖是一個當前低功耗藍牙芯片中最常用的接收機的架構。在該架構中,最關鍵的模塊是用高速零交叉(Zero Crossing)來實現信號的量化。
過零檢測是一種常用的GFSK信號解調技術,它通過檢測信號中連續(xù)的過零檢測點來獲取調制信息。具體而言,當GFSK信號的頻偏較小時,信號的過零檢測點會非常明顯。通過在接收端設置一個閾值,檢測到信號的過零檢測點后,就可以判斷信號的相位變化,并恢復出原始的調制信息。這種方法相對簡單,對硬件的要求較低,因此在實際應用中被廣泛采用。特別是在深亞微米的半導體集成電路工藝中,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,充分可以利用更高密度的數字電路的運算能力。因而,成為低功耗藍牙設計公司所采用的主流電路架構。然而在這種過零檢測的電路結構中,比較難直接測量射頻信號的RSSI值。因為過零檢測是在基帶信號上進行的,而基帶信號已經經過了解調和低通濾波,射頻信號的能量分布已經不同于原始的射頻信號,難以直接測量射頻信號的能量。因此在實現中,通常通過一些間接的方法來估計射頻信號的能量和RSSI值。比如,圖中所描述的用一個射頻信號的帶通濾波器,將射頻信號限制在一個較窄的頻帶內,然后通過一個可調增益放大器將信號放大到一個合適的范圍內,在此基礎上,用一個低精度的ADC,用于估測射頻信號的RSSI值。由于這種方法采用了可調增益放大器,其估算出來的RSSI值與實際的RSSI值之間的差異如下圖。紅色的是實際讀取的RSSI值;黑線是理想的RSSI值。
三、巨微接收機架構中的E-RSSI(Enhanced RSSI)的實現方法
不同于主流結構,巨微在自己的設計中,充分考慮到準確測量RSSI值的重要性,在接收端的低中頻架構中,采用一種增強型接收信號強度指示器(Enhanced Received Signal Strength Indicator,簡稱E-RSSI)。該技術采用高精度的中頻ADC(Analog to Digital Converter,模數轉換器)的方法,這種方法包括一個高精度復數域連續(xù)時間調制器(High resolution complex continuous sigma-delta modulator)和相應的濾波器。該結構具有以下優(yōu)勢:
? 高精度模擬數字轉換:可以提高數字信號的采樣精度和信噪比,從而避免了在ADC轉換之前的AGC造成的模擬增益偏差,進而提高GFSK解調的準確度和提高RSSI的檢測精度。特別是在BLE通信中,因為BLE信號帶寬比較窄,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態(tài)范圍。
? 高精度帶通濾波:對于低功耗藍牙這種窄帶通信標準,有效的濾除帶外的信號,對于信號的解調和信號能量的評估尤為重要。RSSI計算在數字域完成,精確穩(wěn)定;不受工藝偏移影響。
? 最小帶內群延時(Group Delay)誤差:由于藍牙的有效信號分布在1MHz的帶寬內,在整個信號處理的過程中,保持信道內的各個頻點的信號的延時相等,對于后面的GFSK解調尤為重要。巨微實現電路中,在濾波器的選取和參數設計上,保證了最小的群延時特點。信號經過信號等延時濾波器,保持相位信息,易于同一時間點的能量計算。
? GFSK解調與RSSI計算在同一時間點進行,測量準確,不受同頻干擾影響。
在上述的設計基礎上,整個接收端的RSSI的實際測量性能與理想性能的比較如如圖。紅色的是實際讀取的RSSI值;黑線是理想的RSSI值。對比主流的RSSI測量性能,顯然有明顯的提升。
然而,集成復數模擬信號中頻濾波器的高精度ADC并不是沒有代價的。首先,它結構復雜,設計難度大,需要克服穩(wěn)定性、工藝漂移等技術問題,需要設計人員有很好的理論基礎和實踐經驗。同時,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后的有效信號來做的計算,而不是所有同頻信號。模擬和數字域多級中頻濾波器,對帶外干擾有更好的抑制。由于在結構中沒有自動增益調節(jié)器,避免了模擬自動增益級帶來的工藝、延時的誤差。同時,采用高精度ADC,完整保持了射頻有效信息,在RSSI計算中保持更高精度。
四、實測的E-RSSI的效果
E-RSSI的技術實現的射頻,具有以下優(yōu)點:
? 芯片出廠的RSSI測量基準一致性好,差異小,易于產品方案成型后的距離校準;
? 在不同溫度、電壓下,測量得到的差異??;
? 測量得到的RSSI值穩(wěn)定,不會發(fā)生跳變。
以下是針對同一批次晶圓的不同芯片,做了相同輸入的信號幅度,讀取RSSI值的對比。從結果可以看出,對于相同設計的PCB和封裝芯片,在相同的輸入藍牙信號的情況下,不同的芯片讀出的RSSI值接近相同。
下圖是對比上述三顆芯片的RSSI值讀數與平均值的差異,結果可見:芯片之間的讀數差異在±1左右,接近相同。
同時,巨微選取過去3年中,幾批工藝參數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。數據總結如下圖。
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、封裝的不同設計,導致的信號衰減不一樣。這代表利用E-RSSI技術,如果在產品端做出廠校準,最終產品可以完全實現RSSI值測量的可重復性和一致性。
經過長時間驗證,用E-RSSI技術和HID協議棧,在無感解鎖的應用場景下,其一致性接近100%。
五、在實際應用中E-RSSI的應用場景和優(yōu)勢
下圖是典型的利用RSSI和HID協議,在兩輪車的無感解鎖中的應用。在該應用中,當手機靠近兩輪車時,嵌入在兩輪車中的藍牙模塊通過讀取接收到的手機發(fā)出的RSSI值,來判斷手機距離的遠近,從而決定是否開鎖或關鎖。
常用的系統(tǒng)操作流程如下:
? 配對:將車主的手機與目標產品(比如:兩輪車)的藍牙模塊進行藍牙配對。這個配對過程可以通過專用APP完成。在配對中,APP完成設備的尋找、選取和密鑰設置。同時,在配對過程中,方案商可以對距離和RSSI值之間做校準,并通過藍牙連接更新到目標產品中。配對完成之后,手機和目標產品之間將建立智能鑰匙的功能。該配對連接是基于HID協議,并且在操作系統(tǒng)底層得到支持。
? 連接HID設備:設備的藍牙芯片在配對完成之后,會不斷掃描周邊已經配對的手機,并試圖與斷開的手機重新建立HID連接。當手機在設備藍牙的掃描范圍之內后,手機和設備重新建立連接。此時,設備開始讀取手機發(fā)出的藍牙信號的RSSI值。
? RSSI讀?。涸O備端的藍牙芯片與建立好HID連接的手機之間,不斷的交換信息,同時,設備的藍牙通過巨微芯片的E-RSSI結構讀取RSSI值,并以此判斷手機與設備之間的距離。
? 解鎖:當RSSI值高于預設的值,設備判斷為距離足夠近,并實施解鎖動作。
? 關鎖:當RSSI值小于預設的值,設備判斷為距離足夠遠,并實施關鎖動作。
在自動解鎖應用中,以電瓶車為例,無感智能鑰匙的體驗需要:
? 用RSSI值來解鎖的重復性和一致性;
? RSSI值的大小不易被同頻干擾影響;
? 與HID協議配合,可以實現后臺加密、解鎖;
? 客戶可以自己配置解鎖距離;
? 方案公司可以自己標定解鎖距離;
? 不需要后臺駐留APP或小程序;
? 手機兼容性好。
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用場景。
在汽車T-Box上的典型應用
? MS1682承擔T-Box內部的主控、存儲和藍牙;
? MS1658完成定位錨點(Anchor)的功能;
在這種架構下,巨微的MS1682通過藍牙與各個錨點芯片(Anchor-1、Anchor-2,...)建立連接,并根據RSSI的讀數來計算手機與車體的實際距離。當手機接近或離開車體到設定值之后,啟動解鎖或關鎖。
在兩輪車解鎖模塊(報警器、儀表盤)的典型應用有下面兩種典型形態(tài)。
? 主控MCU還是用系統(tǒng)原有的。
? 用兩個藍牙芯片做錨點(anchor)來提升定位精度;其中一個錨點芯片視成本需求,可以省掉。
? 用MS1642替代主控MCU,同時做錨點;
? 另一個MS1642做錨點,該芯片視成本需求,可以省掉。
在上述實現中,兩個錨點(或一個)將讀到的手機發(fā)射的藍牙RSSI值,進行計算,并根據估計的距離來實現解鎖或關鎖。
六、巨微相關產品信息
巨微現有芯片中支持E-RSSI 的藍牙MCU型號和特點:
在上述型號中,支持HID(應用于后臺解鎖)和OTA(應用于現場校準)功能的芯片,特別適合像接近無感解鎖這樣的應用場景。
同時,我們提供下列設計套件。
關于巨微
巨微集成電路是一家技術領先、擁有全面底層芯片技術的芯片設計公司,公司擁有行業(yè)資深人員組成的強大研發(fā)團隊,設計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(長三角國家技術創(chuàng)新中心張江創(chuàng)新綜合體)。巨微核心團隊具備19 年+芯片研發(fā)/市場營銷經驗,擁有10億級以上出貨量的SOC/射頻/模擬芯片領域研發(fā)專家。公司具備完整自主演進的芯片系統(tǒng)架構和核心IP,技術能力覆蓋射頻、模擬、SOC和系統(tǒng)軟件的設計,公司創(chuàng)新的射頻“薪火”架構通過軟硬件協同計算,實現靈活而廣泛的應用適配,賦能碎片化物聯網應用。
(來源:巨微,作者:巨微-技術平臺部)
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