E-RSSI技术助力更精确的短距离测距应用

采编：Admin 来源：互联网发布时间：2023-04-18 11:46:49

一、RSSI的作用

RSSI是Received Signal Strength Indicator(接收信号强度指示器)的缩写,用于测量接收到的信号强度。在低功耗蓝牙设备中,RSSI也具有重要的作用,主要体现在以下几个方面:

信号强度测量:通过测量接收到的信号强度,可以判断两个设备之间的距离远近,从而进行定位和距离测量等应用。在低功耗蓝牙设备中,RSSI通常用于确定设备之间的近距离连接,如近场支付、智能家居设备的控制等。

功耗控制:在低功耗蓝牙设备中,电池寿命是一个非常重要的考虑因素。通过RSSI的测量,可以判断设备之间的距离远近,从而控制设备的发射功率,减少不必要的电量消耗,从而延长电池寿命。

自动化控制:通过RSSI的测量,可以实现设备的自动化控制。例如,当设备之间的距离达到一定的范围时,可以自动触发某个操作或切换到某个模式。

安全措施:在低功耗蓝牙设备中,通过RSSI的测量,可以检测到外部干扰或攻击信号,从而采取相应的安全措施,保护设备和用户的安全。

总之,RSSI在低功耗蓝牙设备中具有重要的作用,可以帮助实现距离测量、功耗控制、自动化控制和安全措施等功能,从而提高设备的性能和用户体验。

二、常用蓝牙接收机架构中实现RSSI的方法

RSSI的测量是通过检测在蓝牙信道中的有效信号能量的大小,通过计算所得的数值来表示。

下图是一个当前低功耗蓝牙芯片中最常用的接收机的架构。在该架构中,最关键的模块是用高速零交叉(Zero Crossing)来实现信号的量化。

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过零检测是一种常用的GFSK信号解调技术,它通过检测信号中连续的过零检测点来获取调制信息。具体而言,当GFSK信号的频偏较小时,信号的过零检测点会非常明显。通过在接收端设置一个阈值,检测到信号的过零检测点后,就可以判断信号的相位变化,并恢复出原始的调制信息。这种方法相对简单,对硬件的要求较低,因此在实际应用中被广泛采用。特别是在深亚微米的半导体集成电路工艺中,比如55nm以下的工艺中,由于晶体管的开关速度得到大大提升,这种方法可以大大降低芯片的成本和功耗,同时,充分可以利用更高密度的数字电路的运算能力。因而,成为低功耗蓝牙设计公司所采用的主流电路架构。然而在这种过零检测的电路结构中,比较难直接测量射频信号的RSSI值。因为过零检测是在基带信号上进行的,而基带信号已经经过了解调和低通滤波,射频信号的能量分布已经不同于原始的射频信号,难以直接测量射频信号的能量。因此在实现中,通常通过一些间接的方法来估计射频信号的能量和RSSI值。比如,图中所描述的用一个射频信号的带通滤波器,将射频信号限制在一个较窄的频带内,然后通过一个可调增益放大器将信号放大到一个合适的范围内,在此基础上,用一个低精度的ADC,用于估测射频信号的RSSI值。由于这种方法采用了可调增益放大器,其估算出来的RSSI值与实际的RSSI值之间的差异如下图。红色的是实际读取的RSSI值;黑线是理想的RSSI值。

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三、巨微接收机架构中的E-RSSI(Enhanced RSSI)的实现方法

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不同于主流结构,巨微在自己的设计中,充分考虑到准确测量RSSI值的重要性,在接收端的低中频架构中,采用一种增强型接收信号强度指示器(Enhanced Received Signal Strength Indicator,简称E-RSSI)。该技术采用高精度的中频ADC(Analog to Digital Converter,模数转换器)的方法,这种方法包括一个高精度复数域连续时间调制器(High resolution complex continuous sigma-delta modulator)和相应的滤波器。该结构具有以下优势:

高精度模拟数字转换:可以提高数字信号的采样精度和信噪比,从而避免了在ADC转换之前的AGC造成的模拟增益偏差,进而提高GFSK解调的准确度和提高RSSI的检测精度。特别是在BLE通信中,因为BLE信号带宽比较窄,通常在1MHz以下,所以需要使用高分辨率的ADC来确保采样精度和动态范围。

高精度带通滤波:对于低功耗蓝牙这种窄带通信标准,有效的滤除带外的信号,对于信号的解调和信号能量的评估尤为重要。RSSI计算在数字域完成,精确稳定;不受工艺偏移影响。

最小带内群延时(Group Delay)误差:由于蓝牙的有效信号分布在1MHz的带宽内,在整个信号处理的过程中,保持信道内的各个频点的信号的延时相等,对于后面的GFSK解调尤为重要。巨微实现电路中,在滤波器的选取和参数设计上,保证了最小的群延时特点。信号经过信号等延时滤波器,保持相位信息,易于同一时间点的能量计算。

GFSK解调与RSSI计算在同一时间点进行,测量准确,不受同频干扰影响。

在上述的设计基础上,整个接收端的RSSI的实际测量性能与理想性能的比较如如图。红色的是实际读取的RSSI值;黑线是理想的RSSI值。对比主流的RSSI测量性能,显然有明显的提升。

然而,集成复数模拟信号中频滤波器的高精度ADC并不是没有代价的。首先,它结构复杂,设计难度大,需要克服稳定性、工艺漂移等技术问题,需要设计人员有很好的理论基础和实践经验。同时,由于成本高,功耗偏大,不利于深亚微米集成。

E-RSSI的测量值是基于解调后的有效信号来做的计算,而不是所有同频信号。模拟和数字域多级中频滤波器,对带外干扰有更好的抑制。由于在结构中没有自动增益调节器,避免了模拟自动增益级带来的工艺、延时的误差。同时,采用高精度ADC,完整保持了射频有效信息,在RSSI计算中保持更高精度。

四、实测的E-RSSI的效果

E-RSSI的技术实现的射频,具有以下优点:

芯片出厂的RSSI测量基准一致性好,差异小,易于产品方案成型后的距离校准;

在不同温度、电压下,测量得到的差异小;

测量得到的RSSI值稳定,不会发生跳变。

以下是针对同一批次晶圆的不同芯片,做了相同输入的信号幅度,读取RSSI值的对比。从结果可以看出,对于相同设计的PCB和封装芯片,在相同的输入蓝牙信号的情况下,不同的芯片读出的RSSI值接近相同。

下图是对比上述三颗芯片的RSSI值读数与平均值的差异,结果可见:芯片之间的读数差异在±1左右,接近相同。

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同时,巨微选取过去3年中,几批工艺参数不同的晶圆封装的芯片,其晶圆磨划、封装打线、测试模块形状和嵌入的系统程序都有较大差异。不同的芯片,在RSSI值的变化斜率上接近相同,其差异在于天线、封装的不同设计,导致的信号衰减不一样。这代表利用E-RSSI技术,如果在产品端做出厂校准,最终产品可以完全实现RSSI值测量的可重复性和一致性。

经过长时间验证,用E-RSSI技术和HID协议栈,在无感解锁的应用场景下,其一致性接近100%。

五、在实际应用中E-RSSI的应用场景和优势

下图是典型的利用RSSI和HID协议,在两轮车的无感解锁中的应用。在该应用中,当手机靠近两轮车时,嵌入在两轮车中的蓝牙模块通过读取接收到的手机发出的RSSI值,来判断手机距离的远近,从而决定是否开锁或关锁。

常用的系统操作流程如下:

配对:将车主的手机与目标产品(比如:两轮车)的蓝牙模块进行蓝牙配对。这个配对过程可以通过专用APP完成。在配对中,APP完成设备的寻找、选取和密钥设置。同时,在配对过程中,方案商可以对距离和RSSI值之间做校准,并通过蓝牙连接更新到目标产品中。配对完成之后,手机和目标产品之间将建立智能钥匙的功能。该配对连接是基于HID协议,并且在操作系统底层得到支持。

连接HID设备:设备的蓝牙芯片在配对完成之后,会不断扫描周边已经配对的手机,并试图与断开的手机重新建立HID连接。当手机在设备蓝牙的扫描范围之内后,手机和设备重新建立连接。此时,设备开始读取手机发出的蓝牙信号的RSSI值。

RSSI读取:设备端的蓝牙芯片与建立好HID连接的手机之间,不断的交换信息,同时,设备的蓝牙通过巨微芯片的E-RSSI结构读取RSSI值,并以此判断手机与设备之间的距离。

解锁:当RSSI值高于预设的值,设备判断为距离足够近,并实施解锁动作。

关锁:当RSSI值小于预设的值,设备判断为距离足够远,并实施关锁动作。

在自动解锁应用中,以电瓶车为例,无感智能钥匙的体验需要:

用RSSI值来解锁的重复性和一致性;

RSSI值的大小不易被同频干扰影响;

与HID协议配合,可以实现后台加密、解锁;

客户可以自己配置解锁距离;

方案公司可以自己标定解锁距离;

不需要后台驻留APP或小程序;

手机兼容性好。