E-RSSI技術(shù)助力更精確的短距離測距應(yīng)用

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2023-04-19 09:11:46 757

RSSI的作用

RSSI是Received Signal Strength Indicator（接收信號強(qiáng)度指示器）的縮寫，用于測量接收到的信號強(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：

信號強(qiáng)度測量：通過測量接收到的信號強(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。
自動化控制：通過RSSI的測量，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動化控制。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，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)。

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)信號的量化。

過零檢測是一種常用的GFSK信號解調(diào)技術(shù)，它通過檢測信號中連續(xù)的過零檢測點(diǎn)來獲取調(diào)制信息。具體而言，當(dāng)GFSK信號的頻偏較小時(shí)，信號的過零檢測點(diǎn)會非常明顯。通過在接收端設(shè)置一個(gè)閾值，檢測到信號的過零檢測點(diǎn)后，就可以判斷信號的相位變化，并恢復(fù)出原始的調(diào)制信息。這種方法相對簡單，對硬件的要求較低，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的RSSI值。因?yàn)檫^零檢測是在基帶信號上進(jìn)行的，而基帶信號已經(jīng)經(jīng)過了解調(diào)和低通濾波，射頻信號的能量分布已經(jīng)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(shí)現(xiàn)中，通常通過一些間接的方法來估計(jì)射頻信號的能量和RSSI值。比如，圖中所描述的用一個(gè)射頻信號的帶通濾波器，將射頻信號限制在一個(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。

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：

高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換：可以提高數(shù)字信號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(lán)牙這種窄帶通信標(biāo)準(zhǔn)，有效的濾除帶外的信號，對于信號的解調(diào)和信號能量的評估尤為重要。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)牙的有效信號分布在1MHz的帶寬內(nèi)，在整個(gè)信號處理的過程中，保持信道內(nèi)的各個(gè)頻點(diǎn)的信號的延時(shí)相等，對于后面的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)。信號經(jīng)過信號等延時(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)后的有效信號來做的計(jì)算，而不是所有同頻信號。模擬和數(shù)字域多級中頻濾波器，對帶外干擾有更好的抑制。由于在結(jié)構(gòu)中沒有自動增益調(diào)節(jié)器，避免了模擬自動增益級帶來的工藝、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。

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(jié)果可以看出，對于相同設(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(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%。

在實(shí)際應(yīng)用中E-RSSI的應(yīng)用場景和優(yōu)勢

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：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。這個(gè)配對過程可以通過專用APP完成。在配對中，APP完成設(shè)備的尋找、選取和密鑰設(shè)置。同時(shí)，在配對過程中，方案商可以對距離和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)牙芯片在配對完成之后，會不斷掃描周邊已經(jīng)配對的手機(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)牙信號的RSSI值。
RSSI讀取：設(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)鎖動作。

在自動解鎖應(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。

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型號和特點(diǎn)：

在上述型號中，支持HID（應(yīng)用于后臺解鎖）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。

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