E-RSSI技術助力更精確的短距離測距應用

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2023-04-19 09:11:46 758

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。

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。

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。

實測的E-RSSI的效果

E-RSSI的技術實現的射頻，具有以下優點：

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，測量得到的差異小；
測量得到的RSSI值穩定，不會發生跳變。

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%。

在實際應用中E-RSSI的應用場景和優勢

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出的藍牙信號的RSSI值。
RSSI讀取：設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。