E-RSSI技术助力更精确的短距离测距应用

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2023-04-19 09:11:46 770

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。

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。

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。

巨微接收机架构中的E-RSSI（Enhanced RSSI）的实现方法

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。

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。

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。数据总结如下图。

由图中比较可见，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%。

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。