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温度变化对无线数据收发影响

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 楼主| rfdt1000 发表于 2008-3-23 17:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
温度, 无线数据收发, PPM, 晶振, PLL
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;现在的流行无线数据收发IC几乎普遍采用晶振+PLL+超外差电路。采用晶振+PLL的一个重要原因是想获得高稳定射频。但是晶振+PLL电路能不能满足要求呢？恐怕很难。<br /><br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;首先我们看看晶振+PLL电路温度特性：晶振+PLL电路合成的射频频率和晶振的频率是成正比的，晶振+PLL电路的频率稳定性决定于晶振。晶振有LC、Y和AC等三种切型，其中LC、Y型的温度系数是100ppm,AC型约为20ppm-30ppm,下面我们计算一下温度漂移会造成频率飘移：<br /><br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;晶振&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;频段&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;温度变化&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;频率变化<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;100ppm&nbsp;&nbsp;315M&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;40&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.26M<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;100ppm&nbsp;&nbsp;433M&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;40&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;1.733M<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;100ppm&nbsp;&nbsp;868M&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;40&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;3.4720M<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;100ppm&nbsp;&nbsp;915M&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;40&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;3.66M&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;20ppm&nbsp;&nbsp;&nbsp;315M&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;40&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;252K<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;20ppm&nbsp;&nbsp;&nbsp;433M&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;40&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;346.4K<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;20ppm&nbsp;&nbsp;&nbsp;868M&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;40&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;694.4K<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;20ppm&nbsp;&nbsp;&nbsp;915M&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;40&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;732K&nbsp;<br /><br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;再来看看频率变化对接收有什么影响：我们看看一组芯片资料<br /><br /><br />----IC1<br /><br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;中频带宽&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;130&nbsp;KHZ&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;频道间隔&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;153.6KHZ<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;邻道选择&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;32db<br /><br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;<br />----IC2<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;中频带宽&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;175KHZ&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;邻道选择&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;不详<br /><br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;由以上数据我们看出,当收发两端温度差达到40度时,将引起多大的增益变化.那么像诸如&quot;此时能用,彼时不能用;此地能用,彼地不能用&quot;的&quot;环境问题&quot;就不难理解了.
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chunyang 发表于 2008-3-23 18:55 | 显示全部楼层

如果直接晶体本振倍频的话楼主的说法成立，不过事情不是

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;现实中，基于PLL技术的现代RF芯片已非常少见无补偿的简单PLL设计，一个典型的PLL包括一个低漂移的参考振荡源（完全片内资源，无需外部介入）和VCO，芯片上电时内电路是有先后次序的，本振优先，待本振稳定后有的设计是自动根据参考源校正有的则需要人工干预操作，校正办法是通过测量本振频率与参考源做比较，然后通过负反馈调节VCO实现高精度的频率合成，一个调节后的典型本振误差指标小于等于1KHz（极其一般的指标），全工作温度范围。<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;实际使用中，为获得良好的耐温变参数还有很多针对具体芯片型号的技巧，可以在完全不增加任何附加成本的前提下，仅仅利用芯片自身的设计特性实现耐受全工作温度范围内的波动。比如：随机抽取样品，一个置入极限低温，一个置于极限高温，通讯无误；或者，开始二者同温，然后一个升温至极限高温，一个降温至极限低温，整个温变过程通讯畅通，现代PLL射频芯片工作温度范围的温差可不止40度啊。<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;以上指标可以在任何目前主流PLL型无线芯片（可以微步长调节频率的，这说明了芯片的结构）上实现，当然具体个案的工艺会有不同，技巧而已，有心者通过前述提示应能悟出实施方法。这还是简单廉价型PLL无线芯片所采取的技术手段，高端通讯产品会有更复杂、有效、快速的应对技术，总体而言，正是因为避免了大量使用高精度、低温飘的本振系统，无线产品才变得越来越小，越来越便宜，若非如此，手机等大宗微型无线产品根本就不会出现。<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;想当年（1990S初），我设计了国内第一代无线抄表系统，用全模拟技术实现的窄带数传无线信道，晶体本振直接倍频，其它都好，就是温变受不了，这极大的制约了该产品的推广，但技术在进步，当年的难题现在的小菜。<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;再补充一点，以上只是针对温度/频率偏差校正的直接方法，还有间接的所谓提高“耐受力”的方法，比如AFC等，多一种手段多一份机会，尽量一起用，别硬扛。
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 楼主| rfdt1000 发表于 2008-3-24 16:06 | 显示全部楼层

温度变化对无线数据收发影响

我在上文中列举了一些数据，用以说明&nbsp;晶振+PLL电路结构不能满足&nbsp;在315-915MH频段无线数传的要求。这就要看看超外差工作原理和特点了，同时也要看看无线数传的特点：<br /><br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;超外差原理和特点：超外差是利用本机震荡信号和接收到的远端信号进行混频形成第一、二中频，为了提高灵敏度不得不将中频带宽压缩到一定值，对于现在流行的无线数传IC来说，这个值大概在100K-200K之间。这也要求远端信号和本振信号的差值必须稳定在100K-200K。这个要求在315-915M段是很严厉的，因为100K/315M=317ppm,&nbsp;远远小于晶振在40度范围的温飘100*40&nbsp;或20*40.超外差要求有更高的稳定度.<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;无线数传的特点和要求:<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;间断性:&nbsp;间断性就是指令之间有间断,整个通讯完成后信号中断.在间断期间我们无法知道各个通讯终端的温度是否变化(变高,变低,变多少,或者不变).<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;互联性:&nbsp;在绝大多数情况下多机通讯<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;免值守:&nbsp;不可能像收音机那样人手一机.不行就调.收音机是一种&quot;从机&quot;找&quot;主机&quot;,收音机的调节是并行的.<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;主从性:&nbsp;而手机的机站只起中转站作用.也是&quot;从机&quot;找&quot;主站&quot;,手机的调节是自动的,但是却是并行的.<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;现在我们从以上特点分析一下无线数传中的一些新技术是否可行：&nbsp;<br /><br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;模拟VCO：一些全数字频率合成由于分辨率问题（比如有的是250K）根本无法对准它所标称的带宽,所以&quot;返璞归真&quot;了,提出了模拟的VCO,但也只是提高了分辨率(或步进值),这也只能是在出厂调试时能调的很准.出厂以后呢?<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;跳频:&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;这恐怕就是所谓&quot;间接的所谓提高耐受力的方法&quot;.跳频是为解决干扰问题提出的,一遇到干扰双方一起按照统一的规则跳,以尽快恢复通讯.但是它有个条件就是干扰两侧是安全的.但是温度引起的频骗如此巨大,再由于数传的间断性,当主机试图发起一次通讯时,对方根本毫无感觉,不能与主机配合,主机也只好在几个甚至几十个频道当中&quot;穷举&quot;搜索,并且为了&quot;对准&quot;对方,还要降低步进值.最后找到对方时已经耗费巨多的时间,&nbsp;再联系到&quot;多机互联&quot;,每个都这样找来找去,他承诺的&quot;高空中速度&quot;恐怕就真的被耗空了.虽然单机通讯温度适应性还可以做到&quot;一个置入极限低温，一个置于极限高温&quot;,但是多机通讯呢?毕竟主机不知道每个从机的环境温度.它不得不找.<br /><br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;AFC:&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;AFC应用在许多长时间接收领域应用很成功也很合理,因为频率一旦被AFC锁定就跑不了了,只能解决在一次通讯中的温度漂移.但是在无线数传中它的效果很有限,只是因为AFC通常是从第一二中放之后引出,同样受到中频带宽的制约.当主机试图发起一次通讯(间断性),如果频率偏离太大,第一二中放之后根本没有信号,它如何自动频率控制呢?所以寻找从机的任务依然是&quot;穷举&quot;搜索.<br /><br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;温度补偿:效果很有限,也不容易.最多跳1000个ppm.精度是多少就更难说了.<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;恒温:&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;切,不用说了.<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;数字温度补偿:&nbsp;谁敢用.
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木头东瓜 发表于 2008-3-24 16:42 | 显示全部楼层

真受不了了

你牛用声表做几个能稍微跳跳频的的看看？<br />人家用晶体的好歹能微调频率了<br />你除了定制声表还有别的招么？<br />一分价钱一分货，又不是没人买你的声表做得玩意儿，一个劲地说用PLL的IC不行，难道全世界的工程师都没你厉害？<br />还有，拜托发言之前先看看典型的PLL电路的构造吧，PLL不是简单的晶体倍频，你那种算法是错误的
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chunyang 发表于 2008-3-24 17:43 | 显示全部楼层

整个一方向性错误

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;还是先回到逻辑上来，基于PLL基础的工业无线网络/点对多点的抄表网络等都是连续运行的，各节点间的温差可能会很大，季节、环境等都是影响因素且在不断的变化中，试问，有多少这样的无线设备在运行中？如果存在楼主所说的问题那就应该是天下公知的非常普遍的问题，甚至说有这样普遍的严重问题根本就不应该存在基于PLL的工业无线网络和抄表系统，所以单凭逻辑无关技术即可得出结论一定是有什么地方不对，要么PLL系统的那些应用是假的，要么楼主的结论不真，类似的例子还很多。<br />&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;我在其它回帖中就提到了采用逻辑来判断，这无需懂得相关技术即可得到准确结论，不过楼主看来对“逻辑推定无需懂技术”的理解有误，在此再说明一遍。
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 楼主| rfdt1000 发表于 2008-3-26 07:30 | 显示全部楼层

等一下哦

又一批板子贴出来了,在调.很快就好,不用等太久.俺还有话说哦&nbsp;
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sunlight 发表于 2008-3-29 12:31 | 显示全部楼层

楼主理解有问题！

PLL应该和晶体的稳定度一样的，20PPM的晶体考虑到温度变化也就70PPM左右<br />对于315MHZ，频率偏移应在+/-22.05KHZ,现在SAW振荡器在整个温度范围的频率<br />偏差可达到300PPM（包括起始偏差，总的偏差可做到+/-50KHZ），
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ayin267 发表于 2008-9-8 23:03 | 显示全部楼层

学习啊

学习啊，顶起来让看到的人再讨论讨论
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