基于TRF4900的無線發(fā)射電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用

  摘要：采用無線發(fā)射芯片TRF4900組成的無線數(shù)字發(fā)射電路，工作在歐洲868 MHz頻帶和北美915 MHzISM頻帶，F(xiàn)SK調(diào)制，發(fā)射功率7 dBm，電源電壓2.2～3.6 V，通過串行接口連接到微控制器實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和發(fā)射控制。文中介紹應(yīng)用電路、與微控制器連接的電路以及特性參數(shù)的設(shè)置。

    關(guān)鍵詞：無線 數(shù)字 發(fā)射器 FSK

1 無線數(shù)字發(fā)射電路

　　無線數(shù)字發(fā)射電路采用無線發(fā)射芯片TRF4900。TRF4900是TI公司生產(chǎn)的、單片集成的、低價(jià)格的、能提供完全功能的多通道FSK發(fā)射器。芯片能滿足在歐洲868 MHz頻帶和北美915 MHz ISM頻帶的線性(FM)或者數(shù)字（FSK）發(fā)射應(yīng)用。單片發(fā)射器芯片工作電壓2.2～3.6 V，典型發(fā)射功率為7 dBm，并具有低的功率消耗。24位直接數(shù)字合成器有11位DAC，合成器有大約230 Hz的通道空間，允許窄帶和寬帶應(yīng)用。兩個(gè)完全可編程工作模式--模式0和模式1，允許非?？斓卦趦蓚€(gè)預(yù)先編程的設(shè)置之間轉(zhuǎn)換（例如發(fā)射頻率0或者發(fā)射頻率1）。芯片內(nèi)集成壓控振蕩器（VCO）、鎖相環(huán)（PLL）和基準(zhǔn)振蕩器，僅需要極少的外部元件即可構(gòu)成一個(gè)完整的發(fā)射電路。TRF4900通過串行接口連接到TI MSP430微控制器。發(fā)射器的每一個(gè)功能塊能夠通過串行接口編程設(shè)置其功能。TRF4900應(yīng)用電路如圖1所示。

圖1 TRF4900應(yīng)用電路

2 與微控制器連接電路

　　TRF4900通過串行接口連接到TI的MSP430微控制器，如圖2所示。

　　TRF4900的引腳23（LOCKDET）， PLL鎖相檢測輸出，有效為高電平。當(dāng)LOCKDET = 1時(shí)，PLL鎖定。引腳11（MODE），模式選擇輸入，器件在模式0和模式1的功能能夠通過串行控制接口的A、B、C、D字編程。引腳12（），睡眠控制，低電平有效。當(dāng)= 0時(shí)，控制寄存器的內(nèi)容仍然有效，能夠通過串行控制接口編程。引腳14 （TX-DATA），數(shù)字調(diào)制輸入，為載波的FSK/FM調(diào)制，高電平有效 。

    串行控制接口是一個(gè)3線單向串行總線（CLOCK 串行接口時(shí)鐘信號，DATA 串行接口數(shù)據(jù)信號，STROBE 串行接口選通信號），用來編程TRF4900。接口內(nèi)部的寄存器包含所有用戶可編程變量，包括DDS頻率設(shè)置，也包括所有的控制寄存器。串行接口的時(shí)序如圖3所示。

　　在CLOCK信號的每一個(gè)上升沿，DATA引腳端上的邏輯值被寫入24位的移位寄存器。設(shè)置STROBE端為高電平，編程的信息被裝入選擇的鎖存器。當(dāng)STROBE信號為高時(shí)，DATA和CLOCK線必須為低。因此，STROBE與CLOCK的信號是不同步的。串行接口能被編程工作在有效狀態(tài)或者睡眠狀態(tài)（待機(jī)模式）。

圖3 串行接口時(shí)序圖

3 TRF4900的設(shè)置

　　TRF4900的直接數(shù)字合成器DDS是基于用數(shù)字辦法產(chǎn)生正弦波信號的。DDS由累加器、正弦波查找表、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、低通濾波器組成。所有數(shù)字功能塊的時(shí)鐘由基準(zhǔn)振蕩器提供。DDS利用一個(gè)N位加法器從0到2N計(jì)數(shù)，根據(jù)在頻率寄存器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)范產(chǎn)生數(shù)字階梯波，來構(gòu)造一個(gè)模擬正弦波。N位計(jì)數(shù)器的輸出寄存器的每一個(gè)數(shù)字，用來選擇正弦波查找表中相應(yīng)的正弦波數(shù)值輸出。在數(shù)/模轉(zhuǎn)換后，低通濾波器用來抑制不需要的寄生響應(yīng)。模擬輸出信號能用來作為PLL的參考輸入信號。PLL電路根據(jù)預(yù)先確定的系數(shù)倍乘基準(zhǔn)頻率。

　　基準(zhǔn)振蕩器的頻率fref是DDS的采樣頻率，同時(shí)也確定最高的DDS輸出頻率，與累加器的位數(shù)一起，可以計(jì)算DDS的頻率分辨率。TRF4900的最小頻率步長可由下式計(jì)算：

    Δf=N×(fref/2 24)

　　24位的累加器能夠通過兩個(gè)22位的頻率設(shè)置寄存器編程（A字確定模式0的頻率，B字確定模式1的頻率），同時(shí)寄存器的兩個(gè)MSB位設(shè)置為0。因此，DDS系統(tǒng)的最大位權(quán)減少到1/8，如圖4所示。

　　這個(gè)位權(quán)與VCO輸出頻率（fref/8）×N相適應(yīng)。根據(jù)在MODE端的邏輯電平，內(nèi)部選擇邏輯裝載DDS-0或者DDS-1頻率到頻率寄存器。VCO的輸出頻率fout是由DDS-x頻率設(shè)置決定的（DSS-0在A字中，DDS-1在B字中），VCO的輸出頻率fout計(jì)算公式如下：

    fout=DDS_x×N×(fref/2 24)=N×[(fref×DDS_x)/2 24]

　　如果選擇FSK調(diào)制（MM=0，C字，16位），則8位FSK頻偏寄存器能被用來編程2-FSK調(diào)制的頻偏。頻偏寄存器的8位在24位DDS頻率寄存器中，LSB設(shè)置為0，總的FSK頻偏由下式計(jì)算：

    Δf2-FSK=N×[(DEV×fref)/2 22]

因此，2-FSK頻率由在TX-DATA上的電平設(shè)置，計(jì)算公式如下：

fout1:TX_DATA=low=N×[(fref×DDS_x)/2 24]

fout2:TX_DATA=High=N×[fref×(DDS_x+4×DEV)]/2 24

　　這個(gè)調(diào)頻輸出信號用來作為PLL電路的基準(zhǔn)輸入信號。2-FSK調(diào)制信道寬度（頻偏）和信道間距是軟件可編程的。最小信道寬度和最小信道間距取決于RF系統(tǒng)頻率設(shè)計(jì)，中心頻率fcenter = (fout1 + fout2)/2。當(dāng)FSK發(fā)射時(shí)，中心頻率fcenter被認(rèn)為是有效的載波頻率。

　　鎖相環(huán)由相位檢波器（PD）、鑒頻器（PD）、充電泵、VCO、外接的回路濾波器和在反饋回路中的可編程的預(yù)分頻器（N分頻器）組成。當(dāng)使用外部VCO時(shí)，x-VCO位將被設(shè)置為0。分頻器是可編程的，分頻系數(shù)N能由C字設(shè)置成256或512。

　　功率放大器(PA)能夠由在D字中的P0和P1兩位編程，提供可變的輸出功率電平。

圖5 串行控制字格式

　　TRF4900的控制字是24位。第1個(gè)引入位是最高有效位(MSB)，完成對TRF4900的編程；4個(gè)24位的字必須設(shè)置，即必須設(shè)置A、B、C、D字。圖5 給出定義的4個(gè)控制字。表1、表2和表3描述每個(gè)參數(shù)的功能，表4為在FSK模式下的發(fā)射頻率。

表1 模式0控制寄存器描述

符  號	位的位置	位 數(shù)	描    述	加電源后的內(nèi)部設(shè)置
				默認(rèn)狀態(tài)	默認(rèn)值
0-PA	[10-9]	2	功率放大器模式 P1  P0 0   0=失效 0   1=衰減10dB，通過TX-DATA使能調(diào)制 1   0=衰減20dB，通過TX-DATA使能調(diào)制 1   1=衰減0dB，通過TX-DATA使能調(diào)制	失效	00b
0-VCO	[11]	1	在操作期間，這個(gè)引腳端將總是被使能（1=使能），除非使用外的VCO	失效	0b
0-PLL	[12]	1	使能PLL，1=使能，0=失效	失效	0b

表2 模式1 控制寄存器描述

符  號	位的位置	位 數(shù)	描  述	加電源后的內(nèi)部設(shè)置
				默認(rèn)狀態(tài)	默認(rèn)值
1-PA	[10-9]	2	功率放大器模式 P1  P0 0   0=失效 0   1=衰減10dB，通過TX-DATA使能調(diào)制 1   0=衰減20dB，通過TX-DATA使能調(diào)制 1   1=衰減0dB，通過TX-DATA使能調(diào)制	失效	00b
1-VCO	[11]	1	在操作期間，這個(gè)引腳端將總是被使能（1=使能），除非使用外部VCO	失效	0b
1-PLL	[12]	1	使能PLL，1=使能，0=失效	失效	0b

表3 輔助控制寄存器描述

符  號	字	位的位置	位  數(shù)	描  述	加電源后的內(nèi)部設(shè)置
					默認(rèn)狀態(tài)	默認(rèn)值
DDS-0	A字	[21-0]	22	模式0DDS頻率設(shè)置	0	全為0
DDS-1	B字	[21-0]	22	模式1DDS頻率設(shè)置	0	全為0
DEV	D字	[20-13]	8	FSK分頻率寄存器	0	全為0
APLL	C字	[20-18]	3	捕獲頻率的加速因子 A2  A1  A0 0   0   0  =1 0   0   1  =20 0   1   1  =60     ┊ 1   1   1  =140	0	000b
NPLL	C字	[17]	1	PLL分頻率 0=256 1=512	256	0b
MM	C字	[16]	1	調(diào)制模式選擇。為FSK數(shù)據(jù)輸入設(shè)置 TC-DATA引腳端行為。 0=FSK/FM 1=不使用	FSK模式	0b

表4 在FSK模式發(fā)射頻率（MM位設(shè)置為0）

引腳端			發(fā)射頻率
STDBY	MODE	TX-DATA
1	0	0	fout=fref×N×(DDS_0)/2 24
1	0	1	fout=fref×N×(DDS_0+4×DEV)/2 24
1	1	0	fout=fref×N×(DDS_1)/2 24
1	1	1	fout=fref×N×(DDS_1+4×dev)/2 24

結(jié) 語

由TRF4900和MSP430組成的無線數(shù)字發(fā)射電路可方便地嵌入各種測量和控制系統(tǒng)中；在儀器儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線抄表系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)遙測遙控系統(tǒng)等中應(yīng)用。