2.4GHz DSSS收發(fā)器芯片組RFW320原理與應(yīng)用

   摘要：RFW302芯片組由RFW24、RFW488C、RFW488R三塊芯片構(gòu)成。該芯片組符合美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）（part 15.247）和歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）（300 328）的技術(shù)規(guī)范；工作頻率為2.4GHz，數(shù)據(jù)速率最高可達3.2Mb/s，輸出功率達+0dBm（峰值），接收靈敏度為-77dBm，室內(nèi)有效距離約20m。

    關(guān)鍵詞：射頻 無線收發(fā)器 RFW302

1 RFW320芯片組簡介

RFW302芯片組是RFWaves公司推出的一種半雙工、采用直接序列擴頻技術(shù)（DSSS）無線收發(fā)器芯片組，工作在2400～2483.5MHz工業(yè)、科學和醫(yī)學（ISM）頻段。該收發(fā)器芯片組包含三塊芯片，只需外接電感和電容等無源元件。該芯片組符合美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）（part 15.247）和歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）（300 328）的技術(shù)規(guī)范。該芯片組適用于2.4GHz的短程無線通信應(yīng)用，數(shù)據(jù)速率最高可達3.2Mb/s，其功耗較低，適于電池驅(qū)動。輸出功率達+0dBm（峰值），接收靈敏度為-77dBm，電源電壓2.7～3.6V，電流消耗為43mA(3.2Mb/s)和28μA（1Kb/s），待機電流6μA；室內(nèi)有效距離約20m，3線串行接口能與8位微控制器協(xié)同工作。

圖1 RFW302芯片組構(gòu)成的無線收發(fā)器電路

2 RFW302構(gòu)成的無線收發(fā)器電路

RFW302芯片組由RFW24、RFW488C、RFW488R三塊芯片構(gòu)成。RFW302構(gòu)成的無線收發(fā)電路如圖1所示，各芯片引腳功能如表1～3所列。

表1 RFW24芯片引腳功能

引  腳	符  號	典型值	功    能
1	VccRF	Vcc	RF部分的電源電壓
2	GND		地
3	NRF	A	連接到天線
4	RF	A	連接到天線
5	GND		地
6	VccRF	Vcc	功放部分的電源電壓
7	ACT	DI	啟動控制，L時為待機模式，H時啟動模式
8	LC	A	連接到22nH電感
9	NLC	A	連接到22nH電感
10	VccPD	Vcc	峰值檢測器部分的電源電壓
11	SAWD	A	從RFW488C-A（D）到峰值檢測器的輸入
12	GND		地
13	GND		地
14	GND		地
15	SAWIF	A	從/到RFW488C-A（IF）的中頻輸入/輸出
16	Tx/Rx	DI	發(fā)射/接收控制，接Vcc是Tx模式，接GND是Rx模式
17	CAP	A	外部電容連接到此腳，最佳值為2.2nF
18	VccGD	Vcc	到狀態(tài)機和脈沖發(fā)生器部分的供給電壓
19	TxD/RxD	DIO	數(shù)據(jù)輸入/輸出
20	SAWG	A	當輸入到RFW488C-A（G）時的發(fā)射脈沖輸出
21	GND		地
22	OSCO	A	連接到諧振器
23	OSCI	A	連接到諧振器
24	VccLO	Vcc	振蕩器部分的電源電壓
Puddle	GND		地

表2 RFW488C相關(guān)器芯片的引腳功能

引  腳	符  號	功      能
1	GND	地
2	NIF	地
3	GND	地
4	D	輸出到峰值檢測器，在48MHz的特征阻抗為5-122j
5	ND	地
6	GND	地
7	IF	從/到IF到SAW的輸入/輸出，在488MHz的特征阻抗為3-13j
8	GND	地
9	NG	地
10	G	輸入到SAW的發(fā)射脈沖，在488MHz的特征阻抗為3-13j

表3 REW488R諧振器芯片的引腳功能

引    腳	符     號	功     能
1	GND	地
2	OS	在這個引腳與5腳之間串聯(lián)諧振
3	GND	地
4	GND	地
5	NOS	在這個引腳與5腳之間串聯(lián)諧振
6	GND	地

電路中RFW24芯片是系統(tǒng)的有源部分，具有定時、放大、開關(guān)、發(fā)射和接收的功能。RFW488C是一個4腳SAW相關(guān)器，在晶振的基礎(chǔ)上實現(xiàn)。芯片是一個無源的直接序列擴頻器件，作為一個13位BPSK貝克碼相關(guān)器（一個匹配濾波器）。RFW488R是一個單端口的SAW諧振器，諧振頻率為488MHz，作為系統(tǒng)振蕩器源。由三塊芯片組成的收發(fā)器模塊包含：SAW相關(guān)器、頻率發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、RF前端、低噪聲塊、峰值檢測器、狀態(tài)機等功能。

SAW相關(guān)器是一個線性的無源3端口器件，與帶能濾波器和反相器連接。電流SAW相關(guān)器是一個匹配濾波器，與一個13位BPSK調(diào)制貝克碼相匹配。SAW相關(guān)器的3個端口和外部無源部件匹配電阻為200Ω,中心工作頻率為488MHz。

    在系統(tǒng)中，頻率發(fā)生器電路是一個通用元件，是唯一在發(fā)射和接收模式下都處于工作的部件，在待機模式下，為了降低功耗，處于不工作狀態(tài)。頻率發(fā)生器電路由基于晶體振蕩器的SAW諧振器組成。諧振器的頻率乘以4可以得到需要的上變頻頻率。電路從待機模式到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間小于20μs。

脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一大約76ns的IF脈沖，此脈沖輸入到SAW相關(guān)器。狀態(tài)機對相關(guān)的模擬單元進行開關(guān)控制。輸出級是一個非差分形式的功率放大器，在匹配狀態(tài)下能使最大的功率接收200Ω的SAW輸入端上。

RF前端包含放大和上變頻級，其輸入端是488MHz中頻相關(guān)器的輸出信號，其輸出是被放大到31dB和上變頻到2400MHz的信號。第一級放大在IF，第二級放大在RF?；祛l器是個鏡像抑制混頻器，鏡像抑制率大于35dB。

低噪部件LNA的輸入來自天線，輸出連到SAW上。由于在天線和LNA1間沒有RF濾波器，需要很寬的動態(tài)發(fā)射/接收范圍，高頻端的特點是動態(tài)范圍非常高。在此部件后是SAW相關(guān)器，功能是作為一個濾波器，抑制輸出頻帶外信號和抑制頻帶內(nèi)的干擾。主要性能參數(shù)如下：增益為25dB，負載（SAW相關(guān)器）為200Ω，輸入IP1>-18dBm，輸入IP3>-5dBm；噪聲值NF<10dB，鏡像抑制大于35dB。

    峰值檢測器位于SAW相關(guān)器的下一級，功能是檢測信號的包絡(luò)，直接把中頻IF移到基帶上。峰值檢測器位于ASK接收器的第一級。由于可能有一非常高的輸入信號范圍，所以要求動態(tài)范圍非常高。1個“快速”峰值檢測器和1個“慢速”峰值檢測器并聯(lián)使用，兩者之間的區(qū)別是它們的輸出帶寬。“快速”峰值檢測器的帶寬是10MHz；“慢速”峰值檢測器的帶寬由一外接的電容器決定，電容器連接在第13引腳端和系統(tǒng)的GND之間。

狀態(tài)機是芯片數(shù)字電路部分，主要完成定時、控制和數(shù)字流程等功能。①DATA I/O：在發(fā)射模式下的高阻抗輸入腳，在接收模式下的低阻抗輸出腳。②Tx/Rx：H（高電平）=Tx;L（低電平）=Rx。③ACT：L（低電平）時元件被關(guān)掉，電流消耗最低；H（高電平）時芯片工作。具體狀態(tài)控制過程如圖2所示。

調(diào)制解調(diào)器建立在SAW相關(guān)器的基礎(chǔ)上。SAW相關(guān)器是一個3端口的無源器件。與SAW相關(guān)器連接，還有兩個器件嵌入到系統(tǒng)中；：一個488MHz的單端口SAW諧振器，為系統(tǒng)提供頻率源；一個RFIC，是系統(tǒng)的有源器件。RFIC的收發(fā)器工作在488MHz的中頻和1952MHz的LO。SAW諧振器產(chǎn)生兩種頻率。

3 RFW302與微控制器處理模塊的接口

RFW302與微控制器/DSP/FPGA處理模塊的接口如圖3所示。FW302構(gòu)成的無線接口電路與微控制器/DSP/FPGA處理模塊的接口說明如表4所列。

表4 RFW302與微控制器/DSP/FPG處理模塊的接口說明

名  稱	特      征
Tx/Rx	模式選擇輸入，輸入Vcc(H高電平)時為射模式； 輸入0V（L低電平）時為接收模式
ACT	輸入0V（L低電平）時為待機模式，輸入Vcc（H高電）時啟動模塊。喚醒為完全工作模式的典型時間需要花10μs的時間。CMOS電平
DataI/O	在Tx模式下是輸入腳，在Rx模式下是輸出腳。CMOS電平
Vcc	芯片電源供給輸入端，需要一個2.7～5V的可調(diào)電源
GND	地，所有接地端連接到此引腳

結(jié)語

采用RFW302設(shè)計無線收發(fā)器電路，工作頻率為2.4GHz，數(shù)據(jù)速率最高可達3.2Mb/s，輸出功率達+0dBm（峰值），接收靈敏度為-77dBm，PCB板尺寸為12mm×16mm，室內(nèi)有效距離約20m，在嵌入式智能家居系統(tǒng)無線網(wǎng)關(guān)中應(yīng)用，效果良好。