2.4GHz DSSS收發(fā)器芯片組RFW320原理與應(yīng)用
關(guān)鍵詞：射頻 無(wú)線收發(fā)器 RFW302
1 RFW320芯片組簡(jiǎn)介
RFW302芯片組是RFWaves公司推出的一種半雙工、采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（DSSS）無(wú)線收發(fā)器芯片組，工作在2400～2483.5MHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)（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(wú)源元件。該芯片組符合美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）（part 15.247）和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）（300 328）的技術(shù)規(guī)范。該芯片組適用于2.4GHz的短程無(wú)線通信應(yīng)用，數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)3.2Mb/s，其功耗較低，適于電池驅(qū)動(dòng)。輸出功率達(dá)+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(jī)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(wú)線收發(fā)器電路
2 RFW302構(gòu)成的無(wú)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(wú)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(hào) | 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(dòng)控制，L時(shí)為待機(jī)模式，H時(shí)啟動(dòng)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(cè)器部分的電源電壓 |
| 11 | SAWD | A | 從RFW488C-A（D）到峰值檢測(cè)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(jī)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(dāng)輸入到RFW488C-A（G）時(shí)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(hào) | 功 能 |
| 1 | GND | 地 |
| 2 | NIF | 地 |
| 3 | GND | 地 |
| 4 | D | 輸出到峰值檢測(cè)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(hào) | 功 能 |
| 1 | GND | 地 |
| 2 | OS | 在這個(gè)引腳與5腳之間串聯(lián)諧振 |
| 3 | GND | 地 |
| 4 | GND | 地 |
| 5 | NOS | 在這個(gè)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(shí)、放大、開關(guān)、發(fā)射和接收的功能。RFW488C是一個(gè)4腳SAW相關(guān)器，在晶振的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。芯片是一個(gè)無(wú)源的直接序列擴(kuò)頻器件，作為一個(gè)13位BPSK貝克碼相關(guān)器（一個(gè)匹配濾波器）。RFW488R是一個(gè)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(cè)器、狀態(tài)機(jī)等功能。
SAW相關(guān)器是一個(gè)線性的無(wú)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(gè)匹配濾波器，與一個(gè)13位BPSK調(diào)制貝克碼相匹配。SAW相關(guān)器的3個(gè)端口和外部無(wú)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(gè)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(jī)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(jī)模式到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)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(jī)對(duì)相關(guān)的模擬單元進(jìn)行開關(guān)控制。輸出級(jí)是一個(gè)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(jí)，其輸入端是488MHz中頻相關(guān)器的輸出信號(hào)，其輸出是被放大到31dB和上變頻到2400MHz的信號(hào)。第一級(jí)放大在IF，第二級(jí)放大在RF。混頻器是個(gè)鏡像抑制混頻器，鏡像抑制率大于35dB。
低噪部件LNA的輸入來(lái)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(dòng)態(tài)發(fā)射/接收范圍，高頻端的特點(diǎn)是動(dòng)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(gè)濾波器，抑制輸出頻帶外信號(hào)和抑制頻帶內(nèi)的干擾。主要性能參數(shù)如下：增益為25dB，負(fù)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(cè)器位于SAW相關(guān)器的下一級(jí)，功能是檢測(cè)信號(hào)的包絡(luò)，直接把中頻IF移到基帶上。峰值檢測(cè)器位于ASK接收器的第一級(jí)。由于可能有一非常高的輸入信號(hào)范圍，所以要求動(dòng)態(tài)范圍非常高。1個(gè)“快速”峰值檢測(cè)器和1個(gè)“慢速”峰值檢測(cè)器并聯(lián)使用，兩者之間的區(qū)別是它們的輸出帶寬?！翱焖佟狈逯禉z測(cè)器的帶寬是10MHz；“慢速”峰值檢測(cè)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(jī)是芯片數(shù)字電路部分，主要完成定時(shí)、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(shí)元件被關(guān)掉，電流消耗最低；H（高電平）時(shí)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(gè)3端口的無(wú)源器件。與SAW相關(guān)器連接，還有兩個(gè)器件嵌入到系統(tǒng)中；：一個(gè)488MHz的單端口SAW諧振器，為系統(tǒng)提供頻率源；一個(gè)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(wú)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(shí)為射模式； 輸入0V（L低電平）時(shí)為接收模式 |
| ACT | 輸入0V（L低電平）時(shí)為待機(jī)模式，輸入Vcc（H高電）時(shí)啟動(dòng)模塊。喚醒為完全工作模式的典型時(shí)間需要花10μs的時(shí)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(gè)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(yǔ)
采用RFW302設(shè)計(jì)無(wú)線收發(fā)器電路，工作頻率為2.4GHz，數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)3.2Mb/s，輸出功率達(dá)+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(wú)線網(wǎng)關(guān)中應(yīng)用，效果良好。
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