射頻無線發(fā)送接收芯片TRF6900在短距離無線數(shù)據傳輸中的應用
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關鍵詞: 射頻芯片，數(shù)據通信，TRF6900，DDS
1 概述
TRF6900是TI公司最新推出的單片無線收發(fā)一體芯片，它在一個器件上包括了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調制解調、FM調制解調、直接數(shù)字頻率合成 (DDS) 、接收信號強度指示(RSSI)等多種功能，集成程度相當?shù)母?。TRF6900使用ISM頻段，無需申請，而且采用低發(fā)射功率和高接收靈敏度，設備之間干擾小，可廣泛應用于無線數(shù)據采集系統(tǒng)、無線監(jiān)控系統(tǒng)、收費系統(tǒng)、智能卡、設備遙控場合，應用前景十分廣闊。
2 TRF6900芯片介紹
TRF6900主要性能如下:
1)工作頻率為868MHz—870MHz(西歐)/902MHz—928MHz(北美)
2)有效數(shù)據傳輸距離1000米
3)典型輸出功率 4.5dBm
4)典型輸出信號頻差230 Hz
5)工作電壓2.2 V—3.6 V
6)待機電流5uA，工作電流50mA
7)內置2個可編程模式
TRF6900內部電路可分為發(fā)射模塊和接收模塊。
2.1接收模塊
接收模塊包括低噪音放大器、混頻器、中放、FM/FSK解調器、接收信號強度指示和低通濾波放大器等幾部分。
2.2發(fā)射模塊
發(fā)射模塊包括串行控制接口、直接數(shù)字頻率生成器、壓控振蕩器、鎖相環(huán)等幾部分。
3 TRF6900工作原理
3.1接收機工作原理
從天線接收到信號由LNA_IN引入TRF6900，首先經過低噪音放大器。低噪音放大器可提供13 dB的增益。低噪音放大器有正常模式和低增益模式兩種模式。當TRF6900接收的信號較強時，應該選擇低增益模式，這樣可以最大程度地減少信號非線性失真。放大后的信號被送入混頻器，混頻器將信號變頻到中頻，再通過第一和第二級中頻放大。第一級中頻放大可獲得7dB的增益，用以補償濾波器帶來的損耗；第二級中頻放大包括多個放大器，總共可獲得80dB的增益。經過兩級放大后的信號，如果采用的是FM/FSK調制方式就被送入FM/FSK解調器，解調出數(shù)據信號從DATA_OUT引出。如果是頻移鍵控（ASK）或開關鍵控（OOK）則送入接收信號強度指示器（RSSI）解調，解調后的基帶數(shù)據RSSI_OUT輸出。
3.2發(fā)射機工作原理
數(shù)字基帶信號從TX_DATA引入TRF6900片內，經過直接數(shù)字頻率合成器（DDS）調制到中頻，再通過鎖相環(huán)(PLL)倍頻到射頻，最后通過功率放大器放大信號后，由PA_OUT導出射頻信號，通過天線發(fā)射出去。
3.3串行控制接口工作原理
串行控制接口包括CLOCK，DATA，STOBE三部分，控制著TRF6900內部所有的寄存器，包括DDS參數(shù)設定寄存器，和其他的控制寄存器。在CLOCK的每一個上升沿，DATA管腳的邏輯值送入24-BIT的移位寄存器，當STOBE電平被抬高時，設定的參數(shù)被送入選定的鎖存器。
TRF6900有四個可編程的24bit控制字(A，B，C，D)。
控制字A和B分別控制DDS模式0和模式1狀態(tài)下輸出信號頻率。
控制字C負責鎖相環(huán)和DDS模式0的設定。
控制字D負責調制和DDS模式1的設定。
3.4直接數(shù)字頻率合成器（DDS）的工作原理
傳統(tǒng)的頻移鍵控(FSK)是利用基帶數(shù)字信號去控制電子開關，使之在不同振蕩頻率的振蕩器之間進行切換 ，從而輸出不同頻率的信號，再與載波進行混頻 ，從而實現(xiàn)頻率調制。直接數(shù)字頻率合成器是基于數(shù)字域，直接產生相應頻率的正弦波。它具有頻率范圍寬， 頻率分辨率高，可用軟件方便地控制輸出頻率、頻率切換速度快且切換頻率時相位保持連續(xù)等優(yōu)點，從而在線性調頻、擴頻和跳頻系統(tǒng)、多普勒響應模擬等領域得到了廣泛應用。但DDS由于受參考頻率的限制，輸出頻率通常較低，一般為100MHz—400MHz，而這一頻段的頻率資源相當緊張。如果直接產用DDS產生射頻信號，將會對DDS的實際應用造成很大限制。所以在實際應用中往往是產用DDS/PLL混合方式。該方法將DDS輸出的中頻信號作為PLL倍頻器的參考頻率，利用PLL將信號變換到所需的頻率。這種方式既保留了DDS的頻率分辨率高和頻率切換速度快的特性 ，又彌補了DDS輸出頻率較低的不足，從而得到廣泛的應用。TRF6900也是采用DDS/PLL這種方式。
TRF6900的直接數(shù)字頻率合成器包括一個24比特的相位累加器，相位碼—幅度碼轉換表，11比特的數(shù)字—模擬轉換 DAC和低通濾波器LPF。相位累加器在時鐘的觸發(fā)下 ，對頻率控制字進行累加 ，相位累加器輸出的相位序列作為地址來尋址正弦檢索表 ，得到正弦波的離散幅度數(shù)字即抽樣數(shù)字信號。DAC再將抽樣的數(shù)字信號恢復為模擬信號，最后通過一個低通濾波濾得基波分量。
24比特的累加器可通過TRF6900內部的兩個22比特的控制寄存器控制。
控制字A和控制字B的高兩位為0，因此最大的比特權重為1/8。
fout=DDS_x ×N×fref／224
其中， DDS_x為控制字A或B的值。
參考頻率fref 就是DDS的取樣頻率，它從根本上決定著DDS的輸出頻率和頻偏。TRF6900采用的參考頻率為15—26MHz。由上式可得，DDS的最大輸出頻率為90—156MHz，最小頻偏為21Hz—37Hz。
TRF6900的控制字A的值確定模式0對應的頻率，控制字B確定模式1所對應的頻率，DDS可以在模式0和模式1之間快速切換，從而可以實現(xiàn)輸出頻率由一個頻率跳變到另一個頻率，而這一切都由軟件實現(xiàn)。所以只需給控制字A和控制字B賦相應的值，并在兩個模式之間進行切換就可以實現(xiàn)跳頻，實現(xiàn)起來很方便。TRF6900最高可達1360跳/秒，每一跳最多可攜帶22比特數(shù)據，因此，TRF6900的最大數(shù)據傳輸速率為30Kbps。TRF6900采用跳頻的調制方式，極大地增加了通信的抗干擾的能力。這一特點為在惡劣環(huán)境下進行數(shù)據傳輸，保證傳輸質量提供了很大的保障。
TRF6900也可以選擇傳統(tǒng)的FSK調制，這為與現(xiàn)有設備進行通信提供了方便。TRF6900由控制字C在DDS和FSK之間選擇。當TRF6900選擇FSK調制時，空號與傳號的輸出頻率完全由控制字D確定，可以用軟件方便地進行
設置
△f2-FSK=N×DEV×fref／222
所以，
fout_1=N×fref×DDS／224 fout_0=N×fref×(DDS+4×DEV)／224
4 典型應用
下圖為采用TRF6900實現(xiàn)鐵路路基溫度采集系統(tǒng)的實際應用框圖。及時對鐵路路基溫度進行監(jiān)控是保障鐵路行車安全的一個重要工作。傳統(tǒng)的測溫方法需要將溫度探測器埋入路基，通過數(shù)據線獲得溫度信息，測得溫度后再將探測器取出。這種方法每次測量都需要打眼、埋放溫度傳感器，不僅工作效率低，勞動強度大，而且由于破壞了路基的原有結構，測得的溫度與實際情況并不完全吻合。而無線溫度采集系統(tǒng)則可從根本上解決這些問題。該系統(tǒng)包括溫度傳感器、微處理器、TRF6900、終端顯示與存儲設備、天線和電源等部分組成。世界應用中只需將溫度采集子系統(tǒng)一次性埋入探測點；測量溫度時，微控制器控制溫度傳感器，使之輸出溫度數(shù)據。微控制器接收到溫度數(shù)據后，對溫度數(shù)據進行處理后，按照一定的格式發(fā)送給TRF6900，利用TRF6900完成數(shù)據的發(fā)送和接收，地面上的微控制器接收到得溫度數(shù)據經過處理后，最后予以顯示或存儲，從而完成了整個溫度數(shù)據的采集。
5 結語
TRF6900不僅體積小、功耗低、信號抗干擾能力強、外圍器件較少、與其他設備連接方便，而且可以用軟件靈活地進行設置，便于開發(fā)和生產，因此受到了設計者、制造商和用戶的多方面的歡迎，也必將會在競爭激烈的無線短距離數(shù)據傳輸領域中占有一席之地。
參考文獻
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