FSK收發(fā)器芯片MICRF500的原理與應(yīng)用

南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 黃智偉 王旭東

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/20568.htm 1概述

micrf500是用于ism（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)藥）和srdc（短距離設(shè)備）的專用發(fā)射和接收芯片，其頻率范圍為700mhz～1ghz，采用fsk（頻移鍵控）調(diào)制時的數(shù)據(jù)速率達128 kbauds，rf輸出功率為10dbm，靈敏度為－104dbm，接收模式電流消耗為12ma，發(fā)射模式電流消耗為50ma，低功耗模式電流消耗2μa?？蓮V泛應(yīng)用于遙測、無線控制、無線數(shù)據(jù)中繼、無線控制系統(tǒng)、無線調(diào)制解調(diào)器和無線安全等系統(tǒng)中。

2芯片封裝與引腳功能

micrf500采用44－lqfp（blq）封裝，各引腳功能如表1所列。

3內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

micrf500的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。該芯片內(nèi)含接收、發(fā)射和控制接口（controlinterface）三部分。其中接收部分由低噪聲放大器（lna）、混頻器、rc濾波器（rcfilters）、解調(diào)器（demod）、rssi等電路組成。發(fā)射部分由功率放大器（pa）、預(yù)置比例分頻器（prescaler）、a計數(shù)器（acounter）、n計數(shù)器（ncounter）、m計數(shù)器（mcounter）、壓控振蕩器（vco）、相位檢波器（phase detector）、充電泵（charge pump）、晶體振蕩器（xco）等電路組成。

當(dāng)micrf500處在接收模式時，pll合成器產(chǎn)生本振振蕩（lo）信號。n、m和a計數(shù)器給出的本振振蕩頻率被分別存儲在no、mo和ao寄存器中。由于接收器是零中頻結(jié)構(gòu)，因而用低功耗的集成低通濾波器作為通道濾波器。接收裝置中的低噪聲放大器（lna）用于驅(qū)動正交混頻器對。混頻器輸出饋送至兩路相同的相位積分信道。每條信道包括前置放大器、三階sallet－key rc低通濾波器和限幅器。主要信道的濾波器必須滿足電路的選擇性和動態(tài)范圍。

sallen－key rc濾波器能通過編程劃分成四個不同的截止頻率：10khz、30khz、60khz和200khz。通過外圍電阻可以調(diào)整濾波器的截止頻率。解調(diào)器可解調(diào)i和q信道的輸出并同時輸出一個數(shù)字信號。當(dāng)檢測i和q信道信號的相對相位時，如果i信道落后于q信道，fsk調(diào)制頻率將位于本振振蕩頻率之上（數(shù)據(jù)“1”）。如果i信道信號超前q信道信號，fsk調(diào)制頻率則位于本振振蕩頻率之下（數(shù)據(jù)“0”）。dataixo腳為接收器輸出。rssi（接收信號強度指示器）電路可用來顯示收到信號的強度級別。兩端的串行接口可用于對電路進行編程。vco諧振電路、晶體、反饋電容和vco的fsk調(diào)制元件、回路濾波器、功放和濾波器的偏置電阻等外圍元器可用于rf輸入輸出的阻抗匹配和功率衰減。tx／rx的轉(zhuǎn)換則可通過二極管來實現(xiàn)。

4應(yīng)用電路設(shè)計

micrf500的應(yīng)用電路如圖2所示，該電路的工作頻率為869mhz。電路中，收發(fā)器的調(diào)制信號加到vco，vco和外圍元件工作于869mhz。ma4st－350－1141是macon制造的一個專用變?nèi)荻O管，而bar63則是西門子公司生產(chǎn)的二極管。

由于vco是一個基本的colpitts振蕩器，因而應(yīng)有一個外部諧振器和一個可變電感，諧振器可由電感l(wèi)1和線性電容c13組成。

晶體振蕩器的晶振是rf輸出頻率的基準，因而要求具有很好的相位和頻率穩(wěn)定性。晶體振蕩器通過調(diào)節(jié)可變電容c20可改變諧振頻率。要獲得小的頻偏，晶體要預(yù)老化且要有小的溫度系數(shù)。本設(shè)計采用10mhz晶振。

相位檢測輸出被轉(zhuǎn)換成電壓并經(jīng)14腳（ldc）外電容c23的濾波后，產(chǎn)生的直流電壓與位ref0－ref5設(shè)置的基準窗口相比較。ref0～ref5為1時，基準窗口在0v；ref0～ref5為0時，其基準窗口的直流電壓最大。另外，基準窗口能在兩者之間線性步進地上升或下降。窗口的大小可等效為2個（ref6＝1）基準臺階或4個（ref6＝0）基準臺階。

實現(xiàn)fsk有三種方法：第一種是使用vco實現(xiàn)fsk調(diào)制，其對應(yīng)的發(fā)射頻率將被編程在分頻器a1、n1和m1中。在tx模式，dataixo端保持在三態(tài)，直到開始發(fā)射數(shù)據(jù)；第二種是通過開關(guān)在a、n和m分頻器兩組之間實現(xiàn)，a、n和m值對應(yīng)到接收頻率和兩發(fā)射頻率。發(fā)射數(shù)據(jù)“0”時，將對分頻器a0、n0和m0進行編程；發(fā)射數(shù)據(jù)“1”時，將對分頻器a1、n1和m1進行編程；第三種則可通過加／減1到分配器a1來實現(xiàn)，其頻偏與比較頻率相等，發(fā)射頻率的校準可通過對a1、n1和m1進行編程來實現(xiàn)。所有類型的fsk調(diào)制數(shù)據(jù)都從引腳端dataixo輸入。

回路濾波的設(shè)計對優(yōu)化參數(shù)是很重要的，如調(diào)制速率、pll鎖定時間、帶寬和相位噪聲等。低位率通?？烧{(diào)制在pll內(nèi)，而將回路鎖定在不同的頻率上則可通過開關(guān)分頻器（m、n和a）來實現(xiàn)。高調(diào)制率（超過2400bps）一般靠pll外調(diào)制來實現(xiàn)，設(shè)計時通常直接加到vco。此時，回路濾波器的值可通過軟件進行編程確定。

發(fā)射功率放大器是基本的ab類，最后一級是開集電極（oc）電路，因此應(yīng)外接一負載電感（l2）。放大器的直流電流通過外接偏置電阻r14來調(diào)整。當(dāng)偏置電阻值為1．5kω時，偏置電流為50μa。最后一級電路的偏置電流大約為15ma。

阻抗匹配與天線的類型也有很大關(guān)系，設(shè)計時可采用最大輸出功率，并在功率放大器上接一約100ω的阻抗。輸出功率可編程為8級，每級大約相差3db，可以通過控制字pa2－pa0來進行控制。

為了預(yù)防干擾信號干擾功放，功放應(yīng)當(dāng)緩慢的導(dǎo)通和截止。通過連接到24腳的電容c25可使偏置電流在限定范圍內(nèi)上升或下降。上升／下降電流典型值為1．1μa，當(dāng)電源為3v時，開關(guān)速率為2．6μs／pf。由于轉(zhuǎn)換功放開關(guān)會影響pll，所以開關(guān)速率必須與pll帶寬相對應(yīng)。

緩沖放大器通常連接到vco和功率放大器之間。功率放大器的輸入信號可以放大到期望的輸出功率。通過設(shè)置位gc為“0”可以旁路緩沖級。

rf接收器的低干擾放大器可利用提升輸入信號來優(yōu)化頻率轉(zhuǎn)變過程。其主要目的是為了預(yù)防混頻器干擾。lan是一個兩級放大器，正常時，在900mhz處可以獲得23db的增益，lan具有一個直流外饋環(huán)，可為lan提供偏置。外接電容c26對所有的直流反饋環(huán)路均可起到退耦和穩(wěn)定作用。

通過設(shè)置bylan位為“1”可以旁路lan，這對強信號是非常有用的。

混頻器在900mhz有12db增益，在34、35和38、39腳中，每一路混頻器的輸出阻抗約為15kω。

解調(diào)器解調(diào)出來的信號的頻偏必須永遠比頻漂大，且至少等于波特率加上頻漂。

限幅器是一個零點檢波器，其輸出為與i－q相位差相對應(yīng)的值，波形是邊緣陡峭的方波。

解調(diào)器的作用是解調(diào)i和q信道輸出并產(chǎn)生數(shù)字量輸出，同時可用來檢測i和q信道信號之間的相位差。對于i信道，在限幅器輸出的每一個邊沿（上升沿和下降沿），q信道限幅器輸出的振幅均被采樣，反之也如此。解調(diào)器的輸出通過dataixo引腳來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)輸出被if信號每周期更新四次。如果i信道信號滯后于q信道，fsk調(diào)制頻率將位于lo頻率上方（數(shù)據(jù)“1”），而如果i信道超前q信道，則fsk調(diào)制頻率將位于lo頻率下方（數(shù)據(jù)“0”）。

解調(diào)器的輸入和輸出通過一階rc低通濾波器濾波并經(jīng)過斯密特觸發(fā)器放大來產(chǎn)生方波。在低位率時，增加引腳18的電容（datac）可以減少rx數(shù)據(jù)信號濾波器的帶寬。濾波器的帶寬必須根據(jù)位率來進行調(diào)整，這個功能一般通過rxfilt位來控制。

rssi（接收信號強度指示）電路的輸出與代表rf輸入信號強弱的直流電壓相對應(yīng)。當(dāng)接收到的rf輸入信號使rssi輸出增加時，rssi將作為信號的有無指示器而用于喚醒電路。無信號時，電路將處于睡眠模式以長電池壽命。

在編程時，可用兩線（clkin和regin）式總線來編程電路，兩線串行總線接口可以控制分頻器、選擇tx的功率和rx以及合成器電路功能塊，其接口由一個80位編程寄存器組成。數(shù)據(jù)和第一有效位從regin線進入，第一位輸入為p1，最后一位輸入為p80。程序寄存器中的位安排如表2所列。

當(dāng)clkin信號為高電平時，80位控制字首先讀入移位寄存器，然后通過regin信號（正的或負的）裝入并行寄存器。其接收和發(fā)射模式可由電路直接指定。圖3所示是micrf500中clkin、regin、內(nèi)部load、int和pa－c信號的時序圖。

圖3中，在時序1時，倒數(shù)第二位數(shù)據(jù)被時鐘信號裝入移位寄存器（‘1’）；在時序2時，最后一位數(shù)據(jù)被時鐘信號裝入移位寄存器（‘1’）；時序3時，通過regin信號的轉(zhuǎn)換可產(chǎn)生一內(nèi)部裝入脈沖，并將控制字裝入并行寄存器，從而使電路進入新的模式（tx模式），并穩(wěn)定在這種新模式。在時序4時，如果時鐘信號變低，功放將慢慢開啟以使rf輸出信號最小。在pa開啟前，pll處于可靠的鎖定狀態(tài)。而在lockdet被設(shè)置后，pa開啟。時序5時，功率放大器將滿負荷開啟。時序6時，一個新的控制字進入移位寄存器。當(dāng)clkin為高時，regin信號發(fā)生跳變以關(guān)閉功率放大器。時序7時，功放關(guān)閉以產(chǎn)生內(nèi)部裝入脈沖，并將新控制字裝入并行寄存器，從而使電路進入一個新的模式（節(jié)電模式），但clkin必須在產(chǎn)生內(nèi)部裝入脈沖后變低。當(dāng)clkin為高時，regin上將不會出現(xiàn)跳變，此時，新的控制字在任何時間內(nèi)，都不影響收發(fā)器操作，它將按照自己的方式按時進 入移位寄存器。

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