nRF902的868MHz无线数字发射电路设计_无线通信论文
关键词：无线发射 fsk 射频发射器 nrf902
1 概述
nrf902是一个单片发射器芯片，工作频率范围为862～870mhz的ism频带。该发射器由完全集成的频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成。由于nrf902使用了晶体振荡器和稳定的频率合成器，因此，频率漂移很低，完全比得上基于saw谐振器的解决方案。nrf902的输出功率和频偏可通过外接电阻进行编程。电源电压范围为2.4～3.6v，输出功率为10dbm，电流消耗仅9ma。待机模式时的电源电流仅为10na。采用fsk调制时的数据速率为50kbits/s。因此，该芯片适合于报警器、自动读表、家庭自动化、遥控、无线数字通讯应用。
2 引脚功能和结构原理
nrf902采用sioc-8封装，各引脚功能如表1所列。
表1 nrf902的引脚功能
| 引脚端 | 符 号 | 功 能 |
| 1 | xtal | 晶振连接端/pwr-up控制 |
| 2 | rext | 功率调节/时钟模式/ask调制器字输入 |
| 3 | xo8 | 基准时钟输出（时钟频率1/8） |
| 4 | vdd | 电源电压（+3v） |
| 5 | din | 数字数据输入 |
| 6 | ant2 | 天线端 |
| 7 | ant1 | 天线端 |
| 8 | vss | 接地端（0v） |
图1所示是nrf902的内部结构，从图中可以看出：该芯片内含频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等电路。
通过nrf902的天线输出端可将平衡的射频信号输出到天线，该引脚同时必须通过直流通道连接到电源vdd，电源vdd可通过射频扼流圈或者环路天线的中心接入。ant1/ant2输出端之间的负载阻抗为200～700Ω。如果需要10dbm的输出功率，则应使用400Ω的负载阻抗。
调制可以通过牵引晶振的电容来完成。要达到规定的频偏，晶振的特性应满足：并联谐振频率fp应等于发射中心频率除以64，并联等效电容co应小于7pf，晶振等效串联电阻esr应小于60Ω，全部负载电容，包括印制板电容cl均应小于10pf。由于频率调制是通过牵引晶振的负载（内部的变容二极管）完成的，而外接电阻r4将改变变容二极管的电压，因此，改变r4的值可以改变频偏。
将偏置电阻r2从rext端连接到电源端vdd对可输出功率进行调节。nrf902的工作模式可通过表2所列方法进行设置。
表2 npf902的工作模式设置
| 引 脚 工作模式 | xtal | rext | xo8 | din |
| 低功耗模式（睡眠模式） | gnd | - | - | - |
| 时钟模式 | vdd | gnd | vdd | - |
| ask模式 | vdd | ask数据 | vdd或者gnd | vdd |
| fsk模式 | vdd | vdd | vdd或者gnd | fsk数据 |
在fsk模式时，调制数据将从din端输入，这是nrf902的标准工作模式。
ask调制可通过控制rext端来实现。当r2连接到vdd时，芯片发射载波。当r2连接到地时，芯片内部的功率放大器关断。这两个状态可用ask系统中的逻辑“1”和逻辑“0”来表示。在ask模式，din端必须连接到vdd。
时钟模式可应用于外接微控制器的情况，nrf902可以给微控制器提供时钟。它可在xo8端输出基准时钟，xo8端输出的时钟信号频率是晶振频率的1/8。如晶振频率为13.567mhz，则xo8输出的时钟信号频率为1.695mhz。
在低功耗模式（睡眠模式），芯片的电流消耗仅10na。在没有数据发射时，芯片可工作在低功耗模式以延长电池的使用时间。电路从低功耗模式转换到发射模式需要5ms的时间，从时钟模式转换到发射模式需要50μs的时间。
图2 nrf902的应用电路
3 应用电路设计
nrf902的应用电路如图2所示。为了获得好的射频性能，印制板（pcb）的设计是非常重要的。推荐使用最少两层的pcb板，其中包括一个接地板。设计时应使用高性能的射频电容来紧密的靠近vdd端，以完成dc电源去耦。推荐采用大容量电容与一个小容量电容并联在vdd与地之间的方法。电源电压也应在滤波后，从电源分别发送到各数字电路。所有器件地、vdd连接、vdd旁路电容都必须尽可能的靠近nrf902芯片。pcb使用上层射频接地板时，vss端应直接连接到接地板。pcb使用底层接地板时，最好的方法是通过个通孔连接到vss。数字信号和控制信号通道不能靠近晶振和xtal端。笔者设计时的印制板使用双面1.6mmfr-4板，底板层有连续的接地板，再加上元器件面的接地面积，因而确保了良好的接地。大量的通孔可以连接在元器件面的接地面到底板接地面上，而在天线底下不应有接地面。