2.4GHz DSSS收发器芯片组RFW320原理与应用_无线通信论文
关键词：射频 无线收发器 rfw302
1 rfw320芯片组简介
rfw302芯片组是rfwaves公司推出的一种半双工、采用直接序列扩频技术（dsss）无线收发器芯片组，工作在2400～2483.5mhz工业、和医学（ism）频段。该收发器芯片组包含三块芯片，只需外接电感和电容等无源元件。该芯片组符合美国联邦通信委员会（fcc）（part 15.247）和欧洲电信标准协会（etsi）（300 328）的技术规范。该芯片组适用于2.4ghz的短程无线通信应用，数据速率最高可达3.2mb/s，其功耗较低，适于电池驱动。输出功率达+0dbm（峰值），接收灵敏度为-77dbm，电源电压2.7～3.6v，电流消耗为43ma(3.2mb/s)和28μa（1kb/s），待机电流6μa；室内有效距离约20m，3线串行接口能与8位微控制器协同工作。
图1 rfw302芯片组构成的无线收发器电路
2 rfw302构成的无线收发器电路
rfw302芯片组由rfw24、rfw488c、rfw488r三块芯片构成。rfw302构成的无线收发电路如图1所示，各芯片引脚功能如表1～3所列。
表1 rfw24芯片引脚功能
| 引 脚 | 符 号 | 典型值 | 功 能 |
| 1 | vccrf | vcc | rf部分的电源电压 |
| 2 | gnd | 地 | |
| 3 | nrf | a | 连接到天线 |
| 4 | rf | a | 连接到天线 |
| 5 | gnd | 地 | |
| 6 | vccrf | vcc | 功放部分的电源电压 |
| 7 | act | di | 启动控制，l时为待机模式，h时启动模式 |
| 8 | lc | a | 连接到22nh电感 |
| 9 | nlc | a | 连接到22nh电感 |
| 10 | vccpd | vcc | 峰值检测器部分的电源电压 |
| 11 | sawd | a | 从rfw488c-a（d）到峰值检测器的输入 |
| 12 | gnd | 地 | |
| 13 | gnd | 地 | |
| 14 | gnd | 地 | |
| 15 | sawif | a | 从/到rfw488c-a（if）的中频输入/输出 |
| 16 | tx/rx | di | 发射/接收控制，接vcc是tx模式，接gnd是rx模式 |
| 17 | cap | a | 外部电容连接到此脚，最佳值为2.2nf |
| 18 | vccgd | vcc | 到状态机和脉冲发生器部分的供给电压 |
| 19 | txd/rxd | dio | 数据输入/输出 |
| 20 | sawg | a | 当输入到rfw488c-a（g）时的发射脉冲输出 |
| 21 | gnd | 地 | |
| 22 | osco | a | 连接到谐振器 |
| 23 | osci | a | 连接到谐振器 |
| 24 | vcclo | vcc | 振荡器部分的电源电压 |
| puddle | gnd | 地 |
表2 rfw488c相关器芯片的引脚功能
| 引 脚 | 符 号 | 功 能 |
| 1 | gnd | 地 |
| 2 | nif | 地 |
| 3 | gnd | 地 |
| 4 | d | 输出到峰值检测器，在48mhz的特征阻抗为5-122j |
| 5 | nd | 地 |
| 6 | gnd | 地 |
| 7 | if | 从/到if到saw的输入/输出，在488mhz的特征阻抗为3-13j |
| 8 | gnd | 地 |
| 9 | ng | 地 |
| 10 | g | 输入到saw的发射脉冲，在488mhz的特征阻抗为3-13j |
表3 rew488r谐振器芯片的引脚功能
| 引 脚 | 符 号 | 功 能 |
| 1 | gnd | 地 |
| 2 | os | 在这个引脚与5脚之间串联谐振 |
| 3 | gnd | 地 |
| 4 | gnd | 地 |
| 5 | nos | 在这个引脚与5脚之间串联谐振 |
| 6 | gnd | 地 |
电路中rfw24芯片是系统的有源部分，具有定时、放大、开关、发射和接收的功能。rfw488c是一个4脚saw相关器，在晶振的基础上实现。芯片是一个无源的直接序列扩频器件，作为一个13位bpsk贝克码相关器（一个匹配滤波器）。rfw488r是一个单端口的saw谐振器，谐振频率为488mhz，作为系统振荡器源。由三块芯片组成的收发器模块包含：saw相关器、频率发生器、脉冲发生器、rf前端、低噪声块、峰值检测器、状态机等功能。
saw相关器是一个线性的无源3端口器件，与带能滤波器和反相器连接。电流saw相关器是一个匹配滤波器，与一个13位bpsk调制贝克码相匹配。saw相关器的3个端口和外部无源部件匹配电阻为200Ω,中心工作频率为488mhz。
在系统中，频率发生器电路是一个通用元件，是唯一在发射和接收模式下都处于工作的部件，在待机模式下，为了降低功耗，处于不工作状态。频率发生器电路由基于晶体振荡器的saw谐振器组成。谐振器的频率乘以4可以得到需要的上变频频率。电路从待机模式到稳定状态所需时间小于20μs。
脉冲发生器产生一大约76ns的if脉冲，此脉冲输入到saw相关器。状态机对相关的模拟单元进行开关控制。输出级是一个非差分形式的功率放大器，在匹配状态下能使最大的功率接收200Ω的saw输入端上。
rf前端包含放大和上变频级，其输入端是488mhz中频相关器的输出信号，其输出是被放大到31db和上变频到2400mhz的信号。第一级放大在if，第二级放大在rf。混频器是个镜像抑制混频器，镜像抑制率大于35db。
低噪部件lna的输入来自天线，输出连到saw上。由于在天线和lna1间没有rf滤波器，需要很宽的动态发射/接收范围，高频端的特点是动态范围非常高。在此部件后是saw相关器，功能是作为一个滤波器，抑制输出频带外信号和抑制频带内的干扰。主要性能参数如下：增益为25db，负载（saw相关器）为200Ω，输入ip1>-18dbm，输入ip3>-5dbm；噪声值nf<10db，镜像抑制大于35db。
峰值检测器位于saw相关器的下一级，功能是检测信号的包络，直接把中频if移到基带上。峰值检测器位于ask接收器的第一级。由于可能有一非常高的输入信号范围，所以要求动态范围非常高。1个“快速”峰值检测器和1个“慢速”峰值检测器并联使用，两者之间的区别是它们的输出带宽。“快速”峰值检测器的带宽是10mhz；“慢速”峰值检测器的带宽由一外接的电容器决定，电容器连接在第13引脚端和系统的gnd之间。
状态机是芯片数字电路部分，主要完成定时、控制和数字流程等功能。①data i/o：在发射模式下的高阻抗输入脚，在接收模式下的低阻抗输出脚。②tx/rx：h（高电平）=tx;l（低电平）=rx。③act：l（低电平）时元件被关掉，电流消耗最低；h（高电平）时芯片工作。具体状态控制过程如图2所示。
调制解调器建立在saw相关器的基础上。saw相关器是一个3端口的无源器件。与saw相关器连接，还有两个器件嵌入到系统中；：一个488mhz的单端口saw谐振器，为系统提供频率源；一个rfic，是系统的有源器件。rfic的收发器工作在488mhz的中频和1952mhz的lo。saw谐振器产生两种频率。
3 rfw302与微控制器处理模块的接口
rfw302与微控制器/dsp/fpga处理模块的接口如图3所示。fw302构成的无线接口电路与微控制器/dsp/fpga处理模块的接口说明如表4所列。
表4 rfw302与微控制器/dsp/fpg处理模块的接口说明
| 名 称 | 特 征 |
| tx/rx | 模式选择输入，输入vcc(h高电平)时为射模式； 输入0v（l低电平）时为接收模式 |
| act | 输入0v（l低电平）时为待机模式，输入vcc（h高电）时启动模块。唤醒为完全工作模式的典型时间需要花10μs的时间。cmos电平 |
| datai/o | 在tx模式下是输入脚，在rx模式下是输出脚。cmos电平 |
| vcc | 芯片电源供给输入端，需要一个2.7～5v的可调电源 |
| gnd | 地，所有接地端连接到此引脚 |
结语
采用rfw302设计无线收发器电路，工作频率为2.4ghz，数据速率最高可达3.2mb/s，输出功率达+0dbm（峰值），接收灵敏度为-77dbm，pcb板尺寸为12mm×16mm，室内有效距离约20m，在嵌入式智能家居系统无线网关中应用，效果良好。