無線收發(fā)芯片和模塊

1、無線收發(fā)芯片和模塊高頻電子技術(shù)1.1 無線收發(fā)芯片的主要特性 由于無線收發(fā)芯片分為發(fā)射芯片、接收芯片和收發(fā)芯片三大類，我們將芯片所涉及的主要特性指標(biāo)也分為三類： 第一類是這三類芯片都使用的性能指標(biāo)，稱其為共有指標(biāo)； 第二類是描述發(fā)射特性的指標(biāo)，稱為發(fā)射模式指標(biāo)； 第三類是描述接收特性的指標(biāo)，稱為接收模式指標(biāo)。 無線發(fā)射芯片只涉及共有指標(biāo)和發(fā)射模式指標(biāo)，接收芯片只涉及共有指標(biāo)及接收模式指標(biāo)，收發(fā)芯片則涉及所有上述指標(biāo) 1.1 無線收發(fā)芯片的主要特性 （1）電源電壓 無線收發(fā)芯片都使用低壓直流電源，一般都指定電源電壓范圍。 （2）工作溫度 一般標(biāo)明兩個(gè)溫度范圍：工作溫度范圍，是指正常工作所需的環(huán)境

2、溫度范圍，例如無線收發(fā)芯片nRF401的工作溫度范圍是2585；儲存溫度，是指儲存芯片所需的環(huán)境溫度，nRF401的儲存溫度范圍是40125。 1、共有指標(biāo) （3）芯片封裝形式和尺寸 無線芯片應(yīng)用于許多便攜式設(shè)備，因此選用時(shí)芯片的封裝方式和尺寸也是一個(gè)重要的指標(biāo)。常見的封裝方式有TSOP（薄型小尺寸封裝）、SSOP（縮小型小尺寸封裝）、TSSOP（薄型小間距小尺寸封裝）、SOIC（小外形集成電路）等 1.1 無線收發(fā)芯片的主要特性 （5）外接元件數(shù)目 從設(shè)計(jì)制作實(shí)用無線收發(fā)裝置的角度看，芯片外接元件的數(shù)量和品種也是一個(gè)重要的指標(biāo)，同樣的電氣性能，不同型號的芯片所需外接的元件數(shù)量常常不同，這種情

3、況下應(yīng)盡量選用外接元件最少的芯片。 （6）天線尺寸 天線尺寸的大小決定于波長，為了使便攜式無線收發(fā)系統(tǒng)有更小的尺寸，應(yīng)該選用頻率較高的芯片。 1、共有指標(biāo) （7）低功耗模式電流 也稱睡眠模式電流，是指芯片處于待機(jī)狀態(tài)，即沒有收發(fā)無線電信號狀態(tài)時(shí)的維持電流。這一指標(biāo)直接關(guān)系到收發(fā)系統(tǒng)的功耗，也是無線收發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一個(gè)重要指標(biāo)。 1.1 無線收發(fā)芯片的主要特性 （1）發(fā)射頻率 是指無線發(fā)射時(shí)載波的頻率，芯片說明書上也稱工作頻率，除調(diào)幅廣播以外，應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸、控制和通信的無線收發(fā)芯片，多數(shù)工作于VHF（30300MHz）或UHF（3003000MHz）頻段。 （2）晶振頻率 為了獲得

4、高穩(wěn)定度的VHF/UHF振蕩，芯片所使用辦法是由晶振產(chǎn)生幾兆至十幾兆的高穩(wěn)定度的振蕩，然后通過片內(nèi)鎖相環(huán)倍頻電路獲得高頻率的振蕩，因此無線收發(fā)芯片都需要外接晶體諧振器，在標(biāo)明工作頻率的同時(shí)都標(biāo)出外接晶體諧振器的頻率，即晶振頻率。 使用時(shí)必需按要求正確外接晶振才能獲得規(guī)定的工作頻率。 2、發(fā)射模式指標(biāo) 1.1 無線收發(fā)芯片的主要特性 （3）調(diào)制方式 也稱調(diào)制類型，常用的無線發(fā)射所采用的調(diào)制方式有AM（幅度調(diào)制）、FM（頻率調(diào)制），ASK（幅移鍵控）調(diào)制、FSK（頻移鍵控）調(diào)制和PSK（相移鍵控）調(diào)制等。 有些芯片還用到OOK調(diào)制和高斯頻移鍵控調(diào)制。所謂OOK是On-Off Keying的縮寫，即

5、為通斷鍵控調(diào)制的意思，它是ASK調(diào)制的特例，幅度鍵控調(diào)制時(shí)一個(gè)狀態(tài)的幅度為零，另一個(gè)非零，即為OOK調(diào)制。 2、發(fā)射模式指標(biāo) 1.1 無線收發(fā)芯片的主要特性 （4）數(shù)據(jù)速率 也稱數(shù)據(jù)傳輸速率，一般標(biāo)明的是最大傳輸速率。傳輸速率可以用比特率表示，也可以用波特率表示。 通過下面的例子說明比特率和波特率之間的差異和聯(lián)系 2、發(fā)射模式指標(biāo) 波特率是5kBaud/s，比特率和波特率數(shù)值相等。 波特率仍然為5kBaud/s比特率等于10kbit/s 比特率=波特率單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對應(yīng)的二進(jìn)制位數(shù)1.1 無線收發(fā)芯片的主要特性 （5）最大輸出功率 是指發(fā)射芯片或收發(fā)芯片的射頻輸出功率，有些芯片稱為發(fā)射功率、最大

6、輸出電平。 2、發(fā)射模式指標(biāo) （6）發(fā)射模式電流 是指芯片處于發(fā)射模式時(shí)流過芯片的電流，對于發(fā)射芯片，常標(biāo)為工作電流或消耗電流等；對于收發(fā)芯片，標(biāo)明為發(fā)射模式工作電流。 1.1 無線收發(fā)芯片的主要特性 （1）輸入頻率 也稱射頻輸入范圍，是指接收芯片或收發(fā)芯片接收模式時(shí)對于射頻輸入信號頻率的要求，一般給出頻率的最大值和最小值。例如，無線接收芯片RX3310輸入信號頻率范圍是250450MHz。對于收發(fā)芯片，由于即具有發(fā)射能力，又具有接收能力，其接收電路對于輸入信號頻率的要求應(yīng)和發(fā)射電路所發(fā)射的無線電信號頻率范圍相同，因此，對于收發(fā)芯片，只要標(biāo)明頻率范圍即可。 3、接收模式指標(biāo) （2）接收靈敏度

7、也稱輸入靈敏度，與調(diào)制方式有關(guān)，輸入信號為ASK、FSK調(diào)制時(shí)，誤碼率達(dá)到10-3所需的平均輸入信號功率電平即為接收機(jī)的接收靈敏度。例如，nRF401信號傳輸速率20kbps，輸入阻抗400時(shí)的接收靈敏度為105dBm。 1.1 無線收發(fā)芯片的主要特性 （3）接收模式電流 是指接收芯片的工作電流或收發(fā)芯片工作于接收模式時(shí)的電流。例如收發(fā)芯片nRF401接收模式工作電流為250A。 3、接收模式指標(biāo) （4）基準(zhǔn)頻率和中頻 接收芯片大都采用超外差接收方式，為此需外接晶體諧振器產(chǎn)生幾兆至幾十兆的振蕩，然后經(jīng)片內(nèi)鎖相環(huán)倍頻電路倍頻，形成穩(wěn)定的高頻本地振蕩，因此接收芯片一般都標(biāo)明晶體的頻率（基準(zhǔn)頻率），

8、同時(shí)也給出中頻。無線接收芯片的中頻，包括收音機(jī)集成電路在內(nèi)不像分立元器件組成的調(diào)幅、調(diào)頻廣播及電視接信號接收電路有規(guī)范的數(shù)值，不同的芯片所采用的中頻可以有較大的差異。1.1 無線收發(fā)芯片的主要特性 （5）調(diào)制方式和數(shù)據(jù)速率 調(diào)制方式和數(shù)據(jù)速率都是發(fā)射模式指標(biāo)，但在接收芯片中仍需標(biāo)明這兩個(gè)指標(biāo)。只有接收到的已調(diào)信號的調(diào)制方式、數(shù)據(jù)速率與接收芯片內(nèi)的解調(diào)電路特性相符合時(shí)才能進(jìn)行有效的解調(diào)，因此，接收芯片還是需要標(biāo)明調(diào)制方式和數(shù)據(jù)速率。 3、接收模式指標(biāo) 1.2 無線收發(fā)芯片按用途分類 無線收發(fā)芯片的開發(fā)、生產(chǎn)勢必是專、通用相結(jié)合，這樣做的好處是能最大限度地提高芯片的性能價(jià)格比。于是就形成了適合于不

9、同應(yīng)用領(lǐng)域芯片的分類。按照目前常見的無線收發(fā)芯片，按照不同的用途，可以將其分為圖所示的5大類。 1.2 無線收發(fā)芯片按用途分類 1、收音機(jī)集成電路 從高頻電子技術(shù)的角度來看，調(diào)幅和調(diào)頻收音機(jī)是典型的中高頻（300kHz30MHz）段無線信號接收電路，用于這些頻段射頻信號接收的芯片習(xí)慣上不稱收音機(jī)芯片而稱收音機(jī)集成電路。 分立元器件組成的收音機(jī)電路集成化時(shí)可以采取多種方案，可以對接收電路的整體進(jìn)行集成，由此所形成的集成電路稱為單片收音機(jī)集成電路。 典型的單片集成電路有FS2204、TA7641P、TDA7000、TDA7088T、TEA5768HL和TDA1220A等，其中FS2204為國產(chǎn)電路

10、，TA7641P為東芝公司產(chǎn)品，TDA7000、TDA7088T、TEA5768HL為菲利浦公司產(chǎn)品，TDA1220A為德國德力風(fēng)根公司產(chǎn)品。 1.2 無線收發(fā)芯片按用途分類 2、電視機(jī)集成電路 電視機(jī)除了無線接收電路以外，它還包含許多不屬于高頻電子技術(shù)研究對象的技術(shù)和電路。彩色電視機(jī)的電路框圖如圖所示。 圖中大虛線框所包圍的即為本章所討論的無線接收電路，這一電路輸出的圖像信號、伴音信號如何形成圖像和聲音則不屬于高頻電子技術(shù)的范圍。1.2 無線收發(fā)芯片按用途分類 3、手機(jī)等通信專用芯片 手機(jī)中，屬高頻電子技術(shù)研究對象的是無線接收和發(fā)射電路（包括天線和天線收發(fā)轉(zhuǎn)換器），這部分電路已被制成各種型號

11、的集成電路。 以摩托羅拉A920所使用的無線收發(fā)芯片為例。該手機(jī)的無線收發(fā)電路由4塊芯片組成，分別為MAX2388、MAX2309、MAX2363和MAX2291。MAX2388和MAX2309組成圖中的接收電路，MAX2363和MAX2291組成圖中的發(fā)射電路。 1.2 無線收發(fā)芯片按用途分類 4、射頻卡芯片 射頻卡也稱非接觸式IC卡，具有無線數(shù)據(jù)傳輸和身份識別的功能。射頻卡和基站之間是通過無線通信的方式來傳輸信息的，因此射頻卡也是無線收發(fā)芯片的重要一類。 常用的射頻卡芯片有E5550、E5560、E5530等，它由前端處理模塊、調(diào)制模塊、處理器模塊和存儲器組成，8腳SO封裝，便于塑封于厚度

12、1mm左右的“卡片”之中，能完成與讀寫器之間的無線通信。 1.2 無線收發(fā)芯片按用途分類 5、數(shù)據(jù)傳輸和遙控芯片 無線收發(fā)芯片中應(yīng)用范圍最廣的是適用于數(shù)據(jù)傳輸和遙控的芯片。下表列出了部分典型接收芯片的型號和主要參數(shù)， 1.2 無線收發(fā)芯片按用途分類 5、數(shù)據(jù)傳輸和遙控芯片 下表列出了部分典型收發(fā)芯片的型號和主要參數(shù)。 下面以無線收發(fā)芯片nRF401為例，介紹芯片的結(jié)構(gòu)、主要特性、封裝以及外接元件的連接，介紹如何用這種型號的芯片組成無線收發(fā)系統(tǒng)。 1.2 無線收發(fā)芯片按用途分類 （1）nRF401封裝和外形 無線收發(fā)芯片nRF401為20腳SSO封裝（SSOP），如圖所示。芯片大小為7.45mm

13、2，比DIP封裝小一半，厚度2mm也比DIP封裝薄。 （2）nRF401引腳功能和工作原理 1.2 無線收發(fā)芯片按用途分類 （2）nRF401引腳功能和工作原理 芯片內(nèi)部電路框圖如下圖所示 1.2 無線收發(fā)芯片按用途分類 （2）nRF401引腳功能和工作原理 各引腳功能如下表所示 （2）nRF401引腳功能和工作原理 無線信號接收：18腳置1，19腳置0時(shí)芯片處于接收狀態(tài)，無線信號經(jīng)天線進(jìn)入高頻放大電路（低噪聲放大電路），放大后與本機(jī)振蕩混頻，輸出中頻信號，進(jìn)一步放大后解調(diào)，從10腳輸出解調(diào)后的信號。 無線信號發(fā)射：18腳置1，19腳置1時(shí)芯片處于發(fā)射狀態(tài)，待發(fā)射的基帶信號從9腳輸入，控制壓控

14、振蕩電路的頻率，形成頻率受調(diào)制的已調(diào)波（FSK調(diào)制波），已調(diào)波經(jīng)高頻功率放大電路放大后通過天線向外發(fā)射。功率放大電路是雙端輸出的差分電路，其兩個(gè)輸出端分別接環(huán)形天線的兩端。（2）nRF401引腳功能和工作原理 環(huán)形天線制作在印制電路板上，其形狀和尺寸如下圖所示。 1.3 無線收發(fā)模塊 根據(jù)組成、技術(shù)指標(biāo)和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，無線收發(fā)模塊可以分為以下四類。 1、聲表面波-超再生型模塊 這類模塊結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是發(fā)射電路的載波由聲表面波諧振器振蕩電路產(chǎn)生，采用ASK或OOK調(diào)制方式，接收電路為超再生電路，由于發(fā)射電路用聲表面波器件穩(wěn)頻，接收電路為超再生式，因此稱其為聲表面波-超再生型模塊。 模塊的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)

15、構(gòu)簡單、成本低，缺點(diǎn)是抗干擾能力差，頻率穩(wěn)定性比LC振蕩電路好但仍低于工業(yè)控制所要求的108，一般只能達(dá)到106，因此適用于遙控玩具和其他抵擋遙控產(chǎn)品。 1.3 無線收發(fā)模塊 典型收發(fā)模塊的主要特性指標(biāo)如表所示，常用聲表面波諧振器,工作頻率為315和433MHz，此外模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾室草^低，都在10kbit/s以下。 1.3 無線收發(fā)模塊 2、聲表面波-超外差型模塊 這類模塊的發(fā)射電路仍采用聲表面波諧振器產(chǎn)生高頻振蕩，接收電路改用超外差式，故稱其為聲表面波-超外差型模塊。聲表面波-超外差型收發(fā)模塊改變的是接收模塊，下表列出了幾種典型的接收模塊。 比較前面的兩表中的接收模塊，105dBm的接收

16、靈敏度相當(dāng)于1.5V，而超再生式一般為5 V，可見超外差型的接收靈敏度有所提高。此外，超外差型抗干擾能力也較強(qiáng)。 1.3 無線收發(fā)模塊 3、收發(fā)芯片為核心組成的收發(fā)模塊 為便于用戶使用，許多廠家以常用無線收發(fā)芯片為核心，加上必須的外接元件用印制板制成實(shí)用的收發(fā)系統(tǒng)，即成為以收發(fā)芯片為核心的收發(fā)模塊。 這些模塊的使用十分簡單，也無需調(diào)試，在這類模塊的基礎(chǔ)上還可以進(jìn)行二次開發(fā)，因此給設(shè)計(jì)人員帶來很大的方便。優(yōu)點(diǎn)：兼有接收和發(fā)射功能；多頻道時(shí)，頻道選擇方便；可方便地與單片機(jī)串行口連接；由于所選用的芯片采用晶體振蕩和鎖相環(huán)技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好；通過有限的幾個(gè)引腳與外界連接，使用十分方便。 1.3 無線收發(fā)模塊 3、收發(fā)芯片為核心組成的收發(fā)模塊 模塊PTR2000為例，其外形如圖所示，共有7個(gè)引腳，1、2是電源引腳，3，4為數(shù)據(jù)輸出和輸入引腳，2腳用于選擇頻道，置0時(shí)工作頻率為433.9