????清華大學(xué)摩托羅拉MCU與DSP應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究中心 蔣俊峰
????　　摘 要：本文比較了nRF401、nRF903和CC1000三款無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的特性，詳細(xì)介紹了它們的結(jié)構(gòu)原理、特性及應(yīng)用電路。
????　　關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片；nRF401；nRF903；CC1000
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????1.前言
????　　目前許多應(yīng)用領(lǐng)域都采用無(wú)線(xiàn)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這些領(lǐng)域涉及小型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn)抄表、門(mén)禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)遙控系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)標(biāo)簽身份識(shí)別、非接觸RF智能卡等。
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????　　由于無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的種類(lèi)和數(shù)量比較多，無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的選擇在設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的，正確的選擇可以減小開(kāi)發(fā)難度，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本，更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。選擇無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片時(shí)應(yīng)考慮需要以下幾點(diǎn)因素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量、芯片成本、數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼等。
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????　　在本文中筆者就所了解的RF短距數(shù)據(jù)通信芯片nRF401、nRF903和CC1000作一個(gè)對(duì)比描述，給出了它們的結(jié)構(gòu)原理、特性及應(yīng)用電路。
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????2. nRF401無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片
????　　nRF401是Nordic公司研制的單片UHF無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，工作在433MHz ISM（Industrial, Scientific and Medical）頻段。它采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，并采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好，發(fā)射功率最大可達(dá)10dBm，接收靈敏度最大為－105dBm，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20Kbps，工作電壓在+3～5V之間。nRF401無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片所需外圍元件較少，并可直接接單片機(jī)串口。
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????　　nRF401芯片內(nèi)包含有發(fā)射功率放大器（PA）、低噪聲接收放大器（LNA）、晶體振蕩器（OSC）、鎖相環(huán)（PLL）、壓控振蕩器（VCO）、混頻器（MIXFR）、解調(diào)器（DEM）等電路。在接收模式中，nRF401被配置成傳統(tǒng)的外差式接收機(jī)，所接收的射頻調(diào)制的數(shù)字信號(hào)被低噪聲效大器放大，經(jīng)混頻器變換成中頻，放大、濾波后進(jìn)入解調(diào)器，解調(diào)后變換成數(shù)字信號(hào)輸出（DOUT端）。在發(fā)射模式中，數(shù)字信號(hào)經(jīng)DIN端輸入，經(jīng)鎖相環(huán)和壓控振蕩器處理后進(jìn)入到發(fā)射功率放大器射頻輸出。由于采用了晶體振蕩和PLL合成技木，頻率穩(wěn)定性極好；采用FSK調(diào)制和解調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)。
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????　　nRF401的ANT1和ANT2引腳是接收時(shí)低噪聲接收放大器LNA的輸入，以及發(fā)送時(shí)發(fā)射功率放大器PA的輸出。連接nRF401的天線(xiàn)可以以差分方式連接到nRF401，一個(gè)50Ω的單端天線(xiàn)也可以通過(guò)一個(gè)差分轉(zhuǎn)換匹配網(wǎng)絡(luò)連接到nRF401。
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????　　圖1所示為使用單端天線(xiàn)的nRF401的電路圖，50Ω的單端天線(xiàn)通過(guò)差分轉(zhuǎn)換匹配網(wǎng)絡(luò)連接到nRF401的ANT1和ANT2引腳。
????　　圖2所示為使用環(huán)形天線(xiàn)的nRF401的電路圖，整個(gè)環(huán)形天線(xiàn)可以做在PCB上，對(duì)比傳統(tǒng)的鞭狀天線(xiàn)或單端天線(xiàn)，不僅節(jié)省空間和生產(chǎn)成本，機(jī)構(gòu)上也更穩(wěn)固可靠。
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????3. nRF903無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片
????　　nRF903是Nordic公司為433/868/915MHz ISM頻段設(shè)計(jì)的單片UHF多段無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，它采用優(yōu)化的GFSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，采用DDS＋PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好，靈敏度高達(dá)－104dBm，發(fā)射功率可以調(diào)整，最大發(fā)射功率是+10dBm，可在155.6kHz的有效帶寬下傳輸最高76.8Kbps的數(shù)據(jù)。
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????　　nRF903的工作電壓范圍可以從2.7～3.3V，接收待機(jī)狀電流消耗為600μA，低功耗模式電流消耗僅為1μA，可滿(mǎn)足低功耗設(shè)備的要求。nRF903具有多個(gè)頻道（最多170個(gè)以上），特別滿(mǎn)足需要多信道工作的特殊場(chǎng)合，適合采用跳頻協(xié)議。
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????　　nRF903的天線(xiàn)接口設(shè)計(jì)為差分天線(xiàn)，以便于使用低成本的PCB天線(xiàn)，所有的參數(shù)包括工作頻率和發(fā)射功率都可以通過(guò)一個(gè)14位的配置寄存器用串行線(xiàn)（CS、CFG_CLK和CFG_DATA）進(jìn)行設(shè)置。圖3所示為使用環(huán)形天線(xiàn)的nRF903的應(yīng)用電路圖。
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????　　nRF903內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為發(fā)射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路及串行接口幾個(gè)部分。發(fā)射電路含有：射頻功率放大器、鎖相環(huán)（PLL）、壓控振蕩器（VCO）、頻率合成器等電路?；鶞?zhǔn)振蕩器采用外接晶體振蕩器產(chǎn)生電路所需的基準(zhǔn)頻率。振蕩電路采用鎖相環(huán)（PLL）方式，由在DDS基礎(chǔ)上的頻率合成器、外接的無(wú)源回路濾波器和壓控振蕩器組成。壓控振蕩器由片內(nèi)的振蕩電路和外接的LC諧振回路組成。要發(fā)射的數(shù)據(jù)通過(guò)DATA端輸入。
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????　　接收電路包含有：低噪聲放大器、混頻器、中頻放大器、GFSK解調(diào)器、濾波器等電路。低噪聲放大器放大輸入的射頻信號(hào)；混頻器采用2級(jí)混頻結(jié)構(gòu)，第一級(jí)中頻10.7136MHz，第二級(jí)中頻345.6kHz。中頻放大器用來(lái)放大從混頻器來(lái)的輸出信號(hào)；中頻放大器的輸出信號(hào)經(jīng)中頻濾波器濾波后送入GFSK解調(diào)器解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)在DATA端出。
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????4. CC1000無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片
????　　CC1000是Chipcon公司推出的單片可編程RF收發(fā)芯片，它基于Chipcon's Smart RF技術(shù)，可工作在ISM頻段（300～1000MHz）。CC1000集成了射頻發(fā)射、射頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制解調(diào)、可編程控制等多種功能。
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????　　CC1000采用鎖相環(huán)技術(shù)，發(fā)射頻率是通過(guò)內(nèi)部的頻率合成器來(lái)配置的，可配置的范圍為300～1000MHz，適合應(yīng)用跳頻協(xié)議，一般可配出10或20個(gè)頻點(diǎn)，該芯片靈敏度為－109dBm，并可自動(dòng)校準(zhǔn)，可編程輸出功率為－20dBm～+10dBm，通信速率可達(dá)78.6Kbps。
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????　　CC1000的主要工作參數(shù)可由一個(gè)串行接口編程設(shè)定，使用非常方便并且具有靈活性。CC1000芯片的外圍元件較少，且對(duì)精度要求不高，并提供三種編碼方式與微控制器接口。所以CC1000與一個(gè)微控制器和少數(shù)幾個(gè)外接元件便可組成一個(gè)完整的RF收發(fā)系統(tǒng)。
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????　　圖4所示是CC1000的一個(gè)典型的應(yīng)用電路，調(diào)節(jié)元器件C1-C13 、L1-L3、R1的參數(shù)值可使CC1000工作在不同工作頻率（300～1000MHz）。
????　　微控制器可以通過(guò)CC1000的串行接口（PDATA、PAlE和PCLK）對(duì)CC1000進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)CC1000的DIO完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。
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????5. 三款無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片性能比較
????　　上述三款無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF401、nRF903和CC1000在無(wú)線(xiàn)短距離數(shù)傳中得到的大量的應(yīng)用，這三款無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的性能對(duì)比如表1所示。
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????參考文獻(xiàn)
????1 433MHz Single Chip RF Transceiver nRF401.Rev1.6. Nordic VLSI ASA, 2002
????2 430MHz-950MHz Single Chip RF Transceiver　nRF903. Rev3.1. Nordic VLSI ASA, 2002
????3 CC1000 Single Chip Very Low Power RF Transceiver. Rev1.0. Chipcon, 2001
????4 nRF401 RF and antenna layout. Rev1.3. Nordic VLSI ASA, 2002
????5 nRF401 RF and antenna layout. Rev1.2. Nordic VLSI ASA, 2003
????6 Small loop antennas. Rev1.2. Nordic VLSI ASA, 2000
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????公司專(zhuān)業(yè)經(jīng)營(yíng)射頻無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片