2.4GHz DSSS收发器芯片组RFW320原理与应用
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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、科学和医学（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。
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