高精度低功耗CMOS射頻接收芯片的研究與應(yīng)用

黃穎華 王宇星 曹薇薇 張定心

摘? 要：隨著當(dāng)今無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和市場需要的不斷增長、高性能、低功耗、低成本的多功能小型化接收模塊應(yīng)用廣泛。該文研究了一款在300～440MHz的頻率范圍，帶有ASK/OOK（開關(guān)鍵控）的單晶片射頻接收集成電路設(shè)備。這分析其功能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款野營燈收發(fā)模塊，并結(jié)合單片機(jī)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了信號的有效傳輸。

關(guān)鍵詞：無線通信? 接收芯片? 信號傳輸

Abstract： With the rapid development of wireless communication technology and the increasing market demand， the multi-function miniaturized receiver module with high performance， low power consumption and low cost is widely used.This paper studies a single chip RF receiver IC device with ASK/OOK （open key control） in the frequency range from 300～440MHz.Based on the analysis of its functional characteristics， a camping lamp transceiver module is designed， and combined with the application of single-chip microcomputer to achieve effective signal transmission.

Key Words： Wireless communication; The receiver; The signal transmission

隨著無線通信應(yīng)用的持續(xù)發(fā)展和移動產(chǎn)品的普及，射頻接收集成前端的性能對無線通信的質(zhì)量有著決定性作用，而低噪聲、低功耗設(shè)計(jì)成為業(yè)界共同關(guān)注的重要課題[1-2]，高性能、低成本、小型化的射頻接收電路有著重要的研究價值[3-4]。因此該文在通過對XX1086單晶片射頻接收集成電路功能分析的基礎(chǔ)上，完成了一塊野營燈收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)。

1? XX1086芯片簡介

XX1086是一款“從天線接收到數(shù)據(jù)輸出”的單片電路。300～440MHz的頻率范圍，是一個ASK/OOK（開關(guān)鍵控）的單晶片射頻接收集成電路設(shè)備。所有的射頻和中頻的調(diào)諧都在集成電路里完成，這樣可以無須手動調(diào)整并且降低成本，實(shí)現(xiàn)了一個高度可靠且低成本的解決方案。XX1086是一個采用16引腳封裝且功能齊全的芯片，XX1086A/B/C/DL采用了8引腳封裝，功能稍有減少。引腳排列如圖1所示。

XX1086提供了兩種附加的功能：（1）一個關(guān)閉引腳，在任務(wù)周期操作時可以用來關(guān)閉設(shè)備;（2）一個喚醒輸出引腳，當(dāng)接收到射頻信號時，它可以提供一個輸出標(biāo)記。這些特點(diǎn)使得XX1086可以用在低功耗的應(yīng)用上，比如RKE和遠(yuǎn)程控制。

XX1086上提供了所有的中頻濾波和數(shù)據(jù)解調(diào)濾波器，不需要外部的濾波器了。4個解調(diào)濾波器的帶寬可以由用戶從外部控制。

XX1086提供了兩種工作模式：固定模式（FIX）和掃描模式）（SWP）。在固定模式中，XX1086用作傳統(tǒng)的超外差接收器。在掃描模式下，XX1086在一個較寬的射頻范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。固定模式提供了更有選擇性和針對性的工作模式，并且使得XX1086可以與低成本，精確度較低的發(fā)射器一起使用。圖2為芯片在兩種不同頻率下的應(yīng)用電路圖，該芯片主要特點(diǎn)有以下幾方面。

（1）接受靈敏度高：-108dBm;

（2）數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)10kbps（固定模式）;

（3）低功耗設(shè)計(jì)，關(guān)閉時的電流為0.9μA;

（4）掃描操作時（10∶1任務(wù)周期操作）;

（5）喚醒輸出標(biāo)記用來啟動解碼器和微處理器;

（6）天線處的射頻輻射非常低;

（7）集成度高，外部器件需求少。

2? 野營燈收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

在Altium Designer軟件中繪制電路原理圖和PCB布圖，如圖3和圖4所示。正確焊接各個元器件，焊好后進(jìn)行天線選擇433MHz選用17cm天線，315MHz選用12cm天線。綜合調(diào)試后最終使系統(tǒng)達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。

基本設(shè)計(jì)步驟如下。

（1）選擇工作模式。應(yīng)用精確設(shè)置的發(fā)射頻率，射頻的帶寬比較窄，這樣使得接收器受干擾型號的影響不大。通過使SWEM接地來選擇固定模式。

（2）選擇參考晶振。所有對XX1086的調(diào)時和調(diào)優(yōu)操作都源于內(nèi)部的電容三點(diǎn)式參考晶振。調(diào)時和調(diào)優(yōu)操作可以通過REFOSC引腳進(jìn)行操作。具體的參考頻率與系統(tǒng)的發(fā)射頻率和通過SWEN引腳設(shè)置的接收器操作模式相關(guān)。

（3）選擇CTH電容。通過使用外部的閾值電容CTH和片上選擇電容RSC，提取解調(diào)后信號的直流值用來對邏輯數(shù)據(jù)比較。比較水平的時間常數(shù)值會由于解碼器的類型，數(shù)據(jù)速率而有所不同，然而典型的值一般為5～50ms。優(yōu)化的CTH值可以使其達(dá)到最大的范圍。

（4）選擇CAGC電容。信號路徑上有AGC（自動增益控制）來增加輸入的動態(tài)范圍。AGC的攻擊時間常數(shù)由外部的鏈接到CAGC引腳的CAGC電容來確定。為了最大化系統(tǒng)的范圍，保持AGC控制脈沖電壓較低是十分重要的，一旦控制電壓已經(jīng)達(dá)到了他們的靜止值，可以低于10mVPP。

（5）選擇數(shù)據(jù)調(diào)解濾波器的帶寬。輸入SEL0和SEL1可以控制解調(diào)器的帶寬，一共有4個二進(jìn)制步驟（掃描模式下625～5000Hz，固定模式下1250～10000Hz）。對于不同的應(yīng)用要選擇不同的帶寬。濾波器的帶寬與頻率呈線性關(guān)系，這依賴于工作頻率。

為了使測試效果更直觀地體現(xiàn)出來，加裝了單片機(jī)和演示燈，如果接收芯片能夠有效傳輸信號，則單片機(jī)可以識別并控制演示燈的開關(guān)，從而驗(yàn)證信道的暢通和傳輸正確。PCB布板注意點(diǎn)是由于信號輸入ANT端的信號幅值太小，外圍選頻網(wǎng)絡(luò)在原則上要求最大限度地靠近芯片二腳ANT端，防止干擾擴(kuò)大。

3? 結(jié)語

該文對無線通信核心部分的接收機(jī)電路系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析了一款單晶片射頻接收集成電路功能和原理，在此基礎(chǔ)上完成了一塊野營燈收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁源.無線通信射頻接收系統(tǒng)研究[J].電子測試，2019（9）：74-75.

[2] 顧寶良.通信電子線路[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[3] 方磊，陳邦媛.級聯(lián)型低噪聲放大器設(shè)計(jì)和優(yōu)化的研究[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2003，8（4）：58-62.

[4] 李輝，宋詩.基于ARM和nRF24L01的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].國外電子元器件，2008（12）：44-46.