無線射頻收發(fā)系統(tǒng)硬件設(shè)計

摘要：針對目前短程開放段無線通信系統(tǒng)雙工通信終端不對稱現(xiàn)象，設(shè)計智能化無線射頻收發(fā)兩用硬件終端系統(tǒng)。在對系統(tǒng)框架進行研究后，使用單片微控制器MSP430F1121和射頻模塊TRF6900作為主芯片的方案。通過計算主要功能模塊的外圍電路參數(shù)，完成了系統(tǒng)電路設(shè)計。該系統(tǒng)實現(xiàn)了收發(fā)端完全對等使用，而且電路結(jié)構(gòu)簡單，具有低成本、低功耗等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用在無線網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備中。
關(guān)鍵詞：無線射頻芯片；收發(fā)系統(tǒng)；微控制器；鑒相器；環(huán)路濾波器

0 引言
    隨著當(dāng)今電子、計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，射頻技術(shù)作為一種無線網(wǎng)絡(luò)通訊手段，已經(jīng)在越來越多的場合上使用，并且表現(xiàn)出其獨特的優(yōu)越性。它取代了傳統(tǒng)中錯綜復(fù)雜的電纜，使家庭或辦公場所的移動電話、便攜式電腦、打印機、復(fù)印機、鍵盤及其他設(shè)備實現(xiàn)了互聯(lián)互通，將人們從無數(shù)的連接電纜中解放出來，自由方便地構(gòu)成自己的個人網(wǎng)絡(luò)。作為取代數(shù)據(jù)電纜的短距離無線通信技術(shù)，它將家庭或辦公室中的各種數(shù)據(jù)和語音設(shè)備聯(lián)成一個微微網(wǎng)，還可以進一步實現(xiàn)互聯(lián)，形成一個分布式網(wǎng)絡(luò)，從而在這些聯(lián)接設(shè)備之間實現(xiàn)快捷而方便的通信聯(lián)系，因此它在無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

1 系統(tǒng)硬件組成與工作原理
    射頻與數(shù)字基帶部分電路通過合適的方式連接起來就構(gòu)成了所設(shè)計的無線射頻收發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路，總體電路如圖l所示。其中，帶有箭頭的表示接外加的電壓，以保證電路正常工作，其工作電壓為3 V。

1．1 系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)與原理
    射頻部分電路主要是用TRF6900收發(fā)芯片和一些外圍元件設(shè)計成的射頻收發(fā)器。TRF6900是TexasInstruments公司推出的單片射頻收發(fā)器芯片，其內(nèi)部集成了完整的發(fā)射電路和接收電路。它的工作頻率范圍為850～950 MHz，供電電壓范圍為2．2～3．6 V，射頻輸出功率高達+5 dBm，而待機模式時的電流消耗僅在O．5～5μA之間。TRF6900采用高吞吐率16 bRISC結(jié)構(gòu)，其最快速率可達8 MIPS。另外，這種收發(fā)器還具有FM／FSK調(diào)制模式，并采用三線制串行接口，因而能很方便地與微控制器相連接，可用于ISM頻段內(nèi)數(shù)據(jù)的雙向無線傳輸，能夠容易地對它的收發(fā)進行控制，因而基于它的應(yīng)用也越來越普遍。
1．1．1 接收原理
    從天線接收到的信號由LNA IN引入TRF6900，首先經(jīng)過低噪音放大器。低噪音放大器提供13 dB的增益，它有正常和低增益兩種模式，當(dāng)TRF6900接收的信號較強時，應(yīng)該選擇低增益模式，這樣可以最大程度地減少信號的非線性失真。放大后的信號被送入混頻器，混頻器將信號變頻到中頻，再通過第一和第二級中頻放大。第一級中頻放大可獲得7 dB的增益，用以補償濾波器帶來的損耗；第二級中頻放大包括多個放大器，總共可獲得80 dB的增益。經(jīng)過兩級放大后的信號，如果采用的是FM／FSK調(diào)制方式，就送入FM／FSK解調(diào)器，解調(diào)出的數(shù)據(jù)信號從DATA OUT引出。如果是頻移鍵控(ASK)或開關(guān)鍵控(OOK)，則送入接收信號強度指示器(RSSI)解調(diào)，解調(diào)后的基帶數(shù)據(jù)從RSSI OUT輸出。
1．1．2 發(fā)射工作原理
    數(shù)字基帶信號從TX DATA引入TRF6900片內(nèi)，經(jīng)過直接數(shù)字頻率合成器(DDS)調(diào)制到中頻，再通過鎖相環(huán)(PLL)倍頻到射頻，最后通過功率放大器放大信號后，由PA OUT導(dǎo)出射頻信號，再通過天線發(fā)射出去。
1．1．3 串行控制接口工作原理
    串行控制接口包括CLOCK，DATA，STOBE三部分，控制著TRF6900內(nèi)部所有的寄存器，包括DDS參數(shù)設(shè)定寄存器和其他的控制寄存器。在CLOCK的每一個上升沿，DATA管腳的邏輯值送入24 b的移位寄存器，當(dāng)STOBE電平被抬高時，設(shè)定的參數(shù)被送入選定的鎖存器。TRF6900有四個可編程的24 b控制字(A，B，C，D)。控制字A和B分別控制DDS模式0和模式1狀態(tài)下輸出信號頻率。控制字C負(fù)責(zé)鎖相環(huán)和DDS模式O的設(shè)定?？刂谱諨負(fù)責(zé)調(diào)制和DDS模式1的設(shè)定。
1．2數(shù)字基帶部分
    數(shù)字基帶部分基于微型控制器MSP430F1121。通過它將外部的模擬信號轉(zhuǎn)換為適合TRF6900的數(shù)字信號，再配合軟件設(shè)計可以很方便地進行智能化轉(zhuǎn)換。數(shù)字基帶部分的硬件電路由RS 232和MSP430F1121組成，如圖1所示。
    MSP430F112l微型控制器是一款超低功耗、高性能的16位精簡指令集MCU，主要由以下部分組成：基礎(chǔ)時鐘模塊，包括1個數(shù)控振蕩器(DCO)和1個晶體振蕩器；看門狗定時器Watchdog Timer，可用作通用定時器；帶有3個捕捉／比較寄存器的16位定時器Timer_A；2個具有中斷功能的8位并行端口：P1與P2；模擬比較器Comparator A。

2 系統(tǒng)參數(shù)計算
2．1 鑒相器的參考頻率
    鑒相器是PPL構(gòu)成鎖相環(huán)中的單元模塊之一，其輸入的參考頻率是由DDS的輸出信號決定的?；贒SS技術(shù)的頻率合成器能很好地滿足各項指標(biāo)性能，同時也使設(shè)計變得簡單。鑒相器輸出頻率的分辨率為：
   
式中：fpd是鑒相器的最小輸入頻率，也是DDS時鐘頻率fref的2°，即最低有效位的權(quán)值。TRF6900 DDS累加器有24位，fpd乘以預(yù)標(biāo)值N(可選擇256或者512)，由它可得出最小頻率的步進值為：
   
    累加器的輸入是24位的用戶串行數(shù)據(jù)(控制字)，時鐘基準(zhǔn)信號作為累加器的工作時鐘信號，兩者決定頻率的分辨率；輸出是一串抽樣斜坡數(shù)字脈沖，空號頻率等于時鐘頻率。經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換后得到模擬域的正弦信號fo_DSS，它代表基準(zhǔn)相位，即作為鑒相器的基準(zhǔn)輸入信號。DDS的最終性能主要取決于D／A轉(zhuǎn)換過程中的量化誤差以及濾波特性。
2．2 晶振時鐘電路及頻率
2．2．1 時鐘電路的設(shè)計及參數(shù)計算
    晶振采用并聯(lián)諧振的工作方式，如圖1中23～24腳外圍電路所示。電路總的相移為360°，其中反向器提供180°的相移，R7和C22提供90°的滯后相位，晶振和電容C1也帶來90°的相位滯后。并聯(lián)工作的晶振是作為電感用的。晶振接入電容補償相移以滿足振蕩條件。
    偏振電阻R1用于設(shè)置反相器的偏置點，典型值是Vcc引腳值的二分之一。R1過小，將降低環(huán)路增益，破壞網(wǎng)絡(luò)反饋條件，典型值是1～5 MΩ?？梢杂^察23引腳的輸出頻率隨電壓的變化情況。如果晶振有過驅(qū)動，則增大電壓后，輸出頻率會下降，此時應(yīng)該微調(diào)電阻R2(調(diào)高)。注意，R2應(yīng)該足夠小，以確保振蕩器在小于最小工作電壓的情況下能夠起振。C1和晶振的旁路電容Co及反相器的輸入電容共同構(gòu)成了晶振的輸入電容。要提供穩(wěn)定度，晶振的輸入電容典型值可選擇20～30 pF。
2．2．2 頻率的選擇
    根據(jù)抽樣定理可知，時鐘頻率fref(fref／2即為Na-quist頻率)對量化噪聲功率、冗余信號電平以及輸出頻譜中由于不滿足抽樣定理而帶來的干擾信號、時鐘頻率和鑒相器的參考基準(zhǔn)頻率fo_DSS(即由DSS得到的信號頻率fref／fo_DSS)的比率越大，頻率合成器的輸出信號頻譜所受到的干擾就越少。時鐘頻率的具體計算方法如下：
    假設(shè)要使基于DDS的PLL構(gòu)成的頻率合成器的輸出頻率為906．24 MHz(與DSS得到的輸出信號頻率fo_DSS即鑒相器的參考基準(zhǔn)頻率要區(qū)別開來)，經(jīng)過256或者512分頻(可選)，假設(shè)為256，那么DDS的輸出信號頻率fo_DSS就應(yīng)等于906．24／256=3．54 MHz，可得到PLL的輸出頻率的計算公式：
   
式中：預(yù)標(biāo)值N可選擇256或者512，DDS_x為控制字A或B的值。
    DSS頻率值可通過串行口控制字編程設(shè)置，其最低有效位是2°，最高有效位是223。兩個最高位(23，22位)用戶不可訪問，系統(tǒng)內(nèi)部自動置為0，21-0位，并由用戶編程設(shè)置。其中，A字對應(yīng)DDS-O即模式0的頻率；B字對應(yīng)DDS-1即模式1的頻率；C字控制PLL、數(shù)據(jù)限制器和模式1寄存器的設(shè)置；D字控制調(diào)制方式(如頻偏大小)和模式O寄存器的設(shè)置。
2．3 載波頻率計算
    由時鐘頻率經(jīng)過基于DDS的頻率合成器可得到VCO輸出的載波頻率。對于典型的25．6 MHz時鐘頻率，由表1可得當(dāng)DDS控制字為001，000，111，0000，000，000時，可計算出的VCO輸出頻率即載波頻率為915 MHz。
    由表1可知：
   

    最后的VCO輸出頻率為：
   

2．4 DSS控制字的計算
    TRF6900的FSK調(diào)制是由專門的FSK頻偏寄存器來完成。A，B控制字用來設(shè)置接收機和發(fā)射機的頻率及信道。在應(yīng)用系統(tǒng)的使用中，A，B控制字用來設(shè)置FSK頻偏。用于FSK方式時DDS控制字的計算方法如下：
    假設(shè)載波頻率為915．O MHz，頻偏為20 kHz，即A字對應(yīng)的VCO輸出頻率fout1=915．00 MHz；B字對應(yīng)的VCO輸出頻率fout2=915．02 MHz；時鐘頻率fclock=fref=25．6 MHz；分頻比N=256。下面計算A，B控制字：
    A字對應(yīng)于DDS_O值：
   
    所得的二進制的DDS_O將裝入A控制字中。
    B字對應(yīng)于DDS_1值：
   
    所得的二進制的DDS_1將裝入B控制字中。
2．5 本地振蕩器
    TRF6900的本地振蕩器(LO)是鎖相環(huán)PLL形式，由基于片上DDS的頻率合成器、低通濾波器(LPF)和壓控振蕩器(VCO)構(gòu)成。
2．5．1 VCO的電路設(shè)計
    壓控振蕩器是輸出信號頻率隨輸入控制電壓變化的振蕩器。為了減小相位噪聲，VCO電路通常由分立元件構(gòu)成。
    LC諧振槽路的諧振頻率：
   
    諧振頻率時的電感值：
   
式中：|ZIN|為TRF6900內(nèi)部振蕩器的輸入阻抗；QLOAD為諧振回路的品質(zhì)因數(shù)；QP為電感的品質(zhì)因數(shù)；f為諧振頻率。
2．5．2 VCO的靈敏度
    變?nèi)荻O管的電容大小與調(diào)諧電壓成正比，VCO的靈敏度：
   
2．5．3 參數(shù)計算
    設(shè)計的無線收發(fā)電路工作在868～928 MHz ISM頻段。假設(shè)TRF6900的VCO輸出頻率為880～950 MHz，調(diào)諧電壓為0．3～2 V。TRF6900振蕩器的輸入阻抗|ZIN|即引腳13和14間的電阻大小約為1 400 Ω；諧振回路的品質(zhì)因數(shù)必須大于等于10；在915 MHz時，電感的品質(zhì)因數(shù)大約等于80。由公式可得：L≤10．65 nH，取L=10 nH標(biāo)準(zhǔn)值。
    從方程中可知：
   
    為了擴大變?nèi)荻O管的調(diào)諧范圍，根據(jù)以上的計算，C2可以取2.2pF，C1可取3.3pF。
   
    設(shè)計時采用Alpha Industries的SMV1247系列變?nèi)荻O管，其參數(shù)如下：
   
    要注意的是因為PCB的分布電容不可預(yù)測，隨工作頻率變化而變化，所以在PCB調(diào)試時要進行必要的修正，這里采用經(jīng)驗值。
    現(xiàn)在對上述元件參數(shù)進行驗證：
    對于0．25 V時的ftune，依據(jù)公式有CTOTAL=3．346 pF；
    對于2．00 V時的ftune，有CT0TAL=2．799 pF。
    由上述方程式可知，槽路的諧振頻率：MHz，，2 MHz。顯然，能滿足880～940 MHz頻率調(diào)諧范圍。對于滿足880～940 MHz的頻率調(diào)諧范圍的元件參數(shù)，取L=10 nH，C1=3．3 pF，C2=2．2 pF，變?nèi)荻O管為SMVl247-079。最后可得出VCO的靈敏度MHz／V。
2．5．4 環(huán)路濾波器的設(shè)計
    (1)計算公式
    環(huán)路濾波器是一個典型的二階低通濾波器，用于頻率合成器中電荷泵電流模式。二階元件的計算公式：

式中：KPD為鑒相器增益(單位：A／rad)，KPD=ICP／2π；KVCO為VCO增益(單位：rad／V)；N為分頻比；ζ為阻尼比，有效范圍是0<ζ<1，典型值為O．707；ωN為自然諧振頻率(單位：rad／sec)，ωN=(2×BN)／[(ζ+1)／2]2。
    (2)設(shè)計注意事項
    VCO有加速和正常兩種工作模式，鎖存時間都要小于250μs。正常模式用于精確控制并保持VCO工作所需頻率；加速模式利用APLL鎖相環(huán)加速因子來提供快速粗調(diào)，它可以使用TRF6900軟件根據(jù)需要進行調(diào)整。DSS的諧振通常在環(huán)路帶寬內(nèi)，不能用環(huán)路濾波器抑制，但降低環(huán)路濾波的帶寬可以減小DSS諧波產(chǎn)生的可能性。正確選擇時鐘基準(zhǔn)頻率能較好地抑制DSS諧波。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    軟件部分主要由主程序和各個子程序組成。主流程圖包括兩部分：一是設(shè)備初始化；二是循環(huán)部分(loop main)設(shè)置相關(guān)的循環(huán)程序。初始化部分主要是設(shè)置端口、模式和時鐘系統(tǒng)；循環(huán)部分(loop main)提供RS 232和射頻(RF)通信，包括校驗總和的初始化。篇幅所限這里不做介紹。

4 結(jié)語
    本設(shè)計根據(jù)TRF6900收發(fā)芯片的特點和微型控制器MSP430F112的優(yōu)點設(shè)計的無線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)，經(jīng)過多次實驗證明，其發(fā)射端能正確地將數(shù)據(jù)傳送出去；同時，經(jīng)TRF6900發(fā)射后，接收端也能正確接收并顯示數(shù)據(jù)。系統(tǒng)完成了比較完善的硬件設(shè)計以及抗干擾措施，今后將繼續(xù)開發(fā)系統(tǒng)軟件，這樣就可以保證系統(tǒng)工作的安全性和可靠性，并具有通用性，便于投入實際應(yīng)用，具有廣泛的市場應(yīng)用價值。