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藍(lán)牙收發(fā)芯片RF2968的原理及應(yīng)用
摘要:RF2968是一個(gè)單片藍(lán)牙收發(fā)芯片,工作在2400~2500MHz頻段,F(xiàn)SK調(diào)制和解調(diào);芯片內(nèi)含有射頻發(fā)射、射頻接收、FSK調(diào)制/解調(diào)等電路,能夠接收和發(fā)送數(shù)字信號(hào),符合藍(lán)牙無(wú)線電規(guī)范1.1要求。文中給出RF2968的結(jié)構(gòu)、原理、特性及應(yīng)用電路。關(guān)鍵詞:藍(lán)牙無(wú)線 發(fā)射無(wú)線 接收FSK
1概述
RF2968是為低成本的藍(lán)牙應(yīng)用而設(shè)計(jì)的單片收發(fā)集成電路,RF頻率范圍2400~2500MHz,RF信道79個(gè),步長(zhǎng)1MHz,數(shù)據(jù)速率1MHz,頻偏140~175kHz,輸出功率4dBm,接收靈敏度-85dBm,電源電壓3V,發(fā)射消耗電流59mA,接收電流消耗49mA,休眠模式電流消耗250μA。芯片提供給全功能的FSK收發(fā)功能,中頻和解調(diào)部分不需要濾波器或鑒頻器,具有鏡像抑制前端、集成振蕩器電路、可高度編程的合成等電路。自動(dòng)校準(zhǔn)的接收和發(fā)射IF電路能優(yōu)化連接的性能,并消除人為的變化。RF2968可應(yīng)用在藍(lán)牙GSM/GPRS/EDGE蜂窩電話、無(wú)繩電話、藍(lán)牙無(wú)線局域網(wǎng)、電池供電的便攜設(shè)備等系統(tǒng)中。
2引腳功能
集成電路采用32腳的塑料LCC形式封裝,各引腳功能如下:
VCC1:給VCO(壓控振蕩器)倍頻和LO(本機(jī)振蕩器)放大器電路提供電壓。
VCC2:給RX(接收)混頻器、TXPA(發(fā)射功率放大器)和LNA(低噪聲放大器)偏置電路提供電壓。
TXOUT:發(fā)射機(jī)輸出。當(dāng)發(fā)射工作時(shí),TXOUT輸出阻抗是50Ω;當(dāng)發(fā)射機(jī)不工作時(shí),TXOUT為高阻態(tài)。因?yàn)檫@個(gè)引腳是直流偏置,所以需外接1個(gè)耦合電容。
RXIN:接收機(jī)輸入。當(dāng)接收機(jī)工作時(shí),RXIN輸入阻抗是低阻態(tài);接收機(jī)不工作時(shí),RXIN為高阻態(tài)。芯片內(nèi)用1個(gè)內(nèi)部串聯(lián)電感來(lái)調(diào)節(jié)輸入阻抗。
VCC3:給RX輸入級(jí)(LNA)提供電壓。
VCC4:給TX混頻器、LO放大器、LNA和RX混頻器的偏置電路提供電壓。
LPO:低功耗模式的低頻時(shí)鐘輸出。在休眠模式中,這個(gè)引腳能給基帶提供一個(gè)3.2kHz或32kHz、占空比為50%的時(shí)鐘。在其它工作方式?jīng)]有輸出。
DVDDH:給RXIFVGA(接收中頻電壓增益放大器)電路提供電壓。
IREF:外部接1個(gè)精密電阻以產(chǎn)生恒定的基準(zhǔn)電流。
VCC5:給模擬中頻電路提供電壓。
D1:這是為時(shí)鐘恢復(fù)電路提供的電荷泵輸出。外接1個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)到地以確定PLL的帶寬。
BPKTCTL:在發(fā)射模式時(shí),這個(gè)腳作為啟動(dòng)PA級(jí)的選通脈沖;在接收模式時(shí),基帶控制器可以有選擇地使用這個(gè)引腳來(lái)給同步字的檢測(cè)發(fā)信號(hào)。
BDATA1:輸入信號(hào)到發(fā)射機(jī)/接收機(jī)的數(shù)據(jù)輸出。輸入的數(shù)據(jù)是速率為1MHz的沒有被濾波的數(shù)據(jù)。這個(gè)引腳是雙向的,根據(jù)發(fā)射和接收模式轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)輸入或數(shù)據(jù)輸出。
RECCLK:恢復(fù)時(shí)鐘輸出。
RECDATA:恢復(fù)數(shù)據(jù)輸出。
BXTLEN:功率控制電路的一部分,用來(lái)接通/關(guān)鍵芯片的“休眠”模式。在電路從“OFF”狀態(tài)上電之后,當(dāng)?shù)凸臅r(shí)鐘不工作時(shí),BRCLK被BXTLEN的狀態(tài)控制(上電期間,BRCLK先寫B(tài)XTLEN激活且被設(shè)為高電平,以進(jìn)入空閑狀態(tài))。
BPCLK:基準(zhǔn)時(shí)鐘輸出。這是由晶振決定的基準(zhǔn)時(shí)鐘,頻率范圍為10~40MHz,典型值為13MHz。電路上電時(shí),BRCLK在基帶控制器將BXTLEN設(shè)為高電平之前激活。電路進(jìn)入空閑狀態(tài)后,當(dāng)?shù)凸臅r(shí)鐘不工作時(shí),BRCLK由BXTLEN的狀態(tài)控制。
OSCO:與19腳相同。
OSCI:OSC腳可通過(guò)負(fù)反饋的方式來(lái)產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)鐘。在SOCI到OSCO之間連接1個(gè)并聯(lián)的晶振和電阻,以提供反饋通道和確定諧振頻率。每一個(gè)OSC腳都接1個(gè)旁路電容來(lái)提供合適的晶振負(fù)載。如果用1個(gè)外部的基準(zhǔn)頻率,那就要通過(guò)1個(gè)隔直電容來(lái)連接到OSCI,并且用1個(gè)470kΩ的電阻將OSCO和OSCI連接起來(lái)。
BnDEN:鎖存輸入到串行端口的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在BnDEN的上升沿被鎖存。
BDDATA:串行數(shù)據(jù)通道。讀/寫數(shù)據(jù)通過(guò)這個(gè)引腳送入/輸出到芯片上的移位寄存器。讀取的數(shù)據(jù)在BDCLK的上升沿被傳送,寫數(shù)據(jù)在BDCLK的下降沿被傳送。
BDCLK:串行端口的輸入時(shí)鐘。這個(gè)引腳被用來(lái)將時(shí)鐘信號(hào)輸入到串行端口。要使得跳變頻率的編程時(shí)間最短時(shí),建議使用10~20MHz的BRCLK頻率。
BnPWR:芯片電源控制電路的一部分,用來(lái)控制芯片從“OFF”狀態(tài)到電源接通狀態(tài)。
PLLGND:RF合成器、晶體振蕩器和串行端口的接地端。
VCC6:RF合成器、晶體振蕩器和串行端口的電源端。
DO:RFPLL的充電泵輸出。外接1個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)到地以確定PLL帶寬。要使得合成器的設(shè)置時(shí)間和相位噪聲最小,可采用雙重的環(huán)路帶寬方案。在頻率檢測(cè)的開始時(shí)期,使用1個(gè)寬環(huán)路帶寬。在檢測(cè)頻率結(jié)束時(shí),用RSHUNT來(lái)轉(zhuǎn)換到窄環(huán)路帶寬,并提供改進(jìn)的VCO相位噪聲。帶寬轉(zhuǎn)換的時(shí)間由PLLDel位設(shè)置。
RSHUNT:通過(guò)將2個(gè)外部串聯(lián)電阻的中點(diǎn)分路到VREG,使環(huán)路濾波器從窄帶轉(zhuǎn)換到寬帶。
RESNTR-:用來(lái)給VCO提供直流電壓以及調(diào)節(jié)VCO的中心頻率。在RESNTR-和RESNTR+之間需2個(gè)電感來(lái)跟內(nèi)部電容形成諧振。在設(shè)計(jì)印制板時(shí),應(yīng)該考慮從RESNTR腳到電感器的感抗。可以在RESNTR腳之間加1個(gè)小電容來(lái)確定VCO的頻率范圍。
RESNTR+:見引腳28。
VREG:電壓調(diào)節(jié)輸出(2.2V)。需1個(gè)旁路電容連接到地。通過(guò)與28腳和29腳相連的回路給VCO提供偏置。
IFDGND:數(shù)字中頻電路接地端。
VCC7:數(shù)字中頻電路電源電壓。
3內(nèi)部結(jié)構(gòu)
RF2968是專為藍(lán)牙的應(yīng)用而設(shè)計(jì),工作在2.4GHz頻段的收發(fā)機(jī)。符合藍(lán)牙無(wú)線電規(guī)范1.1版本功率等級(jí)二(+4dBm)或等級(jí)三(0dBm)要求。對(duì)功率等級(jí)1(+20dBm)的應(yīng)用,RF2968可以和功率放大器搭配使用,如RF2172。RF2968的內(nèi)部框圖如圖1所示。芯片內(nèi)包含有發(fā)射器、接收器、VCO、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)總線、芯片控制邏輯等電路。
由于芯片內(nèi)集成了中頻濾波器,RF2968只需最少的外部器件,避免外部如中頻SAW濾波器和對(duì)稱一不對(duì)稱變換器等器件。接收機(jī)輸入和發(fā)射輸出的高阻狀態(tài)可省去外部接收機(jī)/發(fā)射機(jī)轉(zhuǎn)換開關(guān)。RF2968和天線、RF帶通濾波器、基帶控制器連接,可以實(shí)現(xiàn)完整的藍(lán)牙解決方案。除RF信號(hào)處理外,RF3968同樣能完成數(shù)據(jù)調(diào)制的基帶控制、直流補(bǔ)償、數(shù)據(jù)和時(shí)鐘恢復(fù)功能。
RF2968發(fā)射機(jī)輸出在內(nèi)部匹配到50Ω,需要1個(gè)AC耦合電容。接收機(jī)的低噪聲放大器輸入在內(nèi)部匹配50Ω阻抗到前端濾波器。接收機(jī)和發(fā)射機(jī)在TXOUT和RXIN間連接1個(gè)耦合電容,共用1個(gè)前端濾波器。此外,發(fā)射通道可以通過(guò)外部的放大器放大到+20dBm,接通RF2968的發(fā)射增益控制和接收信號(hào)強(qiáng)度指示,可使藍(lán)牙工作在功率等級(jí)一。RSSI數(shù)據(jù)經(jīng)串聯(lián)端口輸入,超過(guò)-20~80dBm的功率范圍時(shí)提供1dB的分辨率。發(fā)射增益控制在4dB步階內(nèi)調(diào)制,可經(jīng)串聯(lián)端口設(shè)置。
基帶數(shù)據(jù)經(jīng)BDATA1腳送到發(fā)射機(jī)。BDATA1腳是雙向傳輸引腳,在發(fā)射模式作為輸入端,接收模式作為輸出端。RF2968實(shí)現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)的高斯濾波、FSK調(diào)制中頻電流控制的晶體振蕩器(ICO)和中頻IF上變頻到RF信道頻率。
片內(nèi)壓控振蕩器(VCO)產(chǎn)生的頻率為本振(LO)頻率的一半,再通過(guò)倍頻到精確的本振頻率。在RESNTR+和RESNTR-間的2個(gè)外部回路電感設(shè)置VCO的調(diào)節(jié)范圍,電壓從片內(nèi)調(diào)節(jié)器輸給VCO,調(diào)節(jié)器通過(guò)1個(gè)濾波網(wǎng)絡(luò)連接在2個(gè)回路電感的中間。由于藍(lán)牙快速跳頻的需要,環(huán)路濾波器(連接到DO和RSHUNT)特別重要,它們決定VCO的跳變和設(shè)置時(shí)間。所以,極力推薦使用電路圖中提供的元件值。
RF2968可以使用10MHz、11MHz、12MHz、13MHz或20MHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率,并能支持這些頻率的2倍基準(zhǔn)時(shí)鐘。時(shí)鐘可由外部基準(zhǔn)時(shí)鐘通過(guò)隔直電容直接送到OSC1腳。如果沒有外部基準(zhǔn)時(shí)鐘,可以用晶振和2個(gè)電容組成基準(zhǔn)振蕩電路。無(wú)論是外部或內(nèi)部產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率,使用1個(gè)連接在OSC1和OSC2之間的電阻來(lái)提供合適的偏置;鶞(zhǔn)頻率的頻率公差須為20×10-6或更好,以保證最大允許的系統(tǒng)頻率偏差保持在RF2968的解調(diào)帶寬之內(nèi)。LPO腳用3.2kHz或32kHz的低功率方式時(shí)鐘給休眠模式下的基帶設(shè)備提供低頻時(shí)鐘。考慮到最小的休眠模式功率消耗,并靈活選擇基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率,可選用12MHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘。
接收機(jī)用低中頻結(jié)構(gòu),使得外部元件最少。RF信號(hào)向下變頻到1MHz,使中頻濾波器可以植入到芯片中。解調(diào)數(shù)據(jù)在BDATA1腳輸出,進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理用基帶PLL數(shù)據(jù)和時(shí)鐘恢復(fù)電容完成。D1是基帶PLL環(huán)路濾波器的連接腳。同步數(shù)據(jù)和時(shí)鐘在REDATA和RECCLK腳輸出。如果基帶設(shè)備用RF2968做時(shí)鐘恢復(fù),D1環(huán)路濾波器可以略去不用。
4應(yīng)用
RF2968射頻收發(fā)機(jī)作為藍(lán)牙系統(tǒng)的物理層(PHY),支持在物理層和基帶設(shè)備之間的BlueRF(藍(lán)牙射頻)接口。
RF2968和基帶間有2個(gè)接口。串行接口提供控制數(shù)據(jù)交換的通道,雙向接口提供調(diào)制解調(diào)、定時(shí)和芯片功率控制信號(hào)的通道;鶐Э刂破髋cRF2968接口如圖2所示。
控制數(shù)據(jù)通過(guò)DBUS串行接口協(xié)議的方式在RF2968和基帶控制器之間交換。BDCLK、BDDATA和BnDEN都是符合串行接口的信號(hào);鶐Э刂破魇侵骺卦O(shè)備,它啟動(dòng)所有到RF2968寄存器存取操作,RF2968數(shù)據(jù)寄存器可被編程,或者根據(jù)具體命令格式和地址被檢索。數(shù)據(jù)包首先傳送MSB。串行數(shù)據(jù)包的格式如表1所列。
表1串行數(shù)據(jù)包格式
域位數(shù)注釋設(shè)備地址3[A7:A5]物理層為“101”讀/寫1[R/W]“1”為讀,“0”為寫寄存器地址5[A4:A0]32個(gè)寄存器的最大值數(shù)據(jù)16[D15:D0]RF2968在寫模式編程,在讀模式返回寄存器的內(nèi)容
“寫”周期,基帶控制器在BDCLK下降沿驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)包的每一位,RF2968在數(shù)據(jù)寄存器設(shè)為高狀態(tài)后,在BDCLK第1個(gè)下降沿到來(lái)時(shí)被移位寄存器的內(nèi)容更新,如圖3所示。
在讀操作中,基帶控制器發(fā)出設(shè)備地址、READ位(R/W=1)和寄存器地址給RF2968,再跟1個(gè)持續(xù)半個(gè)時(shí)鐘周期的翻轉(zhuǎn)位。這個(gè)翻轉(zhuǎn)位允許RF2968在BDCLK的上升沿通過(guò)BDDATA驅(qū)動(dòng)它的請(qǐng)求信號(hào)。數(shù)據(jù)位傳輸后,基帶控制器驅(qū)動(dòng)BnDEN為高電平,在第1個(gè)BDCLK脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)重新控制BDDATA,如圖4所示。
寄存器地址域可尋址32個(gè)寄存器,RF2968僅提供3~7和30、31的寄存器地址。通過(guò)設(shè)置寄存器的數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)不同的功能。
雙向接口完成數(shù)據(jù)交換、定時(shí)和狀態(tài)機(jī)控制。所有雙向同步(定時(shí))來(lái)自BRCLK,BRCLK由RF2968產(chǎn)生。RF2968使用BRCLK的下降沿。圖5給出當(dāng)數(shù)據(jù)從RF2968傳給基帶控制器時(shí)的通用定時(shí)。
RF2968的芯片控制電路控制芯片內(nèi)其它電路的掉電和復(fù)位狀態(tài),把設(shè)備設(shè)置為所需要的發(fā)射、接收或功率節(jié)省模式。芯片的控制輸入經(jīng)雙向接口從基帶控制器(BNPWR、BXTLEN、BPKTCTL、BDATA1)輸入,也可從DBUS提供(RXEN、TXEN)輸出端的寄存器輸入。基帶控制器和RF2968內(nèi)的狀態(tài)機(jī)維持在控制雙向數(shù)據(jù)線方向的狀態(tài)。基帶控制器控制RF2968內(nèi)的狀態(tài)機(jī),并保證數(shù)據(jù)爭(zhēng)用不會(huì)在復(fù)位和正常工作期間發(fā)生。RF2968常用的狀態(tài)有:
OFF狀態(tài)——所有電路掉電且復(fù)位,設(shè)置數(shù)據(jù)丟失。
IDLE狀態(tài)——待機(jī)模式。數(shù)據(jù)被讀入到控制寄存器中,振蕩器保持工作,所有其它電路掉電。
SLEEP狀態(tài)——芯片通常從IDLE模式進(jìn)入這種模式。此時(shí),所有電路掉電,但不復(fù)位,因此數(shù)據(jù)得以保留。電路同樣可從其它模式進(jìn)入SLEEP模式,但TXEN和RXEN狀態(tài)不變,以便TX和RX電路保持導(dǎo)通。
TXDATA狀態(tài)——數(shù)據(jù)在這種模式發(fā)射(合成器穩(wěn)定,數(shù)據(jù)信道同步)。
RXDATA狀態(tài)——接收的數(shù)據(jù)經(jīng)BDATA1(不同步)和REDATA(和RECCLK同步)發(fā)送到基帶電路。
RF2968的一個(gè)典型的應(yīng)用電路(GSM電話)如圖6所示。
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