基于TRF4900的无线发射电路设计与应用

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基于TRF4900的无线发射电路设计与应用

摘要：采用无线发射芯片TRF4900组成的无线数字发射电路，工作在欧洲868 MHz频带和北美915 MHzISM频带，FSK调制，发射功率7 dBm，电源电压2.2～3.6 V，通过串行接口连接到微控制器实现参数设置和发射控制。文中介绍应用电路、与微控制器连接的电路以及特性参数的设置。
1 无线数字发射电路
　　无线数字发射电路采用无线发射芯片TRF4900。TRF4900是TI公司生产的、单片集成的、低价格的、能提供完全功能的多通道FSK发射器。芯片能满足在欧洲868 MHz频带和北美915 MHz ISM频带的线性(FM)或者数字（FSK）发射应用。单片发射器芯片工作电压2.2～3.6 V，典型发射功率为7 dBm，并具有低的功率消耗。24位直接数字合成器有11位DAC，合成器有大约230 Hz的通道空间，允许窄带和宽带应用。两个完全可编程工作模式--模式0和模式1，允许非常快地在两个预先编程的设置之间转换（例如发射频率0或者发射频率1）。芯片内集成压控振荡器（VCO）、锁相环（PLL）和基准振荡器，仅需要极少的外部元件即可构成一个完整的发射电路。TRF4900通过串行接口连接到TI MSP430微控制器。发射器的每一个功能块能够通过串行接口编程设置其功能。TRF4900应用电路如图1所示。


图1 TRF4900应用电路

2 与微控制器连接电路
　　TRF4900通过串行接口连接到TI的MSP430微控制器，如图2所示。
　　TRF4900的引脚23（LOCKDET）， PLL锁相检测输出，有效为高电平。当LOCKDET = 1时，PLL锁定。引脚11（MODE），模式选择输入，器件在模式0和模式1的功能能够通过串行控制接口的A、B、C、D字编程。引脚12（），睡眠控制，低电平有效。当= 0时，控制寄存器的内容仍然有效，能够通过串行控制接口编程。引脚14 （TX-DATA），数字调制输入，为载波的FSK/FM调制，高电平有效 。

    串行控制接口是一个3线单向串行总线（CLOCK 串行接口时钟信号，DATA 串行接口数据信号，STROBE 串行接口选通信号），用来编程TRF4900。接口内部的寄存器包含所有用户可编程变量，包括DDS频率设置，也包括所有的控制寄存器。串行接口的时序如图3所示。
　　在CLOCK信号的每一个上升沿，DATA引脚端上的逻辑值被写入24位的移位寄存器。设置STROBE端为高电平，编程的信息被装入选择的锁存器。当STROBE信号为高时，DATA和CLOCK线必须为低。因此，STROBE与CLOCK的信号是不同步的。串行接口能被编程工作在有效状态或者睡眠状态（待机模式）。


图3 串行接口时序图

3 TRF4900的设置
　　TRF4900的直接数字合成器DDS是基于用数字办法产生正弦波信号的。DDS由累加器、正弦波查找表、数/模转换器、低通滤波器组成。所有数字功能块的时钟由基准振荡器提供。DDS利用一个N位加法器从0到2N计数，根据在频率寄存器中的数据转换规范产生数字阶梯波，来构造一个模拟正弦波。N位计数器的输出寄存器的每一个数字，用来选择正弦波查找表中相应的正弦波数值输出。在数/模转换后，低通滤波器用来抑制不需要的寄生响应。模拟输出信号能用来作为PLL的参考输入信号。PLL电路根据预先确定的系数倍乘基准频率。
　　基准振荡器的频率fref是DDS的采样频率，同时也确定最高的DDS输出频率，与累加器的位数一起，可以计算DDS的频率分辨率。TRF4900的最小频率步长可由下式计算：
    Δf=N×(fref/2 24)
　　24位的累加器能够通过两个22位的频率设置寄存器编程（A字确定模式0的频率，B字确定模式1的频率），同时寄存器的两个MSB位设置为0。因此，DDS系统的最大位权减少到1/8，如图4所示。
　　这个位权与VCO输出频率（fref/8）×N相适应。根据在MODE端的逻辑电平，内部选择逻辑装载DDS-0或者DDS-1频率到频率寄存器。VCO的输出频率fout是由DDS-x频率设置决定的（DSS-0在A字中，DDS-1在B字中），VCO的输出频率fout计算公式如下：
    fout=DDS_x×N×(fref/2 24)=N×[(fref×DDS_x)/2 24]
　　如果选择FSK调制（MM=0，C字，16位），则8位FSK频偏寄存器能被用来编程2-FSK调制的频偏。频偏寄存器的8位在24位DDS频率寄存器中，LSB设置为0，总的FSK频偏由下式计算：
    Δf2-FSK=N×[(DEV×fref)/2 22]
因此，2-FSK频率由在TX-DATA上的电平设置，计算公式如下：
fout1:TX_DATA=low=N×[(fref×DDS_x)/2 24]
fout2:TX_DATA=High=N×[fref×(DDS_x+4×DEV)]/2 24

　　这个调频输出信号用来作为PLL电路的基准输入信号。2-FSK调制信道宽度（频偏）和信道间距是软件可编程的。最小信道宽度和最小信道间距取决于RF系统频率设计，中心频率fcenter = (fout1 + fout2)/2。当FSK发射时，中心频率fcenter被认为是有效的载波频率。
　　锁相环由相位检波器（PD）、鉴频器（PD）、充电泵、VCO、外接的回路滤波器和在反馈回路中的可编程的预分频器（N分频器）组成。当使用外部VCO时，x-VCO位将被设置为0。分频器是可编程的，分频系数N能由C字设置成256或512。
　　功率放大器(PA)能够由在D字中的P0和P1两位编程，提供可变的输出功率电平。


图5 串行控制字格式

　　TRF4900的控制字是24位。第1个引入位是最高有效位(MSB)，完成对TRF4900的编程；4个24位的字必须设置，即必须设置A、B、C、D字。图5 给出定义的4个控制字。表1、表2和表3描述每个参数的功能，表4为在FSK模式下的发射频率。

表1 模式0控制寄存器描述

符  号	位的位置	位 数	描    述	加电源后的内部设置
				默认状态	默认值
0-PA	[10-9]	2	功率放大器模式 P1  P0 0   0=失效 0   1=衰减10dB，通过TX-DATA使能调制 1   0=衰减20dB，通过TX-DATA使能调制 1   1=衰减0dB，通过TX-DATA使能调制	失效	00b
0-VCO	[11]	1	在操作期间，这个引脚端将总是被使能（1=使能），除非使用外的VCO	失效	0b
0-PLL	[12]	1	使能PLL，1=使能，0=失效	失效	0b

表2 模式1 控制寄存器描述

符  号	位的位置	位 数	描  述	加电源后的内部设置
				默认状态	默认值
1-PA	[10-9]	2	功率放大器模式 P1  P0 0   0=失效 0   1=衰减10dB，通过TX-DATA使能调制 1   0=衰减20dB，通过TX-DATA使能调制 1   1=衰减0dB，通过TX-DATA使能调制	失效	00b
1-VCO	[11]	1	在操作期间，这个引脚端将总是被使能（1=使能），除非使用外部VCO	失效	0b
1-PLL	[12]	1	使能PLL，1=使能，0=失效	失效	0b

表3 辅助控制寄存器描述

符  号	字	位的位置	位  数	描  述	加电源后的内部设置
					默认状态	默认值
DDS-0	A字	[21-0]	22	模式0DDS频率设置	0	全为0
DDS-1	B字	[21-0]	22	模式1DDS频率设置	0	全为0
DEV	D字	[20-13]	8	FSK分频率寄存器	0	全为0
APLL	C字	[20-18]	3	捕获频率的加速因子 A2  A1  A0 0   0   0  =1 0   0   1  =20 0   1   1  =60     ┊ 1   1   1  =140	0	000b
NPLL	C字	[17]	1	PLL分频率 0=256 1=512	256	0b
MM	C字	[16]	1	调制模式选择。为FSK数据输入设置 TC-DATA引脚端行为。 0=FSK/FM 1=不使用	FSK模式	0b

表4 在FSK模式发射频率（MM位设置为0）

引脚端			发射频率
STDBY	MODE	TX-DATA
1	0	0	fout=fref×N×(DDS_0)/2 24
1	0	1	fout=fref×N×(DDS_0+4×DEV)/2 24
1	1	0	fout=fref×N×(DDS_1)/2 24
1	1	1	fout=fref×N×(DDS_1+4×dev)/2 24

结 语
由TRF4900和MSP430组成的无线数字发射电路可方便地嵌入各种测量和控制系统中；在仪器仪表数据采集系统、无线抄表系统、无线数据通信系统、计算机遥测遥控系统等中应用。

李小路

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