高精度低功耗CMOS射频接收芯片的研究与应用
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作者:黄颖华 王宇星 曹薇薇 张定心
摘 要：随着当今无线通信技术的迅猛发展和市场需要的不断增长、高性能、低功耗、低成本的多功能小型化接收模块应用广泛。该文研究了一款在300～440MHz的频率范围，带有ASK/OOK（开关键控）的单晶片射频接收集成电路设备。这分析其功能特点的基础上，设计了一款野营灯收发模块，并结合单片机的应用实现了信号的有效传输。
关键词：无线通信 接收芯片 信号传输
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
隨着无线通信应用的持续发展和移动产品的普及，射频接收集成前端的性能对无线通信的质量有着决定性作用，而低噪声、低功耗设计成为业界共同关注的重要课题[1-2]，高性能、低成本、小型化的射频接收电路有着重要的研究价值[3-4]。因此该文在通过对XX1086单晶片射频接收集成电路功能分析的基础上，完成了一块野营灯收发模块的设计。
1 XX1086芯片简介
XX1086是一款“从天线接收到数据输出”的单片电路。300～440MHz的频率范围，是一个ASK/OOK（开关键控）的单晶片射频接收集成电路设备。所有的射频和中频的调谐都在集成电路里完成，这样可以无须手动调整并且降低成本，实现了一个高度可靠且低成本的解决方案。XX1086是一个采用16引脚封装且功能齐全的芯片，XX1086A/B/C/DL采用了8引脚封装，功能稍有减少。引脚排列如图1所示。
XX1086提供了两种附加的功能：（1）一个关闭引脚，在任务周期操作时可以用来关闭设备;（2）一个唤醒输出引脚，当接收到射频信号时，它可以提供一个输出标记。这些特点使得XX1086可以用在低功耗的应用上，比如RKE和远程控制。
XX1086上提供了所有的中频滤波和数据解调滤波器，不需要外部的滤波器了。4个解调滤波器的带宽可以由用户从外部控制。
XX1086提供了两种工作模式：固定模式（FIX）和扫描模式）（SWP）。在固定模式中，XX1086用作传统的超外差接收器。在扫描模式下，XX1086在一个较宽的射频范围内进行扫描。固定模式提供了更有选择性和针对性的工作模式，并且使得XX1086可以与低成本，精确度较低的发射器一起使用。图2为芯片在两种不同频率下的应用电路图，该芯片主要特点有以下几方面。
（1）接受灵敏度高：-108dBm;
（2）数据传输速率达10kbps（固定模式）;
（3）低功耗设计，关闭时的电流为0.9μA;
（4）扫描操作时（10∶1任务周期操作）;
（5）唤醒输出标记用来启动解码器和微处理器;
（6）天线处的射频辐射非常低;
（7）集成度高，外部器件需求少。
2 野营灯收发模块设计
在Altium Designer软件中绘制电路原理图和PCB布图，如图3和图4所示。正确焊接各个元器件，焊好后进行天线选择433MHz选用17cm天线，315MHz选用12cm天线。综合调试后最终使系统达到最佳的工作状态。
基本设计步骤如下。
（1）选择工作模式。应用精确设置的发射频率，射频的带宽比较窄，这样使得接收器受干扰型号的影响不大。通过使SWEM接地来选择固定模式。
（2）选择参考晶振。所有对XX1086的调时和调优操作都源于内部的电容三点式参考晶振。调时和调优操作可以通过REFOSC引脚进行操作。具体的参考频率与系统的发射频率和通过SWEN引脚设置的接收器操作模式相关。
（3）选择CTH电容。通过使用外部的阈值电容CTH和片上选择电容RSC，提取解调后信号的直流值用来对逻辑数据比较。比较水平的时间常数值会由于解码器的类型，数据速率而有所不同，然而典型的值一般为5～50ms。优化的CTH值可以使其达到最大的范围。
（4）选择CAGC电容。信号路径上有AGC（自动增益控制）来增加输入的动态范围。AGC的攻击时间常数由外部的链接到CAGC引脚的CAGC电容来确定。为了最大化系统的范围，保持AGC控制脉冲电压较低是十分重要的，一旦控制电压已经达到了他们的静止值，可以低于10mVPP。
（5）选择数据调解滤波器的带宽。输入SEL0和SEL1可以控制解调器的带宽，一共有4个二进制步骤（扫描模式下625～5000Hz，固定模式下1250～10000Hz）。对于不同的应用要选择不同的带宽。滤波器的带宽与频率呈线性关系，这依赖于工作频率。
为了使测试效果更直观地体现出来，加装了单片机和演示灯，如果接收芯片能够有效传输信号，则单片机可以识别并控制演示灯的开关，从而验证信道的畅通和传输正确。PCB布板注意点是由于信号输入ANT端的信号幅值太小，外围选频网络在原则上要求最大限度地靠近芯片二脚ANT端，防止干扰扩大。
3 结语
该文对无线通信核心部分的接收机电路系统进行研究，分析了一款单晶片射频接收集成电路功能和原理，在此基础上完成了一块野营灯收发模块的设计。
参考文献
[1] 梁源.无线通信射频接收系统研究[J].电子测试，2019（9）：74-75.
[2] 顾宝良.通信电子线路[M].北京：电子工业出版社，2001.
[3] 方磊，陈邦媛.级联型低噪声放大器设计和优化的研究[J].电路与系统学报，2003，8（4）：58-62.
[4] 李辉，宋诗.基于ARM和nRF24L01的无线数据传输系统[J].国外电子元器件，2008（12）：44-46.
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