nRFTM系列单片机无线收发器的应用设计
一、器件特性
nordic公司推出的nrftm系列（ nrf401/nrf403／nrf903）无线收发一体芯片，在单个芯片中集成了高频发射／接收、pll合成、fsk/gmsk调制等电路，可多信道切换，直接串行数字接口，且无须曼彻斯特编码，是目前集成度较高的无线数传产品之一。其外围元件少，功耗低，便于设计生产。可广泛用于遥控遥测、无线抄表系统、交通管理系统、自动报警安防监控系统、汽车防盗监控、无线键盘／鼠标／游戏杆/pda、小区／家庭／办公室／工厂无线网络、遥控玩具／机器人等。nrf401／403/903的特性如表1- 41所列。
应用设计评估
在开始系统设计前，应对整体方案进行以下几点初步评估。
1．电磁兼容性
使用无线产品要遵守所在国家的无线电管理规定（如欧洲esti、美国fcc），其对频段、发射功率、占空比、信道带宽等指标会有限制。nrftm系列无线收发器使用ism （industrial，scientific，medical）国际通用频段，发射功率不大于10 mw，故可在绝大多数国家使用。但设计者可能要求在nrf器件输出级放大，则须考虑是否符合当地规定。
2．设计收发距离
rf无线链路在可视范围的自由空间中传播的能量损耗（fsl），由下式计算：
式中：入为rf信号的波长；r为接收端到发射端的距离；fsl单位为db。
如图1- 133所示，rf信号在可视范围内传播的功率分布等式为：
式中：srx为接收器灵敏度（dbm）；grx为接收器（rx）天线增益（db）；grx为发送器（tx）天线增益（db）；ptx为发送器rf输出功率（dbm）。
由式（1 - 10）和式（1- 11）可计算出理论传输距离r≈l 500 m
但在实际应用中，还应考虑两端天线阻抗匹配电路的损耗，传输路径中由于障碍物、多径传输引起的损耗，以及pcb板材质量、产品外壳和人体等的
影响。其中的一些因素与应用环境密切相关。一般经验，在室外空旷地带传送距离约为理论计算距离的1/2，室内传送距离约为理论距离的1/10。
由图1 - 134可看出rf频率每增加一倍，损耗将增加约6 db，即引起传送距离下降一倍。所以如果设计者要求的主要指标是传送距离，那么可以选择较低的频率。采用中继传输也是一种有效增加通信距离的方法。
3.其他因素
由于无线传输容易产生干扰，也易被其他噪声干扰，故设计者还必须认真考虑应用场合及安装位置，不要一味追求远距离。对于电池供电，可采用占空工作方式省电。
二、外围元件的选择 nrftm收发器的外围包括rf前端（天线匹配网络）及锁相环pll电路（包括晶体振荡器、vco电感和环路滤波电路）。外围元件是实现nrftm器件功能的关键要素。这些元件的品质和精度直接影响器件的整体性能。
1．晶 体
rf器件对晶体的要求通常比典型的微控制器更高。晶体必须具备：
●fo：晶体振荡频率；
●co：晶体的并行等效电容；
●esr：晶体等效串联阻抗；
●cl：晶体负载电容；
●室温下绝对频率精度容差；
●稳定度：频率的温度稳定性。
对于nrf器件，晶体总的容差（绝对容差和稳定度的和）将直接影响器件之间的通信效果。如果发送端和接收端器件的频率偏差很大，接收器将会把所发送的信号当作噪声滤掉。图1 - 135所示为晶体引起的频率误差与信号辐射强度的关系示意图，当频率误差超过3.5×10 -5时，信号强度会迅速下降。
为降低成本和减小pcb面积，通常可考虑多个器件共用晶体。如图1- 136所示，nrf40x和微控制器共用同一个晶体。
2.vco电感
nrftm器件的片内压控振荡器（ vco）产生器件工作的所有rf频率，因此是一个非常关键的部分。vco的额定工作频率由公式确定。
由于vco的片内部分将vc01和vc02引脚之处的整个电路视作其vco电感，因此，lc电路将包括以下几部分：
●片内电路；
●外部vco电感；
●连接芯片和vco电感的线路电感；
●vco电感到地线层线路的寄生电容。
可见电感的取值和放置位置是相当重要的。vco电感的品质因数q值对vco内部的相位噪声和电压摆幅也起着决定作用。如果q值太小，vco甚至不能启振。对于nrftm收发器，要求q值为40～45，电感量的精度应控制在2%之内。
3．环路滤波电路
环路滤波电路用于保证提供给vco -个稳定的控制电压。因此，屏蔽外部噪声是十分重要的，尤其是低频《50 khz）高幅值数字信号对滤波器的干扰如果不能被有效滤除，将直接影响vco的稳定工作。因此，不要在环路滤波器附近布置数字线路，而应在其周围布置地线平面加以屏蔽，使数字信号线尽量远离。同时，为获得良好的环路滤波性能，连接到地的滤波元件应直接连接到地线层，而不要通过走线或公共过孔。环路滤波器的电压应在各器件数据手册所述的极限指标范围内，nrf401/403应在引脚4，而nrf903应在引脚3上测量到电压为1.1±0.2 v。
4．天 线
当器件处于接收模式时，引脚ant1和ant2提供lna（低噪声放大器）的rf输入；而在发送模式时，提供pa（功率放大器）的rf输出。天线的连接可采用差分平衡方式。建议天线端口的负载阻抗取为400 ω，比起标准的50 ω，增大阻抗可以提高发射功率／耗用电流的比率。图1 - 137和图1- 138分别为采用在板差分环形天线的nrf401/403和nrf903的典型应用电路。在板天线直接用pcb线路作天线，成本低，方向性较好，对人体不敏感，但增益较低。环形天线通常应用于相对较窄的带宽，有助于抑制强的不需要的信号，以免干扰接收器。对于50ω的单端天线或测试仪器可以用如图1- 139和图1- 140所示的差分到单端匹配网络进行连接。
三、硬件设计要点 即使模拟（射频）和数字（微控制器）电路各自工作正常，但将两者放在同一块电路板上也有可能使问题变得复杂。因此，各电路模块在板上的布局十分重要。同时，电源和地线的排布也是至关重要的。
1．电源噪声
射频电路对于电源噪声相当敏感，尤其是对毛刺电压和高频谐波。因此在包含rf电路的pcb板上，电源布线必须比在普通数字电路板上布线更加仔细。如图l- 141（b）星形布线使数字部分和rf部分有各自的电源线路，并且应在靠近集成电路电源引脚处分别去耦。这是一种隔开来自数字部分和来自rf部分电源噪声的有效方法。
2．地线布局
在rf频段，即使一根很短的导线也会如电感一样。粗略估算，每毫米长度导线的电感约为1 nh。如果不采用地线层，多数地线将会较长，电路的设计特性将无法保证。因此，设计有rf元件的pcb时，应采用一个可靠的地线层，使所有的器件容易去耦。在表面贴装的pcb上，所有信号走线可在元件安装面的同一面，地线层则在其反面。理想的地线层应覆盖整个pcb（但要注意天线方向）。如果采用两层以上的pcb，则地线层应放置在邻近信号层的层上（如元件面的下一层）；另外最好将信号布线层的空余部分也用地线平面填充。这些地线平面必须通过很多过孔与主地线层面连接。所有对地线层的连接必须尽量短。接地过孔应放置在（或非常接近）元件的焊盘处。决不要让两个地信号共用一个接地过孔，这可能导致过孔连接阻抗在两个焊盘之间产生串扰。
综上所述，nrftm系列单片机无线收发器件为无线数据传输的应用提供了理想的选择。在设计中遵循上述设计要点，结合具体应用，可获得最佳的通信效果。
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2．设计收发距离
rf无线链路在可视范围的自由空间中传播的能量损耗（fsl），由下式计算：
式中：入为rf信号的波长；r为接收端到发射端的距离；fsl单位为db。
如图1- 133所示，rf信号在可视范围内传播的功率分布等式为：
式中：srx为接收器灵敏度（dbm）；grx为接收器（rx）天线增益（db）；grx为发送器（tx）天线增益（db）；ptx为发送器rf输出功率（dbm）。
由式（1 - 10）和式（1- 11）可计算出理论传输距离r≈l 500 m
但在实际应用中，还应考虑两端天线阻抗匹配电路的损耗，传输路径中由于障碍物、多径传输引起的损耗，以及pcb板材质量、产品外壳和人体等的
影响。其中的一些因素与应用环境密切相关。一般经验，在室外空旷地带传送距离约为理论计算距离的1/2，室内传送距离约为理论距离的1/10。
由图1 - 134可看出rf频率每增加一倍，损耗将增加约6 db，即引起传送距离下降一倍。所以如果设计者要求的主要指标是传送距离，那么可以选择较低的频率。采用中继传输也是一种有效增加通信距离的方法。
3.其他因素
由于无线传输容易产生干扰，也易被其他噪声干扰，故设计者还必须认真考虑应用场合及安装位置，不要一味追求远距离。对于电池供电，可采用占空工作方式省电。
二、外围元件的选择 nrftm收发器的外围包括rf前端（天线匹配网络）及锁相环pll电路（包括晶体振荡器、vco电感和环路滤波电路）。外围元件是实现nrftm器件功能的关键要素。这些元件的品质和精度直接影响器件的整体性能。
1．晶 体
rf器件对晶体的要求通常比典型的微控制器更高。晶体必须具备：
●fo：晶体振荡频率；
●co：晶体的并行等效电容；
●esr：晶体等效串联阻抗；
●cl：晶体负载电容；
●室温下绝对频率精度容差；
●稳定度：频率的温度稳定性。
对于nrf器件，晶体总的容差（绝对容差和稳定度的和）将直接影响器件之间的通信效果。如果发送端和接收端器件的频率偏差很大，接收器将会把所发送的信号当作噪声滤掉。图1 - 135所示为晶体引起的频率误差与信号辐射强度的关系示意图，当频率误差超过3.5×10 -5时，信号强度会迅速下降。
为降低成本和减小pcb面积，通常可考虑多个器件共用晶体。如图1- 136所示，nrf40x和微控制器共用同一个晶体。
2.vco电感
nrftm器件的片内压控振荡器（ vco）产生器件工作的所有rf频率，因此是一个非常关键的部分。vco的额定工作频率由公式确定。
由于vco的片内部分将vc01和vc02引脚之处的整个电路视作其vco电感，因此，lc电路将包括以下几部分：
●片内电路；
●外部vco电感；
●连接芯片和vco电感的线路电感；
●vco电感到地线层线路的寄生电容。
可见电感的取值和放置位置是相当重要的。vco电感的品质因数q值对vco内部的相位噪声和电压摆幅也起着决定作用。如果q值太小，vco甚至不能启振。对于nrftm收发器，要求q值为40～45，电感量的精度应控制在2%之内。
3．环路滤波电路
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4．天 线
当器件处于接收模式时，引脚ant1和ant2提供lna（低噪声放大器）的rf输入；而在发送模式时，提供pa（功率放大器）的rf输出。天线的连接可采用差分平衡方式。建议天线端口的负载阻抗取为400 ω，比起标准的50 ω，增大阻抗可以提高发射功率／耗用电流的比率。图1 - 137和图1- 138分别为采用在板差分环形天线的nrf401/403和nrf903的典型应用电路。在板天线直接用pcb线路作天线，成本低，方向性较好，对人体不敏感，但增益较低。环形天线通常应用于相对较窄的带宽，有助于抑制强的不需要的信号，以免干扰接收器。对于50ω的单端天线或测试仪器可以用如图1- 139和图1- 140所示的差分到单端匹配网络进行连接。
三、硬件设计要点 即使模拟（射频）和数字（微控制器）电路各自工作正常，但将两者放在同一块电路板上也有可能使问题变得复杂。因此，各电路模块在板上的布局十分重要。同时，电源和地线的排布也是至关重要的。
1．电源噪声
射频电路对于电源噪声相当敏感，尤其是对毛刺电压和高频谐波。因此在包含rf电路的pcb板上，电源布线必须比在普通数字电路板上布线更加仔细。如图l- 141（b）星形布线使数字部分和rf部分有各自的电源线路，并且应在靠近集成电路电源引脚处分别去耦。这是一种隔开来自数字部分和来自rf部分电源噪声的有效方法。
2．地线布局
在rf频段，即使一根很短的导线也会如电感一样。粗略估算，每毫米长度导线的电感约为1 nh。如果不采用地线层，多数地线将会较长，电路的设计特性将无法保证。因此，设计有rf元件的pcb时，应采用一个可靠的地线层，使所有的器件容易去耦。在表面贴装的pcb上，所有信号走线可在元件安装面的同一面，地线层则在其反面。理想的地线层应覆盖整个pcb（但要注意天线方向）。如果采用两层以上的pcb，则地线层应放置在邻近信号层的层上（如元件面的下一层）；另外最好将信号布线层的空余部分也用地线平面填充。这些地线平面必须通过很多过孔与主地线层面连接。所有对地线层的连接必须尽量短。接地过孔应放置在（或非常接近）元件的焊盘处。决不要让两个地信号共用一个接地过孔，这可能导致过孔连接阻抗在两个焊盘之间产生串扰。
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