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蓝牙收发芯片RF2968的原理及应用

文章来源：单片机与嵌入式系统应用    

摘要 RF2968是一个单片蓝牙收发芯片，工作在2400～2500 MHz频段，FSK调制和解调；芯片内含有射频发射、射频接收、FSK调制/解调等电路,能够接收和发送数字信号，符合蓝牙无线电规范1.1要求。文中给出RF2968的结构、原理、特性及应用电路。
1      概述
　　RF2968是为低成本的蓝牙应用而设计的单片收发集成电路，RF频率范围2400~2500 MHz，RF信道79个，步长1 MHz，数据速率1 MHz，频偏140～175 kHz，输出功率4 dBm，接收灵敏度－85 dBm电源电压3 V，发射消耗电流59 mA，接收电流消耗49 mA，休眠模式电流消耗250μA。芯片提供给全功能的FSK收发功能，中频和解调部分不需要滤波器或鉴频器，具有镜像抑制前端、集成振荡器电路、可高度编程的合成器等电路。自动校准的接收和发射 IF电路能优化连接的性能，并消除人为的变化。RF2968可应用在蓝牙GSM/GPRS/EDGE 蜂窝电话、无绳电话、蓝牙无线局域网、电池供电的便携设备等系统中。
2      引脚功能
　　集成电路采用32脚的塑料LCC形式封装，各引脚功能如下。
　　VCC1：给VCO（压控振荡器）倍频和LO（本机振荡器）放大器电路提供电压。
　　VCC2：给RX（接收）混频器、TXPA（发射功率放大器）和LNA（低噪声放大器）偏置电路提供电压。
　　TXOUT：发射机输出。当发射机工作时，TXOUT输出阻抗是50Ω；当发射机不工作时，TX OUT为高阻态。因为这个引脚是直流偏置，所以需外接1个耦合电容。
　　RXIN：接收机输入。当接收机工作时，RX IN输入阻抗是低阻态；接收机不工作时，RXIN为高阻态。芯片内用1个内部串联电感来调节输入阻抗。
　　VCC3：给RX输入级（LNA）提供电压。
　　VCC4：给TX混频器、LO放大器、LNA和RX混频器的偏置电路提供电压。
　　LPO：低功耗模式的低频时钟输出。在休眠模式中，这个引脚能给基带提供一个3.2 kHz或32 kHz、占空比为50 %的时钟。在其它工作方式没有输出。
　　DVDDH：给RX IF VGA（接收中频电压增益放大器）电路提供电压。
　　IRE F：外部接1个精密电阻以产生恒定的基准电流。
　　VCC5：给模拟中频电路提供电压。
　　D1：这是为时钟恢复电路提供的电荷泵输出。外接1个RC网络到地以确定PLL的带宽。
　　BPKTCTL：在发射模式时，这个脚作为启动PA级的选通脉冲；在接收模式时，基带控制器可以有选择地使用这个引脚来给同步字的检测发信号。
　　BDATA1：输入信号到发射机/接收机的数据输出。输入的数据是速率为1 MHz的没有被滤波的数据。这个引脚是双向的，根据发射和接收模式转换为数据输入或数据输出。
　　RECCLK：恢复时钟输出。
　　RECDATA：恢复数据输出。
　　BXTLEN：功率控制电路的一部分，用来接通/关断芯片的"休眠"模式。在电路从"OFF"状态上电之后，当低功耗时钟不工作时，BR CLK被BXTLEN的状态控制（上电期间，BRCLK先与BXTLEN激活且被设为高电平，以进入空闲状态）。
BRCLK：基准时钟输出。这是由晶振决定的基准时钟，频率范围为10~40 MHz，典型值为13 MHz。电路上电时，BRCLK在基带控制器将BXTLEN设为高电平之前激活。电路进入空闲状态后，当低功耗时钟不工作时，BRCLK由BXTLEN的状态控制。
　　OSC O：与19脚相同。
　　OSC I：OSC脚可通过负反馈的方式来产生基准时钟。在OSC I到OSC O之间连接1个并联的晶振和电阻，以提供反馈通道和确定谐振频率。每一个OSC脚都接1个旁路电容来提供合适的晶振负载。如果用1个外部的基准频率，那就要通过1个隔直电容来连接到OSC I，并且用1个470 kΩ的电阻将OSC O和OSC I连接起来。
　　BnDEN：锁存输入到串行端口的数据。数据在BnDEN的上升沿被锁存。
　　BDDATA：串行数据通道。读/写数据通过这个引脚送入/输出到芯片上的移位寄存器。读取的数据在BDCLK的上升沿被传送，写数据在BDCLK的下降沿被传送。
　　BDCLK：串行端口的输入时钟。这个引脚被用来将时钟信号输入到串行端口。要使得跳变频率的编程时间最短时，建议使用10~20 MHz的BRCLK频率。
　　BnPWR：芯片电源控制电路的一部分，用来控制芯片从"OFF"状态到电源接通状态。
　　PLLGND：RF合成器、晶体振荡器和串行端口的接地端。
　　VCC6：RF合成器、晶体振荡器和串行端口的电源端。
　　DO：RF PLL的充电泵输出。外接1个RC网络到地以确定PLL带宽。要使得合成器的设置时间和相位噪声最小，可采用双重的环路带宽方案。在频率检测的开始时期，使用1个宽环路带宽。在检测频率结束时，用RSHUNT来转换到窄环路带宽，并提供改进的VCO相位噪声。带宽转换的时间由PLL Del 位设置。
　　RSHUNT：通过将2个外部串联电阻的中点分路到VREG，使环路滤波器从窄带转换到宽带。
　　RESNTR-：用来给VCO提供直流电压以及调节VCO的中心频率。在RESNTR-和RESNTR+之间需2个电感来跟内部电容形成谐振。在设计印制板时，应该考虑从RESNTR脚到电感器的感抗。可以在RESNTR脚之间加1个小电容来确定VCO的频率范围。
　　RESNTR+：见引脚28。
　　VREG：电压调节输出（2.2 V）。需1个旁路电容连接到地。通过与28脚和29脚相连的回路给VCO提供偏置。
　　IFDGND：数字中频电路接地端。
　　VCC7：数字中频电路电源电压。
3      内部结构
　　RF2968是专为蓝牙的应用而设计，工作在2.4 GHz频段的收发机。符合蓝牙无线电规范1.1版本功率等级二（+4 dBm）或等级三(0 dBm)要求。对功率等级1（+20 dBm）的应用，RF2968可以和功率放大器搭配使用，如RF2172。RF2968的内部框图如 图 1 所示。芯片内包含有发射器、接收器、VCO、时钟、数据总线、芯片控制逻辑等电路。

图1      RF2968内部框图
　　由于芯片内集成了中频滤波器，RF2968只需最少的外部器件，避免外接如中频SAW滤波器和对称-不对称变换器等器件。接收机输入和发射机输出的高阻状态可省去外部接收机/发射机转换开关。RF2968和天线、RF带通滤波器、基带控制器连接，可以实现完整的蓝牙解决方案。除RF信号处理外，RF2968同样能完成数据调制的基带控制、直流补偿、数据和时钟恢复功能。
　　RF2968发射机输出在内部匹配到50 Ω，需要1个AC耦合电容。接收机的低噪声放大器输入在内部匹配50Ω阻抗到前端滤波器。接收机和发射机在TXOUT和RXIN间连接1个耦合电容，共用1个前端滤波器。此外，发射通道可通过外部的放大器放大到+20 dBm，接通RF2968的发射增益控制和接收信号强度指示，可使蓝牙工作在功率等级一。RSSI数据经串联端口输入，超过-20~80 dBm的功率范围时提供1dB的分辨率。发射增益控制在4 dB步阶内调制，可经串联端口设置。
　　基带数据经BDATA1脚送到发射机。BDATA1脚是双向传输引脚，在发射模式作为输入端，接收模式作为输出端。RF2968实现基带数据的高斯滤波、FSK调制中频电流控制的晶体振荡器（ICO）和中频IF上变频到RF信道频率。
　　片内压控振荡器（VCO）产生的频率为本振（LO）频率的一半，再通过倍频到精确的本振频率。在RESNTR+和RESNTR-间的2个外部回路电感设置VCO的调节范围，电压从片内调节器输给VCO，调节器通过1个滤波网络连接在2个回路电感的中间。由于蓝牙快速跳频的需要，环路滤波器（连接到DO和RSHUNT）特别重要，它们决定VCO的跳变和设置时间。所以，极力推荐使用应用电路图中提供的元件值。
　　RF2968可以使用10 MHz、11 MHz、12 MHz、13 MHz或20 MHz的基准时钟频率，并能支持这些频率的2倍基准时钟。时钟可由外部基准时钟通过隔直电容直接送到OSC1脚。如果没有外部基准时钟，可以用晶振和2个电容组成基准振荡电路。无论是外部或内部产生的基准频率，使用1个连接在OSC1和OSC2之间的电阻来提供合适的偏置。基准频率的频率公差须为20×10-6或更好，以保证最大允许的系统频率偏差保持在RF2968的解调带宽之内。LPO脚用3.2 kHz或32 kHz的低功率方式时钟给休眠模式下的基带设备提供低频时钟。考虑到最小的休眠模式功率消耗，并灵活选择基准时钟频率，可选用12 MHz的基准时钟。
　　接收机用低中频结构，使得外部元件最少。RF信号向下变频到1 MHz，使中频滤波器可以植入到芯片中。解调数据在BDATA1脚输出，进一步的数据处理用基带PLL数据和时钟恢复电路完成。D1是基带PLL环路滤波器的连接脚。同步数据和时钟在REDATA和RECCLK脚输出。如果基带设备用RF2968做时钟恢复，D1环路滤波器可以略去不用。
4      应用
　　RF2968射频收发机作为蓝牙系统的物理层（PHY），支持在物理层和基带设备之间的Blue RF（蓝牙射频）接口。
　　RF2968和基带间有2个接口。串行接口提供控制数据交换的通道，双向接口提供调制解调、定时和芯片功率控制信号的通道。基带控制器与RF2968 接口如图2所示。

图2      基带控制器与RF2968 接口
　　控制数据通过DBUS串行接口协议的方式在RF2968和基带控制器之间交换。BDCLK、BDDATA和BnDEN都是符合串行接口的信号。基带控制器是主控设备，它启动所有到RF2968寄存器存取操作。RF2968数据寄存器可被编程，或者根据具体命令格式和地址被检索。数据包首先传送MSB。串行数据包的格式如 表 1所列。
表1      串行数据包格式

　　"写"周期，基带控制器在BDCLK下降沿驱动数据包的每一位，RF2968在数据寄存器设为高状态后，在BDCLK第1个下降沿到来时被移位寄存器的内容更新，如 图 3 所示。

图3      DBUS写编程图
　　在读操作中，基带控制器发出设备地址、 READ位（R/W=1）和寄存器地址给RF2968，再跟1个持续半个时钟周期的翻转位。这个翻转位允许RF2968在BDCLK的上升沿通过BDDATA驱动它的请求信号。数据位传输后，基带控制器驱动BnDEN为高电平，在第1个BDCLK脉冲的下降沿到来时重新控制BDDATA，如 图 4 所示。

图4      DBUS读编程图
　　寄存器地址域可寻址32个寄存器，RF2968仅提供3~7和30、31的寄存器地址。通过设置寄存器的数据可实现不同的功能。
　　双向接口完成数据交换、定时和状态机控制。所有双向同步（定时）来自BRCLK，BRCLK由RF2968产生。RF2968使用BRCLK的下降沿。图 5 给出当数据从RF2968传给基带控制器时的通用定时。

图5      RF2968写入到基带控制器时的通用定时
　　RF2968的芯片控制电路控制芯片内其它电路的掉电和复位状态，把设备设置为所需要的发射、接收或功率节省模式。芯片的控制输入经双向接口从基带控制器（BNPWR、BXTLEN、BPKTCTL、BDATA1）输入，也可从DBUS模块（RXEN、TXEN）输出端的寄存器输入。基带控制器和RF2968内的状态机维持在控制双向数据线方向的状态。基带控制器控制RF2968内的状态机，并保证数据争用不会在复位和正常工作期间发生。RF2968常用的状态有：
　　OFF状态--所有电路掉电且复位，设置数据丢失。
　　IDLE状态--待机模式。数据被读入到控制寄存器中，振荡器保持工作，所有其它电路掉电。
　　SLEEP状态--芯片通常从IDLE模式进入这种模式。此时，所有电路掉电，但不复位，因此数据得以保留。电路同样可从其它模式进入SLEEP模式，但TXEN和RXEN状态不变，以便TX和RX电路保持导通。
　　TX DATA状态--数据在这种模式发射（合成器稳定，数据信道同步）。
　　RX DATA状态--接收的数据经BDATA1（不同步）和REDATA（和RECCLK同步）发送到基带电路。
　　RF2968的一个典型的应用电路（GSM电话）如 图 6 所示。