无线收发芯片比较与选择

摘 要：本文比较了nRF401、nRF903和CC1000三款无线收发芯片的特性，详细介绍了它们的结构原理、特性及应用电路。

关键词：无线收发芯片；nRF401；nRF903；CC1000

1.前言
　　目前许多应用领域都采用无线的方式进行数据传输，这些领域涉及小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线遥控系统、无线标签身份识别、非接触RF智能卡等。
　　由于无线收发芯片的种类和数量比较多，无线收发芯片的选择在设计中是至关重要的，正确的选择可以减小开发难度，缩短开发周期，降低成本，更快地将产品推向市场。选择无线收发芯片时应考虑需要以下几点因素：功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元件数量、芯片成本、数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等。
　　在本文中笔者就所了解的NRF短距数据通信芯片nRF401、nRF903和CC1000作一个对比描述，给出了它们的结构原理、特性及应用电路。

2. nRF401无线收发芯片
　　nRF401是Nordic公司研制的单片UHF无线收发芯片，工作在433MHz ISM（Industrial, Scientific and Medical）频段。它采用FSK调制解调技术，抗干扰能力强，并采用PLL频率合成技术，频率稳定性好，发射功率最大可达10dBm，接收灵敏度最大为－105dBm，数据传输速率可达20Kbps，工作电压在+3～5V之间。nRF401无线收发芯片所需外围元件较少，并可直接单片机串口。

　　nRF401芯片内包含有发射功率放大器（PA）、低噪声接收放大器（LNA）、晶体振荡器（OSC）、锁相环（PLL）、压控振荡器（VCO）、混频器（MIXFR）、解调器（DEM）等电路。在接收模式中，nRF401被配置成传统的外差式接收机，所接收的射频调制的数字信号被低噪声较大器放大，经混频器变换成中频，放大、滤波后进入解调器，解调后变换成数字信号输出（DOUT端）。在发射模式中，数字信号经DIN端输入，经锁相环和压控振荡器处理后进入到发射功率放大器射频输出。由于采用了晶体振荡和PLL合成技木，频率稳定性极好；采用FSK调制和解调，抗干扰能力强。
　　nRF401的ANT1和ANT2引脚是接收时低噪声接收放大器LNA的输入，以及发送时发射功率放大器PA的输出。连接nRF401的天线可以以差分方式连接到nRF401，一个50Ω的单端天线也可以通过一个差分转换匹配网络连接到nRF401。

　　图1所示为使用单端天线的nRF401的电路图，50Ω的单端天线通过差分转换匹配网络连接到nRF401的ANT1和ANT2引脚。

图2所示为使用环形天线的nRF401的电路图，整个环形天线可以做在PCB上，对比传统的鞭状天线或单端天线，不仅节省空间和生产成本，机构上也更稳固可靠。

3. nRF903无线收发芯片
　　nRF903是Nordic公司为433/868/915MHz ISM频段设计的单片UHF多段无线收发芯片，它采用优化的GFSK调制解调技术，抗干扰能力强，采用DDS＋PLL频率合成技术，频率稳定性好，灵敏度高达－104dBm，发射功率可以调整，最大发射功率是+10dBm，可在155.6kHz的有效带宽下传输最高76.8Kbps的数据。
　　nRF903的工作电压范围可以从2.7～3.3V，接收待机状电流消耗为600μA，低功耗模式电流消耗仅为1μA，可满足低功耗设备的要求。nRF903具有多个频道（最多170个以上），特别满足需要多信道工作的特殊场合，适合采用跳频协议。

　　nRF903的天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线，所有的参数包括工作频率和发射功率都可以通过一个14位的配置寄存器用串行线（CS、CFG_CLK和CFG_DATA）进行设置。图3所示为使用环形天线的nRF903的应用电路图。
　　nRF903内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几个部分。发射电路含有：射频功率放大器、锁相环（PLL）、压控振荡器（VCO）、频率合成器等电路。基准振荡器采用外接晶体振荡器产生电路所需的基准频率。振荡电路采用锁相环（PLL）方式，由在DDS基础上的频率合成器、外接的无源回路滤波器和压控振荡器组成。压控振荡器由片内的振荡电路和外接的LC谐振回路组成。要发射的数据通过DATA端输入。
　　接收电路包含有：低噪声放大器、混频器、中频放大器、GFSK解调器、滤波器等电路。低噪声放大器放大输入的射频信号；混频器采用2级混频结构，第一级中频10.7136MHz，第二级中频345.6kHz。中频放大器用来放大从混频器来的输出信号；中频放大器的输出信号经中频滤波器滤波后送入GFSK解调器解调，解调后的数字信号在DATA端出。
4. CC1000无线收发芯片
　　CC1000是Chipcon公司推出的单片可编程RF收发芯片，它基于Chipcon's Smart RF技术，可工作在ISM频段（300～1000MHz）。CC1000集成了射频发射、射频接收、PLL合成、FSK调制解调、可编程控制等多种功能。
　　CC1000采用锁相环技术，发射频率是通过内部的频率合成器来配置的，可配置的范围为300～1000MHz，适合应用跳频协议，一般可配出10或20个频点，该芯片灵敏度为－109dBm，并可自动校准，可编程输出功率为－20dBm～+10dBm，通信速率可达78.6Kbps。
　　CC1000的主要工作参数可由一个串行接口编程设定，使用非常方便并且具有灵活性。CC1000芯片的外围元件较少，且对精度要求不高，并提供三种编码方式与微控制器接口。所以CC1000与一个微控制器和少数几个外接元件便可组成一个完整的RF收发系统。

图4所示是CC1000的一个典型的应用电路，调节元器件C1-C13 、L1-L3、R1的参数值可使CC1000工作在不同工作频率（300～1000MHz）。
　　微控制器可以通过CC1000的串行接口（PDATA、PAlE和PCLK）对CC1000进行设置，通过CC1000的DIO完成数据的接收和发送。

5. 三款无线收发芯片性能比较
　　上述三款无线收发芯片nRF401、nRF903和CC1000在无线短距离数传中得到的大量的应用，这三款无线收发芯片的性能对比如表1所示。

参考文献
1 433MHz Single Chip RF Transceiver nRF401.Rev1.6. Nordic VLSI ASA, 2002
2 430MHz-950MHz Single Chip RF Transceiver　nRF903. Rev3.1. Nordic VLSI ASA, 2002
3 CC1000 Single Chip Very Low Power RF Transceiver. Rev1.0. Chipcon, 2001
4 nRF401 RF and antenna layout. Rev1.3. Nordic VLSI ASA, 2002
5 nRF401 RF and antenna layout. Rev1.2. Nordic VLSI ASA, 2003
6 Small loop antennas. Rev1.2. Nordic VLSI ASA, 2000