藍牙收發(fā)芯片RF2968的原理及應用
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關鍵詞：藍牙 無線發(fā)射 無線接收 FSK
1 概述
RF2968是為低成本的藍牙應用而設計的單片收發(fā)集成電路，RF頻率范圍2400～2500MHz，RF信道79個，步長1MHz，數(shù)據(jù)速率1MHz，頻偏140～175kHz，輸出功率4dBm，接收靈敏度-85dBm，電源電壓3V，發(fā)射消耗電流59mA，接收電流消耗49mA，休眠模式電流消耗250μA。芯片提供給全功能的FSK收發(fā)功能，中頻和解調(diào)部分不需要濾波器或鑒頻器，具有鏡像抑制前端、集成振蕩器電路、可高度編程的合成等電路。自動校準的接收和發(fā)射IF電路能優(yōu)化連接的性能，并消除人為的變化。RF2968可應用在藍牙GSM/GPRS/EDGE蜂窩電話、無繩電話、藍牙無線局域網(wǎng)、電池供電的便攜設備等系統(tǒng)中。
2 引腳功能
集成電路采用32腳的塑料LCC形式封裝，各引腳功能如下：
VCC1：給VCO（壓控振蕩器）倍頻和LO（本機振蕩器）放大器電路提供電壓。
VCC2：給RX（接收）混頻器、TXPA（發(fā)射功率放大器）和LNA（低噪聲放大器）偏置電路提供電壓。
TXOUT：發(fā)射機輸出。當發(fā)射工作時，TXOUT輸出阻抗是50Ω；當發(fā)射機不工作時，TXOUT為高阻態(tài)。因為這個引腳是直流偏置，所以需外接1個耦合電容。
RXIN：接收機輸入。當接收機工作時，RX IN輸入阻抗是低阻態(tài)；接收機不工作時，RXIN為高阻態(tài)。芯片內(nèi)用1個內(nèi)部串聯(lián)電感來調(diào)節(jié)輸入阻抗。
VCC3：給RX輸入級（LNA）提供電壓。
VCC4：給TX混頻器、LO放大器、LNA和RX混頻器的偏置電路提供電壓。
LPO：低功耗模式的低頻時鐘輸出。在休眠模式中，這個引腳能給基帶提供一個3.2kHz或32kHz、占空比為50%的時鐘。在其它工作方式?jīng)]有輸出。
DVDDH：給RX IF VGA（接收中頻電壓增益放大器）電路提供電壓。
IRE F：外部接1個精密電阻以產(chǎn)生恒定的基準電流。
VCC5：給模擬中頻電路提供電壓。
D1：這是為時鐘恢復電路提供的電荷泵輸出。外接1個RC網(wǎng)絡到地以確定PLL的帶寬。
BPKTCTL：在發(fā)射模式時，這個腳作為啟動PA級的選通脈沖；在接收模式時，基帶控制器可以有選擇地使用這個引腳來給同步字的檢測發(fā)信號。
BDATA1：輸入信號到發(fā)射機/接收機的數(shù)據(jù)輸出。輸入的數(shù)據(jù)是速率為1MHz的沒有被濾波的數(shù)據(jù)。這個引腳是雙向的，根據(jù)發(fā)射和接收模式轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)輸入或數(shù)據(jù)輸出。
RECCLK：恢復時鐘輸出。
RECDATA：恢復數(shù)據(jù)輸出。
BXTLEN：功率控制電路的一部分，用來接通/關鍵芯片的“休眠”模式。在電路從“OFF”狀態(tài)上電之后，當?shù)凸臅r鐘不工作時，BR CLK被BXTLEN的狀態(tài)控制（上電期間，BRCLK先寫B(tài)XTLEN激活且被設為高電平，以進入空閑狀態(tài)）。
BPCLK：基準時鐘輸出。這是由晶振決定的基準時鐘，頻率范圍為10～40MHz，典型值為13MHz。電路上電時，BRCLK在基帶控制器將BXTLEN設為高電平之前激活。電路進入空閑狀態(tài)后，當?shù)凸臅r鐘不工作時，BRCLK由BXTLEN的狀態(tài)控制。
OSC O：與19腳相同。
OSC I：OSC腳可通過負反饋的方式來產(chǎn)生基準時鐘。在SOC I到OSC O之間連接1個并聯(lián)的晶振和電阻，以提供反饋通道和確定諧振頻率。每一個OSC腳都接1個旁路電容來提供合適的晶振負載。如果用1個外部的基準頻率，那就要通過1個隔直電容來連接到OSC I，并且用1個470kΩ的電阻將OSC O和OSC I連接起來。
BnDEN：鎖存輸入到串行端口的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在BnDEN的上升沿被鎖存。
BDCLK：串行端口的輸入時鐘。這個引腳被用來將時鐘信號輸入到串行端口。要使得跳變頻率的編程時間最短時，建議使用10～20MHz的BRCLK頻率。
BnPWR：芯片電源控制電路的一部分，用來控制芯片從“OFF”狀態(tài)到電源接通狀態(tài)。
PLLGND：RF合成器、晶體振蕩器和串行端口的接地端。
VCC6：RF合成器、晶體振蕩器和串行端口的電源端。
DO：RF PLL的充電泵輸出。外接1個RC網(wǎng)絡到地以確定PLL帶寬。要使得合成器的設置時間和相位噪聲最小，可采用雙重的環(huán)路帶寬方案。在頻率檢測的開始時期，使用1個寬環(huán)路帶寬。在檢測頻率結(jié)束時，用RSHUNT來轉(zhuǎn)換到窄環(huán)路帶寬，并提供改進的VCO相位噪聲。帶寬轉(zhuǎn)換的時間由PLL Del位設置。
RSHUNT：通過將2個外部串聯(lián)電阻的中點分路到VREG，使環(huán)路濾波器從窄帶轉(zhuǎn)換到寬帶。
RESNTR-：用來給VCO提供直流電壓以及調(diào)節(jié)VCO的中心頻率。在RESNTR-和RESNTR+之間需2個電感來跟內(nèi)部電容形成諧振。在設計印制板時，應該考慮從RESNTR腳到電感器的感抗。可以在RESNTR腳之間加1個小電容來確定VCO的頻率范圍。
RESNTR+：見引腳28。
VREG：電壓調(diào)節(jié)輸出（2.2V）。需1個旁路電容連接到地。通過與28腳和29腳相連的回路給VCO提供偏置。
IFDGND：數(shù)字中頻電路接地端。
VCC7：數(shù)字中頻電路電源電壓。
3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
RF2968是專為藍牙的應用而設計，工作在2.4GHz頻段的收發(fā)機。符合藍牙無線電規(guī)范1.1版本功率等級二（+4 dBm）或等級三（0 dBm）要求。對功率等級1（+20 dBm）的應用，RF2968可以和功率放大器搭配使用，如RF2172。RF2968的內(nèi)部框圖如圖1所示。芯片內(nèi)包含有發(fā)射器、接收器、VCO、時鐘、數(shù)據(jù)總線、芯片控制邏輯等電路。
由于芯片內(nèi)集成了中頻濾波器，RF2968只需最少的外部器件，避免外部如中頻SAW濾波器和對稱一不對稱變換器等器件。接收機輸入和發(fā)射輸出的高阻狀態(tài)可省去外部接收機/發(fā)射機轉(zhuǎn)換開關。RF2968和天線、RF帶通濾波器、基帶控制器連接，可以實現(xiàn)完整的藍牙解決方案。除RF信號處理外，RF3968同樣能完成數(shù)據(jù)調(diào)制的基帶控制、直流補償、數(shù)據(jù)和時鐘恢復功能。
RF2968發(fā)射機輸出在內(nèi)部匹配到50Ω，需要1個AC耦合電容。接收機的低噪聲放大器輸入在內(nèi)部匹配50Ω阻抗到前端濾波器。接收機和發(fā)射機在TXOUT和RXIN間連接1個耦合電容，共用1個前端濾波器。此外，發(fā)射通道可以通過外部的放大器放大到+20dBm，接通RF2968的發(fā)射增益控制和接收信號強度指示，可使藍牙工作在功率等級一。RSSI數(shù)據(jù)經(jīng)串聯(lián)端口輸入，超過-20～80dBm的功率范圍時提供1dB的分辨率。發(fā)射增益控制在4dB步階內(nèi)調(diào)制，可經(jīng)串聯(lián)端口設置。
基帶數(shù)據(jù)經(jīng)BDATA1腳送到發(fā)射機。BDATA1腳是雙向傳輸引腳，在發(fā)射模式作為輸入端，接收模式作為輸出端。RF2968實現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)的高斯濾波、FSK調(diào)制中頻電流控制的晶體振蕩器（ICO）和中頻IF上變頻到RF信道頻率。
片內(nèi)壓控振蕩器（VCO）產(chǎn)生的頻率為本振（LO）頻率的一半，再通過倍頻到精確的本振頻率。在RESNTR+和RESNTR-間的2個外部回路電感設置VCO的調(diào)節(jié)范圍，電壓從片內(nèi)調(diào)節(jié)器輸給VCO，調(diào)節(jié)器通過1個濾波網(wǎng)絡連接在2個回路電感的中間。由于藍牙快速跳頻的需要，環(huán)路濾波器（連接到DO和RSHUNT）特別重要，它們決定VCO的跳變和設置時間。所以，極力推薦使用電路圖中提供的元件值。
RF2968可以使用10MHz、11MHz、12MHz、13MHz或20MHz的基準時鐘頻率，并能支持這些頻率的2倍基準時鐘。時鐘可由外部基準時鐘通過隔直電容直接送到OSC1腳。如果沒有外部基準時鐘，可以用晶振和2個電容組成基準振蕩電路。無論是外部或內(nèi)部產(chǎn)生的基準頻率，使用1個連接在OSC1和OSC2之間的電阻來提供合適的偏置?；鶞暑l率的頻率公差須為2010 -6或更好，以保證最大允許的系統(tǒng)頻率偏差保持在RF2968的解調(diào)帶寬之內(nèi)。LPO腳用3.2kHz或32kHz的低功率方式時鐘給休眠模式下的基帶設備提供低頻時鐘?？紤]到最小的休眠模式功率消耗，并靈活選擇基準時鐘頻率，可選用12MHz的基準時鐘。
接收機用低中頻結(jié)構(gòu)，使得外部元件最少。RF信號向下變頻到1MHz，使中頻濾波器可以植入到芯片中。解調(diào)數(shù)據(jù)在BDATA1腳輸出，進一步的數(shù)據(jù)處理用基帶PLL數(shù)據(jù)和時鐘恢復電容完成。D1是基帶PLL環(huán)路濾波器的連接腳。同步數(shù)據(jù)和時鐘在REDATA和RECCLK腳輸出。如果基帶設備用RF2968做時鐘恢復，D1環(huán)路濾波器可以略去不用。
4 應用
RF2968射頻收發(fā)機作為藍牙系統(tǒng)的物理層（PHY），支持在物理層和基帶設備之間的Blue RF(藍牙射頻)接口。
RF2968和基帶間有2個接口。串行接口提供控制數(shù)據(jù)交換的通道，雙向接口提供調(diào)制解調(diào)、定時和芯片功率控制信號的通道。基帶控制器與RF2968接口如圖2所示。
控制數(shù)據(jù)通過DBUS串行接口協(xié)議的方式在RF2968和基帶控制器之間交換。BDCLK、BDDATA和BnDEN都是符合串行接口的信號。基帶控制器是主控設備，它啟動所有到RF2968寄存器存取操作，RF2968數(shù)據(jù)寄存器可被編程，或者根據(jù)具體命令格式和地址被檢索。數(shù)據(jù)包首先傳送MSB。串行數(shù)據(jù)包的格式如表1所列。
表1 串行數(shù)據(jù)包格式
| 域 | 位 數(shù) | 注 釋 |
| 設備地址 | 3[A7:A5] | 物理層為“101” |
| 讀/寫 | 1[R/W] | “1”為讀，“0”為寫 |
| 寄存器地址 | 5[A4:A0] | 32個寄存器的最大值 |
| 數(shù)據(jù) | 16[D15:D0] | RF2968在寫模式編程，在讀模式返回寄存器的內(nèi)容 |
“寫”周期，基帶控制器在BDCLK下降沿驅(qū)動數(shù)據(jù)包的每一位，RF2968在數(shù)據(jù)寄存器設為高狀態(tài)后，在BDCLK第1個下降沿到來時被移位寄存器的內(nèi)容更新，如圖3所示。
在讀操作中，基帶控制器發(fā)出設備地址、READ位（R/W=1）和寄存器地址給RF2968，再跟1個持續(xù)半個時鐘周期的翻轉(zhuǎn)位。這個翻轉(zhuǎn)位允許RF2968在BDCLK的上升沿通過BDDATA驅(qū)動它的請求信號。數(shù)據(jù)位傳輸后，基帶控制器驅(qū)動BnDEN為高電平，在第1個BDCLK脈沖的下降沿到來時重新控制BDDATA，如圖4所示。
寄存器地址域可尋址32個寄存器，RF2968僅提供3～7和30、31的寄存器地址。通過設置寄存器的數(shù)據(jù)可實現(xiàn)不同的功能。
雙向接口完成數(shù)據(jù)交換、定時和狀態(tài)機控制。所有雙向同步（定時）來自BRCLK，BRCLK由RF2968產(chǎn)生。RF2968使用BRCLK的下降沿。圖5給出當數(shù)據(jù)從RF2968傳給基帶控制器時的通用定時。
RF2968的芯片控制電路控制芯片內(nèi)其它電路的掉電和復位狀態(tài)，把設備設置為所需要的發(fā)射、接收或功率節(jié)省模式。芯片的控制輸入經(jīng)雙向接口從基帶控制器（BNPWR、BXTLEN、BPKTCTL、BDATA1）輸入，也可從DBUS提供（RXEN、TXEN）輸出端的寄存器輸入?；鶐Э刂破骱蚏F2968內(nèi)的狀態(tài)機維持在控制雙向數(shù)據(jù)線方向的狀態(tài)?；鶐Э刂破骺刂芌F2968內(nèi)的狀態(tài)機，并保證數(shù)據(jù)爭用不會在復位和正常工作期間發(fā)生。RF2968常用的狀態(tài)有：
OFF狀態(tài)――所有電路掉電且復位，設置數(shù)據(jù)丟失。
IDLE狀態(tài)――待機模式。數(shù)據(jù)被讀入到控制寄存器中，振蕩器保持工作，所有其它電路掉電。
SLEEP狀態(tài)――芯片通常從IDLE模式進入這種模式。此時，所有電路掉電，但不復位，因此數(shù)據(jù)得以保留。電路同樣可從其它模式進入SLEEP模式，但TXEN和RXEN狀態(tài)不變，以便TX和RX電路保持導通。
TX DATA狀態(tài)――數(shù)據(jù)在這種模式發(fā)射（合成器穩(wěn)定，數(shù)據(jù)信道同步）。
RX DATA狀態(tài)――接收的數(shù)據(jù)經(jīng)BDATA1（不同步）和REDATA（和RECCLK同步）發(fā)送到基帶電路。
RF2968的一個典型的應用電路（GSM電話）如圖6所示。
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