射频无线发送接收芯片TRF6900在短距离无线数据传输中的应用

文章出处：http://www.singbon.com 作者：熊磊    人气： 发表时间：2011年10月29日

 摘要: 本文介绍TI公司推出的射频无线发送接收芯片—TRF6900的内部结构、工作原理、性能特点 ，并细述了TRF6900在短距离无线数据传输中的典型应用。

关键词: 射频芯片，数据通信，TRF6900，DDS

1 概述
TRF6900是TI公司最新推出的单片无线收发一体芯片，它在一个器件上包括了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制解调、FM调制解调、直接数字频率合成 (DDS) 、接收信号强度指示(RSSI)等多种功能，集成程度相当的高。TRF6900使用ISM频段，无需申请，而且采用低发射功率和高接收灵敏度，设备之间干扰小，可广泛应用于无线数据采集系统、无线监控系统、收费系统、智能卡、设备遥控场合，应用前景十分广阔。

2 TRF6900芯片介绍
TRF6900主要性能如下:
1)工作频率为868MHz—870MHz(西欧)/902MHz—928MHz(北美)
2)有效数据传输距离1000米
3)典型输出功率 4.5dBm
4)典型输出信号频差230 Hz
5)工作电压2.2 V—3.6 V
6)待机电流5uA，工作电流50mA
7)内置2个可编程模式

TRF6900内部电路可分为发射模块和接收模块。

2.1接收模块
接收模块包括低噪音放大器、混频器、中放、FM/FSK解调器、接收信号强度指示和低通滤波放大器等几部分。

2.2发射模块
发射模块包括串行控制接口、直接数字频率生成器、压控振荡器、锁相环等几部分。

3 TRF6900工作原理
3.1接收机工作原理
从天线接收到信号由LNA_IN引入TRF6900，首先经过低噪音放大器。低噪音放大器可提供13 dB的增益。低噪音放大器有正常模式和低增益模式两种模式。当TRF6900接收的信号较强时，应该选择低增益模式，这样可以最大程度地减少信号非线性失真。放大后的信号被送入混频器，混频器将信号变频到中频，再通过第一和第二级中频放大。第一级中频放大可获得7dB的增益，用以补偿滤波器带来的损耗；第二级中频放大包括多个放大器，总共可获得80dB的增益。经过两级放大后的信号，如果采用的是FM/FSK调制方式就被送入FM/FSK解调器，解调出数据信号从DATA_OUT引出。如果是频移键控（ASK）或开关键控（OOK）则送入接收信号强度指示器（RSSI）解调，解调后的基带数据RSSI_OUT输出。

3.2发射机工作原理
数字基带信号从TX_DATA引入TRF6900片内，经过直接数字频率合成器（DDS）调制到中频，再通过锁相环(PLL)倍频到射频，最后通过功率放大器放大信号后，由PA_OUT导出射频信号，通过天线发射出去。

3.3串行控制接口工作原理
串行控制接口包括CLOCK，DATA，STOBE三部分，控制着TRF6900内部所有的寄存器，包括DDS参数设定寄存器，和其他的控制寄存器。在CLOCK的每一个上升沿，DATA管脚的逻辑值送入24-BIT的移位寄存器，当STOBE电平被抬高时，设定的参数被送入选定的锁存器。

TRF6900有四个可编程的24bit控制字(A，B，C，D)。
控制字A和B分别控制DDS模式0和模式1状态下输出信号频率。
控制字C负责锁相环和DDS模式0的设定。
控制字D负责调制和DDS模式1的设定。

3.4直接数字频率合成器（DDS）的工作原理
传统的频移键控(FSK)是利用基带数字信号去控制电子开关，使之在不同振荡频率的振荡器之间进行切换 ，从而输出不同频率的信号，再与载波进行混频 ，从而实现频率调制。直接数字频率合成器是基于数字域，直接产生相应频率的正弦波。它具有频率范围宽， 频率分辨率高，可用软件方便地控制输出频率、频率切换速度快且切换频率时相位保持连续等优点，从而在线性调频、扩频和跳频系统、多普勒响应模拟等领域得到了广泛应用。但DDS由于受参考频率的限制，输出频率通常较低，一般为100MHz—400MHz，而这一频段的频率资源相当紧张。如果直接产用DDS产生射频信号，将会对DDS的实际应用造成很大限制。所以在实际应用中往往是产用DDS/PLL混合方式。该方法将DDS输出的中频信号作为PLL倍频器的参考频率，利用PLL将信号变换到所需的频率。这种方式既保留了DDS的频率分辨率高和频率切换速度快的特性 ，又弥补了DDS输出频率较低的不足，从而得到广泛的应用。TRF6900也是采用DDS/PLL这种方式。
TRF6900的直接数字频率合成器包括一个24比特的相位累加器，相位码—幅度码转换表，11比特的数字—模拟转换 DAC和低通滤波器LPF。相位累加器在时钟的触发下 ，对频率控制字进行累加 ，相位累加器输出的相位序列作为地址来寻址正弦检索表 ，得到正弦波的离散幅度数字即抽样数字信号。DAC再将抽样的数字信号恢复为模拟信号，最后通过一个低通滤波滤得基波分量。

24比特的累加器可通过TRF6900内部的两个22比特的控制寄存器控制。

控制字A和控制字B的高两位为0，因此最大的比特权重为1/8。
fout=DDS_x ×N×fref／224
其中， DDS_x为控制字A或B的值。
参考频率fref　就是DDS的取样频率，它从根本上决定着DDS的输出频率和频偏。TRF6900采用的参考频率为15—26MHz。由上式可得，DDS的最大输出频率为90—156MHz，最小频偏为21Hz—37Hz。
TRF6900的控制字A的值确定模式0对应的频率，控制字B确定模式1所对应的频率，DDS可以在模式0和模式1之间快速切换，从而可以实现输出频率由一个频率跳变到另一个频率，而这一切都由软件实现。所以只需给控制字A和控制字B赋相应的值，并在两个模式之间进行切换就可以实现跳频，实现起来很方便。TRF6900最高可达1360跳/秒，每一跳最多可携带22比特数据，因此，TRF6900的最大数据传输速率为30Kbps。TRF6900采用跳频的调制方式，极大地增加了通信的抗干扰的能力。这一特点为在恶劣环境下进行数据传输，保证传输质量提供了很大的保障。
TRF6900也可以选择传统的FSK调制，这为与现有设备进行通信提供了方便。TRF6900由控制字C在DDS和FSK之间选择。当TRF6900选择FSK调制时，空号与传号的输出频率完全由控制字D确定，可以用软件方便地进行
设置

△f2-FSK=N×DEV×fref／222
所以，
fout_1=N×fref×DDS／224 fout_0=N×fref×(DDS+4×DEV)／224

4 典型应用
下图为采用TRF6900实现铁路路基温度采集系统的实际应用框图。及时对铁路路基温度进行监控是保障铁路行车安全的一个重要工作。传统的测温方法需要将温度探测器埋入路基，通过数据线获得温度信息，测得温度后再将探测器取出。这种方法每次测量都需要打眼、埋放温度传感器，不仅工作效率低，劳动强度大，而且由于破坏了路基的原有结构，测得的温度与实际情况并不完全吻合。而无线温度采集系统则可从根本上解决这些问题。该系统包括温度传感器、微处理器、TRF6900、终端显示与存储设备、天线和电源等部分组成。世界应用中只需将温度采集子系统一次性埋入探测点；测量温度时，微控制器控制温度传感器，使之输出温度数据。微控制器接收到温度数据后，对温度数据进行处理后，按照一定的格式发送给TRF6900，利用TRF6900完成数据的发送和接收，地面上的微控制器接收到得温度数据经过处理后，最后予以显示或存储，从而完成了整个温度数据的采集。

5 结语
TRF6900不仅体积小、功耗低、信号抗干扰能力强、外围器件较少、与其他设备连接方便，而且可以用软件灵活地进行设置，便于开发和生产，因此受到了设计者、制造商和用户的多方面的欢迎，也必将会在竞争激烈的无线短距离数据传输领域中占有一席之地。

参考文献
1、徐建 孙大有 无线接收机RF前端研究 《东南大学学报》 第30卷第 3期
2、陶舒 陈勇 曹阳 DDS频率合成在FLEX无线寻呼编码中的应用 《电子技术》1998年第7期
3、褚人乾 蒋兴才 廖湘平 运用多路DDS并行扩展输出带宽 《电子技术应用》1997年第12期
4、张颖光 李斌涛 LMX3126单片集成无线收发器 《国外电子元器件》2000年第5期