通信原理课程设计5.docx

1、通信原理课程设计51.1 nRF0433芯片简介nRF0433是一个真正的超高频设计工作在433MHz ISM（工业，科学和医疗）频段收发器单芯片。它采用频移键控（FSK）调制和解调能力。 nRF0433可在高达9600位的比特率/秒发射功率可以调整到最高为10dBm。它具有一个差分天线接口和内部发送/接收开关。 nRF0433的工作电压为单+5 V直流电源。接收时的电源电流为23微安，发射时的电源电流为33毫安，可直接与微控制器接口。可方便地嵌入到各种测量和控制系统中，在仪器仪表数据采集系统、无线抄表系统、无线数据通信系统、计算机遥测遥控系统等中应用。 FEATURES APPLICATIO

2、NS True single chip FSK transceiver Alarm and Security Systems On chip UHF synthesiser, 4MHz Home Automation crystal reference Remote Control 433MHz ISM band operation Surveillance Few external components required Automotive Up to 10mW transmit power Telemetry No setup/configuration Toys Wireless Co

3、mmunication 2 nRF0433主要性能指标 nRF0433 主要性能指标如表2.1参数数值单位频率433.936MHz调制FSK频偏15kHz最大RF输出功率10dBm接收灵敏度105dBm最大数据速率9600b/s电源电压2.75.25v接收时电源电流23uA发射时电源电流33mA3 nRF0433芯片封装与引脚功能3.1 nRF0433芯片封装nRF0433 采用 20 脚 SSOIC 封装，如图 3. 1 所示： 图 3. 1 nRF0433引脚封装3.2 nRF0433 引脚功能nRF0433 各引脚功能如表3.1所示 引 脚名 称引脚功能描述引 脚名 称引脚功能描述1XC

4、1晶振输入11RF_PWR发射功率设置2VDD电源(+5V DC)12VSS地（0V）3FILT2回路滤波器13VDD电源(+5V DC)4FILT1回路滤波器14VSS地（0V）5VCO1VCO 外接电感15ANT2天线端6VCO2VCO 外接电感16ANT1天线端7VSS地（0V）17VSS地（0V）8VDD电源(+5V DC)18PWR_UP电源开关9DIN数据输入19TXEN发射/接收控制 10DOUT数据输出20XC2晶振输出注：脚及 10 脚：DIN 输入数字信号和 DOUT 输出数字信号均为标准的逻辑电平信号，需要发射的数字信号通过 DIN 输入，解调出来的信号经过 DOUT 输

5、出；18 脚电源开关：PWR_UP=“1”为工作模式，PWR_UP=“0”为待机模式；19 脚发射允许：TXEN=“1”为发射模式；TXEN=“0”为接收模式.4 nRF0433的内部结构及原理 图4.1 nRF0433与外部组件的框图4.1 nRF0433 内部原理nRF0433 内部结构框图如图4.2 所示。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（MIXER）等电路。在接收模式中，RF 输入信号被低噪声放大器（LNA）放大，经由混频器（MIXER）变换，这个被变换的信号在送入解调器（DEM）之前被

6、放大和滤波，经解调器解调，解调后的数字信号在 DOUT 端输出。在发射模式中，压控振荡器（VCO）的输出信号是直接送入到功率放大器（PA），DIN 端输入的数字信号被频移键控后馈送到功率放大器输出。由于采用了晶体振荡和 PLL 合成技术，频率稳定性极好。 图4.2 nRF0433 内部结构框图 天线输入/输出，当 nRF0433 是接收模式时，ANT1 和 ANT2 引脚端提供射频输入到低噪声放大器 LNA；当 nRF0433 为发射模式时，从功率放大器提供射频输出到天线。天线连接到 nRF0433 是差动形式，在天线通道推荐的负载阻抗是 400。功率放大器输出级由差动结构的 2 个集电极开路

7、的晶体管组成，电源 VDD 到功率放大器必须通过集电极负载供电。当连接差动回路天线到 ANT1/ANT2 引脚端，电源 VDD 将通过回路天线的中心供电。单端天线连接到 nRF0433 时，使用差动到单端匹配网络，如图 4.3 所示。单端天线也可以使用 8:1 射频变压器连接到 nRF0433，工作在 433MHz。射频变压器的源边必须有一个中心抽头，用于电源 VDD 供电. 图 4.3 使用差动到单端匹配网络连接在 RF-PWR 端（11 脚）和+5V 之间的电阻 R3 设置输出功率。射频输出功率可以设置到+10dBm。输出功率、芯片消耗电流与电阻 R3 的关系（负载阻抗 400）如表4.1

8、 所示。R3/kRF 输出功率/dBm电源电流/mA1000/开路1046150437100233681231表4.1 输出功率、芯片消耗电流与电阻 R3 的关系 PLL 回路滤波器是外接的单端 2 阶滤波器，滤波器元件推荐值是：C1 = 270 pF, C2 =5.6 nF,R1= 27 k，如应用电路图5.1中所示。 对于 VCO 电路外接 22nH（433MHz）电感在 VCO1 引脚端和 VCO2 引脚端之间是必须的。电感使用高质量的片式电感，Q 45（在 433 MHz/315 MHz），最大误差 3%。 晶体振荡器需要外接晶振，晶振的特性要求是：并联谐振频率 f=4.000MHz，

9、并联等效电容 Co=5 pF，晶振等效串联电阻 ESR=150，全部负载电容，包括印制板电容 CL=14 pF。如图 4.4 所示，负载电容 CL 如下式所示： 式中：C1 = C1 + CPCB1 和 C2 = C 2 + CPCB2 。C1 和 C2 使用 0603 SMD 电容，CPCB1 和 CPCB2 是电路板的寄生电容。 nRF0433 可以使用微控制器的晶体振荡器，连接电路如图4.5 所示。 图 4.4 晶体振荡器和晶振等效电路 图4.5nRF0433 使用微控制器的晶体振荡器连接图 发射/接收模式选择：引脚端 TXEN=“1”选择发射模式，引脚端 TXEN=“0”选择接收模式。

10、 DIN（数据输入）引脚端输入数字信号到发射器的调制器，输入信号是标准的 CMOS 逻辑电平，数据速率为 9 600b/s。DIN = “1”, f = f0 +f；DIN = “0”, f = f0f。 解调的数字输出数据以标准的 CMOS 逻辑电平呈现在 DOUT（数据输出）引脚端，f =f0 +f，DOUT=“1”，f = f0f，DOUT=“0”。 引脚端 PER-UP 控制电路工作在正常的工作模式或者关断模式。PWR_UP = “1” 选择正常工作模式，PWR_UP = “0” 选择关断模式。 4.2 发射模式的启动为了避免在ISM频段外错误的排放,在nRF0433配对期间发射使能输

11、入必须保持低频率合成的稳定(ton),参阅图4.6。当进入发射模式时，在发射使能输入没有高于3ms(tdata-ton)之前,是没有数据传输的图4.6 nRF0433启动时序图4.3 接收模式的启动在接收模式的启动期间，接收机无法获得数据,直到VDD脚 一直稳定在5V( 5%) 在ton至少75ms时。如果一个外部参数振荡器使用(图4.7),接受机将会在7.5ms后收到数据。图4.7 nRF0433外部参数振荡器4.4 切换TXRX受机的发射使能输入没有低于3ms之前不得接收数据。在发射使能输入没有高达3ms之前不得传输数据。5 nRF0433射频(RF)和天线布局Gerber射频布局的提出是

12、为了北欧超大规模集成电路的nRF0433单片机433MHz射频收发，也为433MHz设计的三种不同的环形天线成为了可能。Gerber文件可以是每个布局压缩成Zip档案格式。Zip档案格式包括一个文件名为readme.wri，这个文件在Gerber文件到PCB编辑器之前必须读。所有描述布局应编造标准的1.6mm双面FR4基板印刷电路板。5. 1 nRF0433射频布局这个射频布局包括了所有必要的，基于nRF0433一部分短距离通信系统的无线电频率射频电路布局设计。无线电收发数据和控制线路DIN 、DOUT和TXEN在射频布局的周边都是可行的，而且应该与客户使用的数字部分相连接。+ 5V和接地也可

13、在射频布局周边。应用电路的射频部分+ 5V应该被过滤从供应电压的任何数字电路中分离。路由是严格推荐从+ 5V供应源给射频(RF), 数字的或其他不同的应用电路。图5.2是一个以应用原理图5.1为例PCB布局，使用的是1.6mm双面FR-4板厚度。这个PCB有一个持续的在底层的地平面。此外, 在组件一侧板上有接地区域,以确保有足够的接地的临界组件。一个通过大量的孔连接地面的地区和顶层的接地区域。在天线后面是没有地平面图5.1 nRF0433应用原理图表5.1 推荐的外部元件（a）元器件布局图（b）元器件布局图（c）元器件面印制板图（d）印制板底板图图 5.2 433MHz 应用电路印制电路板图印

14、制电路板（PCB）设计的设计直接关系到射频性能，PCB 使用 1.6mm 厚的 FR-4 双面板，分元件面和底面。PCB 的底面有一个连续的接地面，射频电路的元件面以 nRF0433 为中心，各元器件紧靠其周围，尽可能减少分布参数的影响。元件面的接地面保证元件充分的接地，大量的通孔连接元件面的接地面到底面的接地面。nRF0433 采用 PCB 天线，在天线的下面没有接地面。射频电路的电源使用高性能的射频电容去耦，去耦电容尽可能地靠近 nRF0433的 VDD 端，一般还在较大容量的表面安装的电容旁并联一个小数值的电容。射频电路的电源与接口电路的电源分离，nRF0433 的 VSS 端直接连接到

15、接地面。注意不能将数字信号或控制信号引入到 PLL 回路滤波器元件上。 由此芯片构成的无线收发电路结构简单，工作可靠，模块尺寸仅为 30mm22mm6mm，可以直接与常用的单片机如 8051、68HC05、PIC16C5X、MSP430 等连接，实现单片机与单片机、单片机与计算机之间的数据无线传输；通过 MAX232A 等接口芯片可以与计算机串行接口连接，实现计算机与计算机之间的数据无线传输；可方便地嵌入仪器仪表和自动控制系统中，构成一个点对点（一点对多点）的双向无线串行数据传输通道。 6 总结这次收发器课程设计，我学到了很多知识，同时也遇到了很多问题，上个学期也做了一次课程设计，对于一些课程

16、设计的要求，模电数电知识理解和记忆都还比较好，但是， 这次课程设计明显比上一次难多了，不仅电路复杂了，资料的查找阅读也是一个大大的问题，大部分都是英文资料，翻译是个很大的问题，虽然可以在线翻译，但是翻译出来的有很多的错误，需要自己改正的地方很多，而且其中的一些专业词汇翻译的也很别扭，往往翻译完后，自己回过头去看会发现有些地方不好理解。不过经过改正现在好多了，我想大体上还是能知道文章的意思的。虽然学习的过程是比较麻烦和艰难，但是效果也是比较明显的，学的东西也是比较多的，而且也比较扎实。既巩固了从前学过的许多电子技术基础理论知识和通信原理，而且还学习到一些新的知识，进一步了解了有关无线发射与接收电

17、路设计的原理及其功能，了解了射频集成电路原理，培养了我的设计思维，提高了我的设计能力。设计过程中通过翻译英文资料，也使我的英文水平有所提高。特别是通过对英文材料的翻译，培养了我处事的耐心和毅力。 从设计思路到整理设计的过程中，让我体会到要做出一个好的课程设计必须要有扎实的理论基础和专业知识，再加上耐心的整理设计过程，让我懂得做每一件事情都需要用认真的态度去对待，在小事上面细心的对待才能对大事有所作为。一个小小的课程设计为我们以后出去社会找工作做了铺垫，让我明白事情遇到困难就应该积极去解决，而不是逃避困难，其实，刚开始的时候，看到找到的资料都是英文的，我就一个头两个大了，一直想拖延又拖延，还去向

18、班长请教可不可以用一些英文的资料放上面，后来是实在是没有办法了，看到好多同学都开始了，急了，才狠狠心，慢慢的看，慢慢的翻译，最后也让我基本上弄完了，真是艰辛啊。 不管过程多么艰辛，看到自己终于搞定了，还是比较有成就感的。 参考文献【1】.单片无线收发集成电路原理与应用人民邮电出版社黄智伟编著2005年【2】.无线发射与接收电路设计北京航空航天大学出版社黄智伟编著2007年【3】.PROTEL99SE原理图与PCB设计教程电子工业出版社及力主编2007年【4】.无线发射与接收电路设计北京航空航天大学出版社黄智伟编著2004年【5】.无线集成电路北京航空航天大学出版社黄智伟编著2004年 附录一规格表附录二Principal circuit diagram for power duty cycling with the nRF0433 附录三nRF0433的频率特性