蓝牙收发芯片RF2968的原理及应用.doc

1、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 24002500 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 24002500 MHz，RF信道 79 个，步长 1 MHz，数据速率 1 MHz，频偏 140175 kHz，输出功率 4 dBm，接收灵敏度85 dBm，电源电压

2、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 250A。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

3、、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 50；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 k

4、Hz 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

5、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 1040 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

6、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 k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

7、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 1020 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

8、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 2

9、9 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 S

10、AW 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 ，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 50 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

11、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-2080 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

12、，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

13、阻来提供合适的偏置。基准频率的频率公差须为 2010-6 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 RECCL

14、K 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

15、 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

16、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 37 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

17、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。图 6 RF2968 应用电路