藍(lán)牙收發(fā)芯片RF2968的原理及應(yīng)用

摘要：RF2968是一個(gè)單片藍(lán)牙收發(fā)芯片，工作在2400～2500MHz頻段，F(xiàn)SK調(diào)制和解調(diào)；芯片內(nèi)含有射頻發(fā)射、射頻接收、FSK調(diào)制/解調(diào)等電路，能夠接收和發(fā)送數(shù)字信號(hào)，符合藍(lán)牙無線電規(guī)范1.1要求。文中給出RF2968的結(jié)構(gòu)、原理、特性及應(yīng)用電路。

1 概述

RF2968是為低成本的藍(lán)牙應(yīng)用而設(shè)計(jì)的單片收發(fā)集成電路，RF頻率范圍2400～2500MHz，RF信道79個(gè)，步長(zhǎng)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(dòng)校準(zhǔn)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(yīng)用在藍(lán)牙GSM/GPRS/EDGE蜂窩電話、無繩電話、藍(lán)牙無線局域網(wǎng)、電池供電的便攜設(shè)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(jī)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(jī)輸出。當(dāng)發(fā)射工作時(shí)，TXOUT輸出阻抗是50Ω；當(dāng)發(fā)射機(jī)不工作時(shí)，TXOUT為高阻態(tài)。因?yàn)檫@個(gè)引腳是直流偏置，所以需外接1個(gè)耦合電容。

RXIN：接收機(jī)輸入。當(dāng)接收機(jī)工作時(shí)，RX IN輸入阻抗是低阻態(tài)；接收機(jī)不工作時(shí)，RXIN為高阻態(tài)。芯片內(nèi)用1個(gè)內(nèi)部串聯(lián)電感來調(diào)節(jié)輸入阻抗。

VCC3：給RX輸入級(jí)（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(shí)鐘輸出。在休眠模式中，這個(gè)引腳能給基帶提供一個(gè)3.2kHz或32kHz、占空比為50%的時(shí)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(gè)精密電阻以產(chǎn)生恒定的基準(zhǔn)電流。

VCC5：給模擬中頻電路提供電壓。

D1：這是為時(shí)鐘恢復(fù)電路提供的電荷泵輸出。外接1個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)到地以確定PLL的帶寬。

BPKTCTL：在發(fā)射模式時(shí)，這個(gè)腳作為啟動(dòng)PA級(jí)的選通脈沖；在接收模式時(shí)，基帶控制器可以有選擇地使用這個(gè)引腳來給同步字的檢測(cè)發(fā)信號(hào)。

BDATA1：輸入信號(hào)到發(fā)射機(jī)/接收機(jī)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(gè)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(fù)時(shí)鐘輸出。

RECDATA：恢復(fù)數(shù)據(jù)輸出。

    BXTLEN：功率控制電路的一部分，用來接通/關(guān)鍵芯片的“休眠”模式。在電路從“OFF”狀態(tài)上電之后，當(dāng)?shù)凸臅r(shí)鐘不工作時(shí)，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(shè)為高電平，以進(jìn)入空閑狀態(tài)）。

BPCLK：基準(zhǔn)時(shí)鐘輸出。這是由晶振決定的基準(zhǔn)時(shí)鐘，頻率范圍為10～40MHz，典型值為13MHz。電路上電時(shí)，BRCLK在基帶控制器將BXTLEN設(shè)為高電平之前激活。電路進(jìn)入空閑狀態(tài)后，當(dāng)?shù)凸臅r(shí)鐘不工作時(shí)，BRCLK由BXTLEN的狀態(tài)控制。

OSC O：與19腳相同。

OSC I：OSC腳可通過負(fù)反饋的方式來產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)鐘。在SOC I到OSC O之間連接1個(gè)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(gè)OSC腳都接1個(gè)旁路電容來提供合適的晶振負(fù)載。如果用1個(gè)外部的基準(zhǔn)頻率，那就要通過1個(gè)隔直電容來連接到OSC I，并且用1個(gè)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。

    BDDATA：串行數(shù)據(jù)通道。讀/寫數(shù)據(jù)通過這個(gè)引腳送入/輸出到芯片上的移位寄存器。讀取的數(shù)據(jù)在BDCLK的上升沿被傳送，寫數(shù)據(jù)在BDCLK的下降沿被傳送。

BDCLK：串行端口的輸入時(shí)鐘。這個(gè)引腳被用來將時(shí)鐘信號(hào)輸入到串行端口。要使得跳變頻率的編程時(shí)間最短時(shí)，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(gè)RC網(wǎng)絡(luò)到地以確定PLL帶寬。要使得合成器的設(shè)置時(shí)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(cè)的開始時(shí)期，使用1個(gè)寬環(huán)路帶寬。在檢測(cè)頻率結(jié)束時(shí)，用RSHUNT來轉(zhuǎn)換到窄環(huán)路帶寬，并提供改進(jìn)的VCO相位噪聲。帶寬轉(zhuǎn)換的時(shí)間由PLL Del位設(shè)置。

RSHUNT：通過將2個(gè)外部串聯(lián)電阻的中點(diǎn)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(gè)電感來跟內(nèi)部電容形成諧振。在設(shè)計(jì)印制板時(shí)，應(yīng)該考慮從RESNTR腳到電感器的感抗?？梢栽赗ESNTR腳之間加1個(gè)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(gè)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(lán)牙的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，工作在2.4GHz頻段的收發(fā)機(jī)。符合藍(lán)牙無線電規(guī)范1.1版本功率等級(jí)二（+4 dBm）或等級(jí)三（0 dBm）要求。對(duì)功率等級(jí)1（+20 dBm）的應(yīng)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(shí)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(duì)稱一不對(duì)稱變換器等器件。接收機(jī)輸入和發(fā)射輸出的高阻狀態(tài)可省去外部接收機(jī)/發(fā)射機(jī)轉(zhuǎn)換開關(guān)。RF2968和天線、RF帶通濾波器、基帶控制器連接，可以實(shí)現(xiàn)完整的藍(lán)牙解決方案。除RF信號(hào)處理外，RF3968同樣能完成數(shù)據(jù)調(diào)制的基帶控制、直流補(bǔ)償、數(shù)據(jù)和時(shí)鐘恢復(fù)功能。

RF2968發(fā)射機(jī)輸出在內(nèi)部匹配到50Ω，需要1個(gè)AC耦合電容。接收機(jī)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(jī)和發(fā)射機(jī)在TXOUT和RXIN間連接1個(gè)耦合電容，共用1個(gè)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(hào)強(qiáng)度指示，可使藍(lán)牙工作在功率等級(jí)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(shí)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(shè)置。

基帶數(shù)據(jù)經(jīng)BDATA1腳送到發(fā)射機(jī)。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(shí)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(gè)外部回路電感設(shè)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(gè)濾波網(wǎng)絡(luò)連接在2個(gè)回路電感的中間。由于藍(lán)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(shè)置時(shí)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(zhǔn)時(shí)鐘頻率，并能支持這些頻率的2倍基準(zhǔn)時(shí)鐘。時(shí)鐘可由外部基準(zhǔn)時(shí)鐘通過隔直電容直接送到OSC1腳。如果沒有外部基準(zhǔn)時(shí)鐘，可以用晶振和2個(gè)電容組成基準(zhǔn)振蕩電路。無論是外部或內(nèi)部產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率，使用1個(gè)連接在OSC1和OSC2之間的電阻來提供合適的偏置?；鶞?zhǔn)頻率的頻率公差須為20×10 -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(shí)鐘給休眠模式下的基帶設(shè)備提供低頻時(shí)鐘?？紤]到最小的休眠模式功率消耗，并靈活選擇基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率，可選用12MHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘。

接收機(jī)用低中頻結(jié)構(gòu)，使得外部元件最少。RF信號(hào)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(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理用基帶PLL數(shù)據(jù)和時(shí)鐘恢復(fù)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(shí)鐘在REDATA和RECCLK腳輸出。如果基帶設(shè)備用RF2968做時(shí)鐘恢復(fù)，D1環(huán)路濾波器可以略去不用。

4 應(yīng)用

RF2968射頻收發(fā)機(jī)作為藍(lán)牙系統(tǒng)的物理層（PHY），支持在物理層和基帶設(shè)備之間的Blue RF(藍(lán)牙射頻)接口。

RF2968和基帶間有2個(gè)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(shí)和芯片功率控制信號(hào)的通道?；鶐Э刂破髋cRF2968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(hào)。基帶控制器是主控設(shè)備，它啟動(dòng)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

“寫”周期，基帶控制器在BDCLK下降沿驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)包的每一位，RF2968在數(shù)據(jù)寄存器設(shè)為高狀態(tài)后，在BDCLK第1個(gè)下降沿到來時(shí)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(shè)備地址、READ位（R/W=1）和寄存器地址給RF2968，再跟1個(gè)持續(xù)半個(gè)時(shí)鐘周期的翻轉(zhuǎn)位。這個(gè)翻轉(zhuǎn)位允許RF2968在BDCLK的上升沿通過BDDATA驅(qū)動(dòng)它的請(qǐng)求信號(hào)。數(shù)據(jù)位傳輸后，基帶控制器驅(qū)動(dòng)BnDEN為高電平，在第1個(gè)BDCLK脈沖的下降沿到來時(shí)重新控制BDDATA，如圖4所示。

寄存器地址域可尋址32個(gè)寄存器，RF2968僅提供3～7和30、31的寄存器地址。通過設(shè)置寄存器的數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)不同的功能。

雙向接口完成數(shù)據(jù)交換、定時(shí)和狀態(tài)機(jī)控制。所有雙向同步（定時(shí)）來自BRCLK，BRCLK由RF2968產(chǎn)生。RF2968使用BRCLK的下降沿。圖5給出當(dāng)數(shù)據(jù)從RF2968傳給基帶控制器時(shí)的通用定時(shí)。

RF2968的芯片控制電路控制芯片內(nèi)其它電路的掉電和復(fù)位狀態(tài)，把設(shè)備設(shè)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(jī)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(jī)，并保證數(shù)據(jù)爭(zhēng)用不會(huì)在復(fù)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(fù)位，設(shè)置數(shù)據(jù)丟失。

IDLE狀態(tài)——待機(jī)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(jìn)入這種模式。此時(shí)，所有電路掉電，但不復(fù)位，因此數(shù)據(jù)得以保留。電路同樣可從其它模式進(jìn)入SLEEP模式，但TXEN和RXEN狀態(tài)不變，以便TX和RX電路保持導(dǎo)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(gè)典型的應(yīng)用電路（GSM電話）如圖6所示。