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1、 通信模块通信模块在电子设计竞赛中的应用在电子设计竞赛中的应用浙江大学浙江大学 陈邦媛陈邦媛主要内容主要内容一一. 竞赛题分析竞赛题分析二二. 选用收、发芯片选用收、发芯片三三. 芯片方框图分析芯片方框图分析四四. 芯片功能实现芯片功能实现六六. PCB设计设计五五.数据与收发芯片间的连接与制约数据与收发芯片间的连接与制约七七.指标测量指标测量设计并制作一个单工无线呼叫系统设计并制作一个单工无线呼叫系统一一. . 竞赛题分析竞赛题分析要求：要求：实现实现语音语音及及数据数据传输业务传输业务发射频率在发射频率在30MHz40MHz 间间射频信号射频信号带宽带宽及及调制方式调制方式自定自定 发射峰
2、值功率发射峰值功率不大于不大于20mW 通信距离通信距离不小于不小于5米米 3. 调制方式调制方式取决于传送的信号取决于传送的信号 与无线工作频率与无线工作频率分析赛题要抓住：分析赛题要抓住：1. 传送的信号格式传送的信号格式模拟模拟数据数据2. 无线工作频段：自选？规定？无线工作频段：自选？规定？4. 关键芯片选择，自选？规定？关键芯片选择，自选？规定？二二. . 选用收、发芯片选用收、发芯片规定？自选？规定？自选？选芯片原则选芯片原则 功能、指标功能、指标功能：功能：适用场合、工作频段、调制方式适用场合、工作频段、调制方式指标：指标：发射功率、接收机灵敏度、发射功率、接收机灵敏度、 数据速
3、率数据速率根据设计要求，确定指标，选择芯片根据设计要求，确定指标，选择芯片接收机灵敏度接收机灵敏度(最低输入电平最低输入电平)= 天线噪声天线噪声+系统噪声系统噪声+要求的信噪比要求的信噪比发射机最低输出功率发射机最低输出功率=系统损耗系统损耗+路径损耗路径损耗+达到接收机的灵敏度达到接收机的灵敏度芯片选择举例：芯片选择举例：其主要性能参数其主要性能参数:电源电压电源电压 2.89.0V。工作频率工作频率 200MHz。输出功率输出功率 +10dBm (50负载负载10mW)。调制灵敏度调制灵敏度 10Hz/mV (直流电压直流电压)。最大频偏最大频偏 5kHz。话放闭环增益话放闭环增益 30
4、dB谐波失真谐波失真 0.15%FM窄带窄带调频芯片调频芯片MC2833主要指标主要指标 :工作频率工作频率 200MHz。电源电压电源电压 27V。低功耗低功耗 当当 VCC为为3V时电流为时电流为3.6mA。灵敏度灵敏度 0.3V(12dB信纳比信纳比)。窄带窄带FM接收芯片接收芯片MC3363结论：结论：（1）工作频段）工作频段200MHz以内以内（2）调制方式窄带）调制方式窄带FM 传送语音传送语音 低速数据低速数据（3）发射功率和灵敏度决定通信距离）发射功率和灵敏度决定通信距离TH72019单片单片FSK/ASK发射器发射器主要性能指标：主要性能指标： 工作频率工作频率 290350
5、 Mz 电源电压电源电压 1.95.5V 输出功率输出功率 12dBm+8.5dBm FSK数据速率数据速率 40Kbit/s ASK数据速率数据速率 40Kbit/s用途：用途：无钥匙进入系统、车库开启装置、无钥匙进入系统、车库开启装置、 遥控遥测、轮胎压力检测遥控遥测、轮胎压力检测 数据通信、安防和家庭自动化等数据通信、安防和家庭自动化等rfRXD0420 ASK/FSK/FM接收器接收器主要性能指标：主要性能指标：工作频率工作频率 300450MHzASK最大数据速率最大数据速率 80Kbit/s NRZFSK最大数据速率最大数据速率 40Kbit/s NRZ信号强度指示（信号强度指示（
6、RSSI） 70dB三三. . 芯片方框图分析芯片方框图分析要会使用模拟电路芯片，要会使用模拟电路芯片，一定要看懂其结构方框图原理一定要看懂其结构方框图原理两部分结构原理两部分结构原理发射机发射机接收机接收机目的：目的：（1）了解信号的传输路径和原理）了解信号的传输路径和原理（2）确定外接元件的数值）确定外接元件的数值设计一个系统设计一个系统,首先要指标分配首先要指标分配MC2833 发射机原理发射机原理外接元件：外接元件：语音处理元件语音处理元件决定工作频率元件决定工作频率元件放大器偏置放大器偏置主要模块：主要模块：话音放大和处理话音放大和处理主振荡源主振荡源倍频与功率放大倍频与功率放大MC
7、3363内部结构内部结构二次变频超外差式二次变频超外差式正交鉴频正交鉴频FM外接元件：外接元件：决定两个本振频率决定两个本振频率两个中频滤波器两个中频滤波器鉴频移相线圈鉴频移相线圈TDA5102发射芯片发射芯片关键：关键：频率合成器、频率合成器、ASK、FSK工作方式工作方式外接元件：外接元件：晶体、电容、输出匹配网络晶体、电容、输出匹配网络LNA输入射频输出90oAGC接收数据I接收数据Q控制逻辑PFD16前置分频器晶振调制器增益控制发射数据47ARF105 数字扩频收发器数字扩频收发器 （简化方框图）（简化方框图）吞脉冲频率合成、零中频接收方案、乘法器做调制解调器吞脉冲频率合成、零中频接收
8、方案、乘法器做调制解调器四四. . 芯片功能实现芯片功能实现关键是关键是 在理解工作原理的基础上在理解工作原理的基础上 正确选择外接元件正确选择外接元件模拟电路集成块与数字模块不同点模拟电路集成块与数字模块不同点:实现的同一功能对应有不同指标实现的同一功能对应有不同指标需要外接元件需要外接元件外界元件决定了性能指标外界元件决定了性能指标1.1.决定工作频率的元件决定工作频率的元件发射机的发射频率发射机的发射频率一般采用晶振（注意负载电容）一般采用晶振（注意负载电容）振荡回路分析振荡回路分析C1C2CdCdCcCcLC2C12.2.接收机本振频率接收机本振频率由已知的接收频率和中频值计算得出由已
9、知的接收频率和中频值计算得出如如 , 1中频取中频取10.7MHz 则则 1本振本振若若 2 中频取中频取455KHz ，则，则 2 本振频率为：本振频率为：还应算出对应的镜像频率，以便天线预选器滤除还应算出对应的镜像频率，以便天线预选器滤除fimfLO1fRFf接收机有各种方案接收机有各种方案,但都需要下变频但都需要下变频3. 中频滤波器中频滤波器IF滤波器决定接收机的选择性滤波器决定接收机的选择性一般采用一般采用10.7MHz或或455KHz的陶瓷滤波器的陶瓷滤波器使用时注意两点使用时注意两点（1）带宽）带宽 （2）端口匹配）端口匹配带宽带宽考虑因素考虑因素调制方式调制方式发射机和接收机频
10、率误差发射机和接收机频率误差端口匹配端口匹配根据已知的输入输出阻抗根据已知的输入输出阻抗陶瓷滤波器的输入和输出阻抗一般为陶瓷滤波器的输入和输出阻抗一般为330欧欧10.7MHz390欧2.2K前置中放330欧主中放4.4.高频端选频、滤波与匹配高频端选频、滤波与匹配接收机前端：接收机前端： 天线预选器（选择频段、抑制镜像频率）天线预选器（选择频段、抑制镜像频率）LNA的输入回路（负载、匹配、抑制镜像频率）的输入回路（负载、匹配、抑制镜像频率）Vcc天线匹配LNAC1C2CcL声表面波滤波器天线混频器发射机末端的输出滤波器发射机末端的输出滤波器匹配滤波器VccRL50射频输出L 39nHRo25
11、0 Co1.5PFC 330PFRL50R13K保证：功率放大器工作在最佳负载状态，输出最大功率保证：功率放大器工作在最佳负载状态，输出最大功率 必要的滤波功能必要的滤波功能5.调制器与解调器的外接元件调制器与解调器的外接元件FM、FSK应保证应保证适当的频偏适当的频偏C2C1振荡器发送数据FSK调制调制Vcc 发送数据C2C1晶体振荡器固有频率（载频晶体振荡器固有频率（载频)晶体总的负载电容受发送数据控制，晶体总的负载电容受发送数据控制，则频率发生变化则频率发生变化频偏大小多少？频偏大小多少？调制灵敏度多少？调制灵敏度多少？CL2CL1CL注意窄带注意窄带FSK 、宽带、宽带FSK 对外接电
12、容大小选取对外接电容大小选取解调器的带宽解调器的带宽 FM/FSK一般采用正交鉴频一般采用正交鉴频680PFR 4.7KL 3.3UHC3C11.0PFC2中放限幅乘法器正交移相网络的正交移相网络的Q值值决定了鉴频器的带宽决定了鉴频器的带宽该该LC网络也可以用陶瓷滤波器代替网络也可以用陶瓷滤波器代替1.0PFC3680PFC1C2关键：关键： 了解芯片工作原理，在理论指导下选择了解芯片工作原理，在理论指导下选择 进行适当的计算（一般有推荐值）进行适当的计算（一般有推荐值） 会绕制、测量会绕制、测量线圈线圈 综上分析知，外接元件主要是综上分析知，外接元件主要是选频滤波选频滤波元件元件选频滤波器的
13、分类选频滤波器的分类1.集中参数滤波器集中参数滤波器声表面波滤波器声表面波滤波器晶体滤波器晶体滤波器陶瓷滤波器陶瓷滤波器特点：中心频率、带宽固定特点：中心频率、带宽固定 选择性好选择性好 输入、输出阻抗确定输入、输出阻抗确定常用于中频滤波器常用于中频滤波器2. LC滤波器滤波器 一般自己绕制一般自己绕制常用于高频段，注意常用于高频段，注意线圈线圈Q值值磁心导磁率和损耗磁心导磁率和损耗高质量电容高质量电容温度补偿温度补偿6.锁相环的环路滤波器LF收、发芯片中的锁相频率合成器一般有两种用法收、发芯片中的锁相频率合成器一般有两种用法1. 仅作为收、发信机的本振源仅作为收、发信机的本振源2. 参与了调
14、制参与了调制因此对环路滤波器的要求略有不同因此对环路滤波器的要求略有不同环路滤波器是低通，是决定环路性能的关键元件环路滤波器是低通，是决定环路性能的关键元件它的主要指标是它的主要指标是带宽带宽（时间常数）（时间常数）锁相频率合成器仅作为收、发信机的本振源锁相频率合成器仅作为收、发信机的本振源PALNA输入射频输出90oAGC发射数据调制器增益控制接收数据I接收数据Q串行接口外部PFD16分频器晶振串行接口外部PFD16分频器晶振本振源输出 带宽宽、锁定时间快带宽宽、锁定时间快 参考信号噪声、参考信号噪声、VCO噪声对带宽要求不同噪声对带宽要求不同 带宽窄，抑制无用频率成份带宽窄，抑制无用频率成
15、份一般取鉴相频率的一般取鉴相频率的 1/10晶振晶振16MHz，参考分频参考分频 比比 16鉴相频率（信道间隔）鉴相频率（信道间隔）16MHz16600KHz可取可取LF带宽约为带宽约为5KHz去VCO0.01U10K10K390PF390PF锁定时间锁定时间抑制噪声抑制噪声抑制寄生干扰抑制寄生干扰环路滤波器的带宽影响：环路滤波器的带宽影响：频率合成器参与调制（频率合成器参与调制（ADF7010）环路滤波器带宽（环路滤波器带宽（LBW）与数据速率有关与数据速率有关PA发射数据RPFD分频器FSK/GFSKASK/OOK环路滤波器VCOASK/OOKFSK模式模式LBW约是数据速率的约是数据速率
16、的5倍，倍，GFSK模式模式LBW约是数据速率的约是数据速率的2.5倍倍扩展带宽可扩展带宽可减少频率跳变减少频率跳变的时间的时间ASK模式模式LBW约是数据速率的约是数据速率的10倍倍PA功率变化、功率变化、VCO负载变化、负载变化、VCO频率抖动频率抖动,扩大扩大LBW将减少将减少VCO抖动。抖动。补充锁相环的设计补充锁相环的设计锁相环的应用锁相环的应用同步跟踪、载波提取同步跟踪、载波提取调制解调调制解调频率合成频率合成锁相环的指标：同步带、捕捉带、捕捉时间、频率相应、稳定性锁相环的指标：同步带、捕捉带、捕捉时间、频率相应、稳定性不同应用强调不同指标不同应用强调不同指标设计要求设计要求锁相环
17、系统指标锁相环系统指标各部件指标各部件指标元器件参数值元器件参数值VCOPDLF五五. .数据与收发芯片间的连接与制约数据与收发芯片间的连接与制约数据数据接收接收发射发射转换转换开关开关调制解调调制解调方式调制解调方式AM、FM 模拟调制模拟调制ASK、FSK 数字调制数字调制(选用合适芯片）选用合适芯片）相互制约相互制约信号带宽（数据速率）信号带宽（数据速率）中频带宽中频带宽解调器带宽解调器带宽发射发射MC2833语音频带：语音频带：3003400Hz窄带调频窄带调频FM额定频偏额定频偏3KHz，最大频偏，最大频偏5KHz已调信号带宽已调信号带宽信道间隔：信道间隔：25KHz接收接收 MC3
18、363 中频滤波器带宽中频滤波器带宽如果用此芯片传送数据如果用此芯片传送数据0、1采用采用FSK 调制方式调制方式数据速率的限制？数据速率的限制？例：例：用于传送语音用于传送语音455KHz10.7MHz中频滤波器中频滤波器数据输出数据输出已知已知中频滤波器带宽，中频滤波器带宽，如何确定允许的最大数据速率？如何确定允许的最大数据速率？设数据格式是二进制非归零码设数据格式是二进制非归零码NRZ01100 T数据速率是数据速率是 b/s ,对应的方波频率是对应的方波频率是 此数据信号的频谱是此数据信号的频谱是f它的带宽是它的带宽是用此信号进行用此信号进行FSK后，已调信号带宽最小值是后，已调信号带
19、宽最小值是FF为了很好的恢复为了很好的恢复FSK解调方波的前、后沿，解调方波的前、后沿，接收机中频滤波器的带宽至少包含方波信号的接收机中频滤波器的带宽至少包含方波信号的7次谐波次谐波即即已知：已知：额定频偏额定频偏 中频滤波器带宽中频滤波器带宽若用若用MC2833 MC3363做发送接收芯片做发送接收芯片可求得数据速率必须限制在可求得数据速率必须限制在或数据速率限制在约或数据速率限制在约1500b/s以内以内数据速率可由单片机或编码、解码芯片时钟决定数据速率可由单片机或编码、解码芯片时钟决定例如：编码芯片例如：编码芯片PT2262、解码芯片、解码芯片PT2272不同外接电阻值决定期时钟大小不同
20、外接电阻值决定期时钟大小六六. PCB设计设计电磁兼容性设计原则：电磁兼容性设计原则：减小循环电流回路面积，从而降低磁场辐射减小循环电流回路面积，从而降低磁场辐射减小导线线路压降，从而降低电场辐射减小导线线路压降，从而降低电场辐射系统硬件制作的三要点系统硬件制作的三要点系统方案设计、器件选择系统方案设计、器件选择结构、工艺结构、工艺指标测量指标测量注意事项注意事项系统的划分系统的划分布局、布线（地线、电源线、信号线布局、布线（地线、电源线、信号线) 及接地及接地电源滤波电源滤波模拟电路和数字电路模拟电路和数字电路屏蔽和匹配屏蔽和匹配推荐使用双层推荐使用双层PCB板板底层底层地线面地线面顶层顶层
21、信号路径信号路径顶层顶层电源、信号路径线电源、信号路径线无路径线处均用地线填充（大面积）无路径线处均用地线填充（大面积）顶层地线用多个金属穿线与底层地线面相连顶层地线用多个金属穿线与底层地线面相连集成芯片接地脚尽量穿孔连接到接地层集成芯片接地脚尽量穿孔连接到接地层数字地和模拟地分开，数字地和模拟地分开，单点相连（防止地阻抗耦合）单点相连（防止地阻抗耦合）模拟电路数字电路数字电路模拟电路模拟地模拟地数字地数字地1.地线地线原则：原则：回流路径尽量短；地电流在关键点处产生的干扰应最小回流路径尽量短；地电流在关键点处产生的干扰应最小定义定义电流能够流回源的一条低阻抗路径电流能够流回源的一条低阻抗路径
22、注意注意地线是有阻抗的地线是有阻抗的电源滤波电源滤波减小芯片间、芯片内不同区域间耦合减小芯片间、芯片内不同区域间耦合2.电源滤波与电源线电源滤波与电源线电源线布线为星形结构电源线布线为星形结构VCC1VCC每个节点必须有每个节点必须有大的大的去耦滤波电容（在工作频率处的接地去耦滤波电容（在工作频率处的接地电阻小于电阻小于1欧）欧）滤波电容的接地点尽量靠近芯片地滤波电容的接地点尽量靠近芯片地电源线尽量不要靠近敏感的信号线电源线尽量不要靠近敏感的信号线电源是频率成分最复杂的部件电源是频率成分最复杂的部件3. 高频元件与引线高频元件与引线 输入、输出匹配网络线输入、输出匹配网络线振荡回路线振荡回路线
23、目的：减少寄生电感、寄生电容、减少辐射目的：减少寄生电感、寄生电容、减少辐射引线仅可能短引线仅可能短 外接元件仅可能外接元件仅可能靠近芯片放置靠近芯片放置线两端阻抗匹配线两端阻抗匹配4. 屏蔽屏蔽电屏蔽、磁屏蔽电屏蔽、磁屏蔽屏蔽材料选择屏蔽材料选择屏蔽盒内元件放置屏蔽盒内元件放置屏蔽盒内外的连接屏蔽盒内外的连接七七. 指标测量指标测量明确各项指标的定义明确各项指标的定义合理而正确的测量方法合理而正确的测量方法正确的测试点正确的测试点符合精度要求的测量仪表符合精度要求的测量仪表合适的测试环境与条件合适的测试环境与条件总结：总结：1. 系统要全面考虑：指标分配、相互匹配系统要全面考虑：指标分配、相互匹配2.电路需要调试电路需要调试调试外接元件调试外接元件高频选频部件一般不能集成高频选频部件一般不能集成调试每个元件的目的要清楚，它对系统指标的影响调试每个元件的目的要清楚，它对系统指标的影响调试要分步进行，一般按信号流程进行调试要分步进行，一般按信号流程进行3.工艺结构一定要重视工艺结构一定要重视4.不仅是功能，对模拟电路更重要的是指标不仅是功能，对模拟电路更重要的是指标谢谢 谢！谢！
