2 工作原理
收發(fā)模塊的發(fā)射機(jī)可根據(jù)TXDATA引腳的輸入基帶信號直接調(diào)節(jié)載波。如果信號為模擬信號,發(fā)射機(jī)將休用FM模式調(diào)節(jié)載波,如果為方波信號,則其調(diào)節(jié)方式為FSK模式,頻率峰值誤差為±50kHz。當(dāng)SC系列模塊處理聲音信號時,其效果只能達(dá)到對講機(jī)的音質(zhì)。誤差太大會使收發(fā)模塊的接收機(jī)端在重構(gòu)音頻信號時發(fā)生失真。功率放大器可在12dB的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在LVLADJ引腳與地間接一可變電阻可調(diào)節(jié)輸出功率的大小。在FCC測試時,這對優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)極有好外。收發(fā)模塊的接收機(jī)可以恢復(fù)低至-92dBm(典型值)的信號。接收機(jī)采用中頻10.7MHz的超外差式結(jié)構(gòu),正交解調(diào)器可從載波中將基帶音頻信號解調(diào)為音頻信號,經(jīng)濾波后送至數(shù)據(jù)離散器以重構(gòu)數(shù)字波來調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)。
SC系列收發(fā)模塊為半雙工模式,所以在同一時間它只能工作在發(fā)射或接收模式。它的收發(fā)部分有一個電壓調(diào)節(jié)器,可將內(nèi)部Vcc調(diào)至3.3V,這使SC系列收發(fā)模塊的電源電壓范圍可寬達(dá)2.7～16V.在2.7V時,其內(nèi)部調(diào)節(jié)器就象一飽和開關(guān),電壓可直接送至內(nèi)部各電子部件。PDN引腳可將收發(fā)模塊置于低電流（50μA）的待機(jī)模式。
2.1 發(fā)射機(jī)工作原理
SC系列收發(fā)模塊的發(fā)射機(jī)是一寬帶調(diào)頻發(fā)射模塊。當(dāng)外接50Ω電阻時,其輸出功率可達(dá)1mW。發(fā)射機(jī)由本振和晶體控制頻率合成器組成,頻率合成器可利用頻率比較穩(wěn)定的晶振對本振進(jìn)行鎖相,以達(dá)到高Q值、低相位噪聲的目的。
調(diào)頻信號的調(diào)制根據(jù)參考晶振載以連接可調(diào)的電抗,這種調(diào)制方式可以寬帶調(diào)制。如果是本振調(diào)制,頻率合成器將跟蹤鎖相濾波器帶寬內(nèi)的任何調(diào)制,這其實(shí)是大多數(shù)發(fā)射機(jī)采用的調(diào)制方式。當(dāng)信號以3V方波形式輸入時,發(fā)射機(jī)將采用FSK調(diào)制方式,設(shè)計(jì)頻率峰值誤差為±50kHz。對于5V信號,建議在TXDATA引腳加一30kΩ的電阻。
輸出放大器可在外部調(diào)節(jié),范圍為-12～0dBm。LVLADJ引腳即為其控制引腳。當(dāng)電壓為3V時,輸出功率達(dá)到最大,0V時達(dá)到最小,最大時發(fā)射機(jī)的典型電流為25mA,最小時為12mA,一個1kΩ的內(nèi)部上拉電阻可將LVLADJ引腳電壓拉至2.7V。要調(diào)節(jié)發(fā)射功率,只需在LVLADJ引腳與接地腳之間加一可變分壓電阻即可。不管發(fā)射功率需不需要改變,均建議加此電阻,因?yàn)樵诟鞣N測試中或?yàn)榉夏骋粯?biāo)準(zhǔn)而不得不改變發(fā)射功率時,上述措施將極為方便。
當(dāng)用此收發(fā)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時,有兩個重要的時間參數(shù)必須考慮：第一是啟動時間,第二為收/發(fā)轉(zhuǎn)換時間。必須注意,TXEN和RXEN引腳不能同時為高電位,否則將使時間參數(shù)錯誤,也可能導(dǎo)致錯誤的發(fā)射信號。
2.2 接收機(jī)工作原理
接收機(jī)是一個基帶帶寬為17kHz的超外差調(diào)頻接收模塊,射頻信號經(jīng)前端梳狀濾波器濾波后,降低了諸如尋呼發(fā)射機(jī)和移動電話系統(tǒng)的干擾信號幅度。利用高度的RF集成電路,使濾波信號經(jīng)過放大和向下變頻而成為10.7MHz的中頻信號,再經(jīng)放大、濾波,最后解調(diào)恢復(fù)為發(fā)射機(jī)發(fā)射的音頻基帶信號。音頻輸出需經(jīng)過3階低通濾波器濾波。一種專用數(shù)據(jù)離散器可從音頻信號中恢復(fù)CMOS電壓。數(shù)據(jù)離散器還可以在400Hz～17kHz的頻帶內(nèi)重構(gòu)方波。其數(shù)據(jù)傳輸率為4.8kb/s～33.6kb/s。
當(dāng)發(fā)射機(jī)接通但不調(diào)制或者接收信號太弱而不能保證被正確解調(diào)時數(shù)據(jù)輸出將被抑噪成高電位以確保UART輸出的兼容性。
電源必須為純凈的直流電源,以保證收發(fā)模塊的正常工作和接收機(jī)的整體靈敏度。在調(diào)頻接收機(jī)中,電源噪聲分為調(diào)頻和調(diào)幅噪聲兩種,它們會降低接收機(jī)的整體靈敏度。因此模塊的供電電路應(yīng)加入圖2所示的低ESR旁路電容。
3 應(yīng)用設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為正確應(yīng)用SC系列收發(fā)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)者必須對通信聯(lián)系中的發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、自由空間、接由天線、接收機(jī)有一個“系統(tǒng)”的觀點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中,必須充分理解和考慮到系統(tǒng)中的每一點(diǎn)在每一刻都可能發(fā)生數(shù)據(jù)中斷。
必須注意,SC系列收發(fā)模塊不會對數(shù)據(jù)進(jìn)行任何方式的編碼和打包。這種透明消除了傳統(tǒng)天線調(diào)制器所普遍帶有的不確定的潛在因素。這使設(shè)計(jì)者可以很靈活的設(shè)計(jì)草案。其缺點(diǎn)是系統(tǒng)的性能和可靠性要在很大程度上取決于外部軟件和硬件的質(zhì)量。最關(guān)鍵的是所有的項(xiàng)目工程師必須對有線和無線環(huán)境的差異有全面的了解和考慮。
SC系列民眼模塊為半雙工模式,這意味著在任何給定時刻它只能工作在發(fā)射或接收模式,二者不能同時工作。當(dāng)工作模式轉(zhuǎn)換時,由于分時的需要,使得SC系列收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)稍具挑戰(zhàn)性。
對于典型的系統(tǒng)設(shè)計(jì),可按以下步驟進(jìn)行：
（1）開啟發(fā)射模式
當(dāng)TXEN為高電位、RXEN為低電位是,SC系列收發(fā)模塊被置于發(fā)射模式。這時PDN引腳需打開或上拉至VCC。一旦收發(fā)模塊置于發(fā)射模式,壓控晶振（VCO）將啟動,并對主要載波開始鎖相跟蹤。
（2）等待發(fā)射機(jī)穩(wěn)定
鎖相跟蹤4～5s后,發(fā)射機(jī)頻率達(dá)到穩(wěn)定,準(zhǔn)備發(fā)射數(shù)據(jù)。
（3）發(fā)射數(shù)據(jù)包
數(shù)據(jù)包的傳輸格式為：[uart sync byte][start byte][packet data]
uart sync byte是為保證正確發(fā)現(xiàn)起始字的起始位而規(guī)定的,其值為：單字0FF（十六進(jìn)制）。Start byte起始字表示數(shù)據(jù)包的開始。超始字啟動后與SC系列收發(fā)模塊連接的計(jì)算機(jī)或微控制器開始監(jiān)測超始字的出現(xiàn)。
（4）開啟接收模式
當(dāng)TXEN為低電位、RXEN為高電位時,SC系列收發(fā)模塊被置于接收模式。PDN引腳打開或上拉至VCC。此模塊開啟后,晶振對本振鎖相進(jìn)行控制。
（5）等待接收機(jī)穩(wěn)定
當(dāng)本振鎖相和數(shù)據(jù)峰值檢測器穩(wěn)定后,接收機(jī)準(zhǔn)備接收正確的數(shù)據(jù),時間大約為7～10s。
（6）接收數(shù)據(jù)包
前同步信號是為了啟動數(shù)據(jù)離散器而發(fā)出的,但這將干擾UART,UART規(guī)定一個字的起始位為1-0。輸入數(shù)據(jù)為101010…,則很難判斷哪組10為起始位。而通過uart sync byte即可解決此問題。它可將位元模式規(guī)定為…010101011111111。中間空格符為uart sync byte,那么UART會把最后的10看作起始位,將接收數(shù)據(jù)接收計(jì)算機(jī)或微控制器能利用起始字正確接收數(shù)據(jù)包。而實(shí)際上,可能有兩個起始字。不管怎樣,必須選擇起始字,使其不能出現(xiàn)在流當(dāng)中。否則,數(shù)據(jù)包在傳輸過程中,接收機(jī)會將其中的數(shù)據(jù)看成起始字。即使是偶然的突發(fā)錯誤,也會破壞數(shù)據(jù)包,所以,建議在數(shù)據(jù)包中植入某種檢錯碼,如CRC校驗(yàn)碼等。
當(dāng)用于半雙工通信時,微控制器基本按照以上步驟順序執(zhí)行,然后回到第一步,在收、發(fā)模式間反復(fù)跳轉(zhuǎn)。因此,設(shè)計(jì)者必須考慮收、發(fā)二者的分時。并且必須對整個設(shè)計(jì)草案仔細(xì)考慮,以確保系統(tǒng)在各種環(huán)境下的可靠性。
3.2 電路板設(shè)計(jì)
SC系列收發(fā)模塊的生產(chǎn)商LINX公司已經(jīng)仔細(xì)研究了其PCB布局,用戶只要按照基本的設(shè)計(jì)布局原則將SC系列收發(fā)模塊直接設(shè)計(jì)在產(chǎn)品之中就可以了。
在SC系列收發(fā)模塊下面應(yīng)鋪設(shè)盡可能大的接地面,模塊應(yīng)盡量與其它部件隔離,尤其是應(yīng)頻電路（如晶振）。收發(fā)模塊與天線的邊線即金屬貼片應(yīng)盡量短。對于寬帶天線,比較適宜的距離為3.2mm。對于長距離或高Q值窄帶天線,為避免失諧,應(yīng)采用50Ω同軸線或微帶傳輸線。
3.3 SC系列收發(fā)模塊的音頻應(yīng)用設(shè)計(jì)
SC系列收發(fā)模塊不僅可充分應(yīng)用于串行數(shù)據(jù)的發(fā)送,而且可發(fā)送包括聲音在內(nèi)的多種簡單和復(fù)雜伯模擬信號。對于高品質(zhì)的聲音信號,采用SC系列收發(fā)模塊也許不可取,但對于對講機(jī)質(zhì)量的聲音信號或者數(shù)據(jù)與聲音的混合信號,SC系列收發(fā)模塊還是理想的選擇。
音源應(yīng)該是峰值電壓為1V的交流信號,帶寬應(yīng)限制在3～5kHz并送至TXDATA引腳。圖3給出了一個參考電路,如果輸入信號電平過高,將會導(dǎo)致聲音的失真。RXDATA引腳的輸出應(yīng)加一低通濾波器以得到3～5kHz的音頻輸出。圖4電路中應(yīng)用了一個5kHz的低通濾波器。音頻信號的信噪比依賴于所選帶寬。信噪比越高,在聲音背景中的“噼啪”聲越少。選取截?cái)囝l率為3kHz的濾波器會得到最好的信噪比。但這顯然限制了音頻信號的發(fā)射頻率范圍,也就是說,聲音的音質(zhì)將會受到很大限制。如果需要更寬的頻帶,截止頻率最高可為8kHz,但信噪比將會下降。
3.4 外接天線設(shè)計(jì)
利用SC系列產(chǎn)品進(jìn)行無線電聯(lián)系的范圍依賴于所用天線的類型和工作環(huán)境。正確設(shè)計(jì)和匹配天線需要復(fù)雜的測試設(shè)備和嚴(yán)格的電磁傳播背景或空間。所以最簡單的方法是采用LINX公司為SC系列收發(fā)模塊設(shè)計(jì)生產(chǎn)的天線。
為計(jì)算方便,一般采用基本的1/4波長鞭狀天線。一旦樣品工作滿意,那么作為產(chǎn)品,所選用的天線應(yīng)滿足產(chǎn)品的成本、尺寸以及外型需要。天線在決定最終產(chǎn)品性能的因素中起著重要作用。下面給出選用天線的基本原則：
（1）靠近諸如人體（手）或金屬等物體會導(dǎo)致天線失諧,所以,天線軸與頂端應(yīng)遠(yuǎn)離這些物體。
（2）當(dāng)與接地面垂直時,1/4波長或1/2波長鞭狀天線可獲得最佳性能。但很多時候這不符合實(shí)際或人體工學(xué)的需要。因此,可供選擇的天線種類有：螺旋、環(huán)型、貼片和鞭狀天線等。
（3）如想在PCB上做內(nèi)建天線,則天線應(yīng)遠(yuǎn)離其它金屬部件,如變壓器、電池、PCB走線以及接地面等。多數(shù)情況下,天線周圍的空間環(huán)境與天線本身同等重要。
（4）在許多天線設(shè)計(jì)中,接地面實(shí)際上作為鏡像,尤其是1/4波長鞭狀天線,其實(shí)質(zhì)為1/2波長偶極子天線。因此應(yīng)有足夠的接地面積。一般情況下,接地面積要大于1/4波長天線輻射元的總體長度。
（5）應(yīng)使天線盡量遠(yuǎn)離潛在干擾源（如開關(guān)電源、振蕩器、繼電器等）。而且PCB一定要設(shè)計(jì)好�？刹捎靡桓哳l旁路電容對電源濾波、或在所有的潛在干擾源下面鋪設(shè)足夠的接地面來減少干擾。
（6）條件允許時,可使SC系列收發(fā)模塊及其天線遠(yuǎn)離主設(shè)備。這樣可避免干擾并且可使天線的性能達(dá)到最佳。SC系列收發(fā)模塊及其天線與主設(shè)備之間應(yīng)采用50Ω的同軸線作為遠(yuǎn)程饋線。
由于人與人的知識、經(jīng)驗(yàn)不盡相同,對于復(fù)雜多變的實(shí)際問題,往往很難提出一種通用的;設(shè)計(jì)步驟來滿足特定要求,但是在應(yīng)用SC系列收發(fā)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時,只要遵循以上所述的設(shè)計(jì)原則,就會減少很多不必要的反復(fù)和挫折。
