通信模块在电子设计竞赛中的应用学习教案

1、会计学1通信模块通信模块(m kui) 在电子设计竞赛中的应在电子设计竞赛中的应用用第一页，共46页。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.指标测量指标测量第1页/共46页第二页，共46页。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

2、带宽带宽及及调制方式调制方式自定自定 发射峰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 第2页/共46页第三页，共46页。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？第3页/共46页第四页，共46页。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

3、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，选择芯片第4页/共46页第五页，共46页。接收机灵敏度接收机灵敏度(最低输入电平最低输入电平(din pn)= 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+路径路径(ljng)损耗损耗+达到接收机的灵敏度达到接收机的灵敏度第5页/共46页第六页，共46页。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

4、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 30dB谐波失真谐波失真 0.15%FM窄带窄带调频芯片调频芯片MC2833第6页/共46页第七页，共46页。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(diny) 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接收接收(jishu)芯片芯片MC3363结论：结论：（1）工作频段）工作频

5、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第7页/共46页第八页，共46页。TH72005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 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

6、防和家庭自动化等数据通信、安防和家庭自动化等第8页/共46页第九页，共46页。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(sl) 80Kbit/s NRZFSK最大数据速率最大数据速率(sl) 40Kbit/s NRZ信号强度指示（信号强度指示（RSSI） 70dB第9页/共46页第十页，共46页。三三. . 芯片芯片(xn pin)(xn pin)方框图分方框图分析析要会使用模拟电路芯片，要会使用模拟电路芯片，一定要看懂其结构一定要看懂其结构(jigu)方框图原理方框图原理两部分结构原理两

7、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）了解信号(xnho)的传输路径和原理的传输路径和原理（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第10页/共46页第十一页，共46页。MC2833 发射机原理发射机原理(yunl)外接元件：外接元件：语音处理语音处理(chl)元件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：话音放大话音放大(fngd)和处理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(fngd)第11页/共46页第十二页，共46页。MC3363内部结构内部结构二次变频二次变

8、频(bin pn)超外差式超外差式正交鉴频正交鉴频FM外接元件：外接元件：决定两个决定两个(lin )本振频率本振频率两个两个(lin )中频滤波器中频滤波器鉴频移相线圈鉴频移相线圈第12页/共46页第十三页，共46页。TDA5102发射发射(fsh)芯片芯片关键：频率关键：频率(pnl)合成器、合成器、ASK、FSK工作方式工作方式外接元件：晶体、电容外接元件：晶体、电容(dinrng)、输出匹配网络、输出匹配网络第13页/共46页第十四页，共46页。LNA输入射频输出90oAGC接收数据I接收数据Q控制逻辑P FD16前置分频器晶振调制器增益控制发射数据47ARF105 数字数字(shz)

9、扩频收发器扩频收发器 （简化方框图）（简化方框图）吞脉冲频率合成、零中频接收吞脉冲频率合成、零中频接收(jishu)方案、乘法器做调制解调器方案、乘法器做调制解调器第14页/共46页第十五页，共46页。四四. . 芯片芯片(xn pin)(xn pin)功能实现功能实现关键关键(gunjin)是是 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模拟电路集成块与数字模块(m kui)不同点不同点: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第15页/共46页第十

10、六页，共46页。1.1.决定决定(judng)(judng)工作频率的元件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C1C2CdCdCcCcLC2C111112LCCCC寄生第16页/共46页第十七页，共46页。2.2.接收机本振频率接收机本振频率(pnl)(pnl)由已知的接收频率由已知的接收频率(pnl)和中频值计算得出和中频值计算得出LORFIFfff如如 , 1中频取中频取10.7MHz 49.67RFfMHz则则 1本振本振149.67 10.738.97LOfMHz若若 2 中频取中频取455KHz

11、 ，则，则 2 本振频率为：本振频率为：21210.70.45510.245LOIFIFfffMHz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fimfLO1fRFf1249.6721.428.27imRFIFfffMHz接收机有各种接收机有各种( zhn)方案方案,但都需要下变频但都需要下变频第17页/共46页第十八页，共46页。3. 中频中频(zhngpn)滤波滤波器器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(ciyng)10.7MHz或或455KHz的陶瓷滤波器的陶瓷滤波器使用时注意使用时注意(zh y)两点（两点（1）

12、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率误差发射机和接收机频率误差第18页/共46页第十九页，共46页。端口匹配端口匹配根据根据(gnj)已知的输入输出阻抗已知的输入输出阻抗陶瓷滤波器的输入和输出阻抗陶瓷滤波器的输入和输出阻抗(sh ch z kn)一般为一般为330欧欧10.7MHz390欧2.2K前置中放3 3 0欧主中放第19页/共46页第二十页，共46页。4.4.高频端选频、滤波高频端选频、滤波(lb)(lb)与匹配与匹配接收机前端：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

13、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第20页/共46页第二十一页，共46页。发射机末端发射机末端(m dun)的输出滤波器的输出滤波器匹配滤波器VccRL50射频输出L 39nHRo250 Co1.5PFC 330PFRL50R13K保证：功率放大器工作保证：功率放大器工作(gngzu)在最佳负载状态，输出最大功率在最佳负载状态，输出最大功率 必要的滤波功能必要的滤波功能第21页/共46页第二十二页，共46页。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(yunjin)FM、FSK应保证应保证适当

14、的频偏适当的频偏第22页/共46页第二十三页，共46页。C2C1振荡器发送数据FSK调制调制(tiozh)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)0f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？CL2CL1CLf0fminfmaxf注意窄带注意窄带FSK 、宽带、宽带FSK 对外接电容大小选取对外接电容大小选取第23页/共46页第二十四页，共46页。解调器的带宽解调器的带宽(di kun) FM/FSK一般采用正交鉴频一般采用正交鉴频680PFR 4.7

15、KL 3.3UHC3C11.0 PFC2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第24页/共46页第二十五页，共46页。关键：关键： 了解芯片工作了解芯片工作(gngzu)原理，在理论指导下选择原理，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、测量线圈会绕制、测量线圈 综上分析综上分析(fnx)知，外接元件主要是选频滤波元知，外接元件主要是选频滤波元件件第25页/共46页第二十六页，共46页。选频滤波器的分类选频滤波

16、器的分类(fn li)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 一般一般(ybn)自己绕制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第26页/共46页第二十七页，共46页。6.锁相环的环路(hun l)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

17、. 仅作为仅作为(zuwi)收、发信机的本振源收、发信机的本振源2. 参与了调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）第27页/共46页第二十八页，共46页。锁相频率锁相频率(pnl)合成器仅作为收、发信机的本振源合成器仅作为收、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P FD16分频器晶振第28页/共46页第二十九页，共46页。串行接口外部P FD16分频器

18、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：第29页/共46页第三十页，共46页。频率合成器参与频率合成器参与(cny)调制（调

19、制（ADF7010）环路滤波器带宽（环路滤波器带宽（LBW）与数据与数据(shj)速率有关速率有关PA发射数据RP FD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。第30页/共46页第三十一页，共46页。补充补充(bchng)锁相

20、锁相环的设计环的设计锁相环的应用锁相环的应用(yngyng)同步跟踪同步跟踪(gnzng)、载波提取、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第31页/共46页第三十二页，共46页。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数据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

21、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第32页/共46页第三十三页，共46页。发射发射(fsh)MC2833语音语音(yyn)频带：频带：3003400Hz窄带调频窄带调频(dio pn)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maxmax22CRBWfF 信道间隔：信道间隔：25KHz接收接收 MC3363 中频滤波器带宽中频滤波器带宽8KHz 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

22、？数据速率的限制？例：例：用于传送语音用于传送语音第33页/共46页第三十四页，共46页。455KHz10.7MHz中频滤波器中频滤波器数据输出数据输出第34页/共46页第三十五页，共46页。已知中频滤波器带宽，已知中频滤波器带宽，如何确定允许的最大数据如何确定允许的最大数据(shj)速率？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 11FT此数据信号的频谱是此数据信号的频谱是1f1T它的带宽是它的带宽是12BF第35页/共46页第三十六页，共46页。用此信号用此信号(xnho)进行进行FSK后

23、，已调信号后，已调信号(xnho)带宽最小值是带宽最小值是min22CRBWfFcf2f1fffFF2(7 )BWfF 中频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 3fKHz 中频滤波器带宽中频滤波器带宽8BWKHz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714FHz或数据速率限制在约或数据速率限制在约1500b/s以内以内第36页/共46页第三十七页，共46页。数

24、据数据(shj)速率可由单片机或编码、解码芯片时钟决定速率可由单片机或编码、解码芯片时钟决定例如例如(lr)：编码芯片：编码芯片PT2262、解码芯片、解码芯片PT2272不同不同(b tn)外接电阻值决定期时钟大小外接电阻值决定期时钟大小第37页/共46页第三十八页，共46页。六六. PCB设计设计(shj)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系统硬件(yn jin)制作的三要点制作的三要点系统方案设计、器件系统方案设计、器件(qjin)

25、选择选择结构、工艺结构、工艺指标测量指标测量第38页/共46页第三十九页，共46页。注意事项注意事项系统系统(xtng)的划分的划分布局、布线布局、布线(b xin)（地线、电源线、信号线（地线、电源线、信号线) 及接地及接地电源电源(dinyun)滤波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第39页/共46页第四十页，共46页。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

26、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(dxin)原则：回流路径尽量原则：回流路径尽量(jnling)短；地电流在关键点处产生的干扰应最小短；地电流在关键点处产生的干扰应最小定义定义(dngy)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注意注意地线是有阻抗的地线是有阻抗的第40页/共46页第四十一页，共46页。电源滤波电源滤波减小芯片减小芯片(xn pin)间、芯片间、芯片(xn pin)内不同区域间耦合内不同区域间耦合2.电源电源(dinyun)滤波与电滤波与电源源(dinyun)线线电源线布