基于CC2500的低成本和低功率的无线收发器电路设计.docx

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基于CC2500的低成本和低功率的无线收发器电路设计

通信原理课程设计

题目：

基于CC2500的低成本和低功率的无线收发器电路设计

专业班级：

电子信息工程021班

************

学号：

***********

************

设计时间：

2005年5月24日到6月3日

1CC2500芯片介绍································3

2芯片主要性能指标·······························4

2．1参数额定值·······································5

2．2工作环境·········································5

2．3工作电流的说明···································5

2．4一般特性·········································6

2．5射频接收部分·····································6

2．6射频发射部分·····································7

2．7晶体振荡器·······································7

2．8低功率RC振荡器··································8

2．9频率合成器特性···································8

2．10模拟温度传感器··································9

2．11直流特性········································10

2．12电源启动复位····································10

3芯片封装与引脚功能····························10

4内部结构与工作原理····························12

4．1CC2500内部模块结构······························12

4.2微控制器接口和引脚结构····························13

4.3数据传输速率的设计································14

4.4接收机信道滤波带宽的控制·························14

4.5解调器、符号同步装置和数据的设定·················15

4.6数据处理的硬件支持·······························16

４.7　调制方式········································19

４.8　接收信号的限定和链接质量消息····················19

４.9频率设计········································21

４.10VCO的特点······································21

４.11电压调整器·····································21

４.12　天线接口（Interface）··························22

４.13　常规用途/输出控制引脚测试······················22

4.14异步的和同步的串联操作·························22

4.15外部工作状态···································23

5应用电路的设计·································23

5.1偏压电阻器·······································25

5.2Balun（不平衡变压器和射频匹配）···················25

5.3晶体············································26

5.4电源去耦·········································26

5.5设计总电路·······································29

6设计总结·······································30

7参考文献·······································27

附录1··········································27

附录2··········································29

基于CC2500的低成本和低功率的

无线收发器电路设计

指导教师：

黄智伟

陈雄陈细芳谭小强胡亮

摘要：

CC2500是专用来设计低成本低功率频率可达到2.4GHz的无线电收发器芯片。

线路主要用于ISM（工业、科学和医疗）和SRD（短射程装置），频带在2400MHz-2483.5MHz。

射频无线电收发机集成了一个配置相当高的基带调制解调器，它的结构数据传输数率达到500kbps。

其性能可通过一个集成在调制解调器中的前向纠错选项来增强。

CC2500提供广泛的硬件支持，如储存器操作,数据缓冲,脉冲传输,纯信道评估,链路质量指示及无线电广播设备（wakeonradio）。

主要部份操作参数和64字节传输/接受CC2500的FIFOs（先入先出）可经由一个SPI（串行外围接口）界面控制。

在一典型的系统中,CC2500连同一个微控制器和一些额外的无源元件一起使用。

CC2500是以Chipcon's的SmartRF®04，0.18μm互补型金属氧化半导体的技术为基础。

关键词：

CC2500芯片射频（RF）收发机　晶体振荡器　前向纠错（FEC）

Abstract：

TheCC2500isalowcosttruesinglechip2.4GHztransceiverdesignedforverylowpowerwirelessapplications.ThecircuitisintendedfortheISM（Industrial,ScientificandMedical）andSRD（ShortRangeDevice）frequencybandat2400MHz-2483.5MHz.

TheRFtransceiverisintegratedwithahighlyconfigurablebasebandmodemwhichhasa

configurabledatarateupto500kbps.PerformancecanbeincreasedbyenablingaForwardErrorCorrectionoption,whichisintegratedinthemodem.

CC2500providesextensivehardwaresupportforpackethandling,databuffering,burst

transmissions,clearchannelassessment,linkqualityindicationandwakeonradio.

Themainoperatingparametersandthe64-bytetransmit/receiveFIFOsofCC2500canbe

controlledviaanSPIinterface.Inatypicalsystem,theCC2500willbeusedtogetherwithamicrocontrollerandafewextrapassivecomponents.

CC2500isbasedonChipcon’sSmartRF®04technologyin0.18μmCMOS.

keywords：

CC2500RFtransceiver　CrystalOscillator　　FEC

1CC2500芯片介绍

以目前科技技术，无线收发器电路的设计是多种多样的，例如常见的超外差式调频广播接收机，而大多数的无线收发电路是基于某个有特殊功能的芯片设计的，本设计就采用这个方案进行设计。

CC2500是专门为低成本无线鼠标和键盘、无线游戏控制器、无线耳机等各种消费产品而设计的，其电流消耗为12-14mA，电压范围在1.8V至3.6V之间。

CC2500和CC2550在传输模式下，当输出功率为–12dBm时，电流消耗为12mA。

这款器件具有阵发模式数据传输功率，无线传输速率高，因此适合低功率产品使用。

本设计主要利用CC2500的性能来达到无线收发的功能，它具有片上载波感应指示灯和数字RSSI输出，有助于提高无线链路的质量。

自动消除通道评价功能（CCA）使其尤其适用于载波侦听（Listen-Before-Talk,LBT）系统。

而且CC2500可通过扫描2.4GHz的数字RSSI寻找最佳工作通道。

CC2500芯片主要有以下特点：

·尺寸小（QLP4x4mm管壳,20个插销）

·频率可达2.4GHz专用于射频收发器设计的芯片

·频率范围:

2400MHz-2483.5MHz

·高灵敏度（在10kbps时为–98dBm,信息包（packet）误码率为1%）

·可编程的数据率达到500kbps

·低电流消耗（在接收时为15.6mA）

·可编程的输出功率可达+1dBm

·优良的接收机选择性和阻断性能

·外部元件简单:

完整的频率合成器芯片,没有外部需要的滤波器或射频开关

·可编程的基带调制解调器

·理想多信道操作

·可配置的储存器处理硬件

·快速的解决频率合成器适用于频率跳变系统

·可选择的前向纠错交叉（interleaving）

·单独的64字节的接收和发送数据的FIFOs（先入先出）

·有效率的SPI（串行外围接口）界面:

所有的寄存器可能是以"脉冲"移动编程

·数字式的RSSI输出

·与系统相匹配，适合300-328和300-440两类（欧洲）,CFR47Part15（美国）,和ARIBSTD-T66（日本）

·无线电广播设备的功能是自动的低功率的接收探询

·许多有力的数字式特征允许高性能射频系统可使用廉宜的微控制器

·整合的类比温度敏感器

·无铅（Lead-free）的"绿色"管壳

·对储存器的有灵活的支持定向系统:

通芯片支持同步消息检测,地址检验,可变的储存器长度和自动的CRC（循环冗余码校验）处理。

·可设计的信道滤波器带宽

·OOK和灵活的整形支援

·2-FSK（频移键控）和MSK支持

·自动机械频率补偿可用来排列（align）频率合成器，接受中心频率

·数据可选择的自动弄白（whitening）和dewhitening

·异步的透明支持接收/传送模式，为后面已存在的收音机相容性通信协议

·可编程的载波侦听指示仪

·发现随机噪声的对抗同步词检测的前同步码和改良的保护可设计的前同步码品质指示仪

·支持在传输之前为自动的清除信道评估（CCA）支援（因为听在交谈服务系统之前）

·支持每一个信息包链路品质指示

2芯片主要性能指标

2.1参数额定值

在没有特殊说明必须符合表1.1中所给的绝对最大定额。

过度的超过一个或多个极限值可能造成对装置的永久性损坏。

表2.1：

绝对额定值

参数

最小值

最大值

单位

条件

供给电压

-0.3

3.6

V

所有的引脚电压相同

任意数传梢上的电压

-0.3

VDD+0.3max3.6

V

RF_P、RF_N和DCOUPL引脚上的电压

-0.3

2.0

V

输入射频标准

待定（TBD）

dBm

温度存储范围

-50

150

℃

施以焊接回流温度

260

℃

T=10s

回声探测仪（ESD）

2

KV

所有的增耗垫（排除射频）有2kVHBMESD保护

2.2工作环境

CC2500的工作环境如表2.2所示：

表2.2：

工作环境

参数

最小值

最大值

单位

条件

工作温度

-40

85

V

运行供给电压

1.8

3.6

V

所有的引脚电压相同

2.3工作电流的说明

如果没有别的规定，Tc=25℃，VDD=3.0V。

在Chipcon's的CC2500EM参考设计上测量。

表2.3：

不同状态下的工作电流值

参数

最小值

典型

最大值

单位

条件

电流消耗

8.7

uA

接收器每隔1s自动探询一次,使用低功率的RC振荡器,460Hz滤波器带宽和250kbps数据传送速率,

琐相环（PLL）每到第4个脉冲校准一次。

带有信号通道的平均电流低于载波信号标准

35

uA

同上，但是由于在载波侦听层次上面的波道讯号,RX暂时休息1.9ms，而且没有报头/同步命令发现。

1.4

uA

接收机（RX）每15秒自动的探询,使用低功率RC振荡器,460kHz的滤波器带宽和250kbps数据传送速率,

琐相环（PLL）每到第4个脉冲校准一次。

带有信号通道的平均电流低于载波信号标准

16

uA

同上，但是由于在载波侦听层次上面的波道讯号,RX暂时休息14ms，而且没有报头/同步命令发现。

1.8

mA

只有对数传部分和晶体振荡器的电压调整器正在运行中的（无用的状态）进行校准

7.6

mA

只有频率合成器运行（进入无用状态之后直到到达RX或TX状态,及频率校正状态）

15.6

mA

接收模态,在灵敏度极限的附近输入（RX状态）

13.3

mA

接收模态,输入30dB高于灵敏度极限（RX状态）

11.5

mA

发送模态，-12dB的输出功率（发送状态）

15.4

mA

发送模态，-6dB的输出功率（发送状态）

21.6

mA

发送模态，0dB的输出功率（发送状态）

鉴相器（powerdown）模式下的电流消耗

180

uA

电压调整器在数传部分通,其他的所有模块在鉴相器中（XOFF状态）

100

uA

电压调整器到数传部份断,计数器保存数值，晶体震荡器（XOSC）运行（MCSM0.OSC_FORCE_ON组处于休眠状态）

900

nA

电压调整器到数传部份断，计数器保存数值，低功率RC震荡器运行（低功率检测激活睡眠状态）

500

nA

电压调整器到数传部份断，计数器保存数值（睡眠状态）

2.4一般特性

表2.4：

一般特性

参数

最小值

Tpy

最大值

单位

条件/注解

频率范围

2400

2483.5

MHz

数据传送速率

1.2

500

kbps

调变格式支持:

（作形）最小键控MSK（微分补偿QPSK,达到500kbps）

2-FSK（达到250kbps）

OOK/ASK（达到250kbps）

可选择的曼彻斯特编码.（二等分数据传送速率）

2.5射频接收部分

如果没有别的规定，Tc=25℃，VDD=3.0V。

在Chipcon's的CC2500EM参考设计上测量。

表2．5：

射频接收部分

参数

最小值

Typ

最大值

单位

条件/注解

微分阻抗输入

200

Ω

与Optimised相匹配两个50Ω单端型负载和较高阻抗的电路板天线。

接收机灵敏度

TBD

dBm

500kps的数据传送速率（最小键控），1%的信息包误码率，16字节的信息包长度,650kHz数传波道滤波器带宽。

-88

dBm

250kps的数据传送速率（2-FSK），1%的信息包误码率，16字节的信息包长度,460kHz数传波道滤波器带宽。

-98

dBm

10kps的数据传送速率（2-FSK），1%的信息包误码率，16字节的信息包长度,232kHz数传波道滤波器带宽。

饱和度

-15

dBm

数传波道滤波器带宽

58

650

kHz

可编程使用。

带宽限度与晶震频率成比例。

（给定的数值承担一个26.0MHz晶体）

相邻波道互斥（rejection）

20-25（TBD）

dB

需要在灵敏度极限上面的波道3dB。

仰赖波道间距和数传波道滤波器带宽。

交变波道互斥

20-35（TBD）

dB

需要在灵敏度极限上面的波道3dB。

仰赖波道间距和数传波道滤波器带宽

图象通道互斥

30（TBD）

dB

需要在灵敏度极限上面的波道3dB。

仰赖中频（IF），波道间距和数传波道滤波器带宽。

当使用最低值的时候,图象通道互斥可能被相邻波道排斥或交变波道排斥限制IF.（<100kHz）

最适宜IF的取决于数据传送速率和由SmartRF®软件部门提供的相关芯片配置

在1MHz补偿的选择性

-27

dB

在–80dBm得到波道。

在2MHz补偿的选择性

-27

dB

在–80dBm得到波道。

在5MHz补偿的选择性

-36

dB

在–80dBm得到波道。

适用于到ETSIEN3004402个类别的接收机需求。

在10MHz补偿的选择性

-51

dB

在–80dBm得到波道。

适用于到ETSIEN3004402个类别的接收机需求。

在20MHz补偿的选择性

-54

dB

在–80dBm得到波道。

适用于到ETSIEN3004402个类别的接收机需求。

在50MHz补偿的选择性

-55

dB

在–80dBm得到波道。

适用于到ETSIEN3004402个类别的接收机需求。

Spurious（伪造）

-57

dBm

25MHz-1GHz

发射

-47

dBm

1GHz以上

2.6射频发射部分指标

如果没有别的规定，Tc=25℃，VDD=3.0V。

在Chipcon的CC2500EM参考设计上测量。

表2．6：

射频发射部分

参数

最小值

Typ

最大值

单位

条件/注解

微分阻抗装载

200

Ω

输出功率，最高设置

1

dBm

输出功率，最高设置

-30

dBm

邻近信道功率

-26

dBc

交流信道功率

-45

dBc

伪发射

-36

-54

-47

-41

-30

dBm

dBm

dBm

dBm

dBm

25MHz-1GHz

47-74，87.5-118，174-230，470-862MHz

1800MHz-1900MHz（波段在欧洲受限）

在2-RF和3-RF（波段在欧洲受限）

其余的在1GHz以上

2.7晶体振荡器

如果没有别的规定，Tc=25℃，VDD=3.0V。

表2．7：

晶体震荡器参数

参数

最小值

Typ

最大值

单位

条件/注解

晶体频率

26

26

28

MHz

容差

±40

ppm

这是总容许度在包括a）起始容许度,b）老化和c）温度控制（dependence）。

可接受的水晶容差取决于射频频率和波道间距/带宽。

等值串联电阻

100

Ω

C0

TBD

pF

CL

TBD

TBD

pF

起始时间

300

us

在Chipcon的CC2500EM的参考设计上测量

2.8低功率RC振荡器

如果没有别的规定，典型参数为Tc=25℃，VDD=3.0V。

下表中的数值被模拟结果并且将会在数据单的较后版本中被更新。

表2．８：

RC振荡器参数

参数

最小值

Typ

最大值

单位

条件/注解

校准频率

34.6

34.7

37.3

kHz

RC震荡频率校准是晶体频率的750分频

校准后频率精度

±0.2

%

温度系数

+0.4

%/℃

当温度在校正后变化，频率漂移

供给电压系数

+3

%/V

当供给电压在校正后变化，频率漂移

初始校准时间

2

ms

当RC振荡器被使用,只要晶体振荡器正在运行，校正将连续地在后台作业中运行。

触发周期

63e-6

64800

Seconds

可编程，取决于晶体频率

2.9频率合成器特性

如果没有别的规定，Tc=25℃，VDD=3.0V。

在Chipcon的CC2500EM参考设计上测量。

表2．9：

频率合成器参数

参数

最小值

Typ

最大值

单位

条件/注解

作预定表频率分解

397

F×osc/216

427

Hz

26MHz-28MHz的晶体

合成器频率容差

±40

ppm

晶体使用时出现，必需的准确度（包括温度和老化）取决于频带和波道带宽/间距。

射频载波相位杂音

-73

dBc/Hz

来自载波的50kHz补偿

射频载波相位杂音

-73

dBc/Hz

来自载波的50kHz补偿

射频载波相位杂音

-73

dBc/Hz

来自载波的100kHz补偿

射频载波相位杂音

-96

dBc/Hz

来自载波的200kHz补偿

射频载波相位杂音

-106

dBc/Hz

来自载波的1MHz补偿

射频载波相位杂音

-112

dBc/Hz

来自载波的2MHz补偿

射频载波相位杂音

-113

dBc/Hz

来自载波的5MHz补偿

PLL（锁相环）接通/跳变时间

80

us

不进行校正时，从无用状态进入RX，