ｎＲＦ ４０１芯片在无线传输网络中的应用浅析

谭荣明　卢连福

摘要：随着人类社会的发展与进步，人类对通信的依赖程度越来越高，无线通信以其不需铺设明线，使用便捷等特点，在现代通信领域占据重要地位。目前国内微机网络多为有线通信方式，有线通信的优点是数据传输可靠性较高，但需要铺设较多明线，而有些领域由于条件所限，难以铺设线路，这时就需要无线通信来解决问题。为此，本文介绍了单片无线收发一体芯片nRF401在无线传输中的应用。

关键词：频移键控FSK RKE 曼彻斯特编码

0 引言

无线通信技术满足了用户对在不同移动状态下获取网络信息的强烈需求，也符合当今社会人员流动性大、工作生活节奏紧张的发展趋势；另一方面，无线通信技术具有网络部署迅速便捷的特点，对于缺乏线缆资源的新兴运营商来说，无线通信技术是成功部署通信网络，迅速为用户提供语音和数据服务的最佳手段。选择无线收发芯片时应考虑需要以下几点因素：功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元件数量、芯片成本、数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等。作为新的无线标准，蓝牙(BluetoothTM)让更多用户认识了无线通信。在无需许可的频段，称作ISM频段内的通信集成电路的需求快速增加，挪威Nordic VLSI ASA公司针对这一新兴市场提供一系列收发机和发射机，满足不同无线应用的需要。

1 nRF 401的特点

nRF401是Nordic公司研制的单片UHF无线收发芯片，工作在433MHz ISM（Industrial, Scientific and Medical）频段。在接收模式中，nRF401被配置成传统的外差式接收机，所接收的射频调制的数字信号被低噪声效大器放大，经混频器变换成中频，放大、滤波后进入解调器，解调后变换成数字信号输出（DOUT端）。在发射模式中，数字信号经DIN端输入，经锁相环和压控振荡器处理后进入到发射功率放大器射频输出。由于采用了晶体振荡和PLL合成技木，频率稳定性极好；采用FSK调制和解调，抗干扰能力强。nRF401无线收发芯片所需外围元件较少，并可直接接单片机串口。nRF 401芯片主要有以下特点：①FSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合。②采用PLL频率合成技术，频率稳定性极好。③灵敏度高，达到-105dBm（nRF401）。④功耗小，接收状态250uA，待机状态仅为8uA（nRF401）。⑤最大发射功率达+10dBm。⑥具有多个频道，可方便地切换工作频率⑦由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达1000米。

2 nRF 401内部结构

nRF 401的内部结构如图1所示，nRF401芯片内包含有发射功率放大器（PA）、低噪声接收放大器（LNA）、晶体振荡器（OSC）、锁相环（PLL）、压控振荡器（VCO）、混频器（MIXFR）、解调器（DEM）等电路。

3 芯片典型应用

nRF401无线收发芯片性能领先业界，其显著特点是外围元件较少(约10个)，在设计上充分考虑了用户编程和使用的方便，例如nRF401可以直接接单片机串口发送接收数据，而无需对数据进行曼彻斯特编码，其他的单片RF收发芯片一般都需要对数据进行曼彻斯特编码后才能发送，采用曼彻斯特编码不仅增加了编程的复杂性，而且传输效率低，实际速率仅为标称的一半，不能满足实时传输的需要。而nRF401系列独特的技术可以直接传送单片机串口数据，目前还没有其他厂商能做到这一点。nRF401是目前外接元件最少的单片RF收发芯片之一，采用易于获得的4MHz晶振，通过频率合成器合成433MHz的工作频率，大大降低了成本，增加了使用的灵活性，而其他产品大多需要外接昂贵的变容二极管或表面波振子(见图一)。

以上是nRF401的典型应用原理图，可直接用于232串口异步传输。图中可以看到，外围元件很少，包括一个基准晶体及几个无源器件，没有调试部件，这给研制及生产带来了极大的方便。图中L1电感需要用高Q高精度的贴片绕线高频电感（Q>45），晶体X1需要用高稳定晶体，电容元件应选用高稳定贴片元件如NPO高稳定电容，以确保性能。

4 nRF401在无线双向防盗系统中的应用

图3是nRF401在无线双向防盗系统中的典型应用原理图，主要包括一个nRF401芯片和编解码器(单片机)，采用单片机可以使功能更为强大。从图中可以看到，外围元件少，仅有一个基准晶体及几个无源器件，没有调试部件，天线用微带天线直接设计在线路板上，这给研制及生产带来了极大的方便。图中电感L1需要用高Ｑ值高精度的贴片绕线高频电感(Ｑ＞45)，晶体X1需要用高稳定晶体，电容选用高稳定贴片元件，如NP0高稳定电容，以确保性能。