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射频信号

更新时间:2023-04-16 02:33:52 阅读：评论：0

2023年4月16日发(作者：装修人工费价格表)

射频（RF）是RadioFrequency的缩写，表示可以辐射到空间的电磁

频率，频率范围从300KHz～300GHz之间。射频简称RF射频就是射

频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000

次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就

是这样一种高频电流。高频(大于10K)；射频（300K-300G）是高频的

较高频段；微波频段（300M-300G）又是射频的较高频段。射频即

RadioFrequency，通常缩写为RF。表示可以辐射到空间的电磁频率，

频率范围从300KHz～300GHz之间；射频电流是一种每秒变化大于

10000次的称为高频电流的简称。

在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通

过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波频率

低于100khz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电

磁波频率高于100khz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外

缘的电离层反射，形成远距离传输能力，我们把具有远距离传输能力

的高频电磁波称为射频；射频技术在无线通信领域中被广泛使用，有

线电视系统就是采用射频传输方式。[1]

绝对功率

各种射频常用计算单位，是深入地理解射频概念的必备基础知识之一；

绝对功率的dB表示射频信号的绝对功率常用dBm、dBW表示，它与

mW、W的换算关系如下：

例如信号功率为xW，利用dBm表示时其大小为：

射频常用计算单位简介

例如：1W等于30dBm，等于0dBW。

1mW等于0dBm

相对功率

相对功率的dB表示射频信号的相对功率常用dB和dBc两种形式表示，

其区别在于：

dB是任意两个功率的比值的对数表示形式；而dBc是某一频点输出

功率和载频输出功率的比值的对数表示形式。

例如：30dBm-0dBm=30dB

天线增益

天线增益一般由dBi或dBd表示。dBi是指天线相对于无方向天线的

功率能量密度之比，dBd是指相对于半波振子Dipole的功率能量密

度之比，半波振子的增益为2.15dBi，因此0dBd=2.15dBi。

其他单位

射频原理

电阻：阻挡电流通过的物体或物质，从而把电能转化为热能或其它形

式的能量，单位：欧姆，

电压：电位或电位差，单位：伏特，V

电流：单位时间内通过电路上某一确定点的电荷数，单位：安培，A

电感：线圈环绕着的东西，通常是导线，由于电磁感应的原因，线圈

可产生电动势能，单位：亨利，H

电容：一个充电的绝缘导电物体潜在具有的最大电荷率，单位：法拉，F

3术语知识编辑

1．功率/电平（dBm）：放大器的输出能力，一般单位为w、mw、dBm

2．增益（dB）：即放大倍数，单位可表示为分贝（dB）。

注：dBm是取1mw作基准值，以分贝表示的绝对功率电平。换算公式：

电平（dBm）=10lgmw

5W→10lg5000=37dBm

10W→10lg10000=40dBm

20W→10lg20000=43dBm

从上不难看出，功率每增加一倍，电平值增加3dB

即：dB=10lgA（A为功率放大倍数）

3．插损：当某一器件或部件接入传输电路后所增加的衰减，单位用

dB表示。

4．选择性：衡量工作频带内的增益及带外辐射的抑制能力。-3dB带

宽即增益下降3dB时的带宽，-40dB、-60dB同理。

5．驻波比（回波损耗）：行驻波状态时，波腹电压与波节电压之比

（VSWR）

附：驻波比——回波损耗对照表：

SWR1.21.251.301.351.401.50

回波损耗（dB）211917.616.615.614.0

注：根据回波损耗（RL）的计算驻波比（SWR）关系式为

SWR=[10^(RL/20)+1]/[[10^(RL/20)-1]]。

6．三阶交调：若存在两个正弦信号1和2由于非线性作用将产

生许多互调分量，其中的21-2和22-1两个频率分量称为三

阶交调分量，其功率ppt怎么播放 P3和信号1或2的功率之比称三阶交调系

数M3。

即M3=10lgP3/P1（dBc）

7．噪声系数：一般定义为输出信噪比与输入信噪比的比值，实际使

用中化为分贝来计算。单位用dB。

8．耦合度：耦合端口与输入端口的功率比，单位用dB。

9．隔离度：本振或信号泄露到其他端口的功率与原有功率之比，单

位dB。

10．天线增益（dB）：指天线将发射功率往某一指定方向集中辐射的

能力。一般把天线的最大辐射方向上的场强E与理想各向同性天线均

匀辐射场场强E0相比，以功率密度增加的倍数定义为增益。Ga=E2/E02

11．天线方向图：是天线辐射出的电磁波在自由空间存在的范围。方

向图宽度一般是指主瓣宽度即从最大值下降一半时两点所张的夹角。

E面方向图指与电场平行的平面内辐射方向图；

H面方向图指与磁场平行的平面内辐射方向图。

一般是方向图越宽，增益越低；方向图越窄，增益越高。

12．天线前后比：指最大正向增益与最大反向增益之比，用分贝表示。

13．单工：亦称单频单工制，即收发使用同一频率，由于接收和发送

使用同一个频率，所以收发不能同时进行，称为单工。

14．双工：亦称异频双工制，即收发使用两个不同频率，任何一方在

发话的同时都能收到对方的讲话。单工、双工都属于移动通信的工作

方式。

15．放大器：（amplifier）用以实现信号放大的电路。

16．滤波器：(filter)通过有用频率信号抑制无用频率信号的部件或

设备

17．衰减器：(attenuator)在相当宽的频段范围内一种相移为零、

其衰减和特性阻抗均为与频率无关的常数的、由电阻元件组成的四端

网络，其主要用途是调整电路中信号大小、改善阻抗匹配。

功分器：进行功率分配的器件。有二、三、四….功分器；接头类型

分N头（50）、SMA头（50）、和F头（75）三种。

18．耦合器：从主干通道中提取出部分信号的器件。按耦合度大小分

为5.10.15.20….dB不同规格；从基站提取信号可用大功率耦合器

（300W），其耦合度可从30~65dB中选用；耦合器的接头多采用N头。

19．负载：终端在某一电路（如放大器）或电器输出端口，接收电

功率的元/器件、部件或装置统称为负载。对负载最基本的要求是阻

抗匹配和所能承受的功率。

20．环形器：使信号单方向传输的器件。

21．转接头：把不同类型的传输线连接在一起的装置。

22．馈线：是传输高频电流的传输线。

23．天线：(antenna)是将高频电流或波导形式的能量变换成电磁波

并向规定方向发射出去或把来自一定方向的电磁波还原为高频电流。

4通信体系编辑

频率介绍

在整个射频通信中，主要包含以下几种频率：传输频率、接收频率、

中频和基带频率。基带频率是用来调制数据的信号频率。而真正的传

输频率则比基带频率高很多，一般的频谱范围是500MHz到38GHz，

数据信号也是在此高频下进行传输的。一般来说，射频系统具有非常

强大的传输调制信号的功能，即使在有干扰信号和阻断信号[z2]的

情况下，该系统也可以做到以最高的质量发送并且以最好的灵敏度接

收调制信号。阻断信号主要有两种：带内阻断信号和带外阻断信号。

带外阻断信号是指分布在信号频谱之外的无关信号，例如由其它无线

传输技术产生的数据信号。带内阻断信号则分布在我们感兴趣的信号

频谱之内，例如由相同的无线传输技术在其它终端产生的数据信号。

对于无线通信而言，要成功地实现射频接收功能，必须要过滤掉这两

种阻断信号。中频多被用来作为传输/接受频率和基带频率的过渡，

而这种传输方式正是超外差结构的基础。一般而言，带外阻断信号可

以被天线自带的滤波器过滤掉。而中频的存在使我们有机会在信号被

混合到基带频率并做数字处理之前将带内阻断信号滤除。另一方面，

在发送端，中频常被用来滤除所有从基带转换到中频这个过程中可能

产生的伪数据和噪声。

采用超外差结构的另外一种实现方法是利用中频采样来减少信号链

上的器件个数。这种方法选择在中频对信号进行采样，而不是在采样

前先将信号混合到基带。在第一种超外差结构中，从中频到基带的转

换过程需要以下器件：本机锁相环、智能解调器（混频器）和双向

ADC（模拟-数字转换器）。如果选择在中频进行采样，那这三个器件

可以用一个高性能的ADC来代替。这不仅可以降低信号链的复杂程度，

还可以提高信号解调的质量。

但是，如果在下行基带转换器里应用高质量智能解调器，也能得到非

常好的通信效果。如果能使本机锁相环和射频器件的漏电足够小，基

带的直流失调便可最小化。除此之外，解调器的相位分离功能可以做

到非常准确的90度的相位分离，这将确保信号解调时，误差向量的

值不会变坏或者只是变坏一点。最后，如果我们在使用智能解调器的

同时，使用一个具有低相位噪声的锁相环，将会确保基带输出信号的

低噪声，并且因此获得一个好的位错误率(BER)。

因为ADC要在越来越高的频率下工作，所以中频采样结构的功耗变得

比第一种超外差结构越来越高，并因此而越来越昂贵，这是中频采样

结构的最主要的缺点。由于这个原因，基于中频采样的射频结构往往

更适合那些在相对低频或者中频的应用，毕竟这些频段对成本的影响

不大。不过随着科技的发展，尤其是CMOS工艺的引进，使得集成高

性能的器件和电路的价格越来越低，在不远的将来，中频采样结构将

不再是一种昂贵的选择。

在射频通信中应用的第三种结构是直接转换结构（见图3）。由于直

接转换结构直接将基带信号和射频信号在同一进程中混合在一起，这

使得该结构的信号链路最为简单，它所需要的元器件最少。与其它两

种结构不同的是，它将不需要中频处理和声表面波（SAW）滤波器。

直接转换结构的主要优点是：价格便宜、小型化、低功耗，并且没有

中频转换相关器件。这些优点使得这种结构非常适合在低功耗、便携

式终端的应用。尽管如此，一些高性能器件的使用为直接转换结构应

用在高端市场打开了方便之门。事实上，正是这些高性能器件的使用，

使得直接转换结构受到越来越多的关注。

由于在直接转换结构中没有中频处理单元，带内阻断信号的功率将直

接传递到混频器和模数转换器（如果信号链路上含有模数转换器）。

低噪声的混频器将确保弱信号不会被噪声和阻断信号所淹没。另外，

由于混频器具有高的输出摆幅和低的失真，阻断信号既不会过驱动整

个系统也不会调制到我们需要的载波信号上。

对于基带超外差接收器，如果在本机锁相环和射频输入之间存在泄漏

通路，就一定会产生直流失调。对于和全球移动通信系统类似的支持

跳频的一些射频应用来说，频率的跳变将导致本机锁相环路漏电的改

变，并最终导致整个系统的直流失调的跳变。如果要纠正它，必须在

系统中引入一个直流失调的补偿环路。尽管如此，在那些不需要跳频

的应用中，本机锁相环的漏电是不变的，因此动态直流失调的补偿意

义不大。

在传输端，由于不能有效降低带内噪声和失真，采用直接转换结构的

射频发射机必须是由那些动态范围大的元器件构成。

在基站的相关应用中，由于面积和频道密度要被重点考虑，直接转换

结构尤其被看好。因为从基站的角度看，带内阻断信号是不存在的（也

就是说基站自己将处理带内阻断信号），所以，即使直接转换结构缺

乏滤除带内阻断信号的功能也是可以接受的。

当然，选择何种射频电路结构应该由市场应用来决定。这些指导设计

的因素包括：从设计到产品进入市场的时间、成本、外形、功能指标、

灵活性、能否支持多种不同的应用模式等等。如何针对一个确定的应

用去选择合适的射频结构不在本文的介绍范围之内。但是可以明确的

是，如今一些射频器件制造商已经可以提供各种针对性的服务以帮助

我们设计合适的射频系统，在整个结构设计的过程中，他们甚至可以

提供几位富有经验的工程师为我们答疑解惑。

功耗管理

在整个研发过程中，你对相关技术了解得越多，你就越能优化你的设

计。举例来说，你在设计中使用一个比较昂贵的器件或许可以降低整

个系统的成本，换句话说，有的时候在一些器件上多投入几个美分，

就可以充分地延长同样电池的使用时间。

另一个要注意的地方是功率检测器，它将发射机实际产生的发射功率

与理论值相比较以判断是否超出可承受的范围。由于发射信号的时候

发射机必须工作在一定的功率范围内，再加上实际环境肯定会导致电

路功耗发生一定的跳变，功率检测器的作用就显得非常重要。当终端

的发射功率低于理论范围时，基站就不会识别此信号，相反，如果终

端的发射功率超出了理论范围，此信号就会掩盖它相邻的信号。

可是，从功耗的角度来看，如果系统的发射功率在理论范围的高端，

将导致相对更多的系统功耗，并最终降低电池的使用寿命，除非系统

一定要通过提高发射功率来克服远近争用。就一般情况而言，器件的

发射功率越接近理论范围的低端，电池的使用率就越高。如果要尽可

能让器件的发射功率呆在理论范围的低端，就必须有一个非常灵敏的

功率检测器来保证发射功率不会跌出理论上可接受的功率范围，因此，

在低发射功率（也就是低功耗）与高灵敏度的功率检测器之间存在一

个折中。

基于对数的功率检测器可以在非常宽的动态范围内提供高精度的功

率检测，其测量对象既可以是功率在几个毫瓦的弱信号，也可以是功

率在瓦级的强信号。在类似于无线局域网标准(802.11)或WiMAX无线

宽带标准的一些无线通信标准下，信号均峰值比率的跳变会导致基于

对数的功率检测器的灵敏度下降。举例来说，当终端从低的数据交换

率（比如上载一个纯文本信息）转变到高的数据交换率（比如下载一

个新的图形标识和或者声音文件）时，数据交换率的动态增长和调制

的变化将导致信号均峰值比率的跳变，与此同时，基于对数的功率检

测器将会比正常情况多或少地检测到发射功率；如果最终检测的结果

过高，就会促使系统自动降低发射功率，一旦实际功率低于理论功率

范围的下限，整个通信将会被迫中断。

对于上面这类应用来说，均方根(RMS)功率检测器更为合适。均方根

功率检测器不仅可以工作在很宽的动态范围内，还可以在数据交换率

跳变的情况下准确地检测出发射功率。不过，具有同样宽的动态范围

的均方根功率检测器比基于对数的功率检测器要稍微贵一些，因此，

在价格和性能上同样存在一个折中。如果你的应用不需要很高的精度，

那么一个基于对数的功率检测器或者一个较窄动态范围的均方根功

率检测器无疑都是你省钱的选择。

器件尺寸

对于便携式终端的应用，器件尺寸的大小是设计时要重点考虑的因素。

由于许多射频应用都是在便携式产品领域，芯片卖主时常要求许多不

同的封装模式。越小的封装常常意味着更加高的性能要求，我们必

须注意当封装尺寸小到一定程度的时候，芯片便会出现意外。由于封

装尺寸越来越小，当芯片工作在发射模式的时候，芯片的散热将会越

来越困难。为了解决这个问题，许多小的封装常常使用散热片以减小

芯片的热阻抗。它只有一堆管脚和薄薄的一层塑料外壳用以保护芯片。

让选择更有余地

当你决定设计各个功能模块的时候，一定要认真考虑你的设计最终将

应用在哪些射频领域。举例来说，你或许需要为你的客户提供一系列

基于本地频率的射频通信系统。考虑到设计一个射频通信系统的复杂

程度，最为有利的方法是先搭建一个应用简单的但是可以做许多适应

性改进（比如支持多种频率）的射频通信系统。如果用这种方法，你

只需要用很少的时间去建立一个可用的射频通信系统，并且可以腾出

更多的时间去应付那些针对特别需求的设计。

举个例子，一个范围在直流到10GHz的功率检测器可以适用于任何无

线标准。如果使用更加精确、更加稳定（例如对温度稳定）的高质量

器件，而相关的应用又不需要这么高的精度和稳定性，这无疑会增加

设计的成本。尽可能地使用单个器件或许可以完全抵消其它部分的代

价并且略有赢余。与此同时，还有可能缩短从设计到产品上市的时间。

如果你要考虑在你的设计中引入射频技术，你并不需要匆忙地决定一

个实现射频功能的结构。在最终决定系统结构前，必须好好考虑你的

卖主的市场应用，并且要考虑到随着时间的推移，一些新的射频功能

将被要求在你的产品中实现。

5医学应用编辑

什么是射频除皱

是一种非侵入式的治疗方式，是目前一个最为安全，最有效果的美容

去皱方法之一。

射频除皱的原理

射频波穿透表皮基底黑色素细胞的屏障，使真皮层胶原纤维加热至

55℃-65℃，胶原纤维收缩，使松弛的皮肤皱纹被拉紧，从而达到美

容去皱的目的。

射频除皱特点

特点1：高效，实验证明，射频除皱能有效刺激胶原蛋白重组，紧致

肌肤、减少皱纹，治疗后满意度较高。

特点2：安全，射频除皱系统能保护表皮层，达到即安全又高效的满

意效果，比其它非侵入式的治疗安全性更高。此外，治疗后没有恢复

期，患者可以立即恢复日常作息，免去了其它治疗后所必须的注意事

项。

特点3：持久，治疗后，因新生的胶原蛋白一直延续不断产生，皮肤

天天都会有改善。且会在4—6个月左右达到更加显著，令人满意的

效果。

6识别系统编辑

识别技术

射频识别技术依其采用的频率不同可分为低频系统和高频系统两大

类；根据电子标签内是否装有电池为其供电，又可将其分为有源系统

和无源系统两大类；从电子标签内保存的信息注入的方式可将其分为

集成电路固化式、现场有线改写式和现场无线改写式三大类；根据读

取电子标签数据的技术实现手段，可将其分为广播发射式、倍频式和

反射调制式三大类。

1．低频系统一般指其工作频率小于30MHz，典型的工作频率有：125KHz、

225KHz、13.56MHz等，这些频点应用的射频识别系统一般都有相应

的国际标准予以支持。其基本特点是电子标签的成本较低、标签内保

存的数据量较少、阅读距离较短（无源情况，典型阅读距离为10cm）

电子标签外形多样（卡状、环状、钮扣状、笔状）、阅读天线方向性

不强等。

2．高频系统一般指其工作频率大于400MHz，典型的工作频段有：

915MHz、2450MHz、5800MHz等。高频系统在这些频段上也有众多的

国际标准予以支持。高频系统的基本特点是电子标签及阅读器成本均

较高、标签内保存的数据量较大、阅读距离较远（可达几米至十几米），

适应物体高速运动性能好、外形一般为卡状、阅读天线及电子标签天

线均有较强的方向性。

3．有源电子标签内装有电池，一般具有较远的阅读距离，不足之处

是电池的寿命有限（3~10年）；无源电子标签内无电池，它接收到

阅读器（读出装置）发出的微波信号后，将部分微波能量转化为直流

电供自己工作，一般可做到免维护。相比有源系统，无源系统在阅读

距离及适应物体运动速度方面略有限制。

系统组成

最基本的RFID系统由三部分组成：

1．标签(Tag，即射频卡)：由耦合元件及芯片组成，标签含有内置

天线，用于和射频天线间进行通信。

2．阅读器：读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备。

3．天线：在标签和读取器间传递射频信号。

有些系统还通过阅读器的RS232或RS485接口与外部计算机(上位机

主系统)连接，进行数据交换。

工作原理

系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信

号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能

量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；

系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送

到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统

进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的

设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。

在耦合方式(电感-电磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、从射频卡到阅

读器的数据传输方法(负载调制、反向散射、高次谐波)以及频率范围

等方面，不同的非接触传输方法有根本的区别，但所有的阅读器在功

能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相似，所有阅读器均可简

化为高频接口和控制单元两个基本模块。高频接口包含发送器和接收

器，其功能包括：产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量；对发

射信号进行调制，用于将数据传送给射频卡；接收并解调来自射频卡

的高频信号。不同射频识别系统的高频接口设计具有一些差异，电感

耦合系统的高频接口原理图如图1所示。

阅读器的控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应

用系统软件发来的命令；控制与射频卡的通信过程(主-从原则)；信

号的编解码。对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法，对射频卡与阅

读器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和阅读器间的

身份验证等附加功能。

射频识别系统的读写距离是一个很关键的参数。长距离射频识别系统

的价格还很贵，因此寻找提高其读写距离的方法很重要。影响射频卡

读写距离的因素包括天线工作频率、阅读器的RF输出功率、阅读器

的接收灵敏度、射频卡的功耗、天线及谐振电路的Q值、天线方向、

阅读器和射频卡的耦合度，以及射频卡本身获得的能量及发送信息的

能量等。大多数系统的读取距离和写入距离是不同的，写入距离大约

是读取距离的40%～80%。

7标准分类编辑

生产RFID产品的很多公司都采用自己的标准，国际上还没有统一的

标准。ISO18OOO。应用最多的是ISO14443和ISO15693，这两个标准

都由物理特性、射频功率和信号接口、初始化和反碰撞以及传输协议

四部分组成。

按照不同得方式，射频卡有以下几种分类：

1．按供电方式分为有源卡和无源卡。有源是指卡内有电池提供电源，

其作用距离较远，但寿命有限、体积较大、成本高，且不适合在恶劣

环境下工作；无源卡内无电池，它利用波束供电技术将接收到的射频

能量转化为直流电源为卡内电路供电，其作用距离相对有源卡短，但

寿命长且对工作环境要求不高。

2．按载波频率分为低频射频卡、中频射频卡和高频射频卡。低频射

频卡主要有125kHz和134.2kHz两种，中频射频卡频率主要为

13.56MHz，高频射频卡主要为433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz等。

低频系统主要用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、校

园卡、动物监管、货物跟踪等。中频系统用于门禁控制和需传送大量

数据的应用系统；高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度

的场合，其天线波束方向较窄且价格较高，在火车监控、高速公路收

费等系统中应用。

3．按调制方式的不同可分为主动式和被动式。主动式射频卡用自身

的射频能量主动地发送数据给读写器；被动式射频卡使用调制散射方

式发射数据，它必须利用读写器的载波来调制自己的信号，该类技术

适合用在门禁或交通应用中，因为读写器可以确保只激活一定范围之

内的射频卡。在有障碍物的情况下，用调制散射方式，读写器的能量

必须来去穿过障碍物两次。而主动方式的射频卡发射的信号仅穿过障

碍物一次，因此主动方式工作的射频卡主要用于有障碍物的应用中，

距离更远(可达30米)。

4．按作用距离可分为密耦合卡(作用距离小于1厘米)、近耦合卡(作

用距离小于15厘米)、疏耦合卡(作用距离约1米)和远距离卡(作用

距离从1米到10米，甚至更远)。

5．按芯片分为只读卡、读写卡和CPU卡。

随着当今电子、计算机技术的飞速发展，射频技术作为一种无线网络通讯手段，

已经在越来越多的场合上使用，并且表现出其独特的优越性。它取代了传统中错

综复杂的电缆，使家庭或办公场所的移动电话、便携式电脑、打印机、复印机、

键盘及其他设备实现了互联互通，将人们从无数的连接电缆中解放出来，自由方

便地构成自己的个人网络。作为取代数据电缆的短距离无线通信技术，它将家庭

或办公室中的各种数据和语音设备联成一个微微网，还可以进一步实现互联，形

成一个分布式网络，从而在这些联接设备之间实现快捷而方便的通信联系，因此

它在无线网络系统中的发展潜力巨大。

1系统硬件组成与工作原理

射频与数字基带部分电路通过合适的方式连接起来就构成了所设计的无线射频

收发应用系统的硬件电路，总体电路如图l所示。其中，带有箭头的表示接外加

的电压，以保证电路正常工作，其工作电压为3V。

1．1系统主电路结构与原理

射频部分电路主要是用TRF6900收发芯片和一些外围元件设计成的射频收发器。

TRF6900是TexasInstruments公司推出的单片射频收发器芯片，其内部集成了

完整的发射电路和接收电路。它的工作频率范围为850～950MHz，供电电压范

围为2．2～3．6V，射频输出功率高达+5dBm，而待机模式时的电流消耗仅在O．5～

5A之间。TRF6900采用高吞吐率16bRISC结构，其最快速率可达8MIPS。另

外，这种收发器还具有FM／FSK调制模式，并采用三线制串行接口，因而能很方

便地与微控制器相连接，可用于ISM频段内数据的双向无线传输，能够容易地对

它的收发进行控制，因而基于它的应用也越来越普遍。

1．1．1接收原理

从天线接收到的信号由LNAIN引入TRF6900，首先经过低噪音放大器。低噪音

放大器提供13dB的增益，它有正常和低增益两种模式，当TRF6900接收的信号

较强时，应该选择低增益模式，这样可以最大程度地减少信号的非线性失真。放

大后的信号被送入混频器，混频器将信号变频到中频，再通过第一和第二级中频

放大。第一级中频放大可获得7dB的增益，用以补偿滤波器带来的损耗；第二

级中频放大包括多个放大器，总共可获得80dB的增益。经过两级放大后的信号，

如果采用的是FM／FSK调制方式，就送入FM／FSK解调器，解调出的数据信号从

DATAOUT引出。如果是频移键控(ASK)或开关键控(OOK)，则送入接收信号强度

指示器(RSSI)解调，解调后的基带数据从RSSIOUT输出。

1．1．2发射工作原理

数字基带信号从TXDATA引入TRF6900片内，经过直接数字频率合成器(DDS)调

制到中频，再通过锁相环(PLL)倍频到射频，最后通过功率放大器放大信号后，

由PAOUT导出射频信号，再通过天线发射出去。

1．1．3串行控制接口工作原理

串行控制接口包括CLOCK，DATA，STOBE三部分，控制着TRF6900内部所有的寄

存器，包括DDS参数设定寄存器和其他的控制寄存器。在CLOCK的每一个上升沿，

DATA管脚的逻辑值送入24b的移位寄存器，当STOBE电平被抬高时，设定的参

数被送入选定的锁存器。TRF6900有四个可编程的24b控制字(A，B，C，D)。

控制字A和B分别控制DDS模式0和模式1状态下输出信号频率。控制字C负责

锁相环和DDS模式O的设定。控制字D负责调制和DDS模式1的设定。

1．2数字基带部分

数字基带部分基于微型控制器MSP430F1121。通过它将外部的模拟信号转换为适

合TRF6900的数字信号，再配合软件设计可以很方便地进行智能化转换。数字基

带部分的硬件电路由RS232和MSP430F1121组成，如图1所示。

MSP430F112l微型控制器是一款超低功耗、高性能的16位精简指令集MCU，主要

由以下部分组成：基础时钟模块，包括1个数控振荡器(DCO)和1个晶体振荡器；

看门狗定时器WatchdogTimer，可用作通用定时器；带有3个捕捉／比较寄存

器的16位定时器Timer_A；2个具有中断功能的8位并行端口：P1与P2；模拟

比较器ComparatorA。

2系统参数计算

2．1鉴相器的参考频率

鉴相器是PPL构成锁相环中的单元模块之一，其输入的参考频率是由DDS的输出

信号决定的。基于DSS技术的频率合成器能很好地满足各项指标性能，同时也使

设计变得简单。鉴相器输出频率的分辨率为：

式中：fpd是鉴相器的最小输入频率，也是DDS时钟频率fref的2，即最低有

效位的权值。TRF6900DDS累加器有24位，fpd乘以预标值N(可选择256或者

512)，由它可得出最小频率的步进值为：

累加器的输入是24位的用户串行数据(控制字)，时钟基准信号作为累加器的工

作时钟信号，两者决定频率的分辨率；输出是一串抽样斜坡数字脉冲，空号频率

等于时钟频率。经过D／A转换后得到模拟域的正弦信号fo_DSS，它代表基准相

位，即作为鉴相器的基准输入信号。DDS的最终性能主要取决于D／A转换过程

中的量化误差以及滤波特性。

2．2晶振时钟电路及频率

2．2．1时钟电路的设计及参数计算

晶振采用并联谐振的工作方式，如图1中23～24脚外围电路所示。电路总的相

移为360，其中反向器提供180的相移，R7和C22提供90的滞后相位，晶

振和电容C1也带来90的相位滞后。并联工作的晶振是作为电感用的。晶振接

入电容补偿相移以满足振荡条件。

偏振电阻R1用于设置反相器的偏置点，典型值是Vcc引脚值的二分之一。R1过

小，将降低环路增益，破坏网络反馈条件，典型值是1～5M。可以观察23引

脚的输出频率随电压的变化情况。如果晶振有过驱动，则增大电压后，输出频率

会下降，此时应该微调电阻R2(调高)。注意，R2应该足够小，以确保振荡器在

小于最小工作电压的情况下能够起振。C1和晶振的旁路电容Co及反相器的输入

电容共同构成了晶振的输入电容。要提供稳定度，晶振的输入电容典型值可选择

20～30pF。

2．2．2频率的选择

根据抽样定理可知，时钟频率fref(fref／2即为Na-quist频率)对量化噪声功

率、冗余信号电平以及输出频谱中由于不满足抽样定理而带来的干扰信号、时钟

频率和鉴相器的参考基准频率fo_DSS(即由DSS得到的信号频率fref／fo_DSS)

的比率越大，频率合成器的输出信号频谱所受到的干扰就越少。时钟频率的具体

计算方法如下：

假设要使基于DDS的PLL构成的频率合成器的输出频率为906．24MHz(与DSS

得到的输出信号频率fo_DSS即鉴相器的参考基准频率要区别开来)，经过256

或者512分频(可选)，假设为256，那么DDS的输出信号频率fo_DSS就应等于

906．24／256=3．54MHz，可得到PLL的输出频率的计算公式：

式中：预标值N可选择256或者512，DDS_x为控制字A或B的值。

DSS频率值可通过串行口控制字编程设置，其最低有效位是2，最高有效位是

223。两个最高位(23，22位)用户不可访问，系统内部自动置为0，21-0位，并

由用户编程设置。其中，A字对应DDS-O即模式0的频率；B字对应DDS-1即模

式1的频率；C字控制PLL、数据限制器和模式1寄存器的设置；D字控制调制

方式(如频偏大小)和模式O寄存器的设置。

2．3载波频率计算

由时钟频率经过基于DDS的频率合成器可得到VCO输出的载波频率。对于典型的

25．6MHz时钟频率，由表1可得当DDS控制字为001，000，111，0000，000，

000时，可计算出的VCO输出频率即载波频率为915MHz。

由表1可知：

最后的VCO输出频率为：

2．4DSS控制字的计算

TRF6900的FSK调制是由专门的FSK频偏寄存器来完成。A，B控制字用来设置接

收机和发射机的频率及信道。在应用系统的使用中，A，B控制字用来设置FSK

频偏。用于FSK方式时DDS控制字的计算方法如下：

假设载波频率为915．OMHz，频偏为20kHz，即A字对应的VCO输出频率

fout1=915．00MHz；B字对应的VCO输出频率fout2=915．02MHz；时钟频率

fclock=fref=25．6MHz；分频比N=256。下面计算A，B控制字：

A字对应于DDS_O值：

所得的二进制的DDS_O将装入A控制字中。

B字对应于DDS_1值：

所得的二进制的DDS_1将装入B控制字中。

2．5本地振荡器

TRF6900的本地振荡器(LO)是锁相环PLL形式，由基于片上DDS的频率合成器、

低通滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)构成。

2．5．1VCO的电路设计

压控振荡器是输出信号频率随输入控制电压变化的振荡器。为了减小相位噪声，

VCO电路通常由分立元件构成。

LC谐振槽路的谐振频率：

谐振频率时的电感值：

式中：|ZIN|为TRF6900内部振荡器的输入阻抗；QLOAD为谐振回路的品质因数；

QP为电感的品质因数；f为谐振频率。

2．5．2VCO的灵敏度

变容二极管的电容大小与调谐电压成正比，VCO的灵敏度：

2．5．3参数计算

设计的无线收发电路工作在868～928MHzISM频段。假设TRF6900的VCO输出

频率为880～950MHz，调谐电压为0．3～2V。TRF6900振荡器的输入阻抗|ZIN|

即引脚13和14间的电阻大小约为1400；谐振回路的品质因数必须大于等

于10；在915MHz时，电感的品质因数大约等于80。由公式可得：L≤10．65nH，

取L=10nH标准值。

从方程中可知：

为了扩大变容二极管的调谐范围，根据以上的计算，C2可以取2.2pF，C1可取

3.3pF。

设计时采用AlphaIndustries的SMV1247系列变容二极管，其参数如下：

要注意的是因为PCB的分布电容不可预测，随工作频率变化而变化，所以在PCB

调试时要进行必要的修正，这里采用经验值。

现在对上述元件参数进行验证：

对于0．25V时的ftune，依据公式有CTOTAL=3．346pF；

对于2．00V时的ftune，有CT0TAL=2．799pF。

由上述方程式可知，槽路的谐振频率：MHz，，2MHz。显然，能满足880～940MHz

频率调谐范围。对于满足880～940MHz的频率调谐范围的元件参数，取L=10nH，

C1=3．3pF，C2=2．2pF，变容二极管为SMVl247-079。最后可得出VCO的灵敏

度MHz／V。

2．5．4环路滤波器的设计

(1)计算公式

环路滤波器是一个典型的二阶低通滤波器，用于频率合成器中电荷泵电流模式。

二阶元件的计算公式：

式中：KPD为鉴相器增益(单位：A／rad)，KPD=ICP／2；KVCO为VCO增益(单

位：rad／V)；N为分频比；为阻尼比，有效范围是0<<1，典型值为O．707；

N为自然谐振频率(单位：rad／c)，N=(2BN)／[(+1)／2]2。

(2青年说 )设计注意事项

VCO有加速和正常两种工作模式，锁存时间都要小于250s。正常模式用于精确

控制并保持VCO工作所需频率；加速模式利用APLL锁相环加速因子来提供快速

粗调，它可以使用TRF6900软件根据需要进行调整。DSS的谐振通常在环路带宽

内，不能用环路滤波器抑制，但降低环路滤波的带宽可以减小DSS谐波产生的可

能性。正确选择时钟基准频率能较好地抑制DSS谐波。

3系统软件设计

软件部分主要由主程序和各个子程序组成。主流程图包括两部分：一是设备初始

化；二是循环部分(loopmain)设置相关的循环程序。初始化部分主要是设置端

口、模式和时钟系统；循环部分(loopmain)提供RS232和射频(RF)通信，包括

校验总和的初始化。篇幅所限这里不做介绍。

4结语

本设计根据TRF6900收发芯片的特点和微型控制器MSP430F112的优点设计的无

线数据收发系统，经过多次实验证明，其发射端能正确地将数据传送出去；同时，

经TRF6900发射后，接收端也能正确接收并显示数据。系统完成了比较完善的硬

件设计以及抗干扰措施，今后将继续开发系统软件，这样就可以保证系统工作的

安全性和可靠性，并具有通用性，便于投入实际应用，具有广泛的市场应用价值。