SC系列收发模块

    摘要：SC系列产品是LINX技术公司采用先进的超外差式合成体系结构生产的系列收发模块，其内部集成了模拟和数字信号接口、UART数据输出（已通过完全的质量认证）、接收信号强度指示器、收发开关、前端梳状滤波器等，因而具有功耗低、工作电压宽、转换速度快、数据传输速率高等多种特点，可经济高效地对无线信息进行双向传输，用途十分广泛。

关键词：收发模块  UART  频移键控（FSK）  FM  无线数传

1 结构特点及主要参数

SC系列收发模块是一种单通道、半双工、数字/模拟收发集成电路，它采用FSK（Frequency Shift Keying）和FM两种信号调制方式，工作频率稳定可靠，输出功率可达1mW，而且外围元件少。除天线外，不需要其它外部RF和调谐部件，可广泛应用于各种无线设备中。图1是该模块的引脚图。表1为引脚功能说明。

表1 SC系列产品的引脚功能

SC系列收发模块的主要特点如下：

●晶振控制结构，频率稳定精确；

●透明串行输入；

●兼容UART数据输出；

●内建数据抑噪；

●数据传输率高达33.6kb/s；

●可对对讲机音质的声音信号进行传输；

●单振子天线备件（不需收发开关）；

●输出功率及各次谐波符合FCC标准；

●差分本振显著减少了随机散射；

●接收灵敏度高（在10 -5误码率的条件下可达-92dBm）；

●前端梳状滤波器极大抑制了带外的输入信号；

●内含接收信号强度指示器；

●可快速启动和转换；

●电源电压为2.7～16V（直流）；

●低功耗（工作电流12mA）；

●待机电流为50μA（VCC为5V时）。

表2所列为SC系列收发模块的主要参数。

表2 SC系列收发模块的主要参数

2 工作原理

收发模块的发射机可根据TXDATA引脚的输入基带信号直接调节载波。如果信号为模拟信号，发射机将休用FM模式调节载波，如果为方波信号，则其调节方式为FSK模式，频率峰值误差为±50kHz。当SC系列模块处理声音信号时，其效果只能达到对讲机的音质。误差太大会使收发模块的接收机端在重构音频信号时发生失真。功率放大器可在12dB的范围内调节。在LVLADJ引脚与地间接一可变电阻可调节输出功率的大小。在FCC测试时，这对优化产品设计极有好外。收发模块的接收机可以恢复低至-92dBm(典型值)的信号。接收机采用中频10.7MHz的超外差式结构，正交解调器可从载波中将基带音频信号解调为音频信号，经滤波后送至数据离散器以重构数字波来调节发射机。

SC系列收发模块为半双工模式，所以在同一时间它只能工作在发射或接收模式。它的收发部分有一个电压调节器，可将内部Vcc调至3.3V，这使SC系列收发模块的电源电压范围可宽达2.7～16V.在2.7V时，其内部调节器就象一饱和开关，电压可直接送至内部各电子部件。PDN引脚可将收发模块置于低电流（50μA）的待机模式。

2.1 发射机工作原理

SC系列收发模块的发射机是一宽带调频发射模块。当外接50Ω电阻时，其输出功率可达1mW。发射机由本振和晶体控制频率合成器组成，频率合成器可利用频率比较稳定的晶振对本振进行锁相，以达到高Q值、低相位噪声的目的。

调频信号的调制根据参考晶振载以连接可调的电抗，这种调制方式可以宽带调制。如果是本振调制，频率合成器将跟踪锁相滤波器带宽内的任何调制，这其实是大多数发射机采用的调制方式。当信号以3V方波形式输入时，发射机将采用FSK调制方式，设计频率峰值误差为±50kHz。对于5V信号，建议在TXDATA引脚加一30kΩ的电阻。

输出放大器可在外部调节，范围为-12～0dBm。LVLADJ引脚即为其控制引脚。当电压为3V时，输出功率达到最大，0V时达到最小，最大时发射机的典型电流为25mA，最小时为12mA，一个1kΩ的内部上拉电阻可将LVLADJ引脚电压拉至2.7V。要调节发射功率，只需在LVLADJ引脚与接地脚之间加一可变分压电阻即可。不管发射功率需不需要改变，均建议加此电阻，因为在各种测试中或为符合某一标准而不得不改变发射功率时，上述措施将极为方便。

当用此收发模块进行设计时，有两个重要的时间参数必须考虑：第一是启动时间，第二为收/发转换时间。必须注意，TXEN和RXEN引脚不能同时为高电位，否则将使时间参数错误，也可能导致错误的发射信号。

2.2 接收机工作原理

接收机是一个基带带宽为17kHz的超外差调频接收模块，射频信号经前端梳状滤波器滤波后，降低了诸如寻呼发射机和移动电话系统的干扰信号幅度。利用高度的RF集成电路，使滤波信号经过放大和向下变频而成为10.7MHz的中频信号，再经放大、滤波，最后解调恢复为发射机发射的音频基带信号。音频输出需经过3阶低通滤波器滤波。一种专用数据离散器可从音频信号中恢复CMOS电压。数据离散器还可以在400Hz～17kHz的频带内重构方波。其数据传输率为4.8kb/s～33.6kb/s。

当发射机接通但不调制或者接收信号太弱而不能保证被正确解调时数据输出将被抑噪成高电位以确保UART输出的兼容性。

电源必须为纯净的直流电源，以保证收发模块的正常工作和接收机的整体灵敏度。在调频接收机中，电源噪声分为调频和调幅噪声两种，它们会降低接收机的整体灵敏度。因此模块的供电电路应加入图2所示的低ESR旁路电容。

3 应用设计

3.1 系统设计

为正确应用SC系列收发模块进行设计，设计者必须对通信联系中的发射机、发射天线、自由空间、接由天线、接收机有一个“系统”的观点。在设计中，必须充分理解和考虑到系统中的每一点在每一刻都可能发生数据中断。

必须注意，SC系列收发模块不会对数据进行任何方式的编码和打包。这种透明消除了传统天线调制器所普遍带有的不确定的潜在因素。这使设计者可以很灵活的设计草案。其缺点是系统的性能和可靠性要在很大程度上取决于外部软件和硬件的质量。最关键的是所有的项目工程师必须对有线和无线环境的差异有全面的了解和考虑。

SC系列民眼模块为半双工模式，这意味着在任何给定时刻它只能工作在发射或接收模式，二者不能同时工作。当工作模式转换时，由于分时的需要，使得SC系列收发模块的设计稍具挑战性。

对于典型的系统设计，可按以下步骤进行：

（1）开启发射模式

当TXEN为高电位、RXEN为低电位是，SC系列收发模块被置于发射模式。这时PDN引脚需打开或上拉至VCC。一旦收发模块置于发射模式，压控晶振（VCO）将启动，并对主要载波开始锁相跟踪。

（2）等待发射机稳定

锁相跟踪4～5s后，发射机频率达到稳定，准备发射数据。

（3）发射数据包

数据包的传输格式为：[uart sync byte][start byte][packet data]

uart sync byte是为保证正确发现起始字的起始位而规定的，其值为：单字0FF（十六进制）。Start byte起始字表示数据包的开始。超始字启动后与SC系列收发模块连接的计算机或微控制器开始监测超始字的出现。

（4）开启接收模式

当TXEN为低电位、RXEN为高电位时，SC系列收发模块被置于接收模式。PDN引脚打开或上拉至VCC。此模块开启后，晶振对本振锁相进行控制。

（5）等待接收机稳定

当本振锁相和数据峰值检测器稳定后，接收机准备接收正确的数据，时间大约为7～10s。

（6）接收数据包

前同步信号是为了启动数据离散器而发出的，但这将干扰UART，UART规定一个字的起始位为1-0。输入数据为101010…，则很难判断哪组10为起始位。而通过uart sync byte即可解决此问题。它可将位元模式规定为…010101011111111。中间空格符为uart sync byte，那么UART会把最后的10看作起始位，将接收数据接收计算机或微控制器能利用起始字正确接收数据包。而实际上，可能有两个起始字。不管怎样，必须选择起始字，使其不能出现在流当中。否则，数据包在传输过程中，接收机会将其中的数据看成起始字。即使是偶然的突发错误，也会破坏数据包，所以，建议在数据包中植入某种检错码，如CRC校验码等。

当用于半双工通信时，微控制器基本按照以上步骤顺序执行，然后回到第一步，在收、发模式间反复跳转。因此，设计者必须考虑收、发二者的分时。并且必须对整个设计草案仔细考虑，以确保系统在各种环境下的可靠性。

3.2 电路板设计

SC系列收发模块的生产商LINX公司已经仔细研究了其PCB布局，用户只要按照基本的设计布局原则将SC系列收发模块直接设计在产品之中就可以了。

在SC系列收发模块下面应铺设尽可能大的接地面，模块应尽量与其它部件隔离，尤其是应频电路（如晶振）。收发模块与天线的边线即金属贴片应尽量短。对于宽带天线，比较适宜的距离为3.2mm。对于长距离或高Q值窄带天线，为避免失谐，应采用50Ω同轴线或微带传输线。

3.3 SC系列收发模块的音频应用设计

SC系列收发模块不仅可充分应用于串行数据的发送，而且可发送包括声音在内的多种简单和复杂伯模拟信号。对于高品质的声音信号，采用SC系列收发模块也许不可取，但对于对讲机质量的声音信号或者数据与声音的混合信号，SC系列收发模块还是理想的选择。

音源应该是峰值电压为1V的交流信号，带宽应限制在3～5kHz并送至TXDATA引脚。图3给出了一个参考电路，如果输入信号电平过高，将会导致声音的失真。RXDATA引脚的输出应加一低通滤波器以得到3～5kHz的音频输出。图4电路中应用了一个5kHz的低通滤波器。音频信号的信噪比依赖于所选带宽。信噪比越高，在声音背景中的“噼啪”声越少。选取截断频率为3kHz的滤波器会得到最好的信噪比。但这显然限制了音频信号的发射频率范围，也就是说，声音的音质将会受到很大限制。如果需要更宽的频带，截止频率最高可为8kHz，但信噪比将会下降。

3.4 外接天线设计

利用SC系列产品进行无线电联系的范围依赖于所用天线的类型和工作环境。正确设计和匹配天线需要复杂的测试设备和严格的电磁传播背景或空间。所以最简单的方法是采用LINX公司为SC系列收发模块设计生产的天线。

为计算方便，一般采用基本的1/4波长鞭状天线。一旦样品工作满意，那么作为产品，所选用的天线应满足产品的成本、尺寸以及外型需要。天线在决定最终产品性能的因素中起着重要作用。下面给出选用天线的基本原则：

（1）靠近诸如人体（手）或金属等物体会导致天线失谐，所以，天线轴与顶端应远离这些物体。

（2）当与接地面垂直时，1/4波长或1/2波长鞭状天线可获得最佳性能。但很多时候这不符合实际或人体工学的需要。因此，可供选择的天线种类有：螺旋、环型、贴片和鞭状天线等。

（3）如想在PCB上做内建天线，则天线应远离其它金属部件，如变压器、电池、PCB走线以及接地面等。多数情况下，天线周围的空间环境与天线本身同等重要。

（4）在许多天线设计中，接地面实际上作为镜像，尤其是1/4波长鞭状天线，其实质为1/2波长偶极子天线。因此应有足够的接地面积。一般情况下，接地面积要大于1/4波长天线辐射元的总体长度。

（5）应使天线尽量远离潜在干扰源（如开关电源、振荡器、继电器等）。而且PCB一定要设计好。可采用一高频旁路电容对电源滤波、或在所有的潜在干扰源下面铺设足够的接地面来减少干扰。

（6）条件允许时，可使SC系列收发模块及其天线远离主设备。这样可避免干扰并且可使天线的性能达到最佳。SC系列收发模块及其天线与主设备之间应采用50Ω的同轴线作为远程馈线。

由于人与人的知识、经验不尽相同，对于复杂多变的实际问题，往往很难提出一种通用的；设计步骤来满足特定要求，但是在应用SC系列收发模块进行设计时，只要遵循以上所述的设计原则，就会减少很多不必要的反复和挫折。