基于CC2420芯片射频收发报告

2021年2月8日发(作者：暂时的英文)

题目

学院名称

指导老师

班

级

学

号

姓

名

课程设计

基于

CC2420

的无线发射与接收

系统电路设计

电气工程学院

黄智伟

宁志刚

通信

091

班

2

周

琪

二零一一年十二月

通

信

原

理

课

程

设

计

基于

CC 2420

的无线发射与接收系统设计

摘要

简要介绍无线收发器

CC2420< /p>

的功能、内部结构、引脚排列及典型的应用电路。

CC2420< /p>

是为低

功率、低电压无线应用而设计的单片

RF

收发芯片。它采用

O-QPSK

正弦波调制方式，具有高接收灵

敏度（

-95dBm

< p>
）

，抗干扰能力强的特点，它还有

128

字节的发送和接收

FIFO

。其应用电路外围器 件

很简单，主要包括主要包括晶振时钟电路、射频输入

/

输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。

而且只需要

4

—线的

SPI

接口就可与

CPU

直接相连，

具有高达

< p>
10MHz

的串行时钟。

是实现无线收发

的一个很不错的选择。

关键字：

CC2420

无线收发器

应用电路

Abstract

Brief introduction of wireless

transceiver CC2420 function, internal structure, pin

array and

typical application circuit. CC2420 is a low power, low voltage wireless application and design of

the

monolithic

RF

transceiver

chip.

It

uses

O-QPSK

sine

wave

modulation,

high

receiving

sensitivity ( 95dBm ), the characteristic of strong anti-jamming capability, it also has 128 bytes to

send and receive FIFO. The application circuit of peripheral device is very simple, mainly including

mainly comprises a crystal oscillator clock circuit, a radio frequency input / output matching circuit

and microcontroller interface circuit of three parts. And it requires only 4 line of SPI interface can

be directly connected with CPU, high 10MHz serial clock. Realization of wireless transceiver is a

good choice.

Key words:CC2420

wireless transceiver

application circuit

- 2 -

通

信

原

理

课

程

设

计

目

录

1

芯片简介…………………………………………………

5

1.1 CC2420

芯片简介……………………………………………

5

1.2

主要技术特点………………………………………………

5

2

芯片封装与引脚功能……………………………………

6

2.1

芯片封装……………………………………………………

6

2.2

引脚功能……………………………………………………

6

2.3

参数限制……………………………………………………

9

3

内部结构与工作原理……………………………………

9

3.1 CC2420

内部结构 ………………………………………………

9

3.2 C C2420

工作原理………………………………………………

1 0

3.3 RSSI/

能量检测………………………… ………………………

10

3.4

发射机测试模块………………………………………………

11

3.4.1

未调制载波……………………………………………………

11

3.4.2

调制光谱………………………………………………………

12

4

应用电路设计……………………………………………

13

4.1

几种典型应用电路………………………………………………

13

4.1.1

带有天线用于单端操作的发送线非平衡变压器……………

13

4.1.2

折叠差分天线…………………………………………………

14

4.2

设计电路…………………………………………………………

16

4.2.1

输入

/

输出匹配………………………………………………

< br>17

- 3 -

通

信

原

理

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程

设

计

4.2.2

偏置电阻………………………………………………………

17

4.2.3

晶振时钟电路…………………………………………………

17

4.3 CC2420

与

CPU

接口……………………………………………

18

4.4

电路

PCB

< p>
设计…………………………………………………

18

5

结论（课程设计心得体会）……………………………

20

参考文献……………………………………………………

21

附录…………………………………………………………

22

- 4 -

通

信

原

理

课

程

设

计

1

芯片简介

1.1 CC2420

芯片简介

CC2420

是

Chipcon

公司在

2003

年推出的首款符合

2.4GHz IEEE802.15.4

标准的射频收发芯片。

该器件包括众多额外功能，

是第一款适 用于

ZigBee

产品的

RF

器件。

它基于

Chipcon

< br>公司的

Smart

RF03

技术，以

0.18um CM OS

工艺制成，性能稳定且功耗极低，具有很高的集成度。

CC 2420

的选择性和敏

感性指数超过了

IEEE802.15.4

标准的要求，

可确保短距离通信的有 效性和可靠性。

利用此芯片开发

的无线通信设备支持数据传输率 高达

250kbps

，可以实现多点对多点的快速组网。

CC2420

是为低功率、低电压无线应用 而设计的单片

RF

收发芯片。

CC24 20

具有完全集成的压控

振荡器，只需天线、

< br>16MHz

晶体等非常少的外围电路就能在频率为

2.4 GHz

的频段上工作，是在免授

权的

I SM

（工业、科研和医疗）频带上进行无线通信的低成本、高集中的解决方案。

1.2

主要技术特点

CC2420

的主要性能参数如下：

·工作频率为

2.4-2.4835GHz

；

·数据传输速率为

250kb /s

；

·

O -QPSK

调制方式；

·灵敏度为－

94Bm

；

·工作电压为

2.1-3.6V

；

< /p>

·接收电流消耗为

19.7mA

，发射电 流消耗为

17.4mA

；

·输出功率可编程，支持

80 2.15.4MAC

硬件；

·

CTR

加密、解密模式；

< p>

·

CBC-M AC

的加密

/

解密和验证；

< p>

·采用独立的

AES

加密算法；

·与控制微处理器的接口配置容易（

4

总线

< p>
SPI

接口）

；

·采用

QLP-48

封装，外形尺寸只有

7

×

7m m

。

- 5 -

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信

原

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计

2

芯片封装与引脚功能

2.1

芯片封装

CC2420

芯片封装如下图：

图

1 CC2420

芯片引脚封装形式

2.2

引脚配置

< br>数字输入

SCLK,SI

和

CS N

是高阻输入

,

如果没有被驱动的话必 须外部上拉，当

CSN

为高电平的时

候

SO

处于高阻状态。

需要在

< p>
SO

上使用一个外部上拉来防止微控制器浮动输入。

MCU

上没有使用的

MCU

可以被配 置为输出‘

0

’电平以防止电流的泄漏。

CC2420

引脚功能描述如下表：

- 6 -

通

信

原

理

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程

设

计

表

1

引脚功能描述

引脚号

1

2

3

4

5

6

名称

VCO_GUARD

AVDD_VCO

AVDD_PRE

AVDD_RF1

GND

RF_P

类型

Power(

模拟

)

Power(

模拟

)

Power(

模拟

)

Power(

模拟

)

Ground(

模拟

)

RF I/O

描述

VCO

（对

AVDD

）屏蔽保护圈的连接

< /p>

提供给

VCO

的

1.8V

的电源供应

提供给预分频的

1.8V

的电源供应

提供给

RF

前端的

1.8V< /p>

的电源供应

RF

防护的接地引脚

正的

RF

输入

/

输出信号，该信号在接收

/

发送模

< br>

式中送往

LNA/

源自

PA

7

TXRX_SWITCH

Power(

模拟

)

用于集成

RF

前端的公共供应连接，

< br>必须通过一

个

DC

< p>
路径外部连接到

RF_P

和

RF_N

8

RF_N

RF I/O

负的

RF

输入

/

输出信号，该信号在接收

/

发送模

式中送往

LNA/

源自

PA

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

GND

AVDD_SW

NC

NC

NC

ACDD_RF2

AVDD_IF2

NC

AVDD_ADC

DVDD_ADC

DGND_GUARD

DGUARD

RESETn

DGND

DSUB_PADS

Ground(

模拟

)

Power(

模拟

)

-

-

-

Power(

模拟

)

Power(

模拟

)

-

Power(

模拟

)

Power(

数字

)

Ground(

数字

)

Power(

数字

)

数字输入

Ground(

数字

)

Ground(

数字

)

用于

RF

防护的接地引脚

提供给

LNA/PA

开关的

< p>
1.8V

电源

空脚

空脚

空脚

提供给接收和发送混频器的

1.8V

电源

提 供给接收和发送

IF

链的

1.8V

电源

空脚

提供给

ADCs

和

DACs

模拟部分的

1.8V

电源

提供给接收

ADCs

数字部分的

1.8V

电源

用于隔离数字噪音的接地连接

用于隔 离数字噪音的

1.8V

电源

异步，低有效数字复位

用于数字内核 和数字

pad

的接地连接

< p>
用于指垫数字

pad

底层连接

- 7 -

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课

程

设

计

24

引脚号

24

25

26

27

28

29

DSUB_CORE

名称

DSUB_CORE

DVDD3.3

DVDD1.8

SFD

CCA

FIFOP

Ground(

数字

)

类型

Ground(

数字

)

Power(

数字

)

Power(

数字

)

数字输出

数字输出

数字输出

用于数字组件的底层连接

描述

用于数字组件的底层连接

用于数字输 入

/

输出的

3.3V

< br>电源

用于数字内核的

1.8V

电源

SFD(

帧的起始位

)/

数字混合输出

CCA

（通道评估（

channel assessment

）

）

当

FIFO

中的有效字节数超出阀值或者在测试

模式下串行输出

RF

时钟时有效

30

FIFO

数字输入

/

输出

当数据在

FIFO

中或者在测试模式下进行串行

RF

数据输入

/

输出时有效

31

32

33

34

CSn

SCLK

SI

SO

数字输入

数字输入

数字输入

数字输出（三态）

SPI

芯片选择，低有效

SPI

时钟输入，高达

10MHz < /p>

SPI

从输入，在

SCLK

的正边沿采样

SPI

从输 出，

在

SCLK

的负边沿更新，

当

CSn

为

高的时候三态

35

36

37

38

39

40

41

DVDD_RAM

NC

AVDD_XOSC16

XOSC16_Q2

XOSC16_Q1

NC

VREG_EN

Power(digital)

-

Power(

模拟

)

模拟输入

/

输出

< p>
模拟输入

/

输出

-

数字输入

用于数字

RAM

的

1.8V

电源

空脚

1.8V

的晶体振荡器电源

16MHz

的晶体振荡器引脚

2

用于外部时钟输入

16MHz

的晶体振荡器 引脚

1

空脚

电压调制使能，高有效，当有效时保持在

VREG_IN

电压。注意

VERG_EN

和

VREG_IN

相关

，而不是

DVDD3.3

42

43

44

VREG_OUT

VREG_IN

AVDD_IF1

Power

输出

Power

（模拟）

Power(

模拟

)

由电压调制器提供的

1.8V

电源

供应给电压调制器的电源（

2.1-3.6V

< p>
）

用于发送

/

接收的

IF

链

- 8 -

通

信

原

理

课

程

设

计

45

46

引脚号

47

48

R_BIAS

ATEST2

名称

ATEST1

AVDD_CHP

模拟输出

模拟输入

/

输出

类型

模拟输入

/

输出

Power(

模拟

)

外部精确电阻，

43 k

Ω

,

±

1 %

用于原型和产品测试的模拟输入

/

输出

描述

用于原型和产品测试的模拟输入

/

输出

用于阶段检测和负荷泵（

charge pump

）的

1.8V

2.3

参数限制

CC2420

主要参数如下表：

表

2

参数限制

参数

片

上< /p>

电

压

调

制

器

的

供

< p>
应

电

压

VREG_IN

pin 43.

数

字

输

入

/

输

出

的

供

应

电

压

（

VDDIO

）

DVDD3.3

，

pin 25

AVDD_VCO,

DVDD1.8

上

的

供应电压

（

VDD

）

例

如

(pin

no.

1,

2,

3,

4,

，

10, 14, 15, 17, 18,

20,

26, 35,

37, 44

和

48)

操作环境的温度范围

-40

℃

85

℃

1.6V

1.8

2.0V

1.6V

3.6V

数

字

输

入

/

输

出

的

供

应

电

压

(DVDD3.3

pin)

必

须

和

外部接口电路

（例

如：微控制器相匹配）

典型的应用使用由片上电

压调制器产 生的

1.8V

的调制电压

最小值

2.1V

类型

最大值

3.6V

条件

注意：芯片工作时最好在以上操 作环境范围内，也不可长期工作在最大值或者最小值，否则将对芯片造成永久性损

坏。< /p>

3

内部结构与工作原理

- 9 -

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信

原

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课

程

设

计

3.1 CC2420

内部结构

图

2 CC2420

主要内部结构

3.2 CC2420

工作原理

CC2420

是低中频的收发器。

天线接收 的射频信号经过低噪声放大器

LNA

和正交下变频处理后，

形

成中频信号为

2MHz

< br>的同相分量和正交分量，然后信号经过滤波、放大

A/D

变换、自动增益控制、数字

解调和解扩，最终恢复出传输的正确数据。发射机部分基于接 上变频。要发送的数据先被送入

128

字节的发送缓存器中，头 帧和起始帧是通过硬件自动生的。根

IEEE

802.15. 4

标准，所要发送的数据

流的每

4

个比特被

32

码片的扩频序列扩频后到

D/A

变换器，然后，经过低通滤波和上变频的混频后的

< p>
射频信号最终被调制

2.4GHz

，并经放大后送 到天线发射出去；

CC2420

是低中频接收器，接收到的射< /p>

频信号被低噪声放大器放大后，

下变频为中频，

< br>在中频的

I/Q

信号被滤波和放大后，

< br>被模数转换器

A/D

数字化，最后储存在接收存贮器中< /p>

(RXFIFO

，共

128 Bytes)

。

- 10 -

通

信

原

理

课

程

设

计

3.3 RSSI/

能量检测

CC 2420

有一个内置的

RSST

（接收 到的信号强度指示器）

，

用来提供一个数字值，该数字值可以< /p>

从

8

位的，有符号的二进制补码

_V

AL

寄存器中读得。

RSSI

值总是平均到

8

个字符周期当中

（

128

μ

s

）

。

RSSI_V

ALID

状态位

（表

5

）指示了

RSSI

的值

什么时候有效，

RSSI

有效，意味着接收器已经被使能了至少

8

个字符周期。

RSSI

寄存器值

_V

AL

可以被用来计算

RF

引脚上的功耗

P

，计算公式如下：

P = RSSI_VAL + RSSI_OFFSET [dBm]

RSSI_OFFSET

在系统开发的时候根据经验，从前端获得。

RSSI_OFFSET

近似的为－

45

。例如，

如果

从

RSSI

寄存器中读到一个－

20

的值，那么

RF

输入功耗近似为－

65dB

一个典型的输入功耗到

RSSI_VAL

值的转换图如图所示 ，从图中我们可以看到从

CC2420

到的

RSSI

是非

常线性化的，并且有一个大约

100dB

的动态范围。

在

RSSI

变为有效后，

< p>
RSSI

寄存器值

_VAL

为每个字符进行计算并且不断更新。

图

3

能量检测图

3.4

发射机测试模块

CC242 0

可设置成不同的传输带宽测试模式的性能评价。测试模式要求的芯片是第一复位，使晶

体振荡器使用

sxoscon

指挥保证 该晶体振荡器稳定。

- 11 -