CC1101：低功耗亚1GHz射频收发器的卓越之选

在当今的无线通信领域，低功耗、高性能的射频收发器是众多应用的核心需求。CC1101作为一款专为超低功耗无线应用设计的低成本亚1GHz收发器，以其出色的性能和广泛的适用性，成为了工程师们的热门选择。

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一、应用领域广泛

CC1101适用于工作在315/433/868/915 MHz ISM/SRD频段的超低功耗无线应用，如无线报警和安全系统、工业监控和控制、无线传感器网络、自动抄表（AMR）、家庭和建筑自动化以及无线MBUS等。这些应用场景对设备的功耗、稳定性和通信距离都有较高的要求，而CC1101凭借其优秀的性能，能够很好地满足这些需求。

二、产品特性亮点

（一）射频性能卓越

1. 高灵敏度：在不同频段和波特率下都表现出色，例如在0.6 kBaud、433 MHz、1%包错误率时，灵敏度可达 -116 dBm；在1.2 kBaud、868 MHz、1%包错误率时，灵敏度为 -112 dBm。
2. 低电流消耗：在接收模式下，如在1.2 kBaud、868 MHz时，电流消耗仅为14.7 mA，有效降低了设备的功耗。
3. 可编程输出功率：支持的所有频率下，可编程输出功率最高可达 +12 dBm，满足不同应用场景对输出功率的需求。
4. 优秀的选择性和阻塞性能：能够有效抵抗相邻信道和干扰信号的影响，保证通信的稳定性。
5. 可编程数据速率：数据速率可在0.6至600 kbps之间进行编程，灵活适应不同的应用需求。
6. 宽频率范围：支持300 - 348 MHz、387 - 464 MHz和779 - 928 MHz频段，为不同地区和应用提供了更多的选择。

（二）模拟特性丰富

1. 多种调制格式支持：支持2-FSK、4-FSK、GFSK、MSK、OOK和灵活的ASK整形，满足不同通信协议和应用的调制需求。
2. 快速频率合成器：具有快速稳定的频率合成器，稳定时间仅为75 μs，适用于跳频系统。
3. 自动频率补偿（AFC）：可将频率合成器与接收到的信号中心频率对齐，提高通信的准确性。
4. 集成模拟温度传感器：方便监测设备的工作温度，为系统的稳定性提供保障。

（三）数字特性强大

1. 灵活的数据包处理：对面向数据包的系统提供灵活支持，包括同步字检测、地址检查、灵活的数据包长度和自动CRC处理等功能。
2. 高效的SPI接口：所有寄存器都可以通过一次“突发”传输进行编程，提高了配置效率。
3. 数字RSSI输出：可实时获取接收到的信号强度，为通信质量评估提供依据。
4. 可编程特性：包括通道滤波器带宽、载波指示感测（CS）、前导码质量指示（PQI）等，增强了系统的适应性和抗干扰能力。
5. 自动清信道评估（CCA）：在发送前支持自动清信道评估，避免干扰，提高通信的可靠性。
6. 链路质量指示（LQI）：支持每个数据包的链路质量指示，方便评估通信链路的质量。
7. 可选的数据白化和去白化：提高数据传输的安全性和可靠性。

（四）低功耗特性突出

1. 超低睡眠模式电流：睡眠模式电流消耗仅为200 nA，大大降低了设备在不工作时的功耗。
2. 快速启动时间：从睡眠模式到接收或发送模式的启动时间仅为240 μs，保证了设备能够快速响应。
3. 唤醒无线电功能：支持唤醒无线电功能，实现自动低功耗接收轮询，进一步降低功耗。
4. 独立的FIFO：具有独立的64字节接收和发送FIFOs，支持突发模式数据传输，提高了数据传输效率。

（五）其他特性

1. 外部组件少：完全片上频率合成器，无需外部滤波器或射频开关，简化了电路设计。
2. 环保封装：符合RoHS标准，无锑或溴，环保且安全。
3. 小巧尺寸：采用4x4 mm的QLP封装，20引脚，节省了电路板空间。
4. 合规性好：适用于符合EN 300 220（欧洲）和FCC CFR Part 15（美国）标准的系统，以及符合无线MBUS标准EN 13757 - 4:2005的系统。
5. 兼容性强：支持异步和同步串行接收/发送模式，与现有无线电通信协议向后兼容。

三、性能提升方案

（一）搭配CC1190扩展通信范围

CC1190是一款适用于850 - 950 MHz的范围扩展器，与CC1101搭配使用时，可显著提升射频性能。在1.2 kBaud、868 MHz、1%包错误率时，灵敏度可达 -118 dBm；在1.2 kBaud、915 MHz、1%包错误率时，灵敏度为 -120 dBm。同时，在868 MHz时输出功率可达 +20 dBm，在915 MHz时输出功率可达 +27 dBm。

（二）结合TPS62730降低电池电流

TPS62730是一款具有旁路模式的降压转换器，适用于超低功耗无线应用。在接收模式下，当TPS62730输出电压为2.1 V时，从3.6 V电池汲取的电流通常小于11 mA；在发送模式下，当CC1101输出功率为 +12 dBm时，从3.6 V电池汲取的电流通常为22 mA。相比直接连接电池，可有效降低电流消耗。当CC1101进入睡眠模式时，TPS62730可进入旁路模式，旁路模式下的典型电流消耗仅为30 nA。

四、电气规格详解

（一）电流消耗

CC1101在不同工作模式和状态下的电流消耗差异较大。在功率下降模式下，如睡眠状态，电流消耗可低至0.2 - 100 μA；在接收和发送模式下，电流消耗根据频段、数据速率和输出功率的不同而有所变化。例如，在868/915 MHz频段，接收模式下1.2 kBaud时电流消耗为14.7 - 15.7 mA，发送模式下 +12 dBm输出功率时电流消耗为34.2 mA。

（二）射频接收部分

1. 数字通道滤波器带宽：用户可编程，带宽限制与晶体频率成比例，典型值为58 - 812 kHz。
2. 杂散发射：在不同频段和频率范围内，杂散发射均满足相关标准要求，如在1 GHz以上，最大杂散发射为 -47 dBm。
3. 接收灵敏度：在不同频段和数据速率下，接收灵敏度表现出色，如在433 MHz、0.6 kBaud时，灵敏度可达 -116 dBm。
4. 选择性和阻塞性能：相邻信道抑制和镜像信道抑制能力强，能够有效抵抗干扰。例如，在1.2 kBaud数据速率、868.3 MHz、GFSK、5.2 kHz偏差时，相邻信道抑制可达37 dB。

（三）射频发送部分

1. 差分负载阻抗：在不同频段下，差分负载阻抗不同，如315 MHz时为86.5 + j43 Ω，433 MHz时为122 + j31 Ω，868/915 MHz时为116 + j41 Ω。
2. 输出功率：输出功率可编程，最高可达 +12/+11 dBm（868/915 MHz），最低可达 -30 dBm。
3. 谐波和杂散发射：辐射谐波和传导杂散发射均满足相关标准要求，如在433 MHz时，2次谐波辐射为 -49 dBm。

（四）其他部分

1. 晶体振荡器：推荐使用26 - 27 MHz的晶体，负载电容为10 - 20 pF，启动时间约为150 μs。
2. 低功率RC振荡器：校准后的频率为34.7 - 36 kHz，频率精度为 ±1%，温度系数为 +0.5% / °C，电源电压系数为 +3% / V。
3. 频率合成器：编程频率分辨率为397 - 412 Hz，合成器频率公差为 ±40 ppm，PLL开启/跳变时间为72 - 75 μs。
4. 模拟温度传感器：在不同温度下有相应的输出电压，温度系数为2.47 mV/°C，校准后计算温度的误差为 -2 - 2 °C。
5. 直流特性：数字输入/输出引脚的逻辑电平有明确的要求，如逻辑“0”输入电压为0 - 0.7 V，逻辑“1”输入电压为VDD - 0.7 - VDD V。
6. 上电复位：电源上电斜坡时间应不超过5 ms，电源关闭时间应不小于1 ms。

五、引脚配置与电路设计

（一）引脚配置

CC1101采用20引脚的QLP封装，其引脚包括串行配置接口引脚（SCLK、SO、SI、CSn）、电源引脚（DVDD、AVDD）、射频引脚（RF_P、RF_N）、通用输出引脚（GDO0、GDO1、GDO2）等。每个引脚都有特定的功能和用途，在设计电路时需要根据实际需求进行合理连接。

（二）电路设计

1. 简化框图：CC1101采用低中频接收器，接收的射频信号经过低噪声放大器（LNA）放大后，正交下变频到中频（IF），在IF处进行数字化处理。发射器部分基于直接合成射频频率，频率合成器包括片上LC VCO和90度相移器。
2. 应用电路：使用CC1101只需要少量的外部组件，如去耦电容、晶体负载电容、射频平衡/匹配电容和电感等。不同频段的应用电路在组件选择和参数上有所差异，如315/433 MHz频段推荐使用多层电感，868/915 MHz频段推荐使用绕线电感，以获得更好的输出功率、灵敏度和谐波抑制效果。
3. 设计要点：在电路设计过程中，需要注意电源去耦、晶体连接、射频匹配、PCB布局等方面。例如，每个去耦电容应尽可能靠近其要去耦的电源引脚，避免数字信号的尖锐边缘靠近晶体振荡器引脚，以保证电路的性能和稳定性。

六、配置与操作

（一）配置概述

CC1101可以通过SPI接口进行配置，可配置的关键参数包括电源模式、晶体振荡器状态、接收/发送模式、射频通道选择、数据速率、调制格式、接收通道滤波器带宽、射频输出功率、数据缓冲等。配置寄存器分为保留值寄存器和睡眠状态丢失编程寄存器，在进行配置时需要根据实际需求进行合理设置。

（二）4线串行配置与数据接口

1. SPI接口：CC1101通过简单的4线SPI兼容接口进行配置和数据缓冲访问，所有传输都是最高有效位优先。SPI接口的时钟频率、时序要求等都有明确的规定，在设计时需要严格遵守。
2. 芯片状态字节：在SPI接口发送头字节、数据字节或命令脉冲时，CC1101会发送芯片状态字节，包含关键状态信号，如CHIP_RDYn、STATE和FIFO_BYTES_AVAILABLE等，可用于MCU了解芯片的工作状态。
3. 寄存器访问：配置寄存器位于SPI地址0x00 - 0x2E，可通过设置头字节中的R/W¯位和突发位进行读写操作。状态寄存器只能进行读取操作，且需要逐个访问。
4. 命令脉冲：命令脉冲可视为对CC1101的单字节指令，用于启动内部序列，如禁用晶体振荡器、启用接收模式、启用唤醒无线电等。
5. FIFO访问：通过特定的地址（0x3F、0x7F、0xBF、0xFF）可以对64字节的TX FIFO和RX FIFO进行访问，支持单字节访问和突发访问。
6. PATABLE访问：通过0x3E地址可以访问PATABLE，用于选择PA功率控制设置，实现可控的PA功率斜坡上升和下降以及ASK调制整形。

（三）微控制器接口与操作

在典型系统中，CC1101需要与微控制器进行接口。微控制器需要具备编程CC1101进入不同模式、读写缓冲数据、通过SPI接口读取状态信息等能力。CC1101的GDO引脚可以输出内部状态信息，可用于产生中断信号，方便微控制器进行监控和控制。此外，CC1101还提供了可选的无线电控制功能，通过复用SPI接口的SI、SCLK和CSn引脚，可以实现对主要状态的简单三引脚控制。

（四）数据速率和滤波器带宽编程

数据速率通过MDMCFG3.DRATE_M和MDMCFG4.DRATE_E配置寄存器进行编程，计算公式与晶体频率相关。接收通道滤波器带宽通过MDMCFG4.CHANBW_E和MDMCFG4.CHANBW_M配置寄存器进行控制，也与晶体振荡器频率成比例。通过补偿发射机和接收机之间的频率偏移，可以减小滤波器带宽，提高灵敏度。

（五）解调器与数据处理

CC1101包含先进且高度可配置的解调器，能够进行数字通道滤波和频率偏移补偿，估计信号强度以生成RSSI电平，并进行数据滤波以提高性能。

1. 频率偏移补偿：在2-FSK、GFSK、4-FSK或MSK调制下，解调器可以在一定范围内补偿发射机和接收机之间的频率偏移，通过FOCCFG寄存器进行配置。
2. 位同步和字节同步：位同步算法从输入符号中提取时钟，字节同步通过连续的同步字搜索实现，同步字可以是16位或32位，可通过SYNC1和SYNC0寄存器进行配置。
3. 数据包处理：CC1101对数据包处理提供了强大的硬件支持，包括数据白化、数据包格式配置、数据包过滤、FEC编码/解码等功能。在固件实现中，可以通过中断驱动或SPI轮询的方式获取数据包接收/发送状态信息。

（六）调制格式

CC1101支持幅度、频率和相移调制格式，可通过MDMCFG2.MOD_FORMAT寄存器进行设置。可选的曼彻斯特编码可以通过设置MDMCFG2.MANCHESTER_EN来启用，但与FEC/交织器选项、MSK和4-FSK调制不兼容。

1. 频率移键控：支持2-FSK和4-FSK调制，2-FSK可通过高斯滤波器进行整形，生成GFSK调制信号。频率偏差通过DEVIATN寄存器进行编程。
2. 最小移键控：MSK调制下，整个传输过程（前导码、同步字和有效载荷）都采用MSK调制，需要禁用曼彻斯特编码。
3. 幅度调制：支持OOK和ASK调制，ASK调制可以通过PATABLE进行脉冲幅度整形，以减小带宽。

（七）接收信号质量评估

CC1101提供了多个用于评估接收信号质量的指标，包括同步字限定符、前导码质量阈值、RSSI、载波感测、清信道评估和链路质量指示。

1. 同步字限定符：通过MDMCFG2.SYNC_MODE寄存器设置同步字限定符模式，可结合载波感测来提高同步字检测的准确性。
2. 前导码质量阈值：通过PKTCTRL1.PQT寄存器配置前导码质量阈值，用于门控同步字检测。
3. RSSI：RSSI值是所选通道中信号功率水平的估计值，可通过RSSI状态寄存器进行读取。其更新速率与接收滤波器带宽和AGCCTRL0.FILTER_LENGTH有关。
4. 载波感测：载波感测可基于绝对阈值和相对阈值进行判断，通过相关寄存器进行配置，可用于避免干扰和实现TX-if-CCA功能。
5. 清信道评估：通过MCSM1.CCA_MODE寄存器选择清信道评估模式，用于判断当前通道是否空闲。
6. 链路质量指示：链路质量指示（LQI）是当前接收信号质量的度量，可通过LQI状态寄存器进行读取。

（八）前向纠错与交织

CC1101内置支持前向纠错（FEC）和交织功能，通过设置MDMCFG1.FEC_EN为1来启用。FEC仅在固定数据包长度模式下支持，采用卷积编码，可提高通信的可靠性和抗干扰能力。交织功能可以将连续的错误分散，进一步增强系统的纠错能力。

（九）无线电控制

CC1101具有内置的状态机，可通过命令脉冲或内部事件进行状态切换。状态包括睡眠、空闲、校准、接收、发送等，不同状态下的电流消耗和操作有所不同。在