CC1120高性能窄带系统射频收发器的深度解析

在当今的无线通信领域，高性能、低功耗的射频收发器是众多应用的核心组件。TI推出的CC1120射频收发器就是这样一款备受关注的产品，它在窄带系统中展现出了卓越的性能。今天，我们就来深入了解一下CC1120的各项特性和应用。

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一、CC1120的特性亮点

1. 高性能指标

CC1120是一款单芯片收发器，在多个性能指标上表现出色。其相邻信道选择性在12.5kHz偏移时达到64dB，10MHz时的阻塞性能高达91dB。在接收灵敏度方面，1.2kbps时为 -123dBm，50kbps时为 -110dBm，使用内置编码增益时可达 -127dBm。极低的相位噪声，在10kHz偏移时为 -111dBc/Hz，这些特性使得它非常适合在169MHz和433MHz频段中满足ETSI Category 1标准的系统。同时，它还具有高光谱效率，在12.5kHz信道中可实现9.6kbps的数据速率，符合FCC窄带要求。

2. 灵活的FIFO和扩展支持

CC1120配备了独立的128字节RX和TX FIFOs，方便数据的缓存和处理。并且它支持与CC1190设备无缝集成，能够增加通信范围，使灵敏度提高多达3dB，输出功率最高可达 +27dBm。

3. 电源管理优势

其电源管理方面也十分出色，具有2.0V至3.6V的宽电源电压范围。在不同工作模式下，电流消耗较低。例如，RX嗅探模式下为2mA，低功耗模式下峰值电流为17mA，高性能模式下峰值电流为22mA，发射模式在 +14dBm时为45mA，掉电模式仅为0.12μA（eWOR定时器运行时为0.5μA）。另外，它的输出功率可编程，最高可达 +16dBm，步长为0.4dB，还支持自动输出功率斜坡功能。

4. 丰富的调制格式和功能

CC1120支持多种调制格式，包括2-FSK、2-GFSK、4-FSK、4-GFSK、MSK、OOK。WaveMatch功能采用先进的数字信号处理技术，提高了同步检测性能。它采用RoHS合规的5mm × 5mm无铅QFN 32引脚封装（RHB），并且适用于多个地区的法规标准，如欧洲的ETSI EN 300 220、ETSI EN 54 - 25，美国的FCC CFR47 Part 15、FCC CFR47 Part 90等，以及日本的ARIB RCR STD - T30、ARIB STD - T67、ARIB STD - T108。

二、CC1120的应用领域

CC1120的应用范围广泛，主要用于窄带超低功耗无线系统，信道间隔低至12.5kHz，涵盖169MHz、315MHz、433MHz、868MHz、915MHz、920MHz、950MHz等ISM/SRD频段。具体应用包括无线计量和无线智能电网（AMR和AMI）、IEEE 802.15.4g系统、家庭和建筑自动化、无线报警和安全系统、工业监测和控制、无线医疗应用、无线传感器网络和有源RFID，以及专用移动无线电等。

三、CC1120的详细描述

1. 功能框图

CC1120的功能框图展示了其内部的主要组成部分。它包含一个主无线电控制单元（MARC），这是一个超低功耗的16位MCU，负责控制整个无线电的运行。通过SPI接口进行串行配置和数据传输，还有一个超低功耗的32kHz自动校准RC振荡器，为系统提供稳定的时钟信号。此外，它还有256字节的FIFO RAM缓冲区、配置和状态寄存器、数据包处理和FIFO控制模块等，这些组件协同工作，实现了高效的数据处理和通信。

2. 频率合成器

CC1120的频率合成器是其核心组件之一，它是一个完全集成的分数N型、超高性能频率合成器。该合成器具有出色的相位噪声性能，能够提供高选择性和阻塞性能，满足最严格的监管频谱掩码要求。用户可以选择将晶体连接到XOSC_Q1和XOSC_Q2，或者将TCXO连接到EXT_XOSC输入，振荡器为合成器以及模数转换器（ADC）和数字部分提供参考频率和时钟。同时，CC1120具有高精度的频率估计和补偿寄存器，可测量和补偿晶体的不准确性，从而可以使用低成本的晶体。如果使用TCXO，它还能根据需要自动开启和关闭，支持低功耗模式和唤醒无线电操作。

3. 接收器

CC1120的接收器具有高度的灵活性。接收到的RF信号首先由低噪声放大器（LNA）放大，然后正交下变频到中频（IF），再通过高动态范围的ADC将I/Q信号数字化。先进的自动增益控制（AGC）单元会调整前端增益，使CC1120能够在存在强干扰的情况下接收强信号和弱信号。高衰减通道和数据过滤功能允许在有强邻道干扰的情况下进行接收。独特的I/Q补偿算法消除了I/Q失配问题，避免了耗时且昂贵的I/Q图像校准步骤。并且，它只需要前导码来稳定AGC，最少仅需0.5字节的前导码。

4. 发射器

CC1120的发射器基于直接合成RF频率（环路内调制）。为了有效利用频谱，在TX模式下具有广泛的数据过滤和整形功能，支持在窄带信道中进行高吞吐量的数据通信。调制器还控制功率斜坡，避免在驱动外部高功率RF放大器时出现频谱散裂等问题。

5. 无线电控制和用户界面

CC1120的数字控制系统围绕主无线电控制（MARC）构建，它使用内部高性能的16位超低功耗处理器实现。MARC负责处理功率模式、无线电序列和协议定时。通过4线SPI串行接口进行配置和数据缓冲区访问，数字基带支持信道配置、数据包处理和数据缓冲。主机MCU可以在接收到有效RF数据包之前保持掉电模式，大大降低了功耗。当接收到有效数据包时，主机MCU进行突发读取数据，减少了所需的计算能力。此外，CC1120的无线电控制和用户界面基于广泛使用的CC1101收发器，方便用户在两个平台之间进行过渡，并且它还支持同步串行模式和透明模式两种串行模式，适用于传统格式。

6. 增强型唤醒无线电（eWOR）

eWOR功能使用灵活的集成睡眠定时器，无需MCU干预即可实现自动接收器轮询。当CC1120进入RX模式时，它会进行监听，如果没有接收到有效RF数据包则返回睡眠模式。用户可以配置睡眠间隔和占空比，在网络延迟和功耗之间进行权衡。同时，传入消息会进行时间戳标记，便于定时器重新同步。

7. 嗅探模式

CC1120的嗅探模式利用其快速启动时间和较少的前导码位要求，显著降低了接收器等待数据时的电流消耗。由于它能够比大多数前导码的持续时间更快地唤醒和稳定，因此在等待数据包到达时无需持续处于RX模式。通过设置适当的睡眠时间，它可以在数据包到达时唤醒并接收，而不会损失性能，并且消除了发射器和接收器之间精确时间同步的需求，让用户可以在发射器和接收器之间权衡电流消耗。

8. 天线分集

在多径环境中，天线分集可以提高性能。CC1120需要一个外部天线开关，它使用一个GPIO引脚自动控制开关，还支持RF开关中常用的差分输出控制信号。如果启用天线分集，GPIO会在高低状态之间交替，直到检测到有效的RF输入信号。可以选择发送确认数据包而不改变GPIO的状态，通过接收信号强度或自动前导码检测器来验证传入的RF信号，使用自动前导码检测器可以确保系统更加健壮，避免设置定义的信号强度阈值（该阈值会设置系统的灵敏度极限）。

9. WaveMatch

WaveMatch功能的先进捕获逻辑能够锁定同步字，无需前导码稳定字节，将接收器的稳定时间减少到AGC的稳定时间，通常为4位。它还大大减少了在噪声上的误同步触发，进一步降低了功耗，提高了灵敏度和可靠性。同样的逻辑也可以用作高性能前导码检测器，可靠地检测信道中的有效前导码。

四、CC1120的规格参数

1. 绝对最大额定值

CC1120的绝对最大额定值规定了其在正常工作时的电压、输入RF电平、存储温度等参数范围。例如，电源电压（VDD，AVDD_x）的范围为 -0.3V至3.9V，输入RF电平最大为 +10dBm，存储温度范围为 -40°C至125°C。超过这些额定值可能会导致设备永久性损坏，并且在超出推荐工作条件的情况下，不能保证设备的正常功能，长时间处于绝对最大额定值条件下可能会影响设备的可靠性。

2. ESD额定值

其静电放电（ESD）性能方面，人体模型（HBM）为 ±2kV，带电设备模型（CDM）所有引脚为 ±500V。JEDEC文档指出，500V HBM和250V HBM分别允许在标准ESD控制过程下进行安全制造。

3. 推荐工作条件

推荐工作条件下，电源电压范围为2.0V至3.6V，所有电源引脚的电压必须相同；数字输入电压为0V至VDD；环境温度范围为 -40°C至85°C。在这些条件下，CC1120能够实现最佳的性能和可靠性。

4. RF特性

CC1120支持多个频率频段，包括820 - 960MHz、410 - 480MHz、164 - 192MHz等，不同频段的频率分辨率有所不同。例如，在820 - 950MHz频段为30Hz，410 - 480MHz频段为15Hz，164 - 192MHz频段为6Hz。数据速率支持0至200kbps，并且支持多种调制格式。

5. 功耗

在不同工作模式下，CC1120的功耗表现各异。在静态模式下，掉电保留模式为0.12μA，低功耗RC振荡器运行时为0.5μA，XOFF模式为170μA，IDLE模式为1.3mA。在发射模式下，不同频段和输出功率下的电流消耗不同，例如在950MHz频段 +10dBm时为37mA，在868MHz频段 +15dBm时为49mA等。在接收模式下，高性能模式和低功耗模式的电流消耗也有所不同，高性能模式下，1.2kbps、4字节前导码使用RX嗅探模式时为2mA，峰值电流在不同频段有所差异，如433 - 950MHz频段为22mA，169MHz频段为23mA；低功耗模式下，1.2kbps时峰值电流为17mA。

6. 接收参数

接收参数方面，在不同频段和数据速率下，CC1120的灵敏度、阻塞和选择性等性能指标有所不同。例如，在950MHz频段，1.2kbps、DEV = 4kHz、CHF = 10kHz时灵敏度为 -120dBm，50kbps、2GFSK、DEV = 25kHz、CHF = 100kHz时为 -107dBm。在不同频段的阻塞和选择性表现也较好，如在433MHz频段，1.2kbps、2FSK、12.5kHz信道分离、4kHz偏差、10kHz信道滤波器时，±12.5kHz（相邻信道）为60dB，±10MHz为91dB。

7. 发射参数

发射参数包括最大输出功率、最小输出功率、输出功率步长、相邻信道功率、杂散发射等。最大输出功率在不同频段和电源电压下有所不同，例如在950MHz为 +12dBm，在868MHz、VDD = 3.6V时为 +16dBm。最小输出功率在精细步长范围内为 -11dBm，粗步长范围内为 -40dBm，输出功率步长为0.4dB。相邻信道功率在不同调制和频段下也有相应的要求，如4 - GFSK 9.6kbps在12.5kHz信道、434MHz测量时为 -75dBc。杂散发射（不包括谐波）小于 -60dBm。

8. PLL参数

PLL参数中的相位噪声在不同频段和偏移下有所不同。在高性能模式下，950MHz频段在 ±10kHz偏移时为 -99dBc/Hz，±100kHz偏移时为 -99dBc/Hz，±1MHz偏移时为 -123dBc/Hz；在868 - 920MHz频段，±10kHz偏移时为 -99dBc/Hz，±100kHz偏移时为 -100dBc/Hz，±1MHz偏移时为 -122dBc/Hz；在433MHz频段，±10kHz偏移时为 -106dBc/Hz，±100kHz偏移时为 -107dBc/Hz，±1MHz偏移时为 -127dBc/Hz；在169MHz频段，±10kHz偏移时为 -111dBc/Hz，±100kHz偏移时为 -116dBc/Hz，±1MHz偏移时为 -135dBc/Hz。在低功耗模式下，各频段的相位噪声也有相应的变化。

9. 时钟输入和振荡器

32 - MHz时钟输入（TCXO）的时钟频率范围为31.25MHz至33.6MHz，典型值为32MHz。32 - MHz晶体振荡器的晶体频率范围同样为31.25MHz至33.6MHz，典型值为32MHz，负载电容为10pF，等效串联电阻（ESR）在工作条件下模拟为60Ω。32 - kHz时钟输入的频率为32kHz，输入高电压为0.8 × VDD，输入低电压为0.2 × VDD。32 - kHz RC振荡器校准后的频率为32kHz，频率精度相对于参考频率（32 - MHz晶体或TCXO）为 ±0.1%，初始校准时间为1.6ns。

10. I/O和复位

逻辑输入高电压为0.8 × VDD，逻辑输入低电压为0.2 × VDD，逻辑输出高电压为0.8 × VDD，逻辑输出低电压在4mA输出负载或更小时为0.2 × VDD，上电复位阈值为1.3V。

11. 温度传感器

CC1120的温度传感器范围为 -40°C至85°C，温度系数为2.66mV/°C，在TA = 25°C、VDD = 3.0V时典型输出电压为794mV，VDD系数为1.17mV/V。它可以配置为在GPIO1上提供与温度成比例的电压，通过测量该电压可以估算温度。

12. 热阻特性

对于RHB封装，其热阻特性包括 ΘJC(top)、ΘJB、ΘJA、Psi JT、Psi JB、ΘJC(bot)等参数，这些值基于JEDEC定义的系统，并且会根据环境和应用而变化。

13. 定时要求

定时要求方面，从掉电到IDLE模式的时间取决于晶体，典型值为0.4ms；从IDLE到RX/TX模式，校准禁用时为166μs，校准启用时为461μs；RX/TX转换时间为50μs；从RX/TX到IDLE时间，校准启用时为296μs，校准禁用时为0μs；频率合成器校准时间为391μs；从开始RX到有效RSSI的时间在不同信道带宽下有所不同，12.5 - kHz信道为4.6ms，200 - kHz信道为0.3ms。32 - MHz时钟输入（TCXO）的CMOS输出上升和下降时间为2ns，32 - kHz RC振荡器的初始校准时间为1.6ns。

14. 监管标准

CC1120在不同性能模式和频率频段下适用于不同的监管标准。在高性能模式下，820 - 960MHz频段适用于FCC PART 15.247、FCC PART 15.249、FCC PART 90 MASK G等多个标准；410 - 480MHz频段适用于ARIB T - 67、ARIB RCR STD - 30、ETSI EN 300 220 category 1等标准；164 - 192MHz频段适用于ETSI EN 300 220 category 1、FCC PART 90 MASK D等标准。在低功耗模式下，820 - 960MHz频段适用于ETSI EN 300 220 category