RFM95/96/97/98(W)：低功耗长距离收发模块的深度解析

在无线通信领域，低功耗长距离通信一直是工程师们追求的目标。RFM95/96/97/98(W)收发器模块凭借其卓越的性能，成为了众多应用场景的理想选择。今天，我们就来深入探讨一下这款模块的特性、功能及应用。

文件下载：RFM95W-868S2.pdf

一、模块概述

RFM95/96/97/98(W)采用了LoRaTM长距离调制解调器，具备超远距离扩频通信能力和高抗干扰性，同时能将电流消耗降至最低。它使用了Hope RF的专利LoRaTM调制技术，搭配低成本晶体和物料清单，可实现超过 -148dBm 的灵敏度。高灵敏度与集成的 +20 dBm 功率放大器相结合，使其链路预算在行业内处于领先地位，非常适合对距离和稳定性有要求的应用。此外，该模块还支持高性能 (G)FSK 模式，适用于包括 WMBus、IEEE802.15.4g 在内的系统。

产品版本差异

不同型号的 RFM95/96/97/98(W)在频率范围、扩频因子、带宽、有效比特率和估计灵敏度等方面存在差异。例如，RFM95W 工作在 868/915 MHz 频段，扩频因子为 6 - 12，带宽范围是 7.8 - 500 kHz，有效比特率为 0.018 - 37.5 kbps，估计灵敏度在 -111 至 -148 dBm 之间。

二、电气特性

ESD 注意事项

RFM95/96/97/98(W)是高性能射频设备，所有引脚均满足 JEDEC 标准 JESD22 - A114 - B（人体模型）的 2 类要求和 JESD22 - C101C（充电设备模型）的 III 类要求。因此，在处理该模块时，必须采取必要的 ESD 预防措施，以避免永久性损坏。

绝对最大额定值和工作范围

模块的绝对最大额定值包括电源电压、温度、结温以及 RF 输入电平。在实际应用中，需确保工作条件在规定的范围内，以保证设备的可靠性。例如，电源电压范围为 -0.5 至 3.9 V，温度范围为 -55 至 +115 °C。工作范围方面，电源电压为 1.8 至 3.7 V，工作温度范围为 -20 至 +70 °C。

芯片规格

在特定条件下（电源电压 (VDD = 3.3 V)，温度 (= 25^{circ} C)，(FXOSC = 32 MHz)，(F_{RF}=169 / 434 / 868 / 915 MHz)，(Pout = +13dBm)，2 - 级 FSK 调制无预滤波，(FDA = 5 kHz)，比特率 (= 4.8 ~kb / s) 且终端匹配 50 欧姆阻抗，共享 Rx 和 Tx 路径匹配），模块的电气规格包括功耗、频率合成、FSK/OOK 模式接收和发射等方面。

功耗

不同工作模式下的功耗差异较大。例如，睡眠模式下的电源电流仅为 0.2 - 1 μA，而发射模式下，根据不同的输出功率，电流消耗在 20 - 120 mA 之间。

频率合成

合成器频率范围可编程，从 410 至 1020 MHz，晶体振荡器频率为 32 MHz，频率合成器的唤醒时间和跳频时间也有相应的规定。

FSK/OOK 模式接收和发射

接收灵敏度与比特率和频率偏差有关，不同频段和配置下的灵敏度有所不同。发射方面，RF 输出功率可编程，在不同引脚和模式下有不同的输出范围和稳定性。

三、功能特性

LoRaTM 调制解调器

LoRaTM 调制解调器采用专有扩频调制技术，相比传统调制技术，可增加链路预算并提高抗带内干扰能力。同时，它放宽了晶体参考振荡器的频率容差要求，在降低系统成本的同时提高了性能。通过调整扩频因子、调制带宽和纠错率等参数，可优化链路预算、抗干扰能力、频谱占用和标称数据速率之间的平衡。

扩频因子

扩频因子决定了每个有效载荷信息位所代表的码片数量，不同的扩频因子对应不同的信噪比要求。例如，扩频因子为 6 时，需要 -5 dB 的信噪比，适用于最高数据速率传输，但需要特定的寄存器设置。

编码率

LoRaTM 调制解调器采用循环纠错编码来提高链路的鲁棒性，不同的编码率会带来不同的传输开销。

信号带宽

增加信号带宽可提高有效数据速率，但会降低灵敏度。在实际应用中，需要根据具体需求和监管要求选择合适的带宽。

LoRaTM 数据包结构

LoRaTM 调制解调器采用显式和隐式两种数据包格式。显式数据包包含一个短头，提供有关字节数、编码率和是否使用 CRC 的信息；隐式数据包则去除了头信息，适用于有效载荷、编码率和 CRC 存在固定或已知的场景。

FSK/OOK 调制解调器

在 FSK/OOK 模式下，RFM95/96/97/98(W)支持标准调制技术，包括 OOK、FSK、GFSK、MSK 和 GMSK。低中频架构和内置的 AFC 功能使其特别适合窄带通信。

比特率设置

比特率设置参考晶体振荡器，可精确设置无线电的比特率。在连续发射模式和数据包模式下，比特率的控制方式有所不同。

调制与解调

FSK 调制通过改变 PLL 反馈回路中的分数分频比来实现，频率偏差有一定的限制。OOK 调制则通过开关功率放大器来实现，可进行数字控制和斜坡调整以改善瞬态功率响应。解调方面，FSK 解调器适用于多种调制信号，OOK 解调器通过比较 RSSI 输出和阈值来进行解调。

其他功能

还包括位同步器、频率误差指示器、AFC、前导码检测器、图像抑制混频器、图像和 RSSI 校准以及超时功能等，这些功能有助于提高接收性能和降低功耗。

四、数字电子部分

LoRaTM 调制解调器

数字接口

包括静态配置寄存器、状态寄存器和 FIFO 数据缓冲区，通过 SPI 接口进行访问。配置寄存器在睡眠和待机模式下可写入，状态寄存器提供接收操作期间的状态信息，FIFO 数据缓冲区可存储接收和待发送的数据。

操作模式

包括睡眠、待机、FSTX、FSRX、TX、RXCONTINUOUS、RXSINGLE 和 CAD 等模式，可通过改变 RegOpMode 寄存器的值来切换。

数据传输和接收序列

在发射模式下，通过优化 RF、PLL 和 PA 块的开启时间来降低功耗。接收模式分为单接收模式和连续接收模式，单接收模式适用于已知数据包到达时间的场景，连续接收模式则持续扫描信道。

FSK/OOK 调制解调器

操作模式

包括睡眠、待机、频率合成器到 Tx 频率、发射、频率合成器到 Rx 频率和接收等模式，可手动编程或使用顶级序列器自动选择。

启动时间

发射和接收的启动时间取决于模块的初始模式，与晶体振荡器和 PLL 的启动时间有关。

顶级序列器

通过用户可编程的状态机自动控制芯片模式，可根据预设序列改变电路模式，仅在 FSK/OOK 模式下可用。

五、模拟与 RF 前端电子部分

电源策略

采用内部电压调节方案，在全工业温度和工作电压范围内提供稳定的工作电压，确保设备特性的一致性。可通过 VBAT_ANA、VBAT_RF 和 VBAT_DIG 引脚从低噪声电压源供电，并需连接去耦电容以保证内置电压调节器的正常工作。

低电池检测器

可通过寄存器 RegLowBat 调整可编程阈值，当电源电压低于该阈值时，可生成中断信号并映射到 DIO 引脚。

频率合成

晶体振荡器

作为主要的定时参考，用于 PLL 的频率合成和所有数字处理的时钟信号。其启动时间取决于晶体参考的电气特性，模块会优化启动时间并在振荡器信号稳定时自动触发 PLL。

CLKOUT 输出

可在 DIO5 引脚提供参考频率或其分数，可用于为配套处理器提供时钟输出或作为振荡器参考输出。

PLL

本地振荡器由两个几乎相同的分数 - N PLL 派生而来，参考晶体振荡器电路。PLL 具有可编程带宽设置，载波频率通过 RegFrf 寄存器编程。

RC 振荡器

在顶级序列器的低功耗睡眠状态下，所有定时操作依赖于内部低功耗 RC 振荡器的准确性，该振荡器在设备上电时自动校准。

发射机

架构描述

由频率合成器、调制器（LoRaTM 和 FSK/OOK）和功率放大器块组成，通过 VR_PA 块提供直流偏置和斜坡功能。

RF 功率放大器

PA_HF 和 PA_LF 是高效放大器，可在 -4 至 +14dBm 范围内以 1 dB 步长调节输出功率，分别覆盖上、下频段。PA_HP 连接到 PA_BOOST 引脚，可在所有频段工作，连续输出功率可达 +17 dBm，占空比操作时可达 +20dBm。

接收机

概述

采用数字接收机，模拟到数字转换过程直接在 LNA - 混频器块之后进行。除了 LoRaTM 调制方案外，还能解调 ASK、OOK、(G)FSK 和 (G)MSK 调制。

自动增益控制

AGC 功能使接收机能够处理从灵敏度水平到最大输入电平 0dBm 或更高的宽输入动态范围，同时优化系统线性度。

RSSI

在 FSK/OOK 模式和 LoRaTM 模式下，RSSI 的计算方法不同，可通过 RssiOffset 进行补偿，以考虑匹配网络的损耗或额外 LNA 的增益。

信道滤波器

采用 16 抽头有限脉冲响应 (FIR) 滤波器，可拒绝所需信道之外的噪声和干扰。通信比特率不能高于单端接收机带宽的两倍。

温度测量

可在除睡眠和待机模式外的任何模式下测量温度，结果存储在 RegTemp 寄存器中，由于工艺变化，测量结果的绝对精度为 +/- 10 °C，需要在已知温度下进行校准以提高精度。

六、寄存器描述

寄存器映射取决于所选的 FSK/OOK 或 LoRaTM 模式。在 FSK/OOK 模式下，寄存器用于设置比特率、频率偏差、功率放大器、LNA 增益等参数；在 LoRaTM 模式下，寄存器用于控制 LoRa 调制解调器的各种功能，如扩频因子、编码率、数据包格式等。

七、应用信息

晶体谐振器规格

晶体参考振荡器电路的晶体谐振器规格包括频率、串联电阻、并联电容、外部引脚电容和负载电容等参数，需根据目标工作温度范围和接收机带宽选择合适的初始频率容差、温度稳定性和老化性能。

芯片复位

包括上电复位和手动复位。上电复位时，需等待 10 ms 后再通过 SPI 总线进行通信；手动复位时，需将引脚 7 拉低 100 微秒，然后释放，等待 5 ms 后再使用芯片。

顶级序列器应用模式

监听模式

电路大部分时间处于空闲模式，周期性唤醒接收器寻找传入信号。可根据不同的中断条件（如 PreambleDetect 中断、SyncAddress 中断等）实现不同的监听模式，以优化功耗。

信标模式

周期性发送重复消息，通过设置 RegPacketConfig2 中的 BeaconOn 位和序列器，可实现无需用户干预的周期性信标发送。

示例代码

文档还提供了 CRC 计算和温度读取的示例代码，方便工程师进行开发和调试。

八、封装信息

RFM95/96/97/98(W) 提供特定的封装外形，可根据不同的频段和封装类型进行订购。

RFM95/96/97/98(W) 模块凭借其丰富的功能和出色的性能，在工业监控、智能家居、无线报警等领域具有广泛的应用前景。作为电子工程师，我们需要深入了解其特性和功能，以便在实际应用中充分发挥其优势。你在使用这款模块的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。