【正文】 低，性能可靠等?？梢哉f，實現(xiàn)無線傳輸子系統(tǒng)的過程中，射頻芯片的采用是一個關(guān)鍵。 芯片選型 射頻芯片分類射頻收發(fā)器芯片按照調(diào)制解調(diào)的方式可以分為兩大類。一類是以模擬調(diào)制為基礎(chǔ)的收發(fā)器芯片，另一類是以數(shù)字解調(diào)為基礎(chǔ)的收發(fā)器芯片，圖像信號的短距離無線射頻傳輸可以用模擬RF和數(shù)字RF兩種方式來實現(xiàn)。這可以根據(jù)攝像頭的輸出是模擬信號還是數(shù)字信號來確定，它們各有優(yōu)缺點。模擬RF傳輸方式的優(yōu)點是沒有數(shù)據(jù)率要求，不過一般情況下它的圖像質(zhì)量沒有數(shù)字RF傳輸方式好。數(shù)字射頻芯片傳輸信號的重要的優(yōu)點是信號抗干擾能力強。它們的誤碼率也很低。但數(shù)據(jù)傳輸速率也比較低，很少用它來進(jìn)行數(shù)字圖像傳輸。 發(fā)射器芯片選型原則（1） 封裝尺寸：前面的章節(jié)中已經(jīng)論述到：膠囊的內(nèi)窺鏡的尺寸非常的小，直徑不到1CM，長度2CM多一些，在這么小的尺寸內(nèi)不但要實現(xiàn)光學(xué)成像，光電轉(zhuǎn)換的功能，還要實現(xiàn)無線傳輸?shù)墓δ?，這就要求每一部分的尺寸都要非常的小，所以，在芯片選型的過程中，我們就要將芯片的封裝尺寸作為重要的選擇依據(jù)。我們用一句話來概括這個選擇依據(jù)：越小越好。（2）調(diào)制方式：根據(jù)本設(shè)計的總體設(shè)計方案，我們采用模擬調(diào)制的方式實現(xiàn)無線傳輸，所以，射頻芯片必須具有幅度調(diào)制或者頻率調(diào)制/相位調(diào)制的功能。（3）調(diào)制頻率：發(fā)射器芯片的調(diào)制頻率決定了輸入射頻芯片的被調(diào)制信號最大頻率，如果輸入信號的最高頻率超過了射頻芯片的調(diào)制頻率上限，將會引起很大的失真。所以，我們在選擇射頻芯片的時候，要先考慮被調(diào)制信號的最高頻率，然后根據(jù)這個頻率值來選擇射頻芯片。（4）輸入阻抗：輸入阻抗是指芯片上與輸入信號相連的引腳處往芯片內(nèi)部看去的阻抗。阻抗匹配是無線電與微波技術(shù)中常見的一種工作狀態(tài)，它放映了輸入電路與輸出電路之間的功率傳輸關(guān)系。當(dāng)電路實現(xiàn)阻抗匹配時，將獲得最大的功率傳輸。反之，當(dāng)電路阻抗失配時，不但得不到最大的功率傳輸，還可能由于不匹配引起發(fā)射而使電路中傳輸?shù)男盘柺д?。在本課題的電路設(shè)計中也要考慮這一點，即圖像傳感器的輸出阻抗要和射頻芯片的輸入阻抗相同。（5）發(fā)射功率：在同等條件下，為了保證有效和可靠地通信，應(yīng)該選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。否則，由于人體對信號的強烈吸收，可能引起信號從人體內(nèi)傳播到人體外接收器時其功率非常低，以至于接收器不能感應(yīng)到該信號。（6）芯片外圍元件：同芯片的封裝形式一樣，芯片外圍器件的數(shù)量和種類直接影響系統(tǒng)的尺寸。芯片外圍元器件的數(shù)量過多不但會增加系統(tǒng)的體積，也會增加系統(tǒng)的功率和產(chǎn)品的成本。因此應(yīng)該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。也就是集成度高的芯片。 總之，由于膠囊內(nèi)窺鏡的尺寸非常小這一特殊性，我們在芯片的選型上需要考慮的問題非常多。芯片的選型是系統(tǒng)設(shè)計中一個很關(guān)鍵的步驟。 接收器芯片選型原則 相對于發(fā)射器等芯片，接收器芯片的選型所要考慮的問題則要簡單很多。因為接收器芯片應(yīng)用在人體外，它不像發(fā)射端那樣有嚴(yán)格的尺寸限制，也沒有嚴(yán)格的低功耗要求。＊ 接收器芯片的選型考慮因素 （1）解調(diào)方式。根據(jù)本課題的總體設(shè)計方案，我們采用模擬調(diào)制解調(diào)的方式實現(xiàn)無線傳輸。所以，接收端的射頻接收器芯片必須具有幅度解調(diào)或者頻率解調(diào)/相位調(diào)制解調(diào)的功能。 （2）工作頻率。這里所說的工作頻率也就是該芯片能夠接收何種載波頻率的調(diào)制信號。調(diào)制信號是由發(fā)射端芯片產(chǎn)生并發(fā)射的，所以，我們必須根據(jù)發(fā)射端芯片的工作頻率來選擇接收端芯片。也就是說接收端與發(fā)射端的工作頻率必須要有交集。 （3）芯片型號的確定：無線射頻芯片是無線傳輸子系統(tǒng)的核心部件，它的選型直接關(guān)系整個研究與設(shè)計的成效。由于無線收發(fā)芯片的廠商和種類比較多，正確的選擇可以使研發(fā)少走彎路，降低成本。查閱相關(guān)資料后決定，本設(shè)計采用美國RFMD公司的RF2510 UHF Transmitter和FR2917 Receiver。＊ RF2510性能分析 RF2510是一款單片帶有鎖相環(huán)的FM/FSK UHF 發(fā)射器芯片，頻率范圍在300MHz—1000MHz，采用FM/FSK調(diào)制。芯片內(nèi)含有集成壓控振蕩器，鑒相器，雙模/雙分頻器，基準(zhǔn)晶體振蕩器和鎖相環(huán)回路。，具有低功耗模式，能夠?qū)?0歐姆的負(fù)載提供15毫瓦的輸出功率。芯片適用于窄帶和寬帶FM。＊＊ RF2510主要管腳功能 (1)OSCB：直接連接在基準(zhǔn)振蕩器晶體管的基極，基準(zhǔn)振蕩器的結(jié)構(gòu)是畢 茲的改進(jìn)型。 (2)OSCE：直接連接在基準(zhǔn)振蕩器晶體管的發(fā)射極，在這個引腳與地之間 需連接一個電容器。 (3)VCO OUT：發(fā)射器電路的RF輸出端。當(dāng)發(fā)射器使能時，VCO OUT 輸 出阻抗是低阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)發(fā)射器不使能時，該端為高阻態(tài)。 （4）PD：低功耗模式控制。包括所有電路。當(dāng)該引腳為邏輯地點品是，所有點嘍管段；當(dāng)該引腳加上邏輯高電頻時，所有電路導(dǎo)通。 （5）MOD CTRL：該引腳用來選擇分頻器系數(shù)。邏輯高電平選擇64或128分頻系數(shù)。邏輯低電平選擇65或129分頻系數(shù)。 （6）DIV CTRL：該引腳用來選擇想得到的分頻系數(shù)。邏輯高電平選擇選擇64/65分頻系數(shù)，邏輯低電平選擇128或129分頻系數(shù)。 （7）RESNTR和RESNTR+:這兩個管腳用來為壓控振蕩器（VCO）提供直流電壓，同時也調(diào)節(jié)壓控振蕩器的中心頻率。 （8）MOD IN：信號通過這個引腳輸入?？梢园颜{(diào)頻模擬信號或者數(shù)字調(diào)制信號加到VCO上。VCO頻率的變化與加到這個引腳的電壓變化一致。 （9）LOOP FLT：充電泵的輸出端。該引腳與地間的RF回路用來控制鎖相環(huán)的寬帶。 （10）VREF P：旁路分頻器和鑒相器偏置電壓參考端。旁路電容將直接連接在這個管腳上。提供基準(zhǔn)晶振頻率的濾波。＊ RF2917內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理 （1）RF2917是一個高性能的PLL單片F(xiàn)M/FSK接收器。芯片內(nèi)集成低噪聲放大器，混頻器，兩級中頻放大器，壓控振蕩器VCO，基準(zhǔn)振蕩器，RSSI，解調(diào)器等電路。它僅僅需要外接基準(zhǔn)晶振，陶瓷濾波器和少數(shù)幾個元件，即可構(gòu)成一個完整的FM/FSK接收器電路。 （2)接收器的輸出功能是由MUTE的三個輸入狀態(tài)決定。輸出有三種形式:線性FM，F(xiàn)SK和無聲。濾波解調(diào)器輸出數(shù)字信號中的IF諧波。在FM模式，F(xiàn)MOUT 信號是解調(diào)器的緩沖輸出。輸出信號有一個固定的DC偏移（）。AC電平取決于FM的頻偏。，頻偏需要超過在接收器和發(fā)射器之間的載波頻率誤差。在FSK模式下，F(xiàn)M OUT的輸出信號被鉗位。FM OUT 端要求負(fù)載為高阻和小電容。電容決定FM輸出帶寬。對于一個3PF的負(fù)載。如濾波器的帶寬為180KHz，輸出信號的帶寬限制在140KHz。為了得到給定的數(shù)據(jù)率，選擇正確的帶寬和頻偏是非常重要的。 (3)RSSI的輸出信號是由電流源供電的。需要一個電阻將它轉(zhuǎn)換為電壓。RSSI有FM/FSK兩種模式。在相同的輸入功率范圍是線性的。但在FM模式下，有一個較高的分辨率。例如，51KΩ的電阻負(fù)載。在FM模式。在FSK模式下?？梢允褂靡粋€小的并聯(lián)電容去限制帶寬和濾波器的噪聲。 (4)RX IN端是被DC偏置，RF信號反饋到VCO，PLL跟蹤鎖相。外接的電阻和可變電容二極管的布局是很重要的。外接的電容和可變電容二極管應(yīng)盡可能的連接到RF2917的連接端。分布電感和引線電感會使電感的數(shù)值減少。在設(shè)計中也可以使用印制電感。為得到最好的效果，物理布局盡可能的對稱。當(dāng)使用的回路帶寬低于5KHz時，較好的濾波器相應(yīng)減少VCO的相位噪聲?？梢允褂靡粋€100歐姆到200歐姆的電阻和一微法的電容串聯(lián)。 (5)為了在低噪聲放大器LNA和混頻器間接口，需要一個耦合電容連接在兩端，同時需要接入一個偏置電感。電感的值可以被引線電感所改變。LNA的輸出阻抗是幾千歐姆。匹配50歐姆是很困難的?？梢允褂苗R像濾波器。推薦使用高阻抗濾波器。如果不使用濾波器，對于高增益的中頻放大器，混頻器的輸入可以有一段的連接匹配。事實上，在低噪聲放大器LNA和混頻器之間的匹配不影響靈敏度，但影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 (6)陶瓷鑒頻器的溫度系數(shù)要求為+50x106/C。FM OUT 端的DC電平反饋到與基準(zhǔn)晶體振蕩器連接的一個變?nèi)荻O管上，用于自動頻率的控制回路。在DEMOD IN段有一個DC偏置，必須要隔直。 （7）RF2917芯片上有一個PLL回路。VCO的輸出被分頻器分頻后，于基準(zhǔn)振蕩器頻率進(jìn)行比較。鑒相器的輸出對應(yīng)被調(diào)制脈沖的寬度，可以用一個積分脈沖序列的回路濾波器產(chǎn)生VCO的控制電壓去鎖定相位。PLL的鎖定時間與回路瞬時響應(yīng)時間，鑒相器輸出電路設(shè)置的回轉(zhuǎn)率及回路濾波器的電容有關(guān)。 載波頻率 早期的醫(yī)療設(shè)備通信經(jīng)常通過磁耦合的方法進(jìn)行通信。這種方法傳輸?shù)木嚯x只有幾英寸。如果是數(shù)字通信。其數(shù)據(jù)傳輸速度會比較低，大約只有50KB/s. 醫(yī)療環(huán)境中使用的電子設(shè)備，特別是植入入體內(nèi)的裝置需要采用抗干擾，低功率功耗設(shè)計。這些特征是必須的。因為這些裝置難以直接維護(hù)。如果裝置出現(xiàn)故障或者失效，后果會很嚴(yán)重。為了保證可靠性，國際上相關(guān)組織為電子醫(yī)療裝置通信制定了一些規(guī)范。主要是兩個協(xié)議。一個是植入人體內(nèi)醫(yī)療裝置通信服務(wù)MICS（Medical Implant Communication Service),適用于需要周期性進(jìn)行體外通信的植入技術(shù)。另一個是無線醫(yī)療遙測服務(wù)WMTS（Wireless Medical Telemetry Service),適用于非植入人體式患者檢測系統(tǒng)。 MICS是1999年由美國聯(lián)邦通信委員會為人體內(nèi)工作的醫(yī)療設(shè)備通信而制定的。頻段為402到405MHz。之所以慎重選擇這一特定頻段，有幾個原因。第一，該頻段使得低功耗發(fā)射器和天線配置的設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)合理的傳輸距離。同時對已植入人體式應(yīng)用來說仍然足夠小。第二，該頻段不會造成干擾。因為統(tǒng)一頻段上不會存在其他無線電波。最后，MICS頻段的頻率具有傳輸特征，適合在人體內(nèi)使用。 膠囊內(nèi)窺鏡屬于植入式人體設(shè)備，因此采用MICS頻段。 電路參數(shù)的確定 發(fā)射端電路之基準(zhǔn)振蕩器RF2510的基準(zhǔn)振蕩器是一個Collpitts型振蕩器，電路如下圖所示。 C1 X1 C2 RF2510電路圖 振蕩器是晶振基波形的一個并聯(lián)諧振回路。晶體管放大器是一個射極跟隨器。且電壓增益受阻抗變換的影響。電容C1和C2的串聯(lián)組合與晶體管輸入端的電容并聯(lián)形成一個容性負(fù)載，與晶振并聯(lián)。電容的數(shù)值可以用下面的兩個公式計算。 式中的C負(fù)載電容通常取32pF，是晶振器頻率，以MHz為單位。這個頻率既可以通過改變C2來調(diào)節(jié)，也可以通過一個可調(diào)節(jié)的與晶振串聯(lián)的電容器來調(diào)節(jié)。振蕩器能否起振，可通過觀察引腳2的信號來檢查。晶振起振后，引腳2的的峰值電壓應(yīng)該在500mV左右。這可降低基準(zhǔn)電壓與信號失真時的噪聲。如果這個峰值高于500mV，那么就要增加電容器C1的值。 壓振振蕩器 在整個電路中，一個重要的環(huán)節(jié)就是壓控振蕩器的設(shè)計。壓控振蕩器是差分放大器結(jié)構(gòu)。VCO被內(nèi)部的變?nèi)荻O管調(diào)諧。變?nèi)荻O管是通過4kΩ電阻的環(huán)路濾波器的輸出電壓調(diào)諧。如下圖所示。 壓振振蕩器 電感和變?nèi)荻O管對差分放大器進(jìn)行調(diào)諧。為了調(diào)諧壓控振蕩器VCO的頻率，需要計算連接在引腳12和13之間的電感的數(shù)值。電感器的數(shù)值計算可以由下式?jīng)Q定。 = 式中，f是要設(shè)計得到的頻率；L是電感的數(shù)值。C是變?nèi)荻壒芗纳娙莸臄?shù)值。為了計算。壓控振蕩器的調(diào)試如下：首先選擇適當(dāng)?shù)碾姼衅骱碗娙萜鞯闹担箟嚎卣袷幤髟谠O(shè)定的頻率上運行，其中電容值包括變?nèi)荻O管和寄生電容兩部分。壓控振蕩器正常運行在設(shè)定的頻率上后，需要設(shè)定其靈敏度。靈敏度是由連接到控制電壓輸入端之間的電壓決定的。壓控振蕩器的靈敏度用Hz/V來表示。當(dāng)電容值減少的時候，增加電感的值會使靈敏度增強；反之，當(dāng)電容值增大的時候，減少電感器的值，將會降低靈敏度。但是在增加或者減少元件值的時候，必須確保中心頻率恒定不變。 鎖相環(huán)電路 鎖相環(huán)電路需要一個外接的換濾波器來組成鎖相環(huán)回路。環(huán)路濾波器把充電泵的輸出電壓轉(zhuǎn)換為壓控振蕩器VCO的控制電壓。充電泵的輸出端經(jīng)過一個4KΩ的電阻連接到壓控振蕩器。環(huán)路濾波器連接到引腳14上。這將形成一個旁路電容和RC串聯(lián)組成的二階濾波器。無源濾波器是一種很常見的濾波器，既廉價，又低噪聲。 傳輸系數(shù)為： 式中時間常數(shù)定義為： ， 環(huán)路帶寬： 如果相位參數(shù)PM和環(huán)路帶寬是已知的，則可以計算出時間常數(shù)： 計算出時間常數(shù)后，就可以決定濾波器元部件的數(shù)值： C1= C2=C1確定的辦法是：將引腳14迅速的接觸VCC端。然后再接地，這樣就可以得到VC0頻率的變化范圍。 分頻系數(shù)的設(shè)置RF2510內(nèi)有預(yù)分頻器，其分頻系數(shù)可以通過DIV CTRL和MOD CTRL來控制。當(dāng)MOD CTRL為高電平時，分頻器為64或128分頻。為低電平時，分頻器為65或129分頻。當(dāng)DIV CTRL為高電平時，分頻器為64或65分頻，為低電平時分頻器為128或129分頻。如下圖所示。 分頻系數(shù)配置 MOD CTRL 0 1DIV CTRL 0 129