全面拆解和构建5G物联网-18：LoRa终端Sx1262芯片内部高频电信号到中频电信号的变换（混频和变频）

我们已经拆解了天线是如何发送和接收空中的高频无线电磁波信号、拆解了无线终端如何对射频前端的高频电信号进行进一步处理的、还拆解了无线终端的发送和接收如何分时复用天线的半双工模式。

我们还拆解无线终端是如何对高频射频电信号进行进一步的处理，包括发送方向的功率放大器和接收方向的低噪声放大器。ben

本章将进一步拆解无线终端是如何在高频射频电信号和中频信号之间进行转换的，在接收方向，把高频射频电信号转换成中频的射频电信号；在发送方向，把中频射频电信号转换成高频射频电信号。

一、无线终端--数据发送和接收的全过程

二、简化的手机射频通信过程（作为LoRa终端射频通信的框架与参考）

基带（Baseband，BB）：属于数码集成电路，用来进行数码讯号的压缩／解压缩、频道编码／解码、交错置／解交错置、加密／解密、格式化／解格式化、多工／解多工、调变／解调，以及管理通讯协定、控制输入输出界面等运算工作，著名的移动电话基频芯片供应商包括：高通（Qualcomm）、博通（Broadcom）、迈威尔（Marvell）、联发科（MediaTek）等。

LoRa终端中，在MCU中执行的LoRa的MAC层协议，就归属于基带部分，以及LoRa射频芯片的物理层帧结构的定义与处理，也属于基带部分。

调制器（Modulator）   ：发送信号时使用，将基频芯片处理的数字信号转换成中频的无线电信号的波形。

解调器（Demodulator）：接收信号时使用，将中频的电信号波形转换成数字信号，再传送到基频芯片（BB）进行数字信号的处理工作。

混频器（Mixer）：主要负责频率转换的工作，将调制后的中频电信号转换成所需要的频率高频电信号，来配合不同通讯系统的频率范围（无线频谱）的要求。

合成器（Synthesizer）：提供无线通讯电磁波与射频集成电路（RF IC）所需要的工作频率，通常经由“相位锁定回路（PLL：Phase Locked Loop）”与“电压控制振荡器（VCO：Voltage Controlled Oscillator）”来提供精准的工作频率。

功率放大器（Power Amplifier，PA）：发送信号时使用，高频电信号在通过天线传送出去之前，必须先经由功率放大器（PA）放大，增强信号的功率才能传送到够远的地方。

低杂讯放大器（Low Noise Amplifier，LNA）：接收信号时使用，天线接收进来的高频电信号很微弱，必须先经由低杂讯放大器（LNA）放大讯号，才能进行进一步的处理。

带通滤波器（Band Pass Filter，BPF）：只让特定频率范围（频带）的高频电信号通过，将不需要的频率范围电信号滤除，得到我们需要的频率范围（频带）。

收发器（Transceiver）：这是一个开关器件，在软件的控制下，负责无冲突的分时复用天线。

 

本文将进一步深入拆解合成器和混频器的功能。

在Sx1262射频芯片中，这块的功能是由OSC, PLL和Mixer完成的。

三、OSC晶体震荡器

之所以，先拆解OSC晶振电路，这是因为射频芯片中所有的高频、中频、低频模拟信号的频率信号都源于晶振。当然，也包括基带的数字信号处理单元CPU的频率。

可以这样说，晶振是整个电子设备的心脏，心脏的正常跳动的频率就是心率。是电子设备所有其他频率的源头。

当然，在一个复杂的系统中，会有多个不同的晶振。

下面来详细了解一下晶振以及在LoRa射频芯片SX1262中应用。

1.  什么晶振

电子设备需要频率高度稳定的交流信号，而简单的LC振荡器，稳定性较差，频率容易漂移（即产生的交流信号频率容易变化）。

在振荡器中有一个特殊的元件——石英晶体，可以产生高度稳定的信号，这种采用石英晶体的振荡器称为晶体振荡器。

2. 晶振的工作原理：

晶振具有压电效应，即在晶片两极外加电压后晶体会产生变形，反过来如外力使晶片变形，则两极上金属片又会产生电压。如果给晶片加上适当的交变电压，晶片就会产生谐振（谐振频率与石英斜面倾角等有关系，且频率一定）。晶振利用一种能把电能和机械能相互转化的晶体，在共振的状态下工作可以提供稳定、精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。利用该特性，晶振可以提供较稳定的脉冲，广泛应用于微芯片的时钟电路里。晶片多为石英半导体材料，外壳用金属封装。

3. SX1262的晶振电路

LoRa终端板有需要两个晶振：

一个是XO_32.768K低频震荡器，用于给MCU提供32.768K低频时钟。

一个是TXCO/XO_32M, 用于给射频芯片SX1262提供高稳态的32M高频时钟。

TCXO(Temperature Compensate X'tal (crystal) Oscillator) TCXO是通过附加的温度补偿电路使由周围温度变化产生的振荡频率变化量削减的一种。TCXO的温度补偿方式， 温度补偿型石英晶体谐振器，使得TXCO具有比XO更高的精度、更好的稳定性等特点。

当采用TXCO，可以把TXCO的输出连接到射频芯片SX1261/2的XTA管脚，然后悬空XTB管脚。

当采用XO时，才需要把XO的XTA和XTB分别连接到射频芯片SX1261/2的XTA和XTB管脚上。

在上图中，有一个特殊的管脚DIO3, 从功能上看，该管脚是射频芯片SX1262特有的输出信号，给晶体震荡器提供电源。

通常情况下，晶体震荡器的电源，来自于目标板上的电源电路，是硬件电路预先设计好的，比如3.3V的电源电压。

这里不同于常规情况，该该晶体震荡器的电压是可以有射频芯片SX1261/2配置的：

不太清楚的是不同的电压会导致什么的不同结果？是不是不同电压，会产生不同的频率输出？后续在验证。

 

当然，这里的32M高频时钟，仅仅是射频芯片的参考时钟，基准时钟。高频电磁波所需要的470M或890M或2.4G等时钟，基于该基准时钟，经过后续的锁相环电路PLL产生的。

四、PLL锁相环

1. 锁相环的基本概念

锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PLL,Phase-Locked Loop）。

锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。使得输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。

锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。

锁相环通常由鉴相器（PD,Phase Detector）、环路滤波器（LF,Loop Filter）和压控振荡器（VCO,Voltage Controlled Oscillator）三部分组成，锁相环组成的原理框图下图如图所示。

锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成uD（t）电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC（t），对振荡器输出信号的频率实施控制。

 

在多数情况下，锁相环的输出输入不是相同的频率，它实现的基本原理是在上述电路的基础上在增加一个分频器电路。

利用分频后的频率信号作为鉴相器的输入，就可以实现输出信号的倍频功能。

2. SX1261/2的锁相环

在32M的基准时钟输入下，经过PLL锁相环电路，再通过对内部分频器的控制，可以获得150M-960M各种高频信号所需要的时钟。

在SX1261/2内部，PLL锁相环承担了频率合成器（Frequency synthesizer）的功能。

需要注意的是：

（1）在系统启动的过程中，PLL输出时钟，同步或锁定到TXCO的基准时钟上，是需要时间的。在这段时间内，射频电路的时钟是不稳定的，此时射频电路不能工作。为了突出这个阶段的重要性。

SX1261/2为此阶段定义了一个专门的状态：

芯片只有进入FS，即频率同步之后，才能使能射频芯片的发送或接收。

（2）当然，了简化程序员的工作，SX1261/2并没有直接给程序员暴露分频器的接口，而是通过寄存器直接指明输出信号的频率，SX1261/2的内部硬件设计会自动折算成所需要的分频器的配置值。

 

3. SX1261/2的锁相环相关的寄存器配置

 

锁相环的存在，使能射频芯片能够得到需要所需频率的震荡时钟信号。这些时钟信号，是产生高频、中频、低频的发送和接收信号的基础。

从上图可以看出，锁相环PLL + Frequency synthesizer频率合成器，为系统提供了所需要各种频率的时钟信号，该时钟信号作为混频器的参考时钟输入。

最后，我们再拆解一下混频器。

五、混频器Mixer

1. 混频器简介

混频器是一个很有意思的装置：

（1）它能够把两个不同频率（高频、低频）、不同波形的信号整合在一起，变成一个混合波形、混合频率的信号输出。

（2）它还能够通过提供反相位的高频输入，从混合频率、混合波形中提取和分离出混合前的低频信号的波形和频率。

 

混频器定官方定义：

混频器是输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或为两者其他组合的装置电路。

混频又叫变频，是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程，而原信号的波形（波的形状）保持不变 。

在上图中：

fc是调制后的中频信号，其波的形状是低频信号。

fs调制前的中频信号。

FL是晶体震荡器的高频输出信号。

fc和FL共同进入混频电路。

输出fI的频率为FL, 其形状是FC

从波形效果上看，信号的波形保留了下来，但信号的发送频率，由中频信号的频率转为了高频信号的频率。

这实际上，完成了一个神奇的功能：把调制后的中频或低频信号的波形，搬移到了高频信号上。

用上图形象的比如来看

发送时：在源地，把低速货车上的集装箱，经过混频器，搬移到高速的高铁上。

电磁波传送：高铁高速行驶，并运送集装箱。

接收时：到底目的地，经过混频器，把高铁上的集装箱，重新搬移到接收方的低速货车上。然后有货车把货物运送到真正的目的, 调制解调器（关于调制解调的功能，我们在下一个篇文章中再进一步拆解）。

解读：

波形是调制解调的基础，数字信号就是通过特定的中频或低频信号波形来表示的！！！

上述集装箱中的货物就是调整解调的数据信号，卡车就是调制解调的低频或中频信号。

从射频终端发送射频信号的角度来看：

这里的源信号之一：就是调制之后的、具有特定波形的低频或中频信号。

这里的目标信号：就是频率与高频信号相同，形状与低频信号一致。

这里的另一个源信号：就是锁相环输出的高频时钟信号，也称为标准的高频正弦波信号。

 

2. SX1261/2中的混频器

关于混频器，射频芯片SX1261/2的官方资料，没有提供太多的描述。仅仅在系统框图中标识了出来。

即上图中的红色方框处的X图标。

这也好理解，毕竟混频器是纯硬件电路的实现，并不需要给软件留下什么编程控制的参数。

当然，感觉如上图中的描述实际并不完全准确，整理后更精确的示意图如下：

后记：

至此，我们已经拆解了

（1）天线是如何发送和接收空中的高频无线电磁波信号、

（2）拆解了无线终端如何对射频前端的高频电信号进行进一步处理的、

（3）拆解了无线终端的发送和接收如何分时复用天线的半双工模式。

（4）拆解无线终端是如何对高频射频电信号进行进一步的处理，包括发送方向的功率放大器和接收方向的低噪声放大器。

（5）本章拆解无线终端是如何在高频射频电信号和中频信号之间进行转换的，在接收方向，把高频射频电信号转换成中频的射频电信号；在发送方向，把中频射频电信号转换成高频射频电信号。实现调制解调信号到高频传送信号的搬移。

下一篇：我们进一步拆解如何把数字信息编码无线信号特定的波形上，如何从特定波形的无线信号上还原出数字信息，即调制解调。

 

参考：

混频器的工作原理分析：https://www.eda365.com/thread-284921-1-1.html