nRF21540特性及配置详解(2)

Wallytina

nRF21540支持双天线ANT1和ANT2

nRF21540的天线分集(Antenna diversity)是一种提高无线通信可靠性的技术，通过在两个天线之间切换来减少多径传播效应和提高链路质量, nRF21540 RF FEM(射频前端模块)包含两个天线端口(ANT1和ANT2)，支持天线分集功能：

· Tinghy53中，通过RF开关(U17)控制天线选择

• 天线A1连接到nRF21540 RF FEM的ANT1端口，支持高达+20 dBm的TX输出功率
• 天线A2直接连接到RF开关的RF2端口，最大TX输出功率为+3 dBm的TX输出功率
• 天线选择通过P1.10引脚(SEL同时也是PDN脚)控制
• 当你把thingy53当做5340dk板使用时，使用的是A2天线
  

· nRF21540DK中，天线选择通过ANT_SEL引脚控制

• 天线A1连接到nRF21540 RF FEM的ANT1端口，支持高达+20 dBm的TX输出功率
• 天线A2连接到nRF21540 RF FEM的ANT2端口，支持达+20 dBm的TX输出功率
• 天线选择通过P0.20引脚(ANSEL)控制
  

nRF21540的接收增益13db和噪声系数2.7db

nRF21540的接收增益(receive gain)13 dB和噪声系数(noise figure)2.7 dB是两个不同但相关的参数，它们共同决定了低噪声放大器(LNA)的性能和整体接收质量。

接收增益与噪声系数的关系

接收增益13 dB表示nRF21540的LNA将输入信号放大13倍(以分贝计)，而噪声系数2.7 dB表示LNA在放大过程中引入的额外噪声量。这两个参数之间的关系如下：

• 信噪比影响：
  
  • 接收增益(13 dB)放大了有用信号
  • 噪声系数(2.7 dB)表示LNA引入的额外噪声
  • 较低的噪声系数意味着在提供13 dB增益的同时，引入的噪声较少
    
• 接收灵敏度：
  
  • 高增益(13 dB)提高了接收微弱信号的能力
  • 低噪声系数(2.7 dB)确保放大过程中信号质量不会显著降低
  • 这两个参数共同改善了接收灵敏度
    
• 链路预算改善：
  
  • 这两个参数共同贡献了nRF21540提供的16-20 dB链路预算改善
  • 这转化为与nRF52或nRF53系列SoC结合使用时的6.3-10倍理论范围扩展
    
  
  

实际应用意义

在实际应用中，nRF21540的13 dB接收增益和2.7 dB噪声系数意味着：

• 能够接收更远距离的信号(因为13 dB的增益)
• 保持较高的信号质量(因为2.7 dB的低噪声系数)
• 提高在嘈杂环境中的通信可靠性
• 在不显著增加功耗的情况下扩展通信范围
  

nRF21540 设备树配置详解：GPIO模式：

• 只用几个GPIO引脚（如TX-EN、RX-EN、PDN等）即可实现基本的FEM控制，比如收发切换和上电/下电。

• 最小配置：

tx-en-gpios = <&gpio0 13 GPIO_ACTIVE_HIGH>;

rx-en-gpios = <&gpio0 14 GPIO_ACTIVE_HIGH>;

pdn-gpios = <&gpio0 15 GPIO_ACTIVE_HIGH>;

• ant-sel-gpio可以不配置，直接置高或者置低,选择对应ANT.

• mode-gpio可以不配置，那么对应只能是10db或者20db，不可选

• nRF21540 在 GPIO 模式下不能实现真正的动态输出功率调整。GPIO 模式下，输出功率（增益）只能在两个预设值之间切换，通常是通过 MODE 引脚选择，比如 +10 dB 和 +20

GPIO+SPI模式：

• 在设备树上再加上SPI接口的配置，

• 需要配置supply-voltage-mv 参数

这个配置项用于在设备树（DeviceTree）中指定 nRF21540 前端模块（FEM）的电源电压，单位为毫伏（mV），这里的 <3000> 表示 3.0V。

在 Nordic 的 nRF Connect SDK 中，nRF21540 的内置功率模型（power model）会根据这个 supply-voltage-mv 的值来补偿外部条件变化， 如温度、 电源电压、 载波频率、 输入功率， 以保持 nRF21540 的增益尽可能恒定。也就是说，正确设置 supply-voltage-mv 能让 SDK 更准确地控制和补偿 FEM 的性能，提升射频链路的稳定性和一致性。

因此，supply-voltage-mv = <3000> 就是告诉系统 nRF21540 的供电电压为 3.0V，SDK 会据此进行相关的性能补偿和控制。

• 只配置GPIO模式的几个pin脚，那么编译完CONFIG_MPSL_FEM_NRF21540_GPIO=y

• 如果配置了SPI的几个pin脚，那么编译完CONFIG_MPSL_FEM_NRF21540_GPIO_SPI=y

需要配置supply-voltage-mv 参数

这个配置项用于在设备树（DeviceTree）中指定 nRF21540 前端模块（FEM）的电源电压，单位为毫伏（mV），这里的 <3000> 表示 3.0V。

• 在54L15配置nrf21540对应的接口的时候，需要注意，我们不能使用P2，因为P2没有GPIOTE功能,不支持task 和event.

GPIO模式：只用几个GPIO引脚（如TX-EN、RX-EN、PDN等）即可实现基本的FEM控制，比如收发切换和上电/下电。适合对增益要求不高、环境变化不大、只需固定增益（如10dB或20dB）的简单应用。增益切换依赖于MODE引脚的高低电平，不能在运行时灵活调整，且无法补偿温度、电压等外部条件的变化。如果MODE引脚悬空，增益状态不确定，需硬件拉高或拉低

GPIO+SPI模式：在GPIO基础上增加SPI接口，可以通过SPI命令动态配置nRF21540的增益、天线切换等高级功能。更重要的是，SPI模式支持内置功率模型，可以根据温度、电源电压、频率等外部条件自动补偿，保证增益恒定且接近设定值，提升射频性能和一致性。SPI模式还支持更细粒度的增益调节和更丰富的功能

GPIO模式适合简单、固定增益的场景，SPI模式则适合对射频性能有更高要求、需要动态调节和补偿的应用。 SPI模式能让nRF21540在不同环境下表现更稳定，支持更多高级特性。