【Nordic博文分享系列】nRF21540特性及配置详解

• 集成射频功率放大器（PA）和低噪声放大器（LNA）

• 支持协议：Bluetooth^® Low Energy、Bluetooth^® mesh、Thread、Zigbee (IEEE 802.15.4) 以及 2.4 GHz 私有协议

• 最大输出功率：可调节，最高可达 +21 dBm（部分文档提及 +22 dBm）

• 可调节输出增益：5 ±1 dB 到 21 ±1 dB，支持小步进动态调节

• 接收增益：+13 dB

• 低噪声系数：2.5~2.7 dB，提升接收灵敏度

• 双天线端口：支持天线分集（Antenna Diversity）

• 控制接口：支持 GPIO、SPI 或两者结合进行 TX 功率、天线切换等控制

  非易失性存储器：可存储增益设置，便于出厂校准

• 电源电压范围：1.7 V ~ 3.6 V，适用于 1.8 V ±5% 系统

• 封装：QFN16 4x4 mm

• 工作温度范围：-40°C ~ 105°C

• 功耗：+20 dBm 输出时 110 mA，+10 dBm 输出时 38 mA，RX 模式 2.9 mA，掉电模式 45 nA

• 与 nRF52、nRF53 、nRF54 系列 SoC 搭配使用时，可实现 6.3~10 倍的理论通信距离提升

• 典型应用：智能家居、资产追踪、工业自动化、音频、医疗、运动与健身、信标等

PDN用于控制芯片的上电和下电状态：

当 PDN 脚为低电平（0）时，nRF21540 处于 Power-down（掉电）状态，芯片内部电路关闭，功耗最低。

当 PDN 脚为高电平（1）时，芯片被激活，进入 Program（配置）状态，可以进一步通过引脚或 SPI 接口设置为接收、发送等工作状态。

简单来说，PDN 脚主要用于控制 nRF21540 的电源管理，实现芯片的开关机和低功耗控制。

MODE脚用于选择发射功率的两种预设增益（TX Gain）模式：

MODE 脚为低电平时，FEM（前端模块）工作在 POUTA（如 +20 dBm）模式。

MODE 脚为高电平时，FEM 工作在 POUTB（如 +10 dBm）模式。

通过控制 MODE 脚的高低，可以在两种不同的发射功率之间切换，实现动态功率控制。需要注意的是，不能在发射（TX）状态下切换 MODE 脚，否则会影响射频性能，必须在非发射状态下切换。

nRF21540 的 ANT_SEL 脚用于选择射频前端模块（FEM）连接的天线端口。在收发（RX/TX）状态下：

ANT_SEL = 0 时，启用 ANT1 端口，ANT2 端口关闭。

ANT_SEL = 1 时，启用 ANT2 端口，ANT1 端口关闭。

在掉电（Power-down）、编程（Program）等非工作状态下，天线开关处于隔离状态，不连接任何天线端口简而言之，ANT_SEL 脚让你可以通过引脚电平选择 nRF21540 使用哪一个天线端口（ANT1 或 ANT2），以支持天线分集或不同的射频路径。

TX_EN脚用于控制前端模块（FEM）进入发射（TX）状态。当 TX_EN 脚被拉高（高电平）时，nRF21540 的功率放大器（PA）被激活，FEM 进入发射模式，允许射频信号通过并进行功率放大；当 TX_EN 脚为低电平时，发射通路关闭，PA 关闭，FEM 不处于发射状态

RX_EN（Receive Enable）脚用于控制前端模块（FEM）进入接收（RX）状态。当 RX_EN 脚被拉高（高电平）时，nRF21540 的低噪声放大器（LNA）被激活，FEM 进入接收模式，从而提升接收灵敏度；当 RX_EN 脚为低电平时，接收通路关闭，LNA 关闭，FEM 不处于接收状态。

MCK，MISO，MOSI，CNS

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：

1. 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

2. 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

3.  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

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

• 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

• 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。

nRF21540 shield设备树配置中：
\nrf\boards\shields\nrf21540ek\common\arduino_compatible.overlay

nRF21540DK 设备树配置中：

\zephyr\boards\nordic\nrf21540dk\nrf21540dk_nrf52840-pinctrl.dtsi<img width="344" height="166" alt="A screen shot of a computer code

AI-generated content may be incorrect." src="file:///C:/Users/WINGPC~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg" /> \zephyr\boards\nordic\nrf21540dk\nrf21540dk_nrf52840.dts

nRF5340DK 中21540在设备树配置中：

5340在配置 nRF21540 相关的设备树（devicetree）配置中，gpio_fwd（全称为 nrf-gpio-forwarder）节点的作用是将应用核（App core）的 GPIO 控制权转发给网络核（Net core）。这样，网络核就可以直接控制 nRF21540 所需的 GPIO 引脚，实现对 FEM（前端模块）的控制

Thingy53:

\zephyr\boards\nordic\thingy53\thingy53_nrf5340_comm.dtsi

• 设置固定的TX_POWER和固定的GAIN_DB

CONFIG_BT_CTLR_TX_PWR_ANTENNA=0

CONFIG_MPSL_FEM_NRF21540_TX_GAIN_DB=10

如前面所说，如果没有配置mode select，那么这里选择的TX_GAIN_DB=10或者TX_GAIN_DB=20必须要与你的引脚相对应.

• 在发送模式(Transmit mode)下，PIN_TRX引脚的RF I/O输入功率最大值为+5 dBm

意思就是下面的配置方式是错误的：

CONFIG_BT_CTLR_TX_PWR_ANTENNA=20

CONFIG_MPSL_FEM_NRF21540_TX_GAIN_DB=10

+5 dBm 是transmit_mode绝对最大额定值，长时间暴露在这些极限条件下可能会影响设备的可靠性

• 动态调整输出功率：

CONFIG_BT_CTLR_TX_PWR_DYNAMIC_CONTROL=y

bt_hci_cmd_send_sync(BT_HCI_OP_VS_WRITE_TX_POWER_LEVEL, buf, &rsp);

• 查看整板对应的输出功率呢？

MODE 脚为高电平时，FEM 工作在 POUTB（如 +10 dBm）模式

通过读相应的寄存器，查看SOC输出的total power。

以52840为例：nrfjprog --memrd 0x4000150c --n 4