3．天線調(diào)節(jié)

大多數(shù)藍牙無線晶片組和模組的前端架構(gòu)都帶有晶片上發(fā)送/接收交換結(jié)構(gòu)，這樣發(fā)送和接收路徑都能使用相同的差動埠。典型的輸出收發(fā)器架構(gòu)就是綜合了發(fā)送與接收的鏈路。

 

如圖1所示，在設(shè)計藍牙模組時，由L1和C1構(gòu)成的調(diào)節(jié)網(wǎng)路可以對Tx差動埠和平衡-不平衡變壓器(Balun)之間的阻抗進行轉(zhuǎn)換。Balun可將差動訊號轉(zhuǎn)換為饋送至帶通濾波器及天線埠的單端訊號。濾波與L2/C2網(wǎng)路的結(jié)合可以防止射頻訊號干擾電路。訊號通路中的低通濾波器還能為Tx訊號提供輔助濾波并抑制Rx通路中的干擾。

 

屏蔽有助于減少內(nèi)部和外部干擾，從而使模組和其他射頻敏感元件不受影響。此外，還需要考慮射頻藕合因素，因此必須嚴密地規(guī)劃元件在PCB上的布局。

 

例如，在測量帶有天線的藍牙元件的射頻性能時，可以考慮以下兩個設(shè)計方案。第一個方案利用零歐姆的調(diào)節(jié)網(wǎng)路測量天線的初始狀態(tài)(如圖2所示)，第二個方案則利用優(yōu)化的調(diào)節(jié)網(wǎng)路增強天線的性能(如圖3所示)。

 

在上述兩個方案中，都需要進行包括3D發(fā)射模式、回波損耗和天線效率在內(nèi)的測量。本文的分析中，將主要考慮回波損耗和天線效率因素。上述示例中，初始天線測量表明，天線偏離了2.45GHz的中心頻率，因此需要調(diào)節(jié)元件。結(jié)果顯示，如果采用優(yōu)化的調(diào)節(jié)網(wǎng)路(如表1所示)，可以實現(xiàn)44％的天線效率(在峰值點2.45GHz)。第一個方案的回波損耗介于-2.9至-5.0dB之間，可利用調(diào)節(jié)電路改進到-6.5至-12.4dB之間。

 

分析顯示，盡管天線只是其中一個元件，但在天線電路設(shè)計時仍然需要借助其他電路最佳化性能，尤其必須特別考慮濾波需求、調(diào)節(jié)電路和布局。

 

4．連接器

許多藍牙模組都不帶連接器，但具有鍍鉛的BGA或SMD封裝。返修任何具有這種鍍鉛封裝的模組都需要使用BGA或SMD返修工作站。這些工作站不僅價格昂貴，而且當(dāng)這些元件需要從PCB板上提取出以用于測試、除錯或修理時，整個制程流程的周期很長。這些情形下，不僅主PCB板極易損壞，而且在PCB上返修鍍鉛模組也并非輕而易舉。例如，需要利用BGA X射線儀驗證接腳是否正確地連接到PCB上。對于PCB設(shè)計人員而言，如果能正確地從模組的連接器中導(dǎo)出訊號，無疑將節(jié)省大量的時間和精力。
 

 

圖4：藍牙模組的常規(guī)射頻測試平臺。

 

一旦模組配備了能提供USB或UART介面的標(biāo)淮連接器，那么PCB設(shè)計人員完全能在既有的設(shè)計中添加即插即用模組，而不必重新設(shè)計PCB或整合BGA或SMT之類的元件。模組上的連接器還有助于除錯和測試且不需要增加其他特殊設(shè)備。

 

晶振

一些模組完全不提供板上晶振，而另外一些模組雖然提供板上晶振，但模組沒有經(jīng)過完全測試和認證。因此，這些情形下，需要進行一些特殊設(shè)計考慮。

 

晶振的特性也各不相同，每種晶振都具有最佳化的偏移量，從而使振蕩器上的相位噪音降至最低。因此，使用晶振時晶振的偏移量必須單獨配置。對于帶有板上晶振的已認證模組，晶振的偏移量可以預(yù)先儲存在每個模組中以將相位噪音降至最低。

 

協(xié)議堆迭

標(biāo)淮藍牙元件至少將配備主控介面協(xié)議堆迭，該協(xié)議堆迭可支援基本的串行通訊藍牙主機協(xié)議，如藍牙通訊產(chǎn)品的跳頻同步。模組制造商可以在協(xié)議堆迭頂部加載規(guī)范，如支援纜線替換的串列埠規(guī)范(SPP)。此外，終端用戶還能開發(fā)定制的協(xié)議堆迭或者購買第三方開發(fā)的協(xié)議堆迭。

 

測試中應(yīng)注意的事項

圖4顯示的測試平臺可以測試藍牙模組的絕大多數(shù)射頻參數(shù)，如接收/發(fā)送訊號輸出、同頻干擾、與接收訊號強度指示(RSSI)相關(guān)的誤碼率(BER)性能以及鄰頻干擾。

 

圖4中的待測設(shè)備(DUT)是利用介面板連接至PC的實際藍牙模組，這種情況下模組需要直流電源，而PC也需要安裝相應(yīng)的測試軟體。

 

這套測試平臺的核心部份是藍牙測試儀，此外，可以利用頻譜分析議檢驗設(shè)備射頻埠上訊號的頻譜內(nèi)容，對鄰頻干擾、訊號頻譜、諧波、同頻干擾及噪音進行測量。

 

圖4中的藍牙訊號產(chǎn)生器可以產(chǎn)生具有期望頻寬和頻帶的噪音。射頻混合器/分離器不僅能將噪音與射頻訊號混合，還能分離出路由至頻譜分析議和藍牙測試儀的射頻訊號。其他的測試淮則取決于具體應(yīng)用。

 

利用圖4所顯示的測試平臺可以進行的測試還包括：

* 模組隨時間變化的頻率和功率性能

* 隨頻道數(shù)目變化的功率性能

* 同頻干擾

* 鄰頻干擾

* 訊號頻譜內(nèi)容

* 諧波內(nèi)容

 

如果模組不自帶天線，那么需要額外增加調(diào)節(jié)電路。同樣地，如果需要在控制板上黏著天線(參見上述的天線調(diào)節(jié))，那么需要進行更廣泛的測量。如果天線設(shè)備沒有正確黏著，甚至還需要尋求天線制造商的幫助。

 

采用獲得預(yù)認證的完全整合模組可以免除射頻一致性測試或數(shù)據(jù)傳輸率測試，因為該產(chǎn)品已經(jīng)通過BQB、CE和FCC的認證。藍牙認證包括射頻一致性測試和互通性測試。因此，對于所有工程人員而言，最重要的是確保為模組提供適當(dāng)?shù)挠嵦枏姸炔⒄_的應(yīng)用或協(xié)議堆迭加載至最終產(chǎn)品中。

 

藍牙認證

藍牙認證將使OEM的產(chǎn)品列入藍牙官方網(wǎng)站，并允許他們在產(chǎn)品中使用藍牙商標(biāo)。認證可以幫助不同廠商的藍牙產(chǎn)品實現(xiàn)互通并使其符合藍牙規(guī)范。認證流程可以分為以下四個部份：無線鏈路需求、協(xié)議需求、概要需求和訊息需求。

 

整個認證流程完全由藍牙品質(zhì)認證委員會(Bluetooth Qualification Review Board,BQRB)監(jiān)控和管理。認證基于一套參考測試系統(tǒng)的一致性測試(由藍牙認證流程(BQP)制訂)以及與其他符合標(biāo)淮的藍牙產(chǎn)品之間的互通性測試。測試由已得到SIG下屬的BQRB授權(quán)的藍牙認證測試部門(BQTF)實施。

 

除了測試，希望得到認證的生產(chǎn)商還需要提交承諾聲明，藍牙認證組織(BQB)將審查該聲明。此外，除了獲得BQB的認證外，藍牙產(chǎn)品還需要獲得其他一些認證，如FCC和CE。

 

如果PCB設(shè)計人員選擇獲得預(yù)認證的模組與天線結(jié)合進行設(shè)計，那么無需重新認證。如果選擇需要額外元件(包括連接器和天線)的模組，那么設(shè)計必須通過重新認證。重新認證將使產(chǎn)品的設(shè)計周期延長幾個星期。新設(shè)計認證的成本也各不相同，具體取決于產(chǎn)品在全球使用的范圍。例如，如果希望獲得全球認證，那么成本將超過10萬美元。盡管BQTF最近大幅調(diào)低了認證費用，使用獲得預(yù)認證的模組仍然能節(jié)省相當(dāng)可觀的成本。

 

在新設(shè)計或現(xiàn)有設(shè)計中實現(xiàn)藍牙解決方案的PCB設(shè)計人員需要清楚地認識到設(shè)計應(yīng)用的需求，然后為設(shè)計慎重地選擇模組或晶片組。幸運的是，藍牙技術(shù)的不斷進步使得PCB設(shè)計人員能透過有限的最佳化和射頻電路設(shè)計實現(xiàn)藍牙功能。某些最新開發(fā)的模組還能免除認證，進而極大地擴展了設(shè)計應(yīng)用的使用范圍。因此，PCB設(shè)計人員能以更快的速度推出經(jīng)過完全認證的可靠設(shè)計。