藍(lán)牙技術(shù)完全可以替代纜線，對于產(chǎn)品經(jīng)理和設(shè)計工程師而言，問題已經(jīng)從‘何時開始實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙功能？’轉(zhuǎn)向‘如何在設(shè)計中實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙功能？’藍(lán)牙電路板設(shè)計中有何陷阱？應(yīng)該采用哪種最高效且最具成本效益的方法？對于那些缺乏無線設(shè)計經(jīng)驗(yàn)的PCB設(shè)計人員而言，掌握藍(lán)牙電路板設(shè)計中測試與品質(zhì)認(rèn)證的策略很重要。

藍(lán)牙是能工作在以下三種功率級下的短距離無線網(wǎng)路技術(shù)：功率級1(最高功率電平+20dBm，有效范圍100m)、功率級2(最高功率電平+4dBm，有效范圍20m)和功率級3(最高功率電平0dBm，有效范圍10m)。

 

藍(lán)牙版本V1.2要求的元件不僅能提供更好的介面保護(hù)，還能增強(qiáng)藍(lán)牙產(chǎn)品與其他2.4GHz產(chǎn)品(WLAN、某些無線電話和微波爐)的共存性，而且能提供比先前版本更好的語音連接。大部份新功能應(yīng)歸功于自適應(yīng)跳頻(AFH)技術(shù)、增強(qiáng)的語音處理以及更快速的連接建立技術(shù)的導(dǎo)入。當(dāng)然，藍(lán)牙1.2版本產(chǎn)品應(yīng)能后向相容1.1版本產(chǎn)品。

圖1：射頻晶片與天線之間的藍(lán)牙無線晶片。

 

一旦PCB設(shè)計人員選擇在產(chǎn)品中整合藍(lán)牙技術(shù)，那么除了參看產(chǎn)品供應(yīng)商提供的簡單性能參數(shù)外，還需要考慮眾多的實(shí)現(xiàn)問題。例如，如何在產(chǎn)品中使用測試腳本？產(chǎn)品采用嵌入式實(shí)現(xiàn)還是外接式實(shí)現(xiàn)？產(chǎn)品需要支援哪些作業(yè)系統(tǒng)？產(chǎn)品需要提供哪些性能或業(yè)務(wù)以滿足應(yīng)用需求？產(chǎn)品的封裝設(shè)計是否支援嵌入式或外部天線？產(chǎn)品的生命周期多長？能衍生多少相關(guān)產(chǎn)品？

 

最高效的設(shè)計

最初的藍(lán)牙電路板設(shè)計由一系列分離的IC和支援電路組成并最終形成藍(lán)牙模組。隨著技術(shù)的進(jìn)步，藍(lán)牙電路板設(shè)計的整合度不斷增加，而外部元件則不斷減少。因此，最新的模組化解決方案可以為PCB設(shè)計人員提供更為優(yōu)化的藍(lán)牙技術(shù)，該技術(shù)能顯著降低設(shè)計風(fēng)險，距離‘完美的藍(lán)牙解決方案’又前進(jìn)了一大步。

 

在設(shè)計中增加藍(lán)牙功能需要考慮的主要問題是確認(rèn)該模組或晶片集是否滿足當(dāng)前的藍(lán)牙標(biāo)淮V1.2并可繼續(xù)升級。避免設(shè)計延遲的有效方法是選擇不需要額外藍(lán)牙認(rèn)證或FCC/CE管理認(rèn)證的產(chǎn)品。

 

PCB設(shè)計人員還必須選擇性能領(lǐng)先且?guī)в邪迳嫌洃涹w的藍(lán)牙解決方案。這樣，設(shè)計的生命周期將能延伸至未來幾代產(chǎn)品中。選擇性能適中的模組或許能在初期降低成本，但后續(xù)產(chǎn)品不得不重新進(jìn)行全新設(shè)計。

圖2：利用4.7nH串聯(lián)電感實(shí)現(xiàn)的最佳化調(diào)節(jié)電路。

 

除了期望的射頻(RF)和基頻功能，最新的藍(lán)牙模組還能提供其他一些功能，如專用微控制器、天線和連接器整合以及板上快閃記憶體、電壓調(diào)節(jié)器、濾波器和晶振。這些特性可以提供簡化的設(shè)計、降低開發(fā)成本并縮短產(chǎn)品上市時間。

 

如果PCB設(shè)計人員不使用上述高度整合模組，那么他們必須非常嚴(yán)密地設(shè)計藍(lán)牙電路板(PCB)。元件置放、追蹤掃描、解藕、接地、屏蔽和電路板材料等都是影響性能的重要因素，尤其是產(chǎn)品的射頻性能。如果使用預(yù)設(shè)計并獲得預(yù)認(rèn)證的模組，那么PCB設(shè)計人員將能規(guī)避這些問題，從而無須在最終設(shè)計中考慮上述因素。

 

產(chǎn)品開發(fā)問題

一旦PCB設(shè)計人員理解了產(chǎn)品的上述基本應(yīng)用需求，那么還必須重點(diǎn)關(guān)注下面一些問題：功率耗散(這關(guān)系到電池的壽命)、現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計中藍(lán)牙電路的物理空間限制(藍(lán)牙電路究竟佔(zhàn)用多大的空間)以及傳輸速率限制和需求。例如，大多數(shù)藍(lán)牙互聯(lián)應(yīng)用的速率都限制在732.2bps，這將影響產(chǎn)品的音訊品質(zhì)。

 

下面列出了開發(fā)流程中至關(guān)重要的五項(xiàng)因素：

1．模組與晶片組

在PCB設(shè)計中直接采用晶片的好處是能節(jié)省控制板空間，但也僅此而已。單獨(dú)的晶片或晶片組設(shè)計方法需要利用射頻設(shè)計資源在發(fā)送和接收路徑中提供濾波器、放大器、調(diào)節(jié)網(wǎng)路、振盪器、時脈和天線。而且，該方法還需要大量與設(shè)計認(rèn)證和整合配套的測試設(shè)備。此外，除了需要大量的設(shè)計時間、射頻專業(yè)技能和驗(yàn)證製程外，這種設(shè)計方法還必須獲得藍(lán)牙產(chǎn)品使用認(rèn)證。

 

2．天線

大多數(shù)藍(lán)牙手持設(shè)備均需要能以球狀模式發(fā)射訊號并連接各個方向的天線。良好的天線設(shè)計對藍(lán)牙產(chǎn)品至關(guān)重要，選擇外部天線的設(shè)計必須考慮控制板空間、成本和天線模式。此外，附屬元件、外殼、離地距離等因素也將對天線的終極性能產(chǎn)生重要影響。

 

如果選擇不帶天線的模組，那么PCB設(shè)計人員必須充分了解產(chǎn)品的使用環(huán)境。如果無線鏈路同天線之間的饋送不匹配，那么訊號將反射回電路，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的訊號強(qiáng)度損耗。

圖3：零歐姆調(diào)節(jié)電路的回波損耗(第一個方案)和最佳化調(diào)節(jié)電路的回波損耗(第二個方案)。

 

最近，市場上已經(jīng)出現(xiàn)整合天線模組。如果PCB設(shè)計人員選擇的模組帶有整合至控制板的天線，那么實(shí)際上已經(jīng)完成了重要的天線調(diào)節(jié)工作。如果選擇不帶天線的模組，那么PCB設(shè)計人員必須重新調(diào)節(jié)天線，而且解決方案必須通過藍(lán)牙品質(zhì)認(rèn)證委員會(BQRB)的認(rèn)證。

 

3．天線調(diào)節(jié)

大多數(shù)藍(lán)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(lán)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(jìn)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(yán)密地規(guī)劃元件在PCB上的佈局。

 

例如，在測量帶有天線的藍(lán)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(qiáng)天線的性能(如圖3所示)。

 

在上述兩個方案中，都需要進(jìn)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(shí)現(xiàn)44％的天線效率(在峰值點(diǎn)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(jìn)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)電路和佈局。

 

4．連接器

許多藍(lán)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，整個製程流程的周期很長。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(yàn)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(lán)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(rèn)證。因此，這些情形下，需要進(jìn)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，從而使振盪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(dú)配置。對于帶有板上晶振的已認(rèn)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(lán)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(lán)牙主機(jī)協(xié)議，如藍(lán)牙通訊產(chǎn)品的跳頻同步。模組製造商可以在協(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)定製的協(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(xiàng)

圖4顯示的測試平臺可以測試藍(lán)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(qiáng)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(shí)際藍(lán)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(lán)牙測試儀，此外，可以利用頻譜分析議檢驗(yàn)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(jìn)行測量。

 

圖4中的藍(lán)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(lán)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(jìn)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(jìn)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製造商的幫助。

 

采用獲得預(yù)認(rèn)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?yàn)樵摦a(chǎn)品已經(jīng)通過BQB、CE和FCC的認(rèn)證。藍(lán)牙認(rèn)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?qiáng)度并將正確的應(yīng)用或協(xié)議堆迭加載至最終產(chǎn)品中。

 

藍(lán)牙認(rèn)證

藍(lán)牙認(rèn)證將使OEM的產(chǎn)品列入藍(lán)牙官方網(wǎng)站，并允許他們在產(chǎn)品中使用藍(lán)牙商標(biāo)。認(rèn)證可以幫助不同廠商的藍(lán)牙產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)互通并使其符合藍(lán)牙規(guī)范。認(rèn)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(rèn)證流程完全由藍(lán)牙品質(zhì)認(rèn)證委員會(Bluetooth Qualification Review Board,BQRB)監(jiān)控和管理。認(rèn)證基于一套參考測試系統(tǒng)的一致性測試(由藍(lán)牙認(rèn)證流程(BQP)制訂)以及與其他符合標(biāo)淮的藍(lán)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(lán)牙認(rèn)證測試部門(BQTF)實(shí)施。

 

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

 

如果PCB設(shè)計人員選擇獲得預(yù)認(rèn)證的模組與天線結(jié)合進(jìn)行設(shè)計，那么無需重新認(rèn)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(rèn)證。重新認(rèn)證將使產(chǎn)品的設(shè)計周期延長幾個星期。新設(shè)計認(rèn)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(rèn)證，那么成本將超過10萬美元。盡管BQTF最近大幅調(diào)低了認(rèn)證費(fèi)用，使用獲得預(yù)認(rèn)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(shí)現(xiàn)藍(lán)牙解決方案的PCB設(shè)計人員需要清楚地認(rèn)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(yùn)的是，藍(lán)牙技術(shù)的不斷進(jìn)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(shí)現(xiàn)藍(lán)牙功能。某些最新開發(fā)的模組還能免除認(rèn)證，進(jìn)而極大地擴(kuò)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(rèn)證的可靠設(shè)計。