蓝牙5模块附带天线和匹配电路设计

佚名 发表于 2018-06-19 09:23:15 收藏 已收藏
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蓝牙5模块附带天线和匹配电路设计

佚名 发表于 2018-06-19 09:23:15

从人机接口设备 (HID) 到物联网 (IoT) 远程传感器,面对众多应用中的无线连接,设计人员有很多选择。其中一项最基本的,也是让许多设计人员感到棘手的设计决策是,到底是采用基于标准的射频接口(例如 Wi-Fi、蓝牙或 ZigBee),还是采用专有的射频物理层 (PHY) 设计与协议。

选择某种标准而非另一种的原因很多,不过同样要考虑成本、安全性、功耗、互操作性、设计时间、抗干扰性、共存性、延迟和验证要求等之间的相对权衡。其中很多权衡彼此相关,因此设计人员必须首先确定设计要求,然后再进行相应的优化。

本文将讨论在标准蓝牙接口与专有射频协议之间进行选择时需要考虑的因素。然后,依次介绍一个蓝牙 5 模块和一个可在其上实施专有协议的硅解决方案,并分别提供关于如何快速建立和运行解决方案的相应指南。

专有射频的优缺点

如果设计要求进行安全性、低功耗、小封装和性能方面的优化,则适合采用专有 PHY 和协议。

从车库开门器到 IoT 设备,安全性对很多应用而言至关重要。利用专有无线电可以从多个方面解决这一问题。首先,专有设计可确保“隐匿即安全”,因为不为人知的射频接口更难被攻破。此外,专有接口越来越多地采用点对点模式,或在未连接更大规模网络的封闭系统中使用,因而可以保持隐藏状态。最后,专有接口的设计人员可以自由地开发自己的高级加密算法或调整既有的算法,而不必与其他制造商的安全算法保持互操作性。与众不同,这本身就是一种安全优势。

面对来自 Wi-Fi 网络、微波炉、无绳电话和其他低功耗无线网络的干扰,采用专有的无线电设计有利于确保稳健的连接。由于没有绑定标准,设计人员可以灵活地运用直接序列扩频 (DSSS) 和跳频扩频 (FHSS) 等技术,更好地使用频带。此外,他们还可以基于预期的链路预算采用自己的首选编码方案,以实现更高的吞吐量或更低的功耗。

这一灵活性同样适用于数据包结构。该数据包结构不需要数据包开销来确保与基于标准的无线设备之间的互操作性,因此可根据应用需求进行精简。

从硬件设计的角度而言,由于专有射频接口的设计人员清楚了解性能要求并且确定这些要求不会在后续阶段发生变化,因而能够对设计进行空间、功耗和性能方面的优化。另一方面,他们还可以通过仅仅包含满足应用需求的必要功能来实现上述优化。

尽管专有射频拥有诸多优势,但还必须考虑其他几项因素。首先是成本:需要证明自定义射频 IC 设计及相关软件所带来的非经常性工程 (NRE) 成本的合理性,尤其对于低成本设备,预期产量应大于 100,000 个。

与成本紧密关联的是设计时间,尤其考虑到射频设计的变化莫测、众所周知的射频专业知识稀缺性,以及开发成功设计所需的固件和软件而需投入的时间。

蓝牙被广泛采用,并且一直在调整

蓝牙则恰恰处在另一个极端。蓝牙最初设计作为一种简单的点对点电缆替换技术,用于 HID 和其他涉及用户的设备,但它很快发展为一种无线音频和设备到设备连接解决方案。得益于蓝牙技术联盟 (SIG) 的严格控制,蓝牙成为众所周知的标准,不论何种硬件源,设计人员都可以确信他们的设备能够连接其他支持蓝牙的设备并与之互操作。

蓝牙的广泛采用加上众多的可互操作设备,成就了丰富的硬件和软件,也让需要无线接口的设计能够以更低的成本快速上市。此外,蓝牙已经过了多年的发展。

它一直在 2.4 GHz 工业、科学和医疗 (ISM) 频段工作,最初对其 79 个 1 MHz 载波进行 GFSK 调制,从而提供 1 Mb/s 的吞吐量。该吞吐量被称为蓝牙基本速率 (BR)。蓝牙凭借其自适应 FHSS 编码方案,在面对干扰时仍可继续保持稳定状态,即使在 IoT 不断引入更多无线连接设备的过程中也是如此。为了获得更高的数据速率,蓝牙 2.0+ 增强型数据速率 (EDR) 使用 π/4-DQPSK(差动正交相移键控)和 8DPSK 调制,分别获得 2 Mb/s 和 3 Mb/s 的速率。

尽管蓝牙受到 SIG 的严格控制,但设计人员仍需深入研究 2010 年推出的蓝牙 4.0 核心规范所带来的变化。该规范引用了低功耗蓝牙 (BLE),其先前的市场名称为智能蓝牙。BLE 无法向后兼容经典蓝牙,设计人员需要特别注意这一点。

BLE 的主要目标是低功耗。实现这一目标的方法是,从经典蓝牙的连接导向方法(这时设备始终保持连接状态)转变为未连接方法(这时设备仅在需要时才连接较短的间隔时间)。这类应用包括智能手表和 IoT 传感器等可穿戴式设备。

蓝牙 SIG 仍在继续改善规范,以满足其成员和应用的各种需求。有关蓝牙演变过程的详细信息,请参见“兼容蓝牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗蓝牙 SoC 和工具可应对物联网挑战(第 1 部分)”。

最新版蓝牙 5 使用可更强地前向纠错 (FEC) 演算法,能够将 BLE 数据速率增加一倍,即从 1 Mb/s 提高到 2 Mb/s,并将 128 kb/s 的连接范围扩大 4 倍至最远 50 米。数据速率越高,在给定时隙内传输的数据包就越多,由于设备可以在更长的时段内保持低功耗或待机模式,因而可降低设备功耗。

更远的距离让设计人员能够针对包括信标在内的任何蓝牙设备,在数据速率与距离之间进行更灵活的权衡。信标是电池驱动的 BLE 设备,它会向附近的移动设备广播自己的标识符,以便这些设备能够在靠近信标时执行特定的操作。信标被广告商广泛采用,此外还能实现精确的室内和室外跟踪。

不过,SIG 还实施了另一种专有射频接口设计人员也可以尝试的有趣调整:他们降低了开销与有效载荷比率,从而减少了发送给定数量的“真实”数据所需的传输次数,进一步降低了功耗。

蓝牙最初作为一种简单的电缆替换技术,如今已演化为一种实用性极强的技术。因此,设计人员现在更倾向于采用快速、简单的蓝牙解决方案,而不是投入大量成本和费用设计自己的射频接口。

建立和运行蓝牙解决方案

随着设计的上市时间窗口不断收窄,设计预算不断收紧,采用蓝牙接口的趋势逐渐变为必要之选。幸运的是,对许多设计而言,仍有足够的空间容纳现成的蓝牙模块,从而让设计团队能够专注于他们的最终应用并取得竞争优势。

Rigado 的 BMD-330 蓝牙 5 模块便属于这类模块(图 1)。尽管市场上有很多蓝牙模块,但这款模块由于板载了集成天线,因此特别有趣而且实用。天线匹配和贴装是射频设计中的其中一项精细工作,如能为设计人员分担这一任务,即可节省时间以及确保最优的信号耦合。

Rigado BMD-330 蓝牙 5 模块图片

图 1:BMD-330 蓝牙 5 模块附带天线和匹配电路,可简化实施及加快实施速度。(图片来源:Rigado)

该模块是符合监管许可要求的完整解决方案,拥有自己的板载 DC-DC 转换器和智能电源控制,其尺寸为 9.8 x 14.0 x 1.9 mm。尽管附带了天线,但它仍需要合适的接地平面才能有效地辐射信号。此外,从模块的天线部分延伸出的区域内不能有任何铜和其他金属,而且该模块应置于 PC 板的边缘,并将天线朝外。

将模块安装到外壳里面时,确保天线附近没有任何金属,否则可能会影响性能。由于该模块的设计和调整针对的是在非封闭空间工作的情况,因此灌封、环氧树脂、包覆成型或保形涂层都有可能影响性能,需要在应用后采取额外措施,确保链路预算符合规范要求。

该模块基于 Nordic Semiconductor 的 nRF52810 片上系统 (SoC)(图 2)构建而成。该 SoC 使用时钟频率为 64 MHz 的 Arm® Cortex®-M4 CPU,并拥有 192 KB 闪存和 24 KB RAM。

基于 Nordic Semiconductor 的 nRF52810 SoC 构建而成的 BMD-330 模块示意图

图 2:BMD-330 模块基于 Nordic Semiconductor 的 nRF52810 SoC 构建而成,该 SoC 包含一个 Arm® Cortex®-M4 CPU 和一个 2.4 Ghz 无线电。(图片来源:Rigado)

该模块的闪存空间不大,因此 Rigado 没有在模块中提供任何出厂固件。由于没有引导程序,因此任何固件都需要使用串行线调试 (SWD) 接口进行加载。不过,在完成此操作后,Nordic 提供了众多被称为软设备的协议栈。这些协议栈是预先编译和预先链接的二进制文件,可从 Nordic 网站下载。采用 nRF52810 SoC 的 BMD-330 支持 S132(BLE 中央和外设)软设备以及经过内存优化的 S112(BLE 外设)软设备。

BMD-330 模块的主要规格包括 +4 dBm 的发射功率和 -96 dBm(BLE 模式)的接收器灵敏度。它采用 3 伏电源,在发射模式下,功率为 +4 dBm 时消耗 7.0 毫安 (mA) 电流,功率为 0 dBm 时消耗 4.6 mA 电流。在接收模式下,速率为 1 Mb/s 时消耗 4.6 mA 电流,速度为 2 Mb/s 时消耗 5.8 mA 电流。发射和接收规格均假定已启用 DC-DC 转换器:禁用后电流将会增大。

专有射频与蓝牙的最佳结合带

在完整的自定义专有无线电设计与标准蓝牙之间还有另一个选项:设计人员可基于现成的无线电收发器开发自己的协议和编码方案,或采用现成的 Ant、Thread 或 ZigBee 等版本。随着可获取的硅解决方案成本不断下降,加上广泛的软件支持,设计人员如果希望获得竞争优势、必须得优化空间以及可增强安全性的选项,该选项能够提供最佳结合带,同时保持极低的成本,也无需更改设计日程。

Silicon Labs 的 EFR32FG14 Flex Gecko 专有协议系列 SoC(图 3)为有兴趣采用这一设计路径的设计人员提供了一种不错的选项。

Silicon Labs 的 EFR32FG14 Flex Gecko 示意图(点击放大)

图 3:Silicon Labs 的 EFR32FG14 Flex Gecko 提供了可靠的硬件平台,而设计人员可基于该平台添加或开发专有软件。(图片来源:Silicon Labs)

与 BMD-330 一样,EFR32FG14 也使用 Arm® Cortex®-M4 核心,但最大频率为 40 MHz 而不是 64 MHz,因为该芯片专门针对低功耗 IoT 应用。它拥有多达 256 KB 闪存和 32 KB RAM。请注意,该芯片支持 2.4 GHz 和 Sub-GHz (915 MHz) 操作,并且提供了天线网络匹配指南。它还支持天线分集,可缓解频率选择性衰变的影响。

此外还内置了多种灵活的 I/O 和安全性功能,包括:可实现 MCU 外设自主交互的 12 通道外设反射系统;多达 32 个 GPIO;以及硬件自主加密加速器和真随机数发生器。芯片上还集成了用于 2.4 GHz 和 Sub-GHz 操作的功率放大器。

为协助完成开发流程,Silicon Labs 还提供了适用于 EFR32FG 系列的 SLWRB4250A 板(图 4)。它包括 SoC、针座、晶体和天线匹配电路以及软件。

Silicon Labs 的 SLWRB4250A Flex Gecko 无线电板示意图

图 4:SLWRB4250A Flex Gecko 无线电板提供了必要的硬件,可与专有的低功耗无线接口搭配使用以开展实验。(图片来源:Silicon Labs)

总结

选择完整的专有射频设计路径或标准蓝牙无线电都有很多理由。每种选择在满足成本、时间、性能、尺寸、安全性等方面的设计和应用要求以及其他多种因素上,都有自己的可取之处。但如果设计人员既想获得现成硅解决方案带来的多种节省成本和时间的优势,又想灵活地增加某种程度的专有竞争优势,供应商现在也提供了可靠的硬件平台供其构建这样的解决方案。

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