藍牙5模塊附帶天線和匹配電路設計

從人機接口設備 (HID) 到物聯網 (IoT) 遠程傳感器，面對眾多應用中的無線連接，設計人員有很多選擇。其中一項最基本的，也是讓許多設計人員感到棘手的設計決策是，到底是采用基于標準的射頻接口（例如 Wi-Fi、藍牙或 ZigBee），還是采用專有的射頻物理層 (PHY) 設計與協議。

選擇某種標準而非另一種的原因很多，不過同樣要考慮成本、安全性、功耗、互操作性、設計時間、抗干擾性、共存性、延遲和驗證要求等之間的相對權衡。其中很多權衡彼此相關，因此設計人員必須首先確定設計要求，然后再進行相應的優化。

本文將討論在標準藍牙接口與專有射頻協議之間進行選擇時需要考慮的因素。然后，依次介紹一個藍牙 5 模塊和一個可在其上實施專有協議的硅解決方案，并分別提供關于如何快速建立和運行解決方案的相應指南。

專有射頻的優缺點

如果設計要求進行安全性、低功耗、小封裝和性能方面的優化，則適合采用專有 PHY 和協議。

從車庫開門器到 IoT 設備，安全性對很多應用而言至關重要。利用專有無線電可以從多個方面解決這一問題。首先，專有設計可確?！半[匿即安全”，因為不為人知的射頻接口更難被攻破。此外，專有接口越來越多地采用點對點模式，或在未連接更大規模網絡的封閉系統中使用，因而可以保持隱藏狀態。最后，專有接口的設計人員可以自由地開發自己的高級加密算法或調整既有的算法，而不必與其他制造商的安全算法保持互操作性。與眾不同，這本身就是一種安全優勢。

面對來自 Wi-Fi 網絡、微波爐、無繩電話和其他低功耗無線網絡的干擾，采用專有的無線電設計有利于確保穩健的連接。由于沒有綁定標準，設計人員可以靈活地運用直接序列擴頻 (DSSS) 和跳頻擴頻 (FHSS) 等技術，更好地使用頻帶。此外，他們還可以基于預期的鏈路預算采用自己的首選編碼方案，以實現更高的吞吐量或更低的功耗。

這一靈活性同樣適用于數據包結構。該數據包結構不需要數據包開銷來確保與基于標準的無線設備之間的互操作性，因此可根據應用需求進行精簡。

從硬件設計的角度而言，由于專有射頻接口的設計人員清楚了解性能要求并且確定這些要求不會在后續階段發生變化，因而能夠對設計進行空間、功耗和性能方面的優化。另一方面，他們還可以通過僅僅包含滿足應用需求的必要功能來實現上述優化。

盡管專有射頻擁有諸多優勢，但還必須考慮其他幾項因素。首先是成本：需要證明自定義射頻 IC 設計及相關軟件所帶來的非經常性工程 (NRE) 成本的合理性，尤其對于低成本設備，預期產量應大于 100,000 個。

與成本緊密關聯的是設計時間，尤其考慮到射頻設計的變化莫測、眾所周知的射頻專業知識稀缺性，以及開發成功設計所需的固件和軟件而需投入的時間。

藍牙被廣泛采用，并且一直在調整

藍牙則恰恰處在另一個極端。藍牙最初設計作為一種簡單的點對點電纜替換技術，用于 HID 和其他涉及用戶的設備，但它很快發展為一種無線音頻和設備到設備連接解決方案。得益于藍牙技術聯盟 (SIG) 的嚴格控制，藍牙成為眾所周知的標準，不論何種硬件源，設計人員都可以確信他們的設備能夠連接其他支持藍牙的設備并與之互操作。

藍牙的廣泛采用加上眾多的可互操作設備，成就了豐富的硬件和軟件，也讓需要無線接口的設計能夠以更低的成本快速上市。此外，藍牙已經過了多年的發展。

它一直在 2.4 GHz 工業、科學和醫療 (ISM) 頻段工作，最初對其 79 個 1 MHz 載波進行 GFSK 調制，從而提供 1 Mb/s 的吞吐量。該吞吐量被稱為藍牙基本速率 (BR)。藍牙憑借其自適應 FHSS 編碼方案，在面對干擾時仍可繼續保持穩定狀態，即使在 IoT 不斷引入更多無線連接設備的過程中也是如此。為了獲得更高的數據速率，藍牙 2.0+ 增強型數據速率 (EDR) 使用 π/4-DQPSK（差動正交相移鍵控）和 8DPSK 調制，分別獲得 2 Mb/s 和 3 Mb/s 的速率。

盡管藍牙受到 SIG 的嚴格控制，但設計人員仍需深入研究 2010 年推出的藍牙 4.0 核心規范所帶來的變化。該規范引用了低功耗藍牙 (BLE)，其先前的市場名稱為智能藍牙。BLE 無法向后兼容經典藍牙，設計人員需要特別注意這一點。

BLE 的主要目標是低功耗。實現這一目標的方法是，從經典藍牙的連接導向方法（這時設備始終保持連接狀態）轉變為未連接方法（這時設備僅在需要時才連接較短的間隔時間）。這類應用包括智能手表和 IoT 傳感器等可穿戴式設備。

藍牙 SIG 仍在繼續改善規范，以滿足其成員和應用的各種需求。有關藍牙演變過程的詳細信息，請參見“兼容藍牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗藍牙 SoC 和工具可應對物聯網挑戰（第 1 部分）”。

最新版藍牙 5 使用可更強地前向糾錯 (FEC) 演算法，能夠將 BLE 數據速率增加一倍，即從 1 Mb/s 提高到 2 Mb/s，并將 128 kb/s 的連接范圍擴大 4 倍至最遠 50 米。數據速率越高，在給定時隙內傳輸的數據包就越多，由于設備可以在更長的時段內保持低功耗或待機模式，因而可降低設備功耗。

更遠的距離讓設計人員能夠針對包括信標在內的任何藍牙設備，在數據速率與距離之間進行更靈活的權衡。信標是電池驅動的 BLE 設備，它會向附近的移動設備廣播自己的標識符，以便這些設備能夠在靠近信標時執行特定的操作。信標被廣告商廣泛采用，此外還能實現精確的室內和室外跟蹤。

不過，SIG 還實施了另一種專有射頻接口設計人員也可以嘗試的有趣調整：他們降低了開銷與有效載荷比率，從而減少了發送給定數量的“真實”數據所需的傳輸次數，進一步降低了功耗。

藍牙最初作為一種簡單的電纜替換技術，如今已演化為一種實用性極強的技術。因此，設計人員現在更傾向于采用快速、簡單的藍牙解決方案，而不是投入大量成本和費用設計自己的射頻接口。

建立和運行藍牙解決方案

隨著設計的上市時間窗口不斷收窄，設計預算不斷收緊，采用藍牙接口的趨勢逐漸變為必要之選。幸運的是，對許多設計而言，仍有足夠的空間容納現成的藍牙模塊，從而讓設計團隊能夠專注于他們的最終應用并取得競爭優勢。

Rigado 的 BMD-330 藍牙 5 模塊便屬于這類模塊（圖 1）。盡管市場上有很多藍牙模塊，但這款模塊由于板載了集成天線，因此特別有趣而且實用。天線匹配和貼裝是射頻設計中的其中一項精細工作，如能為設計人員分擔這一任務，即可節省時間以及確保最優的信號耦合。

圖 1：BMD-330 藍牙 5 模塊附帶天線和匹配電路，可簡化實施及加快實施速度。（圖片來源：Rigado）

該模塊是符合監管許可要求的完整解決方案，擁有自己的板載 DC-DC 轉換器和智能電源控制，其尺寸為 9.8 x 14.0 x 1.9 mm。盡管附帶了天線，但它仍需要合適的接地平面才能有效地輻射信號。此外，從模塊的天線部分延伸出的區域內不能有任何銅和其他金屬，而且該模塊應置于 PC 板的邊緣，并將天線朝外。

將模塊安裝到外殼里面時，確保天線附近沒有任何金屬，否則可能會影響性能。由于該模塊的設計和調整針對的是在非封閉空間工作的情況，因此灌封、環氧樹脂、包覆成型或保形涂層都有可能影響性能，需要在應用后采取額外措施，確保鏈路預算符合規范要求。

該模塊基于 Nordic Semiconductor 的 nRF52810 片上系統 (SoC)（圖 2）構建而成。該 SoC 使用時鐘頻率為 64 MHz 的 Arm? Cortex?-M4 CPU，并擁有 192 KB 閃存和 24 KB RAM。

圖 2：BMD-330 模塊基于 Nordic Semiconductor 的 nRF52810 SoC 構建而成，該 SoC 包含一個 Arm? Cortex?-M4 CPU 和一個 2.4 Ghz 無線電。（圖片來源：Rigado）

該模塊的閃存空間不大，因此 Rigado 沒有在模塊中提供任何出廠固件。由于沒有引導程序，因此任何固件都需要使用串行線調試 (SWD) 接口進行加載。不過，在完成此操作后，Nordic 提供了眾多被稱為軟設備的協議棧。這些協議棧是預先編譯和預先鏈接的二進制文件，可從 Nordic 網站下載。采用 nRF52810 SoC 的 BMD-330 支持 S132（BLE 中央和外設）軟設備以及經過內存優化的 S112（BLE 外設）軟設備。

BMD-330 模塊的主要規格包括 +4 dBm 的發射功率和 -96 dBm（BLE 模式）的接收器靈敏度。它采用 3 伏電源，在發射模式下，功率為 +4 dBm 時消耗 7.0 毫安 (mA) 電流，功率為 0 dBm 時消耗 4.6 mA 電流。在接收模式下，速率為 1 Mb/s 時消耗 4.6 mA 電流，速度為 2 Mb/s 時消耗 5.8 mA 電流。發射和接收規格均假定已啟用 DC-DC 轉換器：禁用后電流將會增大。

專有射頻與藍牙的最佳結合帶

在完整的自定義專有無線電設計與標準藍牙之間還有另一個選項：設計人員可基于現成的無線電收發器開發自己的協議和編碼方案，或采用現成的 Ant、Thread 或 ZigBee 等版本。隨著可獲取的硅解決方案成本不斷下降，加上廣泛的軟件支持，設計人員如果希望獲得競爭優勢、必須得優化空間以及可增強安全性的選項，該選項能夠提供最佳結合帶，同時保持極低的成本，也無需更改設計日程。

Silicon Labs 的 EFR32FG14 Flex Gecko 專有協議系列 SoC（圖 3）為有興趣采用這一設計路徑的設計人員提供了一種不錯的選項。

圖 3：Silicon Labs 的 EFR32FG14 Flex Gecko 提供了可靠的硬件平臺，而設計人員可基于該平臺添加或開發專有軟件。（圖片來源：Silicon Labs）

與 BMD-330 一樣，EFR32FG14 也使用 Arm? Cortex?-M4 核心，但最大頻率為 40 MHz 而不是 64 MHz，因為該芯片專門針對低功耗 IoT 應用。它擁有多達 256 KB 閃存和 32 KB RAM。請注意，該芯片支持 2.4 GHz 和 Sub-GHz (915 MHz) 操作，并且提供了天線網絡匹配指南。它還支持天線分集，可緩解頻率選擇性衰變的影響。

此外還內置了多種靈活的 I/O 和安全性功能，包括：可實現 MCU 外設自主交互的 12 通道外設反射系統；多達 32 個 GPIO；以及硬件自主加密加速器和真隨機數發生器。芯片上還集成了用于 2.4 GHz 和 Sub-GHz 操作的功率放大器。

為協助完成開發流程，Silicon Labs 還提供了適用于 EFR32FG 系列的 SLWRB4250A 板（圖 4）。它包括 SoC、針座、晶體和天線匹配電路以及軟件。

圖 4：SLWRB4250A Flex Gecko 無線電板提供了必要的硬件，可與專有的低功耗無線接口搭配使用以開展實驗。（圖片來源：Silicon Labs）

總結

選擇完整的專有射頻設計路徑或標準藍牙無線電都有很多理由。每種選擇在滿足成本、時間、性能、尺寸、安全性等方面的設計和應用要求以及其他多種因素上，都有自己的可取之處。但如果設計人員既想獲得現成硅解決方案帶來的多種節省成本和時間的優勢，又想靈活地增加某種程度的專有競爭優勢，供應商現在也提供了可靠的硬件平臺供其構建這樣的解決方案。