藍牙技術完全可以替代纜線，對于產品經理和設計工程師而言，問題已經從‘何時開始實現藍牙功能？’轉向‘如何在設計中實現藍牙功能？’藍牙設計中有何陷阱？應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計經驗的PCB設計人員而言，掌握藍牙設計中測試與品質認證的策略很重要。

藍牙是能工作在以下三種功率級下的短距離無線網路技術：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)。

 

藍牙版本V1.2要求的元件不僅能提供更好的介面保護，還能增強藍牙產品與其他2.4GHz產品(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。大部份新功能應歸功于自適應跳頻(AFH)技術、增強的語音處理以及更快速的連接建立技術的導入。當然，藍牙1.2版本產品應能后向相容1.1版本產品。
 

 

圖1：射頻晶片與天線之間的藍牙無線晶片。

 

一旦PCB設計人員選擇在產品中整合藍牙技術，那么除了參看產品供應商提供的簡單性能參數外，還需要考慮眾多的實現問題。例如，如何在產品中使用測試腳本？產品采用嵌入式實現還是外接式實現？產品需要支援哪些作業系統？產品需要提供哪些性能或業務以滿足應用需求？產品的封裝設計是否支援嵌入式或外部天線？產品的生命周期多長？能衍生多少相關產品？

 

最高效的設計

最初的藍牙設計由一系列分離的IC和支援電路組成并最終形成藍牙模組。隨著技術的進步，藍牙設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設計人員提供更為優化的藍牙技術，該技術能顯著降低設計風險，距離‘完美的藍牙解決方案’又前進了一大步。

 

在設計中增加藍牙功能需要考慮的主要問題是確認該模組或晶片集是否滿足當前的藍牙標淮V1.2并可繼續升級。避免設計延遲的有效方法是選擇不需要額外藍牙認證或FCC/CE管理認證的產品。

 

PCB設計人員還必須選擇性能領先且帶有板上記憶體的藍牙解決方案。這樣，設計的生命周期將能延伸至未來幾代產品中。選擇性能適中的模組或許能在初期降低成本，但后續產品不得不重新進行全新設計。
 

圖2：利用4.7nH串聯電感實現的最佳化調節電路。

 

除了期望的射頻(RF)和基頻功能，最新的藍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、電壓調節器、濾波器和晶振。這些特性可以提供簡化的設計、降低開發成本并縮短產品上市時間。

 

如果PCB設計人員不使用上述高度整合模組，那么他們必須非常嚴密地設計藍牙電路板(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，尤其是產品的射頻性能。如果使用預設計并獲得預認證的模組，那么PCB設計人員將能規避這些問題，從而無須在最終設計中考慮上述因素。

 

產品開發問題

一旦PCB設計人員理解了產品的上述基本應用需求，那么還必須重點關注下面一些問題：功率耗散(這關系到電池的壽命)、現有產品設計中藍牙電路的物理空間限制(藍牙電路究竟占用多大的空間)以及傳輸速率限制和需求。例如，大多數藍牙互聯應用的速率都限制在732.2bps，這將影響產品的音訊品質。

 

下面列出了開發流程中至關重要的五項因素：

1．模組與晶片組

在PCB設計中直接采用晶片的好處是能節省控制板空間，但也僅此而已。單獨的晶片或晶片組設計方法需要利用射頻設計資源在發送和接收路徑中提供濾波器、放大器、調節網路、振蕩器、時脈和天線。而且，該方法還需要大量與設計認證和整合配套的測試設備。此外，除了需要大量的設計時間、射頻專業技能和驗證制程外，這種設計方法還必須獲得藍牙產品使用認證。

 

2．天線

大多數藍牙手持設備均需要能以球狀模式發射訊號并連接各個方向的天線。良好的天線設計對藍牙產品至關重要，選擇外部天線的設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生重要影響。

 

如果選擇不帶天線的模組，那么PCB設計人員必須充分了解產品的使用環境。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，從而導致嚴重的訊號強度損耗。
 

 

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

 

最近，市場上已經出現整合天線模組。如果PCB設計人員選擇的模組帶有整合至控制板的天線，那么實際上已經完成了重要的天線調節工作。如果選擇不帶天線的模組，那么PCB設計人員必須重新調節天線，而且解決方案必須通過藍牙品質認證委員會(BQRB)的認證。