藍(lán)牙設(shè)計(jì)的測(cè)試與質(zhì)量認(rèn)證

藍(lán)牙技術(shù)完全可以替代線纜，對(duì)于產(chǎn)品經(jīng)理和設(shè)計(jì)工程師而言，問(wèn)題已經(jīng)從“何時(shí)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙功能？”轉(zhuǎn)向“如何在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙功能？”藍(lán)牙設(shè)計(jì)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(duì)于那些缺乏無(wú)線設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員而言，掌握藍(lán)牙設(shè)計(jì)中測(cè)試與質(zhì)量認(rèn)證的策略很重要。

圖1：射頻芯片與天線之間的藍(lán)牙無(wú)線芯片

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

藍(lán)牙版本V1.2要求的器件不僅能提供更好的接口保護(hù)，還能增強(qiáng)藍(lán)牙產(chǎn)品與其他2.4 GHz產(chǎn)品(WLAN、某些無(wú)繩電話和微波爐)的共存性，而且能提供比先前版本更好的語(yǔ)音連接。大部分新功能應(yīng)歸功于自適應(yīng)跳頻(AFH)技術(shù)、增強(qiáng)的語(yǔ)音處理以及更快速的連接建立技術(shù)的引入。當(dāng)然，藍(lán)牙1.2版本產(chǎn)品應(yīng)能后向兼容1.1版本產(chǎn)品。

一旦設(shè)計(jì)人員選擇在產(chǎn)品中集成藍(lán)牙技術(shù)，那么除了參看產(chǎn)品供應(yīng)商提供的簡(jiǎn)單性能參數(shù)外，還需要考慮眾多的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。例如，如何在產(chǎn)品中使用測(cè)試腳本？產(chǎn)品采用嵌入式實(shí)現(xiàn)還是外置式實(shí)現(xiàn)？產(chǎn)品需要支持哪些操作系統(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(jì)是否支持嵌入式或外置天線？產(chǎn)品的生命周期多長(zhǎng)？能衍生多少相關(guān)產(chǎn)品？

最高效的設(shè)計(jì)

最初的藍(lán)牙設(shè)計(jì)由一系列分離的IC和支持電路組成并最終形成藍(lán)牙模塊。隨著技術(shù)的進(jìn)步，藍(lán)牙設(shè)計(jì)的集成度不斷增加，而外置器件則不斷減少。因此，最新的模塊化解決方案可以為設(shè)計(jì)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(jì)風(fēng)險(xiǎn)，距離“完美的藍(lán)牙解決方案”又前進(jìn)了一大步。

在設(shè)計(jì)中增加藍(lán)牙功能需要考慮的主要問(wèn)題是確認(rèn)該模塊或芯片集是否滿足當(dāng)前的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)V1.2并可繼續(xù)升級(jí)。避免設(shè)計(jì)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。

設(shè)計(jì)人員還必須選擇性能領(lǐng)先且?guī)в邪迳蟽?nèi)存的藍(lán)牙解決方案。這樣，設(shè)計(jì)的生命周期將能延伸至未來(lái)幾代產(chǎn)品中。選擇性能適中的模塊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(jì)。

除了期望的射頻(RF)和基帶功能，最新的藍(lán)牙模塊還能提供其他一些功能，如專用微控制器、天線和連接器集成以及板上閃存、電壓調(diào)節(jié)器、濾波器和晶振。這些特性可以提供簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)、降低開(kāi)發(fā)成本并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

如果設(shè)計(jì)人員不使用上述高度集成模塊，那么他們必須非常嚴(yán)密地設(shè)計(jì)藍(lán)牙印制電路板(PCB)。元件置放、跟蹤掃描、解耦、接地、屏蔽和板材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(jì)并獲得預(yù)認(rèn)證的模塊，那么設(shè)計(jì)人員將能規(guī)避這些問(wèn)題，從而無(wú)須在最終設(shè)計(jì)中考慮上述因素。

產(chǎn)品開(kāi)發(fā)問(wèn)題

圖2：利用4.7nH串聯(lián)電感實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化調(diào)節(jié)電路

一旦設(shè)計(jì)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(wèn)題：功率耗散(這關(guān)系到電池的壽命)、現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)中藍(lán)牙電路的物理空間限制(藍(lán)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(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)品的音頻質(zhì)量。

下面列出了開(kāi)發(fā)流程中至關(guān)重要的五項(xiàng)因素：

1．模塊與芯片組

在PCB 設(shè)計(jì)中直接采用芯片的好處是能節(jié)省控制板空間，但也僅此而已。單獨(dú)的芯片或芯片組設(shè)計(jì)方法需要利用射頻設(shè)計(jì)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)絡(luò)、振蕩器、時(shí)鐘和天線。而且，該方法還需要大量與設(shè)計(jì)認(rèn)證和集成配套的測(cè)試設(shè)備。此外，除了需要大量的設(shè)計(jì)時(shí)間、射頻專業(yè)技能和驗(yàn)證工藝外，這種設(shè)計(jì)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)射信號(hào)并連接各個(gè)方向的天線。良好的天線設(shè)計(jì)對(duì)藍(lán)牙產(chǎn)品至關(guān)重要，選擇外置天線的設(shè)計(jì)必須考慮控制板空間、成本和天線模式。此外，附屬器件、外殼、離地距離等因素也將對(duì)天線的終極性能產(chǎn)生重要影響。

如果選擇不帶天線的模塊，那么設(shè)計(jì)人員必須充分了解產(chǎn)品的使用環(huán)境。如果無(wú)線鏈路同天線之間的饋送不匹配，那么信號(hào)將反射回電路，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的信號(hào)強(qiáng)度損耗。

最近，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)集成天線模塊。如果設(shè)計(jì)人員選擇的模塊帶有集成至控制板的天線，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塊，那么設(shè)計(jì)人員必須重新調(diào)節(jié)天線，而且解決方案必須通過(guò)藍(lán)牙品質(zhì)認(rèn)證委員會(huì)(BQRB)的認(rèn)證。

3．天線調(diào)節(jié)

大多數(shù)藍(lán)牙無(wú)線芯片組和模塊的前端架構(gòu)都帶有片上發(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(dòng)端口。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(jì)藍(lán)牙模塊時(shí)，由L1和C1構(gòu)成的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)Tx差動(dòng)端口和平衡-不平衡變壓器(Balun)之間的阻抗進(jìn)行轉(zhuǎn)換。Balun可將差動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為饋送至帶通濾波器及天線端口的單端信號(hào)。濾波與L2/C2網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合可以防止射頻信號(hào)干擾電路。信號(hào)通路中的低通濾波器還能為T(mén)x信號(hào)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，從而使模塊和其他射頻敏感器件不受影響。此外，還需要考慮射頻耦合因素，因此必須嚴(yán)密地規(guī)劃器件在PCB上的布局。

圖3：零歐姆調(diào)節(jié)電路的回波損耗(第一個(gè)方案)和優(yōu)化調(diào)節(jié)電路的回波損耗(第二個(gè)方案)

例如，在測(cè)量帶有天線的藍(lán)牙器件的射頻性能時(shí)，可以考慮以下兩個(gè)設(shè)計(jì)方案。第一個(gè)方案利用零歐姆的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量天線的初始狀態(tài)(如圖2所示)，第二個(gè)方案則利用優(yōu)化的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)天線的性能(如圖3所示)。

在上述兩個(gè)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(cè)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(cè)量表明，天線偏離了2.45 GHz的中心頻率，因此需要調(diào)節(jié)器件。結(jié)果表明，如果采用優(yōu)化的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)(如表1所示)，可以實(shí)現(xiàn)44％的天線效率(在峰值點(diǎn)2.45 GHz)。第一個(gè)方案的回波損耗介于 -2.9至-5.0 dB之間，可利用調(diào)節(jié)電路改進(jìn)到 -6.5至-12.4 dB之間。

分析顯示，盡管天線只是其中一個(gè)器件，但在天線電路設(shè)計(jì)時(shí)仍然需要借助其他電路優(yōu)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(lán)牙模塊都不帶連接器，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塊都需要使用BGA或SMD返修工作站。這些工作站不僅價(jià)格昂貴，而且當(dāng)這些器件需要從PCB板上提取出以用于測(cè)試、調(diào)試或修理時(shí)，整個(gè)工藝流程的周期很長(zhǎng)。這些情形下，不僅主PCB板極易損壞，而且在PCB上返修鍍鉛模塊也并非輕而易舉。例如，需要利用BGA

X射線儀驗(yàn)證引腳是否正確地連接到PCB上。對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，如果能正確地從模塊的連接器中引出信號(hào)，無(wú)疑將節(jié)省大量的時(shí)間和精力。

一旦模塊配備了能提供USB或UART接口的標(biāo)準(zhǔn)連接器，那么設(shè)計(jì)人員完全能在既有的設(shè)計(jì)中添加即插即用模塊，而不必重新設(shè)計(jì)PCB或集成BGA或SMT之類的器件。模塊上的連接器還有助于調(diào)試和測(cè)試且不需要增加其他特殊設(shè)備。

晶振

一些模塊完全不提供板上晶振，而另外一些模塊雖然提供板上晶振，但模塊沒(méi)有經(jīng)過(guò)完全測(cè)試和認(rèn)證。因此，這些情形下，需要進(jìn)行一些特殊設(shè)計(jì)考慮。

晶振的特性也各不相同，每種晶振都具有優(yōu)化的偏移量，從而使振蕩器上的相位噪聲降至最低。因此，使用晶振時(shí)晶振的偏移量必須單獨(dú)配置。對(duì)于帶有板上晶振的已認(rèn)證模塊，晶振的偏移量可以預(yù)先存儲(chǔ)在每個(gè)模塊中以將相位噪聲降至最低。

協(xié)議棧

標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙器件至少將配備主控接口協(xié)議棧，該協(xié)議?？芍С只镜拇型ㄐ潘{(lán)牙主機(jī)協(xié)議，如藍(lán)牙通信產(chǎn)品的跳頻同步。模塊制造商可以在協(xié)議棧頂部加載規(guī)范，如支持線纜替換的串口規(guī)范(SPP)。此外，終端用戶還能開(kāi)發(fā)定制的協(xié)議?；蛘哔?gòu)買(mǎi)第三方開(kāi)發(fā)的協(xié)議棧。

測(cè)試中應(yīng)注意的事項(xiàng)

圖4顯示的測(cè)試平臺(tái)可以測(cè)試藍(lán)牙模塊的絕大多數(shù)射頻參數(shù)，如接收/發(fā)送信號(hào)輸出、同頻干擾、與接收信號(hào)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(cè)設(shè)備(DUT)是利用接口板連接至PC的實(shí)際藍(lán)牙模塊，這種情況下模塊需要直流電源，而PC也需要安裝相應(yīng)的測(cè)試軟件。

這套測(cè)試平臺(tái)的核心部件是藍(lán)牙測(cè)試儀，如Agilent公司的E1852A/B或Anritsu公司MT8850aA52A。此外，可以利用頻譜分析議檢驗(yàn)設(shè)備射頻端口上信號(hào)的頻譜內(nèi)容，對(duì)鄰頻干擾、信號(hào)頻譜、諧波、同頻干擾及噪聲進(jìn)行測(cè)量。

圖4中的藍(lán)牙信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生具有期望帶寬和頻帶的噪聲。射頻混合器/分離器不僅能將噪聲與射頻信號(hào)混合，還能分離出路由至頻譜分析議和藍(lán)牙測(cè)試儀的射頻信號(hào)。其他的測(cè)試準(zhǔn)則取決于具體應(yīng)用。

利用圖4所顯示的測(cè)試平臺(tái)可以進(jìn)行的測(cè)試還包括：

* 模塊隨時(shí)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

* 信號(hào)頻譜內(nèi)容

* 諧波內(nèi)容

圖4：藍(lán)牙模塊的常規(guī)射頻測(cè)試平臺(tái)

如果模塊不自帶天線，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安裝天線(參見(jiàn)上述的天線調(diào)節(jié))，那么需要進(jìn)行更廣泛的測(cè)量。如果天線設(shè)備沒(méi)有正確安裝，甚至還需要尋求天線制造商的幫助。

采用獲得預(yù)認(rèn)證的完全集成模塊可以免除射頻一致性測(cè)試或數(shù)據(jù)傳輸率測(cè)試，因?yàn)樵摦a(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)BQB、CE和FCC的認(rèn)證。藍(lán)牙認(rèn)證包括射頻一致性測(cè)試和互通性測(cè)試。因此，對(duì)于所有工程人員而言，最重要的是確保為模塊提供適當(dāng)?shù)男盘?hào)強(qiáng)度并將正確的應(yīng)用或協(xié)議棧加載至最終產(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?cè)诋a(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(gè)部分：無(wú)線鏈路需求、協(xié)議需求、概要需求和信息需求。

整個(gè)認(rèn)證流程完全由藍(lán)牙品質(zhì)認(rèn)證委員會(huì) (Bluetooth Qualification Review Board,

BQRB)監(jiān)控和管理。認(rèn)證基于一套參考測(cè)試系統(tǒng)的一致性測(cè)試(由藍(lán)牙認(rèn)證流程(BQP)制訂)以及與其他符合標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙產(chǎn)品之間的互通性測(cè)試。測(cè)試由已得到SIG下屬的

BQRB授權(quán)的藍(lán)牙認(rèn)證測(cè)試部門(mén)(BQTF)實(shí)施。

除了測(cè)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。

如果設(shè)計(jì)人員選擇獲得預(yù)認(rèn)證的模塊與天線結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)，那么無(wú)需重新認(rèn)證。如果選擇需要額外器件(包括連接器和天線)的模塊，那么設(shè)計(jì)必須通過(guò)重新認(rèn)證。重新認(rèn)證將使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期延長(zhǎng)幾個(gè)星期。新設(shè)計(jì)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(guò)10 萬(wàn)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)證的模塊仍然能節(jié)省相當(dāng)可觀的成本。

在新設(shè)計(jì)或現(xiàn)有設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙解決方案的設(shè)計(jì)人員需要清楚地認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)應(yīng)用的需求，然后為設(shè)計(jì)慎重地選擇模塊或芯片組。幸運(yùn)的是，藍(lán)牙技術(shù)的不斷進(jìn)步使得設(shè)計(jì)人員能通過(guò)有限的優(yōu)化和射頻電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙功能。某些最新開(kāi)發(fā)的模塊還能免除認(rèn)證，從而極大地?cái)U(kuò)展了設(shè)計(jì)應(yīng)用的使用范圍。因此，設(shè)計(jì)人員能以更快的速度推出經(jīng)過(guò)完全認(rèn)證的可靠設(shè)計(jì)。