CN113708802B - 一种提升蓝牙链路预算和解决多径效应的模组及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提升蓝牙链路预算和解决多径效应的模组及方法，克服了现有技术芯片能力不足功率过小无法达到蓝牙蓝牙5.0核心规范中的极限功率20dBm、通信距离大打折扣的问题，包括用于供电的电源模块、晶振模块、nRF52833蓝牙模块、前级滤波电路、隔直电路、FEM电路、第一后级滤波电路、第一天线端口、第二后级滤波电路、第二天线接口和对外接口。本发明利用蓝牙芯片nRF52833实现5.0核心规范的特性，利用FEM发挥出5.0规范最优特性，解决传统方案在速率单一，射频功率小以及多径效应上带来问题和使用范围上的不足。

Description

一种提升蓝牙链路预算和解决多径效应的模组及方法
技术领域
本发明涉及蓝牙技术领域，尤其是涉及一种提升蓝牙链路预算和解决多径效应的模组及方法。
背景技术
随着蓝牙5.0核心规范的发布，在新版本蓝牙核心规范中，低功耗蓝牙的技术特性更加丰富，相比于上一代4.2核心规范，在兼容其原本的特性同时，增加了多项功能，例如在射频性能上将输出功率扩展到20dBm，在LE模式下的通信速率提升至2M bps的高速率，在LE模式下通过编码方式增加Long Range(长距离)模式等功能。
在输出功率方面，结合上一代蓝牙4.2核心规范的技术规格，输出功率仅允许最大为10dBm。而芯片的技术迭代慢、芯片的功耗控制要求其低功耗特性以及工艺能力的制约，目前行业中BLE的芯片级输出功率最高为10dBm，接收灵敏度最高为-97dBm，其整个通信链路为：输出功率-接收灵敏度＝107dB。
在射频芯片的输出端口上，目前的方案采用的是在芯片的单个通道外部使用一路物理单元作为射频信号的传输端口，使用中受到局限，无法做更多的选择。
在射频输出端口上，目前的方案是使用一根天线作为射频信号的传输端口，使用中受到局限，无法做更多的选择。
在兼容使用1M和2M的通信速率时，会造成通信距离不兼容的问题。根据通信技术中的香农定理，增加通信速率需要通过增加调制信号带宽来解决，而调制信号带宽的增加带来的问题是射频接收机的灵敏度会降低，在发射功率不变的前提下，进而导致的结果是在2Mbps速率下的通信链路相对于1Mbps通信速率时的通信链路有所降低，导致在原本的1Mbps模式下的极限距离时，在2Mbps模式下无法通信的问题。
在目前的方案中，使用单一天线作为蓝牙射频信号输入输出端口，当天线处在会产生多径效应的场景时，单一天线端口接收的蓝牙信号将会受到严重的影响。图2所示为天线在直接信号传输时，天线处在接收到信号的波峰；在反射信号传输时，天线处在信号的波谷；而在多径效应场景下，两个信号产生叠加后会相应的抵消，最终天线处在叠加后的信号时，则会出现通信成功率降低的现象。
发明内容
本发明是为了克服现有技术在满足蓝牙5.0核心规范的同时，通过增加链路预算来解决2Mbps下通信覆盖范围降低的问题，提供一种提升蓝牙链路预算和解决多径效应的模组及算法，根据理论计算，将会降低1.5倍的通信距离，满足蓝牙5.0核心规范同时兼容4.2核心规范。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种提升蓝牙链路预算和解决多径效应的方法，包括以下步骤：
S1、进行蓝牙模块初始化；
S2、实时监测信号，若超时则进行切换天线的操作；
S3、测量第一天线的信号RSSI值RSSI_1；
S4、切换天线；
S5、测量第二天线的信号RSSI值RSSI_2；
S6、根据RSSI值进行判断选取工作天线，若RSSI_1＞RSSI_2，选取第一天线工作，若RSSI_1≤RSSI2，选取第二天线工作；
其中，S2中天线采用分集天线双天线输出接口，两路天线需要呈90°夹角放置，利用其可接收不同相位的信号，检测每根天线上的信号强度，对天线进行选择，分集天线在直接信号传输或反射信号传输时，始终有一路天线处在信号峰值区域。
本发明通过提升蓝牙链路预算实现5.0核心规范的特性，利用PA和LNA对发射和接收链路做了良好的设计和优化，解决由于空中速率提升带来的灵敏度下降的问题。并利用双天线接口输出的方式实现天线分集功能，进而解决多径效应的问题。解决传统方案在速率单一，射频功率小以及多径效应上带来问题和使用范围上的不足。
一种提升蓝牙链路预算和解决多径效应的模组，采用提升蓝牙链路预算和解决多径效应的算法，包括用于供电的电源模块、晶振模块、nRF52833蓝牙模块、前级滤波电路、隔直电路、FEM电路、第一后级滤波电路、第一天线端口、第二后级滤波电路、第二天线接口、对外接口、前级信号切换单元和后级信号切换单元，电源模块与nRF52833蓝牙模块连接，nRF52833蓝牙模块还与晶振模块、对外接口和前级滤波电路连接，前级滤波电路与隔直电路连接，隔直电路通过前级信号切换单元与FEM电路连接，FEM电路通过后级信号切换单元还与第一后级滤波电路和第二后级滤波电路连接，第二天线接口与第一后级滤波电路连接，第二天线接口与第二后级滤波电路连接；电源模块包括磁珠L2，电源VCC与磁珠L2一端连接，磁珠L2另一端与电源VDD_nRF连接；FEM电路包括射频功放U2，nRF52833蓝牙模块包括主芯片U1。
本发明的nRF52833蓝牙模块作为主控部分采用Nordic公司的新一代蓝牙芯片nRF52833，该芯片支持5.0核心规范下LE模式的主要特性，除了常规的1M bps通信速率以外，还支持2M bps的高速率，以及在LE模式下通过编码方式增加长距离的Coded模式，除此之外，该芯片还支持AOA和AOD特性，该特性可作为蓝牙高精度定位使用。电源模块为单电源供电系统，电源电压为3.3V，方案中无需外加稳压芯片进行电压转换。由于射频对电源噪声比较敏感，为了降低电源噪声对射频信号带来的影响，以及避免方案中的射频信号传导或耦合至电源总线上，增加系统中电源噪声，在电源入口增加一颗磁珠L2，利用其特有的频率响应能力，在低频下呈现低阻抗，在中高频呈现高阻抗的特性，对高频干扰进行衰减，选择额定电流和直流电阻两项参数低的直流电阻，避免在磁珠上产生压降，导致FEM的供电电压低，进而导致功率偏低的问题。
FEM电路包括PA、LNA和Bypass三部分，利用PA和LNA对发射和接收链路做了良好的设计和优化，解决由于空中速率提升带来的灵敏度下降的问题。
作为优选，所述FEM电路还包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C11、电容C251、电容C18、电容C24、电阻R4、电容C21、电容C22和电阻R4；隔直电路包括电容C12；射频功放U2的TXRX端与电容C12一端连接，电容C12另一端与前级滤波电路连接，射频功放U2的TXEN端分别与电阻R2一端和电容C21一端连接，射频功放U2的RXEN端分别与电阻R3一端和电容C22一端连接，射频功放U2的DET端通过电阻R4接地，射频功放U2的VDD端分别与电容C11一端电容C251一端、电容C24一端和电源VDD_nRF连接，射频功放U2的Bypass端分别与电容C18一端和电阻R1一端连接，电容C18另一端；
电容C11另一端、电容C251另一端、电容C24另一端、电容C21另一端、电容C22另一端和电阻R4另一端均接地。
FEM电路作为本方案中的重点环节，主要的作用是将蓝牙射频性能发挥至最优，该芯片内部包含PA,LNA,Switch,Bypass及控制逻辑电路，PA电路主要作用是提升蓝牙的射频发射能力，其具备20dB的增益，饱和输出功率为22.5dBm，考虑到5.0核心规范和CE法规对功率的要求，本方案中设计的PA输出功率为20dBm。
Bypass具备5dB的插入损耗，主要作用是当接收的信号强度过高时，经过LNA放大后的信号会超出蓝牙芯片nRF52833的饱和接收强度，进而造成信号无法被接收机解调，使用Bypass电路，在该情况时，将电路切换至Bypass状态，信号经过5dB的衰减后送入接收机，使信号能被正常解调。
作为优选，电容12为100pF的陶瓷电容。
本方案选用100pF的陶瓷电容作为隔直电路，利用其通交流隔直流的特性对直流信号做阻断，同时利用其在2.4G Hz下的低阻抗特性，降低其对高频信号的影响。
作为优选，所述射频功放U2型号为RT201。
作为优选，第一后级滤波电路包括电容C201、电感L51和电容C231，电容C201一端分别与电感L51一端和射频功放U2的ANT2端连接，电感L51另一端与电容C231一端连接，电容C231一端还连接有一电容C191的一端，电容C191另一端与第一天线端口连接。
作为优选，第二后级滤波电路包括电容C20、电感L5和电容C23，电容C20一端分别与电感L5一端和射频功放U2的ANT1端连接，电感L5另一端与电容C23一端连接，电容C23一端还连接有一电容C19的一端，电容C19另一端与第二天线端口连接。
两路天线接收的外接天线可呈90°放置，利用其可接收不同相位的信号，检测每根天线上的信号强度，对天线进行选择。
作为优选，前级滤波电路包括电容C13、电感L4、电容C14和电感L6，电感L2一端分别与电容C13一端和主芯片U1的ANT端连接，电容C13另一端分别与主芯片U1的VSS端和地端连接，电感L4另一端分别与电感L6一端和电容C14一端连接，电感L6另一端与隔直电路连接，电容C14另一端接地。
本发明的前级滤波和后级滤波均采用电容和电感的设计，前级滤波的作用主要是滤除蓝牙芯片直接输出信号的谐波分量，使得进入FEM中PA电路的信号，其谐波分量尽可能的小。过滤波后的信号进入PA电路，该PA具有20dB的放大增益，会再次造成谐波分量的放大或产生，后级滤波器主要对PA输出信号的谐波分量进行滤除，以保证满足SRRC，CE等规范。
作为优选，晶振模块常温下的精度为10ppm，全温度范围内精度为25ppm。
晶振模块对蓝牙的射频性能至关重要，射频收发机的本振选取的是外部晶体振荡器，采用了高精度、工业级无源晶振，在常温下可达到10ppm精度，全温度范围内可达到25ppm的精度，保证了频率特性符合5.0核心规范中PHY的要求。
因此，本发明具有如下有益效果：
1.本发明可以实现蓝牙5.0核心规范中的新增特性，射频信号发射功率达到规范中的极限功率20dBm，并且有多种通信速率可供选择，除了常用的1M bps通信速率，同时也符合2M bps，增加更广泛的适用性。同时将蓝牙射频输出功率提升了10dB，灵敏度提升了3dB，相对于现有方案，整个链路预算提升13dB，在通信距离上可以得到很大提升，解决了使用2Mbps速率带来的性能下降问题；
2.采用双天线输出接口，为实现天线分集提供了必要条件，通过交替的采集两根天线上的信号强度，选取接收信号强度高的天线作为当前主要通信的天线，以此来消除多径效应对通信成功率的影响，提高通信稳定性。
附图说明
图1是现有技术中兼容使用1M和2M的通信速率射频接收机之间的结构框图。
图2是现有技术中信号叠加时波形示意图。
图3是本实施例分集天线在多径效应场景中的信号波形示意图。
图4是本实施例的结构框图。
图5是本实施例的电路原理图。
图6是本实施例的流程图。
图中：1、电源模块 2、晶振模块 3、nRF52833蓝牙模块 4、前级滤波电路 5、隔直电路 6、FEM电路 7、第一后级滤波电路 8、第一天线端口 9、第二后级滤波电路 10、第二天线接口 11、对外接口 12、前级信号切换单元 13、后级信号切换单元。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例：
本实施例提供了一种提升蓝牙链路预算和解决多径效应的模组，如图4所示，包括用于供电的电源模块1、晶振模块2、nRF52833蓝牙模块3、前级滤波电路4、隔直电路5、FEM电路6、第一后级滤波电路7、第一天线端口8、第二后级滤波电路9、第二天线接口10、对外接口11、前级信号切换单元12和后级信号切换单元13，电源模块与nRF52833蓝牙模块连接，nRF52833蓝牙模块还与晶振模块、对外接口和前级滤波电路连接，前级滤波电路与隔直电路连接，隔直电路通过前级信号切换单元与FEM电路连接，FEM电路通过后级信号切换单元还与第一后级滤波电路和第二后级滤波电路连接，第二天线接口与第一后级滤波电路连接，第二天线接口与第二后级滤波电路连接；电源模块包括磁珠L2，电源VCC与磁珠L2一端连接，磁珠L2另一端与电源VDD_nRF连接；FEM电路包括射频功放U2，nRF52833蓝牙模块包括主芯片U1。
本发明的nRF52833蓝牙模块作为主控部分采用Nordic公司的新一代蓝牙芯片nRF52833，该芯片支持5.0核心规范下LE模式的主要特性，除了常规的1M bps通信速率以外，还支持2M bps的高速率，以及在LE模式下通过编码方式增加长距离的Coded模式，除此之外，该芯片还支持AOA和AOD特性，该特性可作为蓝牙高精度定位使用。电源模块为单电源供电系统，电源电压为3.3V，方案中无需外加稳压芯片进行电压转换。由于射频对电源噪声比较敏感，为了降低电源噪声对射频信号带来的影响，以及避免方案中的射频信号传导或耦合至电源总线上，增加系统中电源噪声，在电源入口增加一颗磁珠L2，利用其特有的频率响应能力，在低频下呈现低阻抗，在中高频呈现高阻抗的特性，对高频干扰进行衰减，选择额定电流和直流电阻两项参数低的直流电阻，避免在磁珠上产生压降，导致FEM的供电电压低，进而导致功率偏低的问题。
如图5所示，FEM电路6还包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C11、电容C251、电容C18、电容C24、电阻R4、电容C21、电容C22和电阻R4；隔直电路包括电容C12；射频功放U2的TXRX端与电容C12一端连接，电容C12另一端与前级滤波电路连接，射频功放U2的TXEN端分别与电阻R2一端和电容C21一端连接，射频功放U2的RXEN端分别与电阻R3一端和电容C22一端连接，射频功放U2的DET端通过电阻R4接地，射频功放U2的VDD端分别与电容C11一端电容C251一端、电容C24一端和电源VDD_nRF连接，射频功放U2的Bypass端分别与电容C18一端和电阻R1一端连接，电容C18另一端；
电容C11另一端、电容C251另一端、电容C24另一端、电容C21另一端、电容C22另一端和电阻R4另一端均接地。
FEM电路包括PA、LNA和Bypass三部分，利用PA和LNA对发射和接收链路做了良好的设计和优化，解决由于空中速率提升带来的灵敏度下降的问题。
FEM电路作为本方案中的重点环节，主要的作用是将蓝牙射频性能发挥至最优，该芯片内部包含PA,LNA,Switch,Bypass及控制逻辑电路，PA电路主要作用是提升蓝牙的射频发射能力，其具备20dB的增益，饱和输出功率为22.5dBm，考虑到5.0核心规范和CE法规对功率的要求，本方案中设计的PA输出功率为20dBm。
Bypass具备5dB的插入损耗，由电阻R1和电容C18构成，主要作用是当接收的信号强度过高时，经过LNA放大后的信号会超出蓝牙芯片nRF52833的饱和接收强度，进而造成信号无法被接收机解调，使用Bypass电路，在该情况时，将电路切换至Bypass状态，信号经过5dB的衰减后送入接收机，使信号能被正常解调。
前级和后级信号切换单元作为信号回路上的切换开关，作用是在BLE分别处于发射或者接收状态时，通过切换单元将信号分别切换至PA和LNA部分，以及切换到两路天线接口中的任意一路。
后级滤波单元主要对PA输出信号的谐波分量进行滤除。经过前级滤波后的信号进入PA单元，由于该PA具有20dB的放大增益，会再次造成谐波分量的放大或产生，通过后级滤波对二次产生的谐波分量进行二次滤除，以保证其射频信号满足SRRC，CE等规范，两路后级滤波的功能及作用相同。
电容12为100pF的陶瓷电容。
本方案选用100pF的陶瓷电容作为隔直电路，利用其通交流隔直流的特性对直流信号做阻断，同时利用其在2.4G Hz下的低阻抗特性，降低其对高频信号的影响。
射频功放U2型号为RT201。
第一后级滤波电路7包括电容C201、电感L51和电容C231，电容C201一端分别与电感L51一端和射频功放U2的ANT2端连接，电感L51另一端与电容C231一端连接，电容C231一端还连接有一电容C191的一端，电容C191另一端与第一天线端口8连接。
第二后级滤波电路9包括电容C20、电感L5和电容C23，电容C20一端分别与电感L5一端和射频功放U2的ANT1端连接，电感L5另一端与电容C23一端连接，电容C23一端还连接有一电容C19的一端，电容C19另一端与第二天线端口10连接。
两路天线需要呈90°放置，利用其可接收不同相位的信号，检测每根天线上的信号强度，对天线进行选择，分集天线在多径效应场景中的示意图，不管是直接信号传输还是反射信号传输，始终有一路天线处在信号峰值区域。
前级滤波电路4包括电容C13、电感L4、电容C14和电感L6，电感L2一端分别与电容C13一端和主芯片U1的ANT端连接，电容C13另一端分别与主芯片U1的VSS端和地端连接，电感L4另一端分别与电感L6一端和电容C14一端连接，电感L6另一端与隔直电路连接，电容C14另一端接地。
本发明的前级滤波和后级滤波均采用电容和电感的设计，前级滤波的作用主要是滤除蓝牙芯片直接输出信号的谐波分量，使得进入FEM中PA电路的信号，其谐波分量尽可能的小。过滤波后的信号进入PA电路，该PA具有20dB的放大增益，会再次造成谐波分量的放大或产生，后级滤波器主要对PA输出信号的谐波分量进行滤除，以保证满足SRRC，CE等规范。
晶振模块2常温下的精度为10ppm，全温度范围内精度为25ppm。
晶振模块对蓝牙的射频性能至关重要，射频收发机的本振选取的是外部晶体振荡器，采用了高精度、工业级无源晶振，在常温下可达到10ppm精度，全温度范围内可达到25ppm的精度，保证了频率特性符合5.0核心规范中PHY的要求。
如图6所示，本实施例还行相应的提供一种提升蓝牙链路预算和解决多径效应的方法，包括以下步骤：
S1、进行蓝牙模块初始化；
S2、实时监测信号，若超时则进行切换天线的操作；
S3、测量第一天线的信号RSSI值RSSI_1；
S4、切换天线；
S5、测量第二天线的信号RSSI值RSSI_2；
S6、根据RSSI值进行判断选取工作天线，若RSSI_1＞RSSI_2，选取第一天线工作，若RSSI_1≤RSSI2，选取第二天线工作；
其中，S2中天线采用分集天线双天线输出接口，两路天线需要呈90°夹角放置，利用其可接收不同相位的信号，检测每根天线上的信号强度，对天线进行选择，分集天线在直接信号传输或反射信号传输时，始终有一路天线处在信号峰值区域。
本实施例利用蓝牙芯片nRF52833实现5.0核心规范的特性，利用FEM对发射和接收链路做了良好的设计和优化，发挥出5.0规范最优特性，并利用双天线接口输出的方式实现天线分集功能，解决传统方案在速率单一，射频功率小以及多径效应上带来问题和使用范围上的不足。
且本发明已经通过原型机验证，并且通过批量验证、量产，已经在工业传感器行业上逐步应用。
上述实施例对本发明的具体描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整均落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种提升蓝牙链路预算和解决多径效应的模组，采用一种提升蓝牙链路预算和解决多径效应的方法，其特征是，包括用于供电的电源模块、晶振模块、nRF52833蓝牙模块、前级滤波电路、隔直电路、FEM电路、第一后级滤波电路、第一天线端口、第二后级滤波电路、第二天线接口、对外接口、前级信号切换单元和后级信号切换单元，电源模块与nRF52833蓝牙模块连接，nRF52833蓝牙模块还与晶振模块、对外接口和前级滤波电路连接，前级滤波电路与隔直电路连接，隔直电路通过前级信号切换单元与FEM电路连接，FEM电路通过后级信号切换单元还与第一后级滤波电路和第二后级滤波电路连接，第二天线接口与第一后级滤波电路连接，第二天线接口与第二后级滤波电路连接；电源模块包括磁珠L2，电源VCC与磁珠L2一端连接，磁珠L2另一端与电源VDD_nRF连接；FEM电路包括射频功放U2，nRF52833蓝牙模块包括主芯片U1；
方法包括以下步骤：
S1、进行蓝牙模块初始化；
S2、实时监测信号，若超时则进行切换天线的操作；
S3、测量第一天线的信号RSSI值RSSI_1；
S4、切换天线；
S5、测量第二天线的信号RSSI值RSSI_2；
S6、根据RSSI值进行判断选取工作天线，若RSSI_1＞RSSI_2，选取第一天线工作，若RSSI_1≤RSSI2，选取第二天线工作；
其中，S2中天线采用分集天线双天线输出接口，两路天线需要呈90°夹角放置，利用其可接收不同相位的信号，检测每根天线上的信号强度，对天线进行选择，分集天线在直接信号传输或反射信号传输时，始终有一路天线处在信号峰值区域。
2.根据权利要求1所述的一种提升蓝牙链路预算和解决多径效应的模组，其特征是，所述FEM电路还包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C11、电容C251、电容C18、电容C24、电阻R4、电容C21、电容C22和电阻R4；隔直电路包括电容C12；
射频功放U2的TXRX端与电容C12一端连接，电容C12另一端与前级滤波电路连接，射频功放U2的TXEN端分别与电阻R2一端和电容C21一端连接，射频功放U2的RXEN端分别与电阻R3一端和电容C22一端连接，射频功放U2的DET端通过电阻R4接地，射频功放U2的VDD端分别与电容C11一端电容C251一端、电容C24一端和电源VDD_nRF连接，射频功放U2的Bypass端分别与电容C18一端和电阻R1一端连接，电容C18另一端；
电容C11另一端、电容C251另一端、电容C24另一端、电容C21另一端、电容C22另一端和电阻R4另一端均接地。
3.根据权利要求2所述的一种提升蓝牙链路预算和解决多径效应的模组，其特征是，电容 12为100pF的陶瓷电容。
4.根据权利要求1或2所述的一种提升蓝牙链路预算和解决多径效应的模组，其特征是，所述射频功放U2型号为RT201。
5.根据权利要求1所述的一种提升蓝牙链路预算和解决多径效应的模组，其特征是，第一后级滤波电路包括电容C201、电感L51和电容C231，电容C201一端分别与电感L51一端和射频功放U2的ANT2端连接，电感L51另一端与电容C231一端连接，电容C231一端还连接有一电容C191的一端，电容C191另一端与第一天线端口连接。
6.根据权利要求1所述的一种提升蓝牙链路预算和解决多径效应的模组，其特征是，第二后级滤波电路包括电容C20、电感L5和电容C23，电容C20一端分别与电感L5一端和射频功放U2的ANT1端连接，电感L5另一端与电容C23一端连接，电容C23一端还连接有一电容C19的一端，电容C19另一端与第二天线端口连接。
7.根据权利要求1所述的一种提升蓝牙链路预算和解决多径效应的模组，其特征是，前级滤波电路包括电容C13、电感L4、电容C14和电感L6，电感L2一端分别与电容C13一端和主芯片U1的ANT端连接，电容C13另一端分别与主芯片U1的VSS端和地端连接，电感L4另一端分别与电感L6一端和电容C14一端连接，电感L6另一端与隔直电路连接，电容C14另一端接地。
8.根据权利要求1所述的一种提升蓝牙链路预算和解决多径效应的模组，其特征是，晶振模块常温下的精度为10ppm，全温度范围内精度为25ppm。
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