CN214756339U - 一种基于蓝牙5.0规范的高性能低功耗蓝牙模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于蓝牙5.0规范的高性能低功耗蓝牙模组，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。本实用新型利用蓝牙芯片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

一种基于蓝牙5.0规范的高性能低功耗蓝牙模组

技术领域

本实用新型涉及蓝牙技术领域，尤其是涉及一种基于蓝牙5.0规范的高性能低功耗蓝牙模组。

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，按照现有的技术方案，仅能依靠低功耗蓝牙芯片自身的射频性能来决定输出功率的大小，而目前的低功耗蓝牙芯片由于芯片的功耗控制及工艺能力的制约，芯片级最高输出功率为10dBm。

虽然在新版本的5.0核心规范中，增加的Long Range(长距离)模式可以提高其通信距离，增加性能，但该方式采用的是在链路层增加数据纠错技术以减低数据传输的错误率，但带来的问题是降低了有效的通信速率，最长距离通信下其速率降低至125K bps,从而无法和存量市场中使用4.2核心规范的设备进行连接通信。

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。

实用新型内容

本实用新型是为了克服现有技术的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，提供一种基于蓝牙5.0规范的高性能低功耗蓝牙模组，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，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于蓝牙5.0规范的高性能低功耗蓝牙模组，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，电源模块与nRF52833蓝牙模块和FEM电路连接，nRF52833蓝牙模块还与晶振模块、对外接口、前级滤波电路和FEM电路连接，前级滤波电路与隔直电路连接，隔直电路还与FEM电路连接，FEM电路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。本实用新型的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。

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。

本实用新型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，本实用新型具有如下有益效果：

1.本实用新型方案可以实现5.0核心规范中的新增特性，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，500Kbps以及125K bps通信速率，增加更广泛的适用性；

2.将蓝牙射频输出功率提升到20dBm，灵敏度提升到-100dBm，相对于现有方案，整个链路预算提升16dB，在通信距离上可以得到很大提升；

3.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是本实施例的结构框图。

图2是本实施例的电路原理图。

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。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型做进一步的描述。

实施例：

本实施例提供了一种基于蓝牙5.0规范的高性能低功耗蓝牙模组，如图1、2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和对外接口11，电源模块1与nRF52833蓝牙模块3和FEM电路4连接，nRF52833蓝牙模块3还与晶振模块2、对外接口11、前级滤波电路7和FEM电路6连接，前级滤波电路与隔直电路连接，隔直电路还与FEM电路连接，FEM电路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。

本实用新型的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。

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。

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。

本实用新型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。

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。

且本实用新型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。

上述实施例对本实用新型的具体描述，只用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述实用新型的内容对本实用新型作出一些非本质的改进和调整均落入本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于蓝牙5.0规范的高性能低功耗蓝牙模组，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、第二天线接口和对外接口，电源模块与nRF52833蓝牙模块和FEM电路连接，nRF52833蓝牙模块还与晶振模块、对外接口、前级滤波电路和FEM电路连接，前级滤波电路与隔直电路连接，隔直电路还与FEM电路连接，FEM电路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。

2.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙5.0规范的高性能低功耗蓝牙模组，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所述的一种基于蓝牙5.0规范的高性能低功耗蓝牙模组，其特征是，电容12为100pF的陶瓷电容。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于蓝牙5.0规范的高性能低功耗蓝牙模组，其特征是，所述射频功放U2型号为RT201。

5.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙5.0规范的高性能低功耗蓝牙模组，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所述的一种基于蓝牙5.0规范的高性能低功耗蓝牙模组，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所述的一种基于蓝牙5.0规范的高性能低功耗蓝牙模组，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所述的一种基于蓝牙5.0规范的高性能低功耗蓝牙模组，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。

Images