Bluetooth технические требования, практическая реализация
Пути снижения себестоимости проектируемых устройств Bluetooth
Существует несколько технических и коммерческих условий, которые следует учитывать при проектировании Bluetooth-систем. Основными факторами успешного проектирования устройств являются: простое управление, низкая стоимость, малые габаритные размеры и низкое потребление мощности [31].
Технические требования Bluetooth удовлетворяют критерию простого управления.
Остальные критерии могут быть удовлетворены компаниями, производящими полупроводниковые электронные компоненты Bluetooth. Говоря о стоимости, надо иметь в виду, что она складывается из стоимости системы, ее разработки и производства.
Стоимость системы зависит от количества интегральных схем в сборке чипа и количества и типа требуемых внешних компонентов. Очевидно, что здесь решающими являются схемы с очень высокой степенью интеграции (Very Large Scale Integration — VLSI), а именно содержащие память, фильтры и т.д. и изготавливаемые на подложках большого диаметра.
Оптимизация программного обеспечения, используемого в системе, позволяет уменьшить необходимый объем памяти и как следствие уменьшить стоимость Bluetooth устройства. Для производства малого и среднего количества модулей Bluetooth, собственная (внутрифирменная) разработка этих модулей слишком дорога, поэтому рекомендуется использовать законченные решения от сторонних производителей. Стоимость производства может быть уменьшена за счет малого времени производственного цикла. Кроме того, для уменьшения стоимости производства общее количество компонентов в любом изделии Bluetooth должно быть сведено к минимуму.
Для достижения малых размеров устройств Bluetooth, требуемых, например, для голосовых приложений или для использования в беспроводном телефоне, необходимы малогабаритные VLSI-схемы и компактные корпуса чипов. При производстве RF модулей преимущественно должна быть использована технология низкотемпературной совместно обожженной керамики (Low Temperature Cofired Ceramic — LTCC), т.к. она позволяет хорошо интегрировать пассивные элементы.
При произ водстве схем Bluetooth должны использоваться технологии полупроводниковых процессов с малым током потребления, такие как комплементарная металло-ок-сидная полупроводниковая (Complementary Metal Oxide Semiconductor — CMOS) и биполярная CMOS технология (BiCMOS). Все это наряду с эффективно спроектированным чипом, программной оптимизацией и оптимизированным управлением мощностью позволяет снизить себестоимость устройств.
Рис. 3.34. Эволюция решения radio/controller неизбежно приводит к разработке одночипового решения, совмещающего функции RF и Baseband
В качестве примера тесных рабочих взаимоотношений между поставщиками устройств и производителями оборудования Bluetooth можно привести опыт сотрудничества фирмы Philips Semiconductors и Ericsson Inc., создавших партнерство для разработки блока чипов Bluetooth. Как участник этого партнерства, компания Philips предоставила свою платформу специализированных интегральных схем (Application Specific Integrated Circuit — ASIC), свою технологию процессов CMOS и QuBIC, и опыт массового производства чипов для систем цифровой европейской беспроводной связи (DECT). (Стандарт DECT подобен Bluetooth в отношении требований к компонентам радио и baseband-обработки.) Как производитель оборудования и соучредитель Bluetooth SIG, компания Ericsson сделала вклад в обеспечение взаимодействия в виде своего ядра «Golden Bluetooth Core», наряду с программным обеспечением и проведением производственных испытаний.
Первоначальное проектирование включало baseband-процессор VWS26002 и RF-приемопередатчик UAA3558. Разработка baseband-процессора Bluetooth с интегральным процессором ARM (компания Advanced RISC Machines — производитель микропроцессоров (http://www.arm.com)) началась еще в 1999 году и привела к созданию baseband-процессора модели VWS26002, подходящего для работы в режиме point-to-point.
Модель приемопередатчика UAA3558 построена по схеме с низкой промежуточной частотой (Low Intermediate Frequency — LIF), и благодаря этому она экономически эффективна и хорошо интегрирована.
Одним из последних решений является высоко интегрированное построение устройства на двух чипах с baseband-контроллером модели PCD87750 (с кодовым названием «Blueberry») и приемопередатчиком UAA3558. Baseband-контроллер PCD87750 (рис. 3.35) содержит мощный 32-х битный микропроцессор ARM7/TDMI, процессор Ericsson Bluetooth Core (ЕВС), 384-х килобайтную многократно программируемую память (MultiTime-Programmable — МТР) вместе со SRAM емкостью 64 кбит (для использования с программным обеспечением Ericsson) или 32 кбит (для оптимизированного программного обеспечения Philips). Для поддержки максимально большого диапазона приложений были интегрированы несколько интерфейсов: последовательно-параллельные интерфейсы (Serial Parallel Interface — SPI), импульсно-кодовая модуляция (РСМ), универсальная последовательная шина (USB), интерфейс универсального асинхронного приемопередатчика (UART) и двадцать один ввод/вывод общего назначения (General Purpose Input Output — GPIO) вместе с аналого-цифровым преобразователем (Analog-to-Digital Converter — ADC) для передачи речи. Чип спроектирован для производства с технологическими нормами 0,25-микрон CMOS-технологии с напряжением питания +2,7 VDC и поставляется в компактном корпусе LFBGA81, размером 9x9 мм.
Приемопередатчик модели UAA3558 включает в себя все требуемые функции передатчика и приемника, включая генератор, управляемый напряжением (Voltage Controlled Oscillator — VCO) и схемы синтезатора частоты. Благодаря своей LIF архитектуре, все фильтры могут быть интегрированы и не надо будет использовать дорогие дополнительные фильтры на поверхностных акустических волнах (Surface Acoustic Wave — SAW) или керамические фильтры.
Требуется менее 40 внешних компонентов, вместе с конденсаторами и резисторами.
Это составляет примерно половину от количества компонентов, требуемых для построения Bluetooth радио стандартного супергетеродина.
Чувствительность приемника UAA3558 достигает —90 дБм и, следовательно, на 20 дБм лучше, чем соответствующий параметр, указанный в технических требованиях Bluetooth. Baseband-контроллер управляется быстродействующей трехпро-водной последовательной шиной. Принимая во внимание потери на соединение между блоком и антенной, уровень сигнала RF выхода составляет +4 дБм для до-
Рис.3.35. Baseband-контроллер содержит ядро мощного микропроцессора и встроенную память
стижения мощности передатчика 0 дБм. Для увеличения зоны действия системы Bluetooth при необходимости может быть подключен дополнительный усилитель мощности. Схема приемопередатчика UAA3558 спроектирована для BiCMOS процесса, который требует технологических норм минимум 0,5 микрон. Приемопередатчик может поставляться в корпусах LQFP32 или VQFN32. Оба корпуса имеют размеры 5x5 мм. Конструирование изделий с использованием этой интегральной схемы оказывается сравнительно простым и при производстве не требуется никакой настройки. На рис.3.36 изображена экспериментальная плата приемопередатчика Bluetooth с дополнительным усилителем мощности для увеличения дальности действия системы.
Чтобы еще больше упростить RF части системы Bluetooth, существует модель полного радиомодуля BGB100 «TrueBlue». Модуль, габариты которого 12 х 12 х 12 мм, содержит ИС приемопередатчика.иАА3558 и все вспомогательные элементы схемы на подложке LTCC. Не требуется никаких дополнительных внешних компонентов, а антенна и baseband-контроллер могут быть подключены прямо к Модулю. Модуль позволяет получить мощность 0 дБм на соггласованную нагрузку
 |
|
50 Ом. Для обеспечения электромагнитной совместимости (Electromagnetic-Compatibility — EMC) модуль приемопередатчика помещается в экран. |
Рис. 3.36. Схема приемопередатчика UAA3558
Увеличить дальности действия системы Bluetooth с 10 метров до 100 метров, можно путем добавления выходного усилителя мощности (Power Amplifier — PA).
Для этой цели подходят два Тх-усилителя от Philips Semiconductors. Модель UAA3591 обеспечивает высокий КПД и таким образом, имеет малое потребление тока. Эта модель позволяет получить +23 дБм мощности на выходе, которая после учета всех потерь обеспечивает приблизительно +20 дБм выходной мощности в антенне. Этот усилитель размещается в корпусе MLF16, имеющем габариты 4 х 4 мм. Другим простым, но менее эффективным решением, является 2,4 ГГц-й усилитель типа BGA2450. Он позволяет получить выходную мощность около +20дБм с КПД равным 30% и поставляется в корпусе SOT-457 с габаритами 3x3 мм.
Программное обеспечение Bluetooth для этого блока чипов имеет модульную структуру. Philips Semiconductors предоставляет нижние уровни интерфейса хост-контроллера, которые включают программное обеспечение Ericsson и собственную оптимизированную версию. Прикладное программное обеспечение, выполняемое по техническим условиям заказчика, производят партнеры по программному обеспечению, такие как S3, Inventel, Widcomm и AVE.
Еще большее распространение рынка интерфейсов Bluetooth потребует дальнейшего снижения цен. Этого можно достигнуть путем создания одночипового решения, которое означает, что Радио Bluetooth должно быть интегрировано в RF CMOS технологию. С применением 0.13 микронной технологии CMOS, эта цель коммерчески может быть осуществима, хотя на практике придется решать сложнейшую задачу внутричиповой интерференции между RF и baseband сигналами. Решение этой проблемы потребует нескольких циклов разработки. Как промежуточное решение может рассматриваться многочиповый модуль в котором RF и baseband-чип расположены в общем корпусе [32, 33].
Необходимо иметь в виду, что разработка одночипового решения возможна только при тесном сотрудничестве технологов с разработчиками и производителями оборудования.
3.12.
