2.4GHz蓝牙发射与接收系统电路设计

【摘 要】本论文基于省级大学生项目《2.4GHz蓝牙发射与接收系统电路分析与设计》，主要研究单片芯片设计蓝牙无线通信的硬件电路。采用单片蓝牙芯片CSR BlueCore5 Multimedia External设计蓝牙的无线收发电路实现短距离的无线通信，并设计了晶振电路、平衡网络等外围电路。组成发射模块和接收模块实现数据的收发。

【关键词】通信系统 蓝牙通信 硬件电路

蓝牙技术[1]属于短距离的无线通信技术，是无线通信技术、数据通信技术、计算机技术和网络技术的结合，是一种低功耗、低成本、高效率的无线技术。蓝牙技术有非常广泛的应用，可以在局域网中进行数据或语音的信息交换，如计算机、笔记本、打印机、相机、手机和无线耳机等，蓝牙设备之间的通信可以组成一个个的微微网，微微网之内或者微微网之间都可以进行互通信连接，从而实现了各种电子产品之间随时随地的进行连接通信实现信息的交换，摆脱了有线连接的限制。在蓝牙通信系统中蓝牙模块是整个产品的核心。承载着整个蓝牙协议体系的实现。本文采用CSR BlueCore5 Multimedia External[2]（BC5）设计2.4GHz蓝牙发射与接收电路。该单片蓝牙芯片具有以下优点：

发射机：电平控制+6dBm的RF发射功率芯片上有6位DAC动态控制，不需要TX/RX开关。

接收机：集成通道滤波器、数字解调器提高灵敏度和同信道抑制、快速AGC动态控制。

合成器：集成完全合成器，无需外部压控振荡器、变容二极管谐振器或环路滤波器，兼容8MHz至32MHz的晶振。

基带和软件：外部Flash可扩展32M，内部8Kbyte RAM，允许高速数据传输，支持混合语音/数据的微微网，可以前向纠错、头部差错控制、CRC。

立体声音编解码器：16位内部立体声编解码器集成放大驱动，集成低噪声麦克风偏置。

蓝牙协议栈：音频编解码器和回音噪音抑制或在DSP上运行的客户特定算法和标准的HCI。

一、模块整体方案设计

整个电路设计主要是BC5和Flash两块芯片的连接与外围电路设计。BC5单片芯片内部集成了射频单元、RAM、DSP、基带、MCU、I/O等电路，外部设计比较简单。

图1整体模块框图

EN29LV160ce[3]是一款16MB高性能CMOS快速闪存。该芯片读取周期70ns，最小化系统级电源要求3V单电源，功耗低并且独立的输出使能、芯片使能、写使能控制，消除了总线争议问题，允许任何单扇区或整片擦除操作，每个部门可以单独保护，以防止编程/擦除操作或暂时无保护的擦除/编程。该芯片与蓝牙芯片通过地址总线、数据总线、控制总线连接。

Flash与BC5连接后外围电路还需要设计晶振电路、平衡网络等必备外围电路。模块系统组成框图1所示。

二、蓝牙硬件电路设计

（一）BC5与Flash电路图设计

蓝牙芯片与Flash的连接通过控制线、地址线和数据线。连接如图2所示。其他电源线地线连接后就可工作。系统采用锂聚合物电池提供3.6V正常电压，接入蓝牙芯片的VBAT+和VBTA—，芯片内部电压供应由内部的稳压器提供。只需要把三总线分别与蓝牙芯片相应的总线连接，电源线直接连接到相应幅值的输出接口。

（二）巴伦电路设计

射频模块与天线的连接需要阻抗匹配，我们选择巴伦来实现。巴伦主要作用是阻抗匹配与信号的平衡，完成系统差分射频信号与天线接收或者发射的信号间转换。选择巴伦主要考虑三个参数：回波损耗、插入损耗、相位平衡。基于这三个参数，选用TDK的巴伦型号为HHM-1517。该芯片的平衡阻抗和不平衡阻抗都是50 Ω满足阻抗匹配要求。

（三）晶振电路设计

晶振为单片蓝牙芯片提供外部参考时钟，为MCU运行提供时钟信号产生源。本设计采用KYOCERA 的26MHz 晶振，封装为VC-TCXO 3225。与电路连接两个引脚即可。

蓝牙模块PCB设计

由于蓝牙电路工作频率是在射频段，射频电路在实际的PCB[4]设计中有许多问题需要我们考虑，理论上的电路原理图与实际应用还有很大的差距，所以要处理好射频电路的问题才能确保理论上功能的实现。由于元器件比较小，射频电路要处理好电磁干扰信号提高电磁兼容性。考虑到IC封装的大小和引脚距离以及布线的要求，模块在布板的设计选择多层板。多层电路板是解决线路板上电磁兼容问题的一个有效方法。多层板具有降低电源线和底线噪声电压、降低辐射、减小高速信号失真。根据布板原则：电源层和地线层相邻，高速信号线与地线层相邻。本设计采用四层板设计，根据布板原则从上至下分别划分为：

第一层：放置元器件，主要布置信号线；第二层：地线层和Flash连线；第三层：电源线层；最后一层：其余所有信号线。

参考文献：

[1]钱志鸿，蓝牙技术原理与开发应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006

[2]Cambridge Silicon Radio Limited. BlueCore5-Multimedia External Product Data Sheet[Z]. 2007

[3]Eon Silicon Solution， Inc EN29LV160 Product Data Sheet[Z].2004

[4]黄玲玲，电路仿真与PCB设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012

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