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物联网:如何选择蓝牙模块

物联网:如何选择蓝牙模块
应用指南
您可以了解哪些内容:
集成蓝牙模块的基本流程,典型的蓝牙应用,蓝牙模块的参数选择,以及不同应用中如何选择蓝牙模块。

1. 蓝牙在物联网中的应用
物联网时代已经到来。到 2015 年,市场上约有 49亿可联网的电子设备,而这个数字将在 2020 年达到250 亿。当您翻阅电子类期刊杂志时,几乎每一本都会有关于物联网技术,概念,以及产品的介绍。人们的生活当中,可联网设备已经无处不在。现在可以和我们交流互动的,不仅仅是来自虚拟互联网的内容,越来越多的实实在在的商品正在开始和我们建立对话。生活在这样一个“智能城市”,.可互联的无线设备每天都在提升着人们的生活品质。已知的虚拟互联网,变得越来越可触摸:世界正式进入物联网时代。
典型的应用包括:
目前,物联网中的使用比较广泛的通信技术包括 Wi-Fi,.蓝牙 ,.ZigBee,.Z-Wave,.NFC, 其他移动通信技术,以及一些非标准化的工业 / 科学 / 医疗 (ISM).频段中简单的类似于 ASK 和 FSK 的调制方法。而对于物联网开发者来说,选择一个适合自己应用的无线技术,需要考虑成本,功耗,传输范围,安全性等诸多因素。这些无线技术中,Wi-Fi,因为家用路由器以及热点的普及,已经成为了物联网市场中,尤其是居家和办公产品中最常用的技术。然而,物联网的无线技术需求呈现出了另外一种趋势,就是产品上市所需时间,这成为了一个新产品能否成功的主要因素之一。高产量,
低成本,短研发周期,开始成为创造出“消费者负担得起”的电子设备的重中之重。这点在可穿戴设备的研发当中最为明显。

蓝牙 (Bluetooth) 技术创始于 1994 年,作为 RS232数据线的替代方案。在某种意义上来讲,它和 Wi-Fi是互补的关系。目前,市场上已有数以十亿蓝牙设备,包括手机、平板电脑、个人电脑、电视,甚至机顶盒以及游戏机,并且这个数字在未来依然会呈增长趋势。蓝牙技术版本繁多,从 V1.0,.V1.1,.V1.2,.V2.0,.V2.1,.….,一直到最新的V.4.0,.V.4.1,.V.4.2。其中,蓝牙4.0,现在又称智能蓝牙 (Bluetooth.Smart),因其低功耗的特点(较老版本降低了 90%),正在成为物联网中一大部分不追求高速传输的应用的首选,也正是因为蓝牙 4.0,才使得现在众多可穿戴设备成为了可能。

2. 蓝牙技术简介
2.1 蓝牙分类

蓝牙技术有多种版本,根据当前市场以及未来物联网发展的趋势,我们将把蓝牙分为两类:经典蓝牙(Classic) 和低功耗蓝牙 (Low.Energy.-.LE)。.而经典蓝牙又可分为基本速率 (Basic.Rate.-.BR) 和增强速率 (Enhanced.Date.Rate.-.EDR)。.经典蓝牙保证了传输数据的速率,适用于例如需要传输高质量音乐的蓝牙耳机等应用;而低功耗蓝牙则更侧重于简单信息的传递,尽可能的延迟电子设备续航时间,但不适用于大数据的高速传输。
由于物联网市场上低功耗蓝牙 / 蓝牙 4.0 应用的火热需求,蓝牙技术联盟 (Bluetooth.SIG) 将现有装有蓝牙的智能设备提供两种认证商标:蓝牙智能设备(Bluetooth.Smart) 和 蓝 牙 智 能 就 绪 设 备 (Bluetooth.Smart.Ready)。刚刚涉及无线领域的物联网设备开发者常常会遇到选择适合蓝牙版本的难题,简单来讲,这完全取决于您的应用。如果您需要设备不仅和带有最新的低功耗蓝牙的设备通信,而且还需要和带有经典蓝牙的设备通信,那智能就绪设备将是更好的选择,反之则是只包括低功耗蓝牙的智能蓝牙设备。下图是蓝牙技术联盟对两种商标的定义:

2.2 频段与频道
蓝牙技术属短距离无线通信技术,运行在免执照的 2.4.GHz.ISM 频 段。 频 率 范 围 从 2.400.GHz 到2.4835.GHz。经典蓝牙总计 79 个频道,频段间隔为 1.MHz,其中包括了频段起始位置 2.4000.GHz 处2MHz的保护间隔,和频段终止位置2.4835.GHz处3.5.MHz 的保护间隔。最常用的第二级电子设备的传输功率要求为 +4.dBm,接收机灵敏度范围到 -90.dBm。
而低功耗蓝牙 ( 蓝牙 4.0) 致力于降低功耗和成本,滤波器的设计要求也相对降低,调制系数要求由经典蓝牙的 0.28-0.35 降低到了 0.45-0.55。因此频道间隔增大至 2.MHz,总计 40 个频道。

2.3 跳频
跳频技术是蓝牙标准的特色之一。设计初衷是为了解决在拥挤的 ISM 频段与其他信号共存的问题。因为蓝牙与 Wi-Fi 共享同一频段,所以需要频繁改变信号的载频来避免同频段其他信号的互相干扰。也就是说,蓝牙信号的传输只在一个固定频道停留很短暂的时间,一旦发现有其他信号在所在频道对其形成干扰,就会立即跳开至其他没有干扰的频道中重新传输信号。蓝牙跳频的频率为每秒 1600 次,这也为蓝牙设备的研发和测试带来了新的挑战。这个问题在越来越多设备同时装有 Wi-Fi 和蓝牙的趋势中,尤为明显。
2.4 调制方式
蓝牙标准中,最基本的调制方式是高斯频率偏移调制(Gaussian.frequency.shift.keying,.GFSK),顾名思义,GFSK 技术类属 FSK,当原始数字信号在经过 FSK 调变送出前,加上一个高斯低通滤波器来限制调变后的信号频谱宽度,以达到通讯上能限制频谱宽度的传输以及功率的消耗的目的。利用高斯滤波器,蓝牙信号

的带宽要求被限制在了 1.MHz, 调制系数在 0.28-0.35之间。而对于低功耗蓝牙来讲,由于频道间隔的要求变为 2MHz,因此调制系数降低到了 0.45-0.55 之间,这样就间接的降低了设计的成本和供电的要求。对于增强速率蓝牙 (EDR), 为了提高信号传输速率,在调制方式上,从低速率低功耗的 GFSK 升级成为两种形式的相位偏移调制 (PSK):π/4-DQPSK 和8DPSK。因此,虽然传输中的符号速率 (symbol.rate)仍为 1Ms/s, 但是由于使用了更高阶的调制方式,利用 π/4-DQPS 可使数据速率提高到 2.Mbps,而利用8DPSK 更是可以将数据传输速率提高至 3.Mbps,从而达到为蓝牙“增强速率”的目的。
3. 集成蓝牙模块的流程
随着无线技术的发展进入新时代,传统商品迎来了新的发展趋势,越来越多的传统电器,比如咖啡机,牙刷,空调等,开始着眼于将无线功能 ( 蓝牙或者其他 )加入产品,从而加入到“智能电器”的行列。这样用户就可以利用手机或者其他移动设备中的应用程序随时随地去控制这些电器。这类智能平台上的应用程序的研发周期一般相对较短,而终端用户却可因此受益匪浅,随时随地控制身边可以想到的电器设备变得易如反掌。为了实现上述电器设备的智能化和无线化,对于各大传统电器厂商来讲,学习如何将无线功能植入自己的

产品,就变成了成功路上必不可少的一步。拿蓝牙举例,将蓝牙功能植入现有产品的方法有很多,其中最常用的一种,就是直接使用完整封装的蓝牙模块。购买蓝牙模块大大简化了整个集成过程,但是其中也将面临很多挑战。首先,我们看一下集成蓝牙模块到现有产品的典型设计流程,以及每一步可能涉及到的问题。
下面我们将重点介绍第二步,如何挑选蓝牙芯片或模块。
4. 如何选择蓝牙模块
蓝牙模块是一种功能型组件,只有在嵌入到适合的系统中才能发挥其所有功能。当为您的产品选择蓝牙模块时,硬件方面和软件方面都需要进行深入的考察。
下图是蓝牙模块的简化结构图。
蓝牙模块的硬件由两部分组成:蓝牙芯片和应用处理器。目前市场上,更多的产品是通过从例如 Laird.
Technologies,.Quatech,和 Roving.Networks 这类模块厂商直接购买带有应用处理器的蓝牙模块,然后直接嵌入到自己的产品中。模块中的应用处理器带有内部或外部闪存,ROM,.和 RAM。模块还提供了不同的I/O 接口以便服务于不同的应用,包括时钟,串行通信接口,模拟比较器,ADC,DAC,晶振,以及调试接口等等。
蓝牙模块一般还需要特定软件的支持,针对于不同应用,来保证安全性,易于使用者的操作和开发者的管理。模块的软件部分如图所示,通常包括驱动程序,和功能全面的管理和控制程序。
当您在挑选一款蓝牙或其他射频模块时,市场上可能会有超出您想象多的选择和方案。模块厂商或者供应商通常会将模块进行分类,分类的依据可以是传输速率,传输距离,频段,认证与否,包装大小,等等。
下面我们针对于搜索中可能出现的参数简单介绍一下如何选择适合您的蓝牙模块。

选择蓝牙模块时,最关键的三个因素为:速率,范围,和功耗。过去的 10 到 20 年,科技界通过不断的努力让数据更快的通过无线进行传输,从而使无线通信系统的复用方式,编码方式,调制方式变得越来越复杂,处理运算的成本与功耗也在同时增加。.对于蓝牙技术,本身并不是以高速度传输见长,如果您的应用对速率要求很高,建议您考虑例如 802.11n.and.802.11ac这类的高速的 Wi-Fi 协议。很多模块也会同时嵌入蓝牙功能,以扩大您设备兼容性。相反,如果您的应用只在乎连接性,例如健康监控,安全监控等,那么功耗指标可能是您的首选。

5. 蓝牙模块的测试
直接购买蓝牙模块 = 不需要射频工程师?
对于越来越多的想在自己的产品中集成无线模块的非传统射频厂商来讲,最大的障碍之一,就是就是缺乏射频开发的经验。好在市场上也同时开始出现越来越多的模块生产商,为物联网的无线连接方案提供越来越多的选择。他们是自行研发测试无线模块,是射频领域的专家,当您对射频技术手足无措时,这些厂商将是您求助的首选。

然而,.寄希望于模块厂商参与到具体的产品集成工作,帮助工程师解决所有射频设计环节可能出现的问题,是不现实的。物联网设备的无线集成过程,仍需要一名射频专家,才能保证产品顺利的推向市场。这种技术支持,可以依靠雇用一名射频领域的顾问,可以求助于专业的机构,也可以是来自于专业的射频测试设备公司,比如泰克科技。
目前物联网市场中很大一部分蓝牙设备的测试都十分简单,比如只进行一些连接性测试,或者使用蓝牙协议分析仪检测传输质量。协议分析仪虽然是诊断网络连通,检验应用层问题非常高效的工具,但是集成设计过程中,更多的可能遇到的是更复杂的物理层问题,这样频谱分析仪就成为了蓝牙测试当中必不可少的工具。频谱分析仪不但可以满足标准指标的测试,还可以进行认证部门的辐射要求测试,查找来自不同域,不同电路部分的干扰,等等。
目前市面上频谱分析仪种类繁多,但大多针对于高端测试,价格动辄上百万的价格令很多刚刚涉足物联网的厂商望而却步。而低端的频谱分析仪大多着眼于基础测量市场,简单的频谱和模拟信号分析功能无法满足成喷井状态发展的物联网的数字测试需求。.为了满足传统电器商实现电器智能化的需求,泰克公司提供了全面的物联网测试方案。泰克公司发布的新款经济型、便携式实时频谱分析仪 RSA306,相较于百万等级台式型频谱分析仪,其体积和价位皆可缩减至约十
分之一的水准,并提供 9k-6.2GHz 的宽广频率范围,涵盖了包括 Wi-Fi,蓝牙,以及其他几乎所有物联网所需通信标准的分析需求,有助设计人员、现场维护工程师兼顾测试成本和便利性。而泰克公司同时提供了其他测试方案,比如 RSA5000 中高端频谱分析仪满足高要求蓝牙测试,MDO4000 混合域示波器帮助工程师跨越时域和频谱诊断设计中可能出现的问题。

泰克 SignalVu-PC 的蓝牙分析选件,根据蓝牙技术联盟 (SIG) 发布的标准 4.1 版,帮助您验证设备发射的 RF 信号是否符合标准规定。选件可以测试分析三种主要蓝牙标准:基本速率 (Basic.Rate.-.BR),增强速率 (Enhanced.Date.Rate.-.EDR),和最新的低功耗(Low.Energy.-.LE)。每种标准的测试包括不同的预设置,例如功率,频率偏移,频谱等等。蓝牙分析选件还根据标准规定,提供了各种指标的通过/失败显示,这样用户不需要全面了解蓝牙标准,便可进行一键测试。
所需测试简介:
泰克 SignalVu-PC 的蓝牙分析选件包含多种不同测试,以下我们将对各种蓝牙所需测试进行基本的介绍。用户可以通过这个章节简单了解蓝牙测试的内容,以便日后可根据自己的需求选择必要的测试,更有效的
验证自己的设备是否达标。
5.1 调制特性 (Modulation characteristics)
调制特性测试可以验证发射信号的调制功能是否正确,大部分蓝牙标准都使用 FSK 作为调制方式,因此和其他相对复杂的调制类型(QPSK,.QAM)观测EVM 值不同,蓝牙标准更侧重于用频率的偏移去考察FSK 的调制质量。
蓝牙标准建议调制特性测试在固定频率而非跳频的环境进行。测试蓝牙的调制特性需要发送 10101010 和11110000 两种最极端比特类型的数据,来测试频率偏移的峰值和均值。发射伪随机序列进行测试可以模拟真实数据传输,但是发送特殊的比特类型,例如 10101010,为蓝牙的调制特性中的滤波器测试提供了更多的信息,这也同时改变了频谱的外观。而11110000 在连续传递四个 1 和四个 0 之后,信号输出就会达到频率上的最大范围值,这也可以检测高斯
滤波功能。这两种特殊的比特类型数据都是标准所要求,并且为故障排查提供了更好的向导。

而对于增强速率 (EDR) 蓝牙来讲,因为使用了高阶的PSK 作为调制方式,所以眼图和星座图则可以更为直观的展现调制情况,而 EVM 就成为了衡量调制质量的参考。

5.2 载波频率偏移和漂移 (Carrier frequencyoffset and drift)
载波频率偏移和漂移测试是为了验证发射机发射信号的载波频率是否控制在标准所要求的范围内,以保证发射频率的稳定度。这个测试可以在固定发射频率,跳频,或者是直接发射模式下进行,测试所需发射的数据为 10101010.的比特类型。SignalVu-PC 的载波频率偏移和漂移测试最终会显示以下测试结果:
. „ 前导码的频率偏移 ( 初始载波频率偏移 )
. „ 数据的最大频谱偏移 ( 以及出现最大偏移位置的数据位置 )
. „ 前导码到前 10 个比特数据的频率漂移
. „ 数据和前导码 (fn-f0) 的最大频谱漂移 ( 以及出现最大漂移位置的数据位置 )
. „ 两个 10 比特间隔 50us 的数据之间的最大漂移 ( 以及出现最大漂移位置的数据位置 )

5.3 带内杂散 (In-band Emissions)
带内杂散测试是验证蓝牙发射频段范围内的频谱杂散信号是否位于标准规定的范围内。蓝牙标准建议这个测试在跳频环境下进行,这样可以测试整个 2401.MHz.to.2481.MHz 频段中,80 个频道每一个 1.MHz频段的积分功率。.测试会计算出相邻信道的积分功率(出去发射中心频率周围的三个通道),并与标准规定的功率限制进行比照。这个测试也与标准速率的射频测试指标中的 ACPR 对应。

5.4 输出功率 (Output Power)
前文介绍了蓝牙设备分类为三种不同的功率等级,每个功率等级标准都有严格的功率限制要求。输出功率测试指的是对待测设备的最大峰值功率和平均功率的测试。标准建议发射 PRBS 信号进行输出功率的测试,并且,测试信号的时长需要包括导码和一个突发(burst)。发射模式建议为固定频率。
5.5 20 dB 带宽 (20 dB Bandwidth)
20.dB 带宽测试是为了验证发射信号的辐射频率范围是否满足标准的要求。发射模式建议为固定频率。20.dB 带宽定义为待测设备发射的信号低于峰值 20.dB处的频率范围。对于基本速率,标准规定 20.dB 带宽不应大于 1.0.MHz,以防干扰其他邻信道的信号。

5.6 频率范围 (Frequency Range)
频率范围测试的作用与 20.dB 带宽测试的作用类似,是为了保证频段内所发射信号功率在一定的限制内。测试是在非跳频固定频率下分为两步进行的。首先需测试蓝牙低频段 (2399.MHz 到 2405.MHz) 的频谱,然后再测蓝牙高频段(2475.MHz到2485.MHz)的频谱。fL 记为低频段当功率低于中心频率峰值功率 30.dBm的低频处的频率。fH 记为高频段当功率低于中心频率峰值功率 30.dBm 的高频处的频率。fH.-.fL 即为频率范围。这个测试是基本速率蓝牙标准要求的测试之一。
5.7 功率谱密度 (Power Density)
功率谱密度测试是用于验证发射的射频输出功率的最大值是否满足要求。蓝牙技术联盟 (SIG) 规定任何功率等级的任何调制模式,功率都不能超过每 100.kHz.100.mW.(20.dBm)。此外,当设备满足蓝牙标准之后,还需要查看地方政府的频谱管理规定去确保功率谱密度满足要求。比如,欧洲的 ETSI.要求,功率谱密度不能超过每 MHz.-20.dBW.(10.mW)。
5.8 带外杂散(Out-of-band Spurious Emission)
带外杂散辐射指的是所发射信号由于各种原因 ( 多为硬件设计 ),将能量泄露到发射频段以外的频段,造成对其他信号或设备潜在的干扰。这个概念与 EMC 电磁辐射测试类似,只不过这里讲的带外杂散测试是主动辐射体的 EMI 测试。通常来讲,带外杂散是由各国家和地方频谱监管部门规定测试的,蓝牙标准中并未规定带外杂散测试的要求。SignalVu-PC 中的 Spurioius测试功能就是为此类测试量身打造的功能,并且作为免费功能对所有用户开放。

5.9 接收机测试
蓝牙的接收机测试是确保蓝牙接收设备能正常的接收信号。蓝牙标准对于接收机测试的要求包括:灵敏度测试,阻塞测试等等。通常来讲,接收机测试必须使用高精度的、经过校准的信号发生器。2015 年泰克推出的 TSG4100A 系列矢量信号发生器.(Vector.Signal.Generator),可以产生高质量的蓝牙信号 , 适用于蓝牙产品设计、验证测试和生产调测等场合。在该产品面市以前,用户只能要么选择不支持 IoT 调制信号格式的模拟 RF 信号发生器,要么选择非常昂贵的矢量信号发生器 (VSG)。泰克 TSG4100A 系列产品以颠覆性的价格为客户提供了中档次的 RF.VSG 性能指标、丰富的矢量信号调制功能,可以广泛应用于包括蓝牙技术在内的 IoT 产业。它支持在 400.MHz~6.0.GHz 的范围内产生矢量调制信号,内置的 IQ 基带发生器可以产生 IoT 行业广泛应用的矢量调制方式:ASK、QPSK、DQPSK、π/4. DQPSK、8PSK、FSK、CPM、QAM(4.to.256)、8VSB 和 16VSB 等。它还内置丰富的标准脉冲整形滤波器:升余弦、根升余弦、高斯、矩形、三角形等。如需进一步提高灵活性,后面板 BNC.I/Q 调制输入支持来自外部来源任意 IQ 矢量调制,RF
调制带宽高达 400MHz。内置 IQ 基带发生器以 125.MHz/s 的采样频率工作,可以存储 16M 的文件。这足以满足用户对产生蓝牙信号进行接收机测试的需求。TSG4100A支持手动和自动产生各种制式的蓝牙信号。手动操作的时候,用户可以方便的设置频率、功率等级、调制方式(如FSK、PSK)、滤波器形态(如高斯滤波器),直接输出所需的蓝牙信号。需要自动产生蓝牙信号时,比如产线测试、环境试验等情况下,可以将符合蓝牙协议要求的 IQ 波形文件直接发送到 TSG4100A 的内存中,然后调用该 IQ 文件来产生蓝牙信号。下图是利用 TSG4100A 产生 2.4.GHz 的蓝牙低功耗信号,并用RSA306 解调分析。

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