基于CSR BlueCore5-FM在GSM/GPRS手機開發(fā)平臺中的應(yīng)用研究

引言

技術(shù)的發(fā)展和潮流的引導(dǎo)已使得手機不再是簡單的通話工具，用手機收聽立體聲FM收音機，擺脫有線耳機“線”的束縛，通過藍牙傳輸數(shù)據(jù)、接聽電話和欣賞MP3音樂已經(jīng)成為手機的基本功能之一。功能的不斷增加要求PCB（印制電路板）上有足夠的空間擺放元器件，而PCB的尺寸卻是極為有限的，集成電路技術(shù)的快速發(fā)展為解決這一矛盾提供了可能。目前，一些主流的藍牙芯片生產(chǎn)商（如CSR、Broadcom）都先后推出了藍牙/FM的單芯片解決方案，本文對CSR BlueCore5-FM單芯片藍牙/FM解決方案進行了介紹，舉例詳細闡述了它在Plilips SYSOLME5130手機開發(fā)平臺中的應(yīng)用架構(gòu)和要點，并總結(jié)了這一架構(gòu)的優(yōu)點。

1 、BlueCore5-FM的介紹

BlueCore5-FM結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，藍牙部分主要由射頻收發(fā)器、頻率合成器、物理層硬件處理器、精簡指令處理器、內(nèi)部6Mb ROM和48KB RAM存儲器、控制接口和通信接口等組成，其中射頻接收器把接收到的2.4GHz的射頻信號解調(diào)為基帶信號；而射頻發(fā)送器把基帶信號調(diào)制到2.4GHz的載頻上，通過平衡不平衡轉(zhuǎn)換器（BALUN）經(jīng)天線輻射出去。射頻收發(fā)器所需的載頻由專用的頻率合成器產(chǎn)生。

遵循更高數(shù)據(jù)傳輸速率的2.0+EDR（Enhanced Data Rate）版藍牙核心規(guī)范，有效載荷數(shù)據(jù)速率高達3Mbps，是V1.1及V1.2速率（1Mbps）的3倍；采用自適應(yīng)跳頻（AFM，Adaptive Frequency Hopping），具有和無線局域網(wǎng)（WLAN）共存的接口，一體化的自動校準(zhǔn)和內(nèi)置自測流程可以簡化開發(fā)。

PCM接口既可設(shè)置為Master模式，也可設(shè)置為Slave模式，當(dāng)設(shè)置為Master模式時，可以輸出128KHz、256KHz和512KHz時鐘；當(dāng)設(shè)置為Slave模式時，接收的輸入時鐘可高達2.048KHz，無論是Master還是Slave模式都支持8ksps和48ksps兩種采樣率，UART（通用異步收發(fā)器）接口的波特率可通過寄存器設(shè)置，最高可達4Msps。

內(nèi)置的高壓LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）和低壓LDO可將外部的3.2V的電壓分別轉(zhuǎn)化為1.8V和1.5V。其中，1.8V主要為I/O口供電，1.5V主要為內(nèi)核供電。

BlueCore5-FM模塊的參考時鐘可同時供藍牙和FM的頻率合成器使用；應(yīng)用使須外接一BALUN器件。

FM收音機部分主要由低噪聲前置放大器、IQ正交解調(diào)和FM解調(diào)器、頻率合成器、無線數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)（RDS，Radio Data System）和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（ADC）組成。包括RDS解調(diào)器在內(nèi)，F(xiàn)M解調(diào)后是通過數(shù)字方式處理的，這是其內(nèi)部FM收音機的特點之一。

2、 WM8731的介紹

WM8731的Wolfson公司推出的一款適合于語音應(yīng)用的編碼解碼器（CODEC），其組成如圖2所示。內(nèi)部有2組ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）和DAC（數(shù)/模轉(zhuǎn)換器），其抽樣頻率由外接的晶振頻率和寄存器設(shè)置共同決定，可選擇8KHz-96KHz的某一標(biāo)準(zhǔn)抽樣頻率。音頻接口可通過編程設(shè)置為I2S或PCM接口模式。從線輸入端輸入的模擬音頻信號經(jīng)輸入功率放大器放大后，既可以BYPASS模式直接送往輸出端，也可經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后由數(shù)字音頻接口輸出；輸入功放和輸出功放的增益可調(diào)，而且這兩路信號通路的斷開和導(dǎo)通可通過寄存器設(shè)置靜音開關(guān)實現(xiàn)。芯片的控制接口可選擇設(shè)置為兩線制或三線制，芯片既可設(shè)置為Master（主），也可設(shè)置為Slave（從）。28引腳5mm×5mm×0.9mm的QFN封裝，特別適合對PCB面積有限制的應(yīng)用。應(yīng)用PCM接口通信時電流只有20mA左右，內(nèi)置音頻功放BYPASS模式工作時僅6mA左右，與外置單獨音頻功耗相當(dāng)，軟件對寄存器的正確設(shè)置可使待機功耗保持在15μA以下。

3 、BlueCore5-FM在SYSOLME5130平臺中的應(yīng)用架構(gòu)

3.1 SYSOLME5130平臺簡要介紹

SYSOLME5130平臺是Philips公司推出的GSM/GPRS手機開發(fā)平臺，其芯片組主要由射頻功放BGY502、射頻收發(fā)器UAA3537、基帶處理器OM6357EL和電源管理芯片PCF50603組成。內(nèi)置有天線的射頻功放BGY502對來自射頻收發(fā)器UAA3537的信號進行功率放大；射頻收發(fā)器UAA3537分別對來自天線的信號進行解調(diào)、下變頻，對來自基帶芯片的信號進行調(diào)制和上變頻?；鶐酒饕獙崿F(xiàn)解碼、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、產(chǎn)生控制信號等功能。電源管理芯片PCF50603內(nèi)部由一系列LDO組成，其主要功能是為包括平臺芯片在內(nèi)的外圍芯片提供一系列不同電壓的電源。

3.2 SYSOLME5130應(yīng)用特點

SYSOLME5130芯片組中的基帶處理器OM6357EL內(nèi)部包含DSP和ARM7處理器，UART1和UART2的最大波特率分別為460 800 bps和115 200 bps。UART1接口具有硬件流控制信號，而UART2則沒有。

基帶控制芯片OM6357EL雖然具有數(shù)字音頻接口，但它不是標(biāo)準(zhǔn)的PCM接口，因此不能與標(biāo)準(zhǔn)PCM接口直接相連，而必須通過起橋接作用的解碼類芯片轉(zhuǎn)換。

電源管理單元PCF50603是SYSOLME5130平臺極具特色的部分，內(nèi)部包括9個LDO和1個充電泵，可為外部提供1.2-3.3V的各種電壓，其中部分LDO在空閑狀態(tài)時可通過軟件關(guān)斷來降低功耗；此外還有一路為MIC（麥克風(fēng)）提供固定偏壓的電源。

3.3 應(yīng)用架構(gòu)中的藍牙/FM信號流程

BlueCore5-FM在SYSOLME5130平臺中的應(yīng)用架構(gòu)如圖3所示。值得注意的是，本文主要介紹BlueCore5-FM在該平臺中的應(yīng)用，因此架構(gòu)中略去了如鍵盤、顯示模塊、SIM卡等與手機本身相關(guān)的部分。

3.3.1 信號流程

存儲器與BlueCore-FM之間數(shù)據(jù)通過UART實現(xiàn)雙向傳輸。

BlueCore5-FM與SYSOLME5130平臺之間的語音通信相對比較復(fù)雜。BlueCore5-FM接收到的信號經(jīng)解調(diào)、解碼為語音數(shù)據(jù)后，通過PCM接口與解碼芯片WM8731通信；WM8731將接收到的數(shù)字信號通過內(nèi)部數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換為模擬信號，此模擬信號送往基帶處理器中OM6357EL內(nèi)部模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（對應(yīng)于麥克風(fēng)輸入端）；經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換、編碼，最后送往射頻收發(fā)器UAA3537調(diào)制、功率放大后以GSM信號發(fā)射出去。同理，GSM信號經(jīng)射頻功放BGY502內(nèi)部天線開關(guān)、射頻收發(fā)器UAA3537解調(diào)，OM6357EL解碼，數(shù)/模轉(zhuǎn)換為模擬信號，此模擬信號送往WM8731，進行WM8731內(nèi)部模/數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號經(jīng)PCM接口送往藍牙芯片，編碼、調(diào)制后以2.4GHz射頻信號發(fā)射出去。

BlueCore5-FM中FM（調(diào)頻）信號流程比較簡單。內(nèi)部調(diào)頻接收機將接收到的立體聲FM信號解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)字信號一路由RDS信號解調(diào)器進一步解調(diào)，然后送往BlueCore5-FM內(nèi)部存儲器管理單元；另一路又一分為二，分別送往Bluecore5-FM內(nèi)部存儲器管理單元和內(nèi)部雙聲道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，解調(diào)出的FM信號經(jīng)內(nèi)部雙聲道數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出，送往解碼芯片WM8731左右線輸入端，以BYPASS模式送往其內(nèi)置音頻功放，驅(qū)動耳機。基帶處理器OM6357EL可通過I2C控制接口實現(xiàn)對BlueCore5-FM收音機部分的主從設(shè)置、音量控制、調(diào)諧期間噪聲靜音（MUTE）開關(guān)開啟與關(guān)閉等控制。

3.3.2 設(shè)計要點

BlueCore5-FM UART接口傳輸速率遠高于基帶處理器OM6357EL UART接口的最高傳輸速率，為盡可能讓二者速率匹配，基帶處理器OM6357EL必須通過UAR1與BlueCore5-FM UART接口連接。此外，UART1的流控制信號（CTS和RTS信號）既可以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐陚湫裕部梢詼p小軟件流控制的開銷，從而提高藍牙設(shè)備搜尋、配對和連接的成功率，縮短建立連接過程的時間。

WM8731外接晶振可采用比較常見的24.576MHz晶振，頻率精度要求優(yōu)于±40ppm，以保證語音解碼質(zhì)量；BlueCore5-FM內(nèi)部具有PLL（鎖相環(huán)），射頻收發(fā)器UAA3537輸出的13MHz時鐘幅度和頻率穩(wěn)定度均可滿足其要求；BlueCore5-FM在低功耗模式下需要的32.768KHz休眠時鐘頻率可由電源管理芯片提供。

PCM接口通信中，如果WM8731配置成Master（主），則其比特時鐘將是24.576MHz的1/8，即3.072MHz；BlueCore5-FM PCM接口配置成Slave（從）模式，則其比特時鐘頻率最高只有2.048MHz。因此，為保證BlueCore5-FM和WM8731之間的PCM接口正常工作，必須將前者PCM接口配置為Master（主），后者配置為Slave（從）模式。

軟件上應(yīng)盡可能優(yōu)化程序，以減輕基帶處理器OM6357中的ARM7處理器負(fù)擔(dān)，為基帶處理器OM6357EL執(zhí)行與藍牙相關(guān)協(xié)議留有足夠的冗余能力。

BlueCore5-FM芯片有CSP（Chip scale Package，芯片級封裝）和BGA（Ball Grid Array，球狀矩陣排列）兩種封裝可供選擇，為保證BlueCore5-FM的射頻指標(biāo)，PCB電路板中芯片信號層下面必須保證大面積較為完整的地，對于CSP封裝的芯片這一要求更為嚴(yán)格。此外，合適的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器（BALUN）對保證藍牙的射頻指標(biāo)也起到十分重要的作用。

語音通信信號流程經(jīng)歷了數(shù)字到模擬，再從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，模擬信號途徑過程中容易引入干擾，因此模擬信號在PCB板層中須包地處理，而且相臨上下層盡可能避免出現(xiàn)與音頻模擬信號平行走線的信號。

3.4 BlueCore5-FM應(yīng)用實例的優(yōu)點

與傳統(tǒng)的藍牙和立體聲FM收音機分別由兩塊芯片單獨解決的方案相比，BlueCore5-FM單芯片實現(xiàn)了藍牙和立體聲FM收音機兩種功能，且外圍器件少，EMC（電磁兼容）問題容易解決；尤其是FM收音機，外接元件少，通過外部元件引入干擾的可能性就低，也容易保證較高的靈敏度。

BlueCore5-FM內(nèi)置的高壓LDO和低壓LDO的級聯(lián)使用很好的滿足了自身的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器（BALUN）的電源需要，減少了外界LDO，降低了成本。

通過價格較低的解碼芯片WM8731解決了SYSOLME5130平臺非標(biāo)準(zhǔn)PCM接口與BlueCore5-FM芯片標(biāo)準(zhǔn)PCM接口的連接問題，而且解碼芯片內(nèi)置的立體聲音頻功放也得到了很好的利用。同時，解碼芯片WM8731較低的工作和休眠功耗也適合手機的低功耗要求。

4、 結(jié)論

BlueCore5-FM在SYSOLME5130平臺中的良好應(yīng)用為手機提供高性能的藍牙通信和高品質(zhì)立體聲FM收音機提供了新的可能；與此同時，藍牙/FM單芯片解決方案blueCore5-FM與SYSOLME5130平臺的有機結(jié)合為減少外圍器件，降低手機成本提供了新的空間。