WiFi+IR 通合模塊的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

何群奎

（成都旭光科技股份有限公司，四川成都，610100）

1 緒論

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于WiFi、藍(lán)牙、IR 協(xié)議實(shí)現(xiàn)家電系統(tǒng)的智能化進(jìn)入普及，傳統(tǒng)廣播電視也向智能互聯(lián)網(wǎng)切換。

WiFi+IR 通合模塊是智能電子收發(fā)設(shè)備中極其重要的一個組成部分，主要用于完成WiFi 及藍(lán)牙射頻信號的收發(fā)，MIC、ACC、IR 等傳感器的控制。

本文從WiFi+IR 通合模塊的電路原理入手，著重研究了如何從結(jié)構(gòu)、電路原理、PCB 布線等各個環(huán)節(jié)進(jìn)行抗干擾設(shè)計，并提供了一些實(shí)用的、經(jīng)過驗(yàn)證的抗干擾設(shè)計技術(shù)，可有效提高通合模塊電路設(shè)計性能。

2 WiFi+IR 通合模塊的功能

WiFi+IR 通合模塊，將傳統(tǒng)獨(dú)立的遙控接收IR 模塊與WiFi模塊整合在一起，方便電視整機(jī)設(shè)計，改善WiFi模塊性能。

此通合模塊，集成振動感知、語音接收、2.4GHz 和5GHz WiFi/藍(lán)牙射頻信號接收、可見光感知和紅外收發(fā)等多頻段信號單元，使智能互聯(lián)網(wǎng)電視設(shè)計更加緊湊合理，克服了以往設(shè)計中液晶屏和主板對接收性能的影響，提升其數(shù)據(jù)接收吞吐量及傳感器感知能力。模塊嵌入電視面板的家庭物聯(lián)智能控制中心，在智能電視的娛樂功能的基礎(chǔ)上，增加了智能電視的控制中心功能，實(shí)現(xiàn)了家庭物聯(lián)控制。802.11b/g/n/ac+BT5.0的無線局域網(wǎng)收發(fā)器，并結(jié)合了多種傳感器的Combo 模塊。通過20Pin的連接器連接到TV設(shè)備上使用。

本產(chǎn)品主要由WiFi、BT 天線及阻抗匹配電路、集成電路MT7668、光照傳感器、加速度傳感器、聲音傳感器、紅外收發(fā)器、電源供應(yīng)管理單元及連接端口等組成，如圖1所示。

圖1 WiFi+IR通合模塊系統(tǒng)框圖

WiFi+IR 通合模塊的核心器件采用MTk 公司生產(chǎn)的高性能的集成電路MT7668，這是一款支持雙通道11ac 雙頻及藍(lán)牙5.0 二合一芯片，其是一種高集成度的單片機(jī)，擁有32位MCU，可處理WiFi 和藍(lán)牙任務(wù)，支持高數(shù)據(jù)吞吐量，速率867Mbps，其支持一種深度睡眠模式，PMU 可配置為低功耗狀態(tài)，以節(jié)省功耗。接收WiFi 信號時，RF 信號首先通過WiFi 天線進(jìn)入，經(jīng)過高頻濾波電路濾除其它無用雜波，再通過雙工器分為2.4G和5.0G 兩路信號分別進(jìn)入芯片MT7668 進(jìn)行LNA 放大、混頻、解調(diào)基帶處理等功能；發(fā)射時，把邏輯電路處理過的發(fā)射基帶信息進(jìn)行調(diào)制、經(jīng)PA

3 WiFi+IR 通合模塊的電路原理

本型WiFi+IR 通合模塊適用于2.4G/5G 頻段IEEE放大后由天線輻射出去。BT 信號的收發(fā)同WiFi 信號，只是采用單獨(dú)的藍(lán)牙天線。

Color Sensor：自動感應(yīng)外部光照強(qiáng)度，通過I2C 接口，讀取光照強(qiáng)度值。

聲音傳感器：數(shù)字MIC 功能，輸出PDM 格式語音信號；包含MIC 開關(guān)，可以選擇開啟關(guān)閉MIC 功能。

加速度傳感器：通過I2C接口，讀取XYZ坐標(biāo)位置變化信息。

紅外接收和發(fā)射：包含IR 接收LED 和IR 發(fā)射LED，直接由PIN 控制輸入和輸出。

■3.1 天線及天線匹配回路

產(chǎn)品無線化必須要有天線，天線是將信號發(fā)射到空間和從空間接收信號的最關(guān)鍵組件。本通合模塊配有兩個WiFi天線和一個BT 天線，兩個WiFi 天線都為2.4G和5G 雙頻天線。天線匹配回路就是調(diào)整天線在傳輸線端子處的匹配，實(shí)現(xiàn)天線和饋線間有好的匹配以獲得最好的信號增益。天線完成信號的發(fā)射和接收，電容C1、電容C2 為天線的匹配回路，使天線在PCB 上的阻抗匹配到50Ω。同時由電感L1、電容C4、電感L2、電感L3、電容C5 構(gòu)成帶通濾波器，對無用的干擾信號進(jìn)行抑制，選擇有用頻段的信號。電路如圖2所示。

圖2 天線及天線匹配回路

■3.2 DC/DC 轉(zhuǎn)換電路

集成電路MT7668AUN、RGB 光照傳感器、加速度傳感器、聲音傳感器及紅外接收器的工作電壓都是直流3.3V，整機(jī)提供過來的電壓為5V，所以模塊內(nèi)部設(shè)置了一個5V →3.3V的DC/DC 轉(zhuǎn)換電路。降壓芯片選用DIOO 公司的DIO6922DN6，其輸出電流可達(dá)2A，完全可以滿足模塊的使用；電容C10（10μF）、C11(100nF)、C12(10nF) 為輸入濾波電容；C13(100nF)為自舉電容，抑制振鈴；C14（22μF）、C15（10μF）是輸出濾波電容；R10(49.9kΩ)、R11(11kΩ)是反饋電阻，選用1%精度以得到精確的輸出電壓；L10(4.7μH)是功率電感，選用高Q 值、低內(nèi)阻大電流線繞電感，能有效抑制紋波，如圖3所示。

圖3 DC/DC轉(zhuǎn)換電路

■3.3 紅外發(fā)射、接收電路

紅外發(fā)射電路由波長940nm的紅外發(fā)射管IR-LED組成，整機(jī)直接控制紅外發(fā)射管發(fā)射。紅外接收電路由RAYTRON 公司的芯片ROM-SA138MV 及外圍電路組成，芯片內(nèi)部集成了自動增益放大器、解調(diào)器等電路，直接輸出VOUT 供后級處理；C30(100nF)和C31(22μF)為濾波電容，在VOUT 輸出引腳上拉一個電阻R30(10kΩ），使信號更穩(wěn)定，VCC 輸入串聯(lián)一個電阻R31(22Ω），與電容組成RC，起到限流降壓作用，進(jìn)一步加強(qiáng)接收頭穩(wěn)定性，如圖4所示。

圖4 紅外發(fā)射、接收電路

■3.4 聲音傳感器控制電路

聲音傳感器控制電路由MIC 和SWITCH 構(gòu) 成， 數(shù) 字 式MIC, 輸 出PDM 格 式 語 音 信 號，SWITCH 為 手動式滑動開關(guān)，可以選擇開啟或關(guān)閉MIC 功能，如圖5所示。

圖5 聲音傳感器控制電路

4 WiFi+IR 通合模塊的硬件實(shí)現(xiàn)

WiFi+IR 通合模塊的工作頻率為2400~5800MHz，硬件設(shè)計時需要充分考慮射頻電路的特性。由于工作頻率較高，電路設(shè)計時要兼顧分布參數(shù)特性，印刷電路板的走線必須看成是帶有寄生電容和電感的傳輸線，并要設(shè)計傳輸線的阻抗。在模塊內(nèi)部，具有頻率為40MHz的晶體振蕩信號及其產(chǎn)生的各種諧波干擾信號，電視主板上也有各種頻率的干擾，如果不能很好地抑制這些噪聲，就會對EVM 和接收靈敏度產(chǎn)生影響。所以，為了能夠有效地抑制這些干擾噪聲，印刷電路板的布局、走線等設(shè)計原則，抗干擾、電磁兼容方面都成為電路設(shè)計的重點(diǎn)，印刷電路板的排版布局甚至影響整個電路的成敗。即使有足夠正確無誤的原理圖，PCB 版圖設(shè)計不合理也會使得制作出來的產(chǎn)品完會無法正常工作。

■4.1 WiFi+IR 通合模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本產(chǎn)品是一個獨(dú)立的部件。WiFi 部分除天線外采用金屬屏蔽蓋隔離，減小與其他電路的相互干擾；整個模塊外套一個塑料外殼，可以直接扣合于整機(jī)上使用，外殼在天線、LED 指示燈及聲音傳感器的位置處開有通孔，保證信號能很好地通過。

在產(chǎn)品設(shè)計初期，就首先需要進(jìn)行金屬屏蔽罩及塑料外殼結(jié)構(gòu)件的整體規(guī)劃。金屬屏蔽罩設(shè)計，在滿足裝配工藝要求的同時，重點(diǎn)考慮抗干擾設(shè)計，用屏蔽罩將集成電路MT7668AUN 及晶體振蕩電路與天線、RF 回路及各傳感器電路進(jìn)行隔離，可以抑制產(chǎn)品使用環(huán)境中大量存在的LTE和WiFi 等微波信號的干擾，保證EVM 和接收靈敏度達(dá)到指標(biāo)要求。外殼體的設(shè)計，在天線及聲音傳感器的位置處開孔時應(yīng)配合整機(jī)的布局，避讓在整機(jī)處的遮擋物，避免遮擋物對信號造成衰減，同時要考慮殼體的材質(zhì)，選用透光性好的材質(zhì)，滿足光照傳感器的透光要求。如圖6、圖7所示。

圖6 殼體結(jié)構(gòu)

圖7 模塊安裝位置

■4.2 器件擺放位置

所有的器件都放置在正面，一方面可以使印制板反面成為一個完整的信號回流路徑，形成一個大面積的接地面，減小干擾噪聲。另一方面便于元器件的貼裝，減小由貼裝帶來的虛漏焊失效。

4.2.1 天線的位置

兩路WiFi 天線各放置于PCB 板的兩端，一路BT 天線放置于PCB 板中部，盡量三個天線相互遠(yuǎn)離提高其隔離度，減少天線間的相互干擾；三個天線都置于PCB 板邊緣，利于信號的良好收發(fā)。

4.2.2 傳感器的位置

光照傳感器、IR 收發(fā)器及聲音傳感器都靠近PCB 板邊放置，配合整機(jī)結(jié)構(gòu)考慮，上整機(jī)時靠近傳感器位置不能有遮擋物，以免對傳輸信號造成影響。

■4.3 印制板的設(shè)計

為了保證良好的抗干擾性能，本產(chǎn)品PCB 采用了四層板。元器件皆放置于TOP 層，便于貼裝，RF 線只走在第一層，保證阻抗匹配；第二層為系統(tǒng)地，阻抗參考層，沒有信號走線，采用連續(xù)的地平面布局，便于獲得盡可能短的地環(huán)路，為第一層和第三層提供高度的電氣隔離，使兩層之間的耦合最小，抑制噪聲的引入；第三層為電源層，采用星型拓?fù)涞淖呔€，以減小IC 不同電源引腳之間的耦合，降低噪聲引入；第四層放置控制走線與高頻信號線隔離。

RF 走線嚴(yán)格按單端50Ω、差分100Ω 設(shè)計，USB 走線按差分90Ω設(shè)計，以保證良好的阻抗匹配，減少信號的損耗。如圖8所示。

圖8 PCB Layout

5 WiFi+IR 通合模塊的測試

合理的電路設(shè)計是保證WiFi+IR 通合模塊性能的基礎(chǔ)，在這個基礎(chǔ)上還需要進(jìn)行精準(zhǔn)的調(diào)試，才能制造出合格的產(chǎn)品。針對WiFi+IR 通合模塊的自身的特點(diǎn)，采用了與傳統(tǒng)模擬電子調(diào)諧器不同的測試方案。除了進(jìn)行傳統(tǒng)的模擬電視性能指標(biāo)測試標(biāo)外，還需要對數(shù)字電視性能指標(biāo)都要進(jìn)行必要的調(diào)試，才能確保產(chǎn)品的性能要求。

儀器：WT200 綜合測試儀、電腦、電源。

6 結(jié)論

WiFi+IR 通合模塊是目前市場上非常重要的電視接收機(jī)器件，朝著高集成度、高性能、小型化、低成本的方向發(fā)展。在其設(shè)計與制作的過程中，良好的電路原理、結(jié)構(gòu)、PCB版圖設(shè)計是其性能最基本的保證；在此基礎(chǔ)上對產(chǎn)品進(jìn)行精準(zhǔn)地調(diào)試，才能制造出合格可靠的產(chǎn)品。本文完成WiFi+IR通合模塊的設(shè)計與制作，經(jīng)測試該產(chǎn)品工作穩(wěn)定可靠，噪聲低、抗干擾性能好，并且較好地考慮了成本控制。

表1 WiFi性能測試

表2 傳感器測試