超低功耗RF設(shè)計(jì)要點(diǎn)注意

盡管仍處于起步階段，但短距離射頻的前景看來(lái)一片光明。而推動(dòng)該市場(chǎng)不斷擴(kuò)張的催化劑將會(huì)是超低功耗技術(shù)。在這個(gè)每星期出貨量高達(dá)數(shù)千萬(wàn)顆的短距、低功耗射頻市場(chǎng)中，採(cǎi)用2.4GHz ISM頻段的技術(shù)仍居主流，包括Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee，當(dāng)然，這個(gè)領(lǐng)域還包括了其他多種尚未成熟的無(wú)線技術(shù)。未來(lái)幾年內(nèi)，我們的生活周遭可能會(huì)出現(xiàn)許多令人印象深刻無(wú)線連接技術(shù)。

　　短距無(wú)線市場(chǎng)的主要趨勢(shì)之一，是超低功耗（ULP）無(wú)線應(yīng)用的大規(guī)模擴(kuò)展。這種應(yīng)用的特徵是採(cǎi)用由鈕扣型電池供電的微型RF收發(fā)器，在需要時(shí)被喚醒以便快速地連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，而后再回到nA等級(jí)耗電量的‘休眠’狀態(tài)。ABI Research統(tǒng)計(jì)，2010年無(wú)線感測(cè)器網(wǎng)路（WSN）晶片市場(chǎng)成長(zhǎng)了300%；而在2016年，醫(yī)療保健和個(gè)人健身設(shè)備採(cǎi)用的藍(lán)牙低功耗晶片出貨量將會(huì)超過(guò)4.67億顆。

　　任何一種可攜式電子產(chǎn)品或設(shè)備都能添加超低功耗無(wú)線連接特性，從微型醫(yī)療/健身感測(cè)器、手機(jī)、電腦、機(jī)械工具、汽車(chē)都包括在內(nèi)。微型ULP收發(fā)器能夠直接與數(shù)以千計(jì)的其他設(shè)備直接通訊，或是作為網(wǎng)路的一部份，從而強(qiáng)化產(chǎn)品的實(shí)用性。

　　然而，對(duì)多數(shù)工程師而言，RF設(shè)計(jì)仍然是一種黑色藝術(shù)。RF設(shè)計(jì)確實(shí)不平凡，但現(xiàn)代的晶片供應(yīng)商和開(kāi)發(fā)工具套件將協(xié)助設(shè)計(jì)師發(fā)揮更多設(shè)計(jì)技巧。本文將描述ULP無(wú)線技術(shù)、晶片，并探討如何更好地運(yùn)用它們。

　　超低功耗無(wú)線揭密

　　超低功耗無(wú)線技術(shù)不同于所謂的低功耗的短程無(wú)線電技術(shù)，如藍(lán)牙（目前業(yè)界將之稱為經(jīng)典藍(lán)牙［Classic Bluetooth］，以便與包含超低功耗藍(lán)牙低耗能（BLE）技術(shù)的新版藍(lán)牙4.0區(qū)別）。超低功耗無(wú)線技術(shù)所需的操作電源顯著減少，能賦予許多設(shè)計(jì)精巧的可攜式設(shè)備無(wú)線連接能力。

　　傳統(tǒng)藍(lán)牙的電力需求較大，甚至當(dāng)使用者資料傳輸量不大時(shí)，也幾乎會(huì)獨(dú)占電池。這種電力需求代表著傳統(tǒng)藍(lán)牙對(duì)‘低頻寬、長(zhǎng)壽命’的應(yīng)用而言并非理想的無(wú)線解決方案。

　　相較之下，超低功耗RF收發(fā)器可以運(yùn)用鈕扣電池（如CR2032或CR2025）運(yùn)作數(shù)個(gè)月甚至數(shù)年的時(shí)間。這些鈕扣電池體積小，價(jià)格便宜，但儲(chǔ)能量很有限，通常在90～240mAh之間。與之相比，假設(shè)平均漏電流為一顆200μA，那么一顆AA電池的儲(chǔ)能量至少有10～12倍。

　　如此低的儲(chǔ)能量嚴(yán)重限制了ULP無(wú)線鏈路的主動(dòng)工作週期（active duty cycle）。例如，一顆220mAh的CR2032鈕扣電池，若持續(xù)使用至少一年（220mAh/（24hr x 365day）），則可維持的最大額定電流僅25μA（或放電率）。

　　ULP硅無(wú)線電晶片則可實(shí)現(xiàn)僅數(shù)十毫安（milliamps）的峰值電流，以Nordic的nRF24LE1 2.4GHz收發(fā)器為例，在傳送時(shí)僅11.1mA（0dBm輸出功率）；接收時(shí)則僅13.3mA（速率2Mbps）。如果能在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)將平均電流限制在數(shù)十微安，則工作週期可降至極低（約0.25%），晶片也能很快地回到nA等級(jí)休眠模式。
不同的應(yīng)用

　　如果收發(fā)器有99.75%的時(shí)間都在休眠，一旦必須喚醒時(shí)，往往很難立即正常運(yùn)作。而ULP收發(fā)器的特色之一便是能迅速喚醒，傳送極短但相對(duì)頻寬較高的‘bursts’資料‘（高達(dá)1或2Mbps），而后立即返回極低功耗的休眠狀態(tài)。

　　因此，ULP RF收發(fā)器并不會(huì)直接與Wi-Fi和傳統(tǒng)藍(lán)牙應(yīng)用展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。然而，ULP無(wú)線卻已開(kāi)啟了極廣泛的嶄新應(yīng)用。這些應(yīng)用包羅萬(wàn)象。ULP無(wú)線已經(jīng)大舉進(jìn)入體育、健康、娛樂(lè)、PC週邊、遙控、游戲、手機(jī)配件，家庭自動(dòng)化和工業(yè)控制等領(lǐng)域，且未來(lái)幾年還將延伸到更多其他市場(chǎng)。

　　這些應(yīng)用的共同點(diǎn)便在于能讓ULP無(wú)線技術(shù)發(fā)揮它的實(shí)力。這些應(yīng)用設(shè)備通常採(cǎi)用小型感測(cè)器和週邊以及小型電池，每隔幾秒或固定時(shí)間發(fā)送極少量的數(shù)據(jù)（通常僅數(shù)位元）。然而，根據(jù)不同的應(yīng)用類(lèi)別，對(duì)ULP無(wú)線的設(shè)計(jì)需求仍不盡相同，如帶有可監(jiān)控速度和距離的性能感測(cè)器、射頻遠(yuǎn)端控制設(shè)備，以及像心律監(jiān)控等醫(yī)療用感測(cè)器的自行車(chē)電腦、就需要與PC週邊截然不同的工程方案。

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，無(wú)線連接需要一個(gè)無(wú)線電（收發(fā)器）、協(xié)議（用來(lái)控制無(wú)線電通訊的軟體程式碼或堆疊），以及應(yīng)用處理器（擁有自己的程式碼以監(jiān)控特殊應(yīng)用，如心律監(jiān)控）。以下將探討這些要素如何影響無(wú)線系統(tǒng)的效率、尺寸和成本。

　　我們以兩個(gè)範(fàn)例進(jìn)行說(shuō)明：一個(gè)無(wú)線滑鼠和一個(gè)自行車(chē)電腦。無(wú)線滑鼠的設(shè)計(jì)看來(lái)較簡(jiǎn)單，但它需要應(yīng)用到大量的超低功耗RF。無(wú)線滑鼠製造商需要一種精巧、高效且低成本的連接方案。換句話說(shuō)，他們希望開(kāi)發(fā)出所有消費(fèi)者都買(mǎi)得起、功能強(qiáng)大電池壽命長(zhǎng)的無(wú)線滑鼠。

　　針對(duì)這種應(yīng)用，最佳方案是一顆系統(tǒng)單晶片（SoC），它在單顆晶片上整合了無(wú)線電、工廠提供的協(xié)議和應(yīng)用處理器。而極大的應(yīng)用量則抵銷(xiāo)了廠商投注的高昂NRE成本。此外，供應(yīng)商還能最佳化軟硬體性能，以滿足目標(biāo)應(yīng)用需求。

　　對(duì)滑鼠製造商來(lái)說(shuō)，他們毋須浪費(fèi)時(shí)間和金錢(qián)開(kāi)發(fā)、選擇或購(gòu)買(mǎi)外部處理器和相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具套件，以及撰寫(xiě)程式碼。收發(fā)器供應(yīng)商在開(kāi)發(fā)SoC時(shí)便已完成一部份工作了。

　　以Nordic公司的nRF24LE1 SoC為例，該元件瞄準(zhǔn)桌上型週邊市場(chǎng)，內(nèi)含Nordic公司的nRF24L01 + 2.4GHz超低功耗收發(fā)器、用于快閃記憶體或一次可編程（OTP）記憶體中的Gazell軟體協(xié)議堆疊、增強(qiáng)型8位元微控制器。這種單晶片元件尺寸僅5x5毫米，可應(yīng)用在小型無(wú)線滑鼠設(shè)計(jì)中。

　　另一款nRF24LU1+晶片組則整合了Nordic nRF24L01+收發(fā)器、USB 2.0相容設(shè)備控制器，、快閃記憶體（或OTP）和一個(gè)8位元微控制器，可插入主PC的USB埠提供無(wú)線鏈接。nRF24LU1+能讓PC週邊製造商開(kāi)發(fā)出微型USB dongle設(shè)備（圖1）。

　　圖1：nRF24LU1+能讓PC週邊製造商開(kāi)發(fā)出微型USB dongle。
單晶片連接

　　SoC為量產(chǎn)型應(yīng)用提供許多優(yōu)勢(shì)，但它仍有一些缺點(diǎn)，如高整合SoC的尺寸和成本可能會(huì)增加。一顆無(wú)線SoC中通常包含一個(gè)微控制器，但在許多應(yīng)用中，都已經(jīng)採(cǎi)用微控制器來(lái)控制無(wú)線應(yīng)用。

　　此外，一些工程師可能會(huì)自行選擇微處理器，因此，一些工程師可能會(huì)購(gòu)買(mǎi)價(jià)格更低、沒(méi)有板載微處理器的收發(fā)器。

　　以一個(gè)無(wú)線自行車(chē)電腦為例，它整合了用于監(jiān)控心律、速度或距離的各式感測(cè)器，另外還有許多各式各樣的感測(cè)元件、功率計(jì)等，讓自行車(chē)電腦的組成更加復(fù)雜，因此，這類(lèi)應(yīng)用通常都已具備可用于監(jiān)控和無(wú)線功能的處理器，它們不需要再使用附加嵌入式處理器的無(wú)線晶片（圖2）。

　　圖2：Nordic的專用ULP收發(fā)器nRF24AP2，可為自行車(chē)單增加無(wú)線連接功能。（圖片來(lái)源：Suunto）

　　為此，Nordic與合作伙伴ANT Wireless一直致力為自行車(chē)開(kāi)發(fā)適用的無(wú)線連接方案。

　　Nordic針對(duì)這類(lèi)應(yīng)用所開(kāi)發(fā)的nRF24AP2在單晶片中整合了一個(gè)2.4GHz ULP收發(fā)器、ANT無(wú)線協(xié)議，以及微控制器/處理器介面。這款方案并未包含應(yīng)用處理器，從而節(jié)省成本、功耗并減小尺寸。在實(shí)際使用時(shí)，nRF24AP2可無(wú)縫連接自行車(chē)電腦內(nèi)的應(yīng)用處理器，讓?xiě)?yīng)用處理器能監(jiān)控設(shè)備的無(wú)線連接情況。Nordic將這種方法稱之為‘單晶片連接’。
互通性需求

　　從技術(shù)角度來(lái)看，採(cǎi)用專用無(wú)線連接方案的好處遠(yuǎn)勝過(guò)採(cǎi)用ZigBee或藍(lán)牙，因?yàn)檠u造商能最佳化協(xié)議，而且不會(huì)有其他的額外開(kāi)銷(xiāo)，從而確保更低的功耗和成本。但缺點(diǎn)是缺乏互通性。

　　OEM需要能與其他晶片製造商互通的解決方案。目前通常是由業(yè)界廠商組成的聯(lián)盟，如ZigBee聯(lián)盟，或是像IEEE這類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)組織，以及藍(lán)牙SIG等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)負(fù)責(zé)制定這些互通性標(biāo)準(zhǔn)?；旧?，這些產(chǎn)品都必須經(jīng)過(guò)測(cè)試，以獲得特定標(biāo)準(zhǔn)的互通性認(rèn)證。

　　雖然要製造符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，就必須花費(fèi)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試及獲得認(rèn)證，同時(shí)會(huì)增加產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，但可互通的解決方案往往可刺激市場(chǎng)成長(zhǎng)。

　　上述的ANT+技術(shù)是可互通ULP無(wú)線技術(shù)的其中一個(gè)例子。事實(shí)上，ANT是由超過(guò)220家公司所組成的監(jiān)盟，并已被自行車(chē)領(lǐng)域的主要製造商如Garmin和Trek等公司採(cǎi)用，成為實(shí)質(zhì)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。另外，除了Nordic以外，也有其他半導(dǎo)體業(yè)者開(kāi)始供應(yīng)ANT晶片。然而，迄今在短距無(wú)線領(lǐng)域中，藍(lán)牙仍然是最成功的一項(xiàng)無(wú)線技術(shù)。

　　藍(lán)牙向低功耗領(lǐng)域擴(kuò)展

　　藍(lán)牙最新的低功耗版本能運(yùn)用在採(cǎi)用扭扣型電池供電的設(shè)備中。Nordic因應(yīng)該標(biāo)準(zhǔn)推出的方案是μBlue系列，首款產(chǎn)品nRF8001在一顆5x5mm QFN封裝的32接腳元件中整合了完整的嵌入式無(wú)線電、鏈路控制器以及主控端子系統(tǒng)，可用在手錶、感測(cè)器和遙控等應(yīng)用中?？ㄎ鳉W的G-SHOCK藍(lán)牙低功耗手表便採(cǎi)用了該晶片。

　　這款手錶是首個(gè)採(cǎi)用藍(lán)牙低功耗的商用化產(chǎn)品，它能夠連接智慧手機(jī)校正時(shí)間，其他功能還包括來(lái)電、電子郵件、簡(jiǎn)訊等提醒等。

　　藍(lán)牙SIG表示，未來(lái)藍(lán)牙低功耗將延伸到更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中，包括個(gè)人化使用者介面（PUID）、遙控、近接警報(bào)、電池狀態(tài)警示和心律監(jiān)控等。

　　除了醫(yī)療保健，藍(lán)牙低功耗感測(cè)也將可望在公共場(chǎng)所獲得廣泛應(yīng)用。其中一項(xiàng)關(guān)鍵應(yīng)用，便是它能用于室內(nèi)定位（沒(méi)有GPS訊號(hào)之處）。也就是說(shuō)，在大型公共建筑，如機(jī)場(chǎng)或火車(chē)站內(nèi)的感測(cè)器能不斷傳送位置資訊給搭載藍(lán)牙低功枆的手機(jī)，使用者便可得知所在位置資訊。另外，感測(cè)器還可以傳送其他資訊，如起飛時(shí)間和閘門(mén)、各種設(shè)備的具體位置，或是附近商店的特別優(yōu)惠等（圖5）。

　　圖3：Nordic的μBluenRF8001是藍(lán)牙低功耗晶片，已用在卡西歐的G-SHOCK藍(lán)牙低功耗手錶中。

　　圖4：藍(lán)牙低功耗的早期應(yīng)用可能會(huì)是體育、醫(yī)療保健和娛樂(lè)產(chǎn)業(yè)。

　　圖5：在機(jī)場(chǎng)內(nèi)，藍(lán)牙低功耗標(biāo)籤可以被放置在特定位置，讓搭載藍(lán)牙晶片的手機(jī)使用者得知所在位置。

　　自2011下半年起，陸續(xù)有手機(jī)採(cǎi)用藍(lán)牙4.0晶片。這也代表著許多令人振奮的新技術(shù)將有機(jī)會(huì)發(fā)揮潛力。