為便攜式設備增加無線功能的設計策略

     科技的進步就是幫助人類化繁縟為簡潔，提供更大的便利。近年來，便攜式設備給消費者在視聽享受方面提供了很大的便利，隨著無線技術的飛速發(fā)展，給便攜式設備增加無線功能成為必然的選擇。那么，在增加無線功能的時候，設計者需要考慮哪些方面的因素呢？  
　　一、 需要考慮的主要挑戰(zhàn)  

　　在增加無線功能的時候，設計者要面臨哪些挑戰(zhàn)？需要考慮哪些因素？專家們的建議將有助于設計師把握設計重點和方向。  

　　“在給便攜式設備如MP3/PMP增加無線功能的時候，最重要的考慮是你得確保在任何使用狀態(tài)下可靠工作，這意味著在播放MP3或視頻的時候，如果有呼叫/電話，則你必須實時響應呼叫/電話同時要暫停多媒體功能。另外由于無線設計包含發(fā)射器和接收器，這需要確保有良好的射頻性能。”德州儀器半導體技術上海有限公司硬件技術應用經理劉俊勇指出。Nordic半導體亞太區(qū)銷售經理陳志謙則補充道：“給便攜式設備增加無線功能會面臨四大挑戰(zhàn)：成本、復雜性、功耗和尺寸大小。”他解釋說：“無線功能將使設計更復雜，雖然有些供應商設計了集成收發(fā)器的元件，但是把芯片設計到PCB的時候你得知道這些因 素將影響你的設計性能。它們是天線的位置、范圍、和其他設備的接口等。”   

　　當然，要支持設備正常工作，功耗方面的考量也是必不可少的，SiGe半導體公司無線數(shù)據(jù)產品總監(jiān)Andrew Parolin指出要把無線技術增加到便攜式設備中，電池的壽命和大小尺寸是主要的挑戰(zhàn)。因為新產品縱使添加了新功能，但原來的基本特點(如MP3播放器的播放時間等)也絕不能遜于上一代產品。設計者必須開發(fā)出耗電非常少的無線解決方案，而且能同時降低現(xiàn)有功能性的耗電量。對射頻前端模塊和功率放大器而言，電池壽命和尺寸大小是兩大重要問題。這些器件一般是設備中耗電最多的部分，因此，要在便攜式設備中增添無線功能，它們就成了主要關注的焦點。一般來說，每一代前端模塊的尺寸大小都會較前一代減少 30-40%；而效率則遞增加1-3%。而且即使增添新功能，生產商也不希望現(xiàn)有產品尺寸增大，因為外形尺寸只要稍稍增加，都會大大影響用戶對產品的印象。飛利浦半導體資深技術行銷經理蔣益杰則指出，在增加無線功能的時候，工程師還要考慮平臺、操作系統(tǒng)和無線接口的選擇問題，這些因素都和系統(tǒng)需求、設計復雜度以及市場趨勢密切相關。  

　　其他需要考慮的因素是無線功能帶來的散熱、外觀和重量問題，雖然模塊化的方案有助于減輕RF方面的問題難度和加速產品面市，但是模塊本身存在的尺寸和成本問題都需要進行折中考慮。  

　　二、 無線協(xié)議和架構的選擇策略  

　　在增加無線功能的時候，工程師該如何選擇架構和無線協(xié)議？SiGe的Parolin給出的建議是：系統(tǒng)工程師必須知道所需的無線應用要求的最小帶寬是多少。某些應用比如游戲等可能需要802.11g這樣的大帶寬無線標準，這是由于它們需要很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，所以即使可能消耗較多電流和有效的電池使用壽命，也必須如此。而對于語音等其它應用而言，藍牙則可能是更好的選擇，因為它能在較低的耗電量下滿足數(shù)據(jù)帶寬的要求。





　　             目前可以實用的標準無線技術  
   
       TI的劉俊勇則表示一般可以選擇兩種架構，一種是在現(xiàn)有平臺方案上增加無線modem，但這需要設計射頻通信層和接口以確保在無線modem和便攜式設備之間進行實時可靠的通信。這種方案中可以選擇TI的單芯片解決方案Locosto。另外一種架構是選擇集成有無線modem和應用處理器的集成方案，例如TI的OMAP730。不過他表示不管選用何種方式，無線協(xié)議棧必須是成熟且強健的，他建議最好使用通過互操作測試(IOT)測試的無線協(xié)議棧。  

　　Nordic的陳志謙給出的補充建議是：一要考慮使用非授權ISM頻段，例如如果你的產品在美國使用，則你可以使用915MHz頻段，如你的產品在歐洲銷售，你可以使用434或868MHz頻段。另外，2.4GHz頻段是全球可以使用的頻段。二要考慮供應商對你的支持，例如如果從RF角度來看你的PCB不夠好，這樣就可能產生干擾，這時你需要供應商給你一些建議。如果你通過分銷商獲得支持，你需要確保他們理解你的硬件設計需求。  

　　目前市場上有許多標準無線技術，工程師可以從應用范圍、數(shù)據(jù)傳輸率、頻段和功耗方面考慮采用何種技術。例如，WLAN可以提供的通信范圍是100米左右，可以提供的數(shù)據(jù)傳輸率可以超過54Mbps。而NFC提供的通信范圍就是10cm左右，數(shù)據(jù)率為1~3Mbps，頻段則是13.56MHz。表一列出了目前可以實用的標準無線技術  

另外，工程師在增加無線功能的時候也可以考慮一些非標準的無線協(xié)議。Nordic的陳志謙指出類似IEEE802.xx的這些標準協(xié)議，因為要確保兼容性方面的問題，所以會延長產品的面市時間，因為你要確保你的產品符合標準，而且這樣也增加了一些非工程成本(NRE)開銷，而一些非標準協(xié)議。例如Nordic的nRF24xx在端對端應用中有比藍牙更出色的性能，還不用做兼容性方面的測試。如果一個微微網中有其他制造商的無線產品，這時候藍牙很有優(yōu)勢，但如果都是一個公司的產品，這時候用藍牙就大材小用了。  

　　實際上，便攜式設備的功耗是最重要的考量因素。一般應用處理器和背光屏就占用50~60%的功耗，而且消費者都希望手機和MP3播放器在電池支持下可以工作數(shù)十小時。這樣，無線部分就必須十分高效?！八{牙1.2版芯片以及增強數(shù)據(jù)率(2.0+EDR)芯片都不是很高效的,因為它們需要每隔675us發(fā)送一個160bit的數(shù)據(jù)包(1600數(shù)據(jù)包/秒)以維持連接，這也是藍牙為什么不能用于低占空比 應用的原因?！标愔局t指出。藍牙對于便攜式設備來說，功耗問題可以算是最大的問題。這樣，在無線音頻流的應用中，如果用藍牙，則幾個小時就會耗盡電池的電量。Zigbee通過放棄同步請求減少了功耗，但卻限制了帶寬。而如果采用非標準協(xié)議，則既能獲得藍牙的帶寬，又可以獲得Zigbee的低功耗效果。  

　　實際上，由于許多標準無線協(xié)議都采用2.4GHz ISM頻段，許多專家已經在擔心使用這個頻段的設備之間的干擾問題。而這無疑將增加標準協(xié)議的使用成本。  

　　三、 如何降低無線功能帶來的功耗？  

　　顯然，增加無線功能帶來的最大問題是功耗的增加，如何降低無線功能帶來的功率消耗是設計者考慮的頭等大事。無線設計人員的挑戰(zhàn)是要在不影響 RF 信號完整性的前提下把電池壽命延至最長。在 RF 設計中，決定功率管理的實現(xiàn)方法有多個考慮因素。成本、電路板空間、效率及噪聲抑制等都是設計人員能否獲得最佳設計解決方案的重要考慮因素。決定便攜式設備的最佳功率管理方法并不是瑣碎的事，但如果在一開始就能明確決定目標和取舍，設計人員就能夠避免日后設計中的許多麻煩。  

　　飛兆半導體應用工程師Brian Law指出為了降低功耗，一般在功率調節(jié)有兩種選擇：線性調節(jié)器或 DC/DC 調節(jié)器。由于DC/DC 調節(jié)器的效率高于線性調節(jié)器，所以一般設計人員多喜歡采用DC/DC 調節(jié)器，不過這卻要付上代價。DC/DC 調節(jié)器的最大缺點是占用的電路板空間大。PWM 架構器件需要小至 1uH 到 10uH 的電感，而電感在板上的占位面積可能和芯片一樣大。在電容性調節(jié)器中，還需要兩個典型值都為 1uF 的外接電容。除了用在線性調節(jié)器中的輸入和輸出電容之外，這些器件都是不可缺少的。開關頻率與電感或電容值的大小成反比關系。當開關頻率增加，電感或電容值會減小。半導體制造商面對的挑戰(zhàn)在于提高開關頻率。這會給無線設備帶來額外的缺點。開關調節(jié)器會產生可能耦合到 RF 電路的開關噪聲，這個問題并非不能克服，但卻需要在任何無線設計中予以考慮。抑制噪聲的方法有很多，包括在輸出端增加輸出電容或鐵氧體磁珠 (ferrite bead)。RF 設計人員還需要考慮到通過設備從輸出反饋耦合到輸入的噪聲。這個噪聲可能通過電池反饋耦合到 RF 功率放大器。通?？梢栽谳斎攵撕唵蔚丶由翔F氧體磁珠來抑制這種噪聲。  

　　SiGe的Parolin建議，除了設計更高效率的功率放大器之外，前端模組還可將后置功率放大器的損耗減至最小，從而使該功率放大器的發(fā)射功率，這樣比一般分立式設計的給定天線輸出功率低。從而達到提高能效的效果。  

　　四、 未來趨勢與供應商的產品策略  

　　“我們預測無線設計趨勢是給便攜式設備集成更多的音頻、視頻、圖像和游戲功能，融合是大趨勢。我們通過參考設計來簡化客戶的無線設計?！盩I的劉俊勇表示，目前TI可以提供集成有數(shù)字基帶和RF的GSM/GPRS單芯片方案Locosto并提供經過全球IOT測試的L1/L23軟件。在中高端市場，TI可以提供OMAP產品。  

當然，提高RF產品的集成度是各個供應商采取的主要措施之一。SiGe公司認為隨著藍牙(EDR、UWB)和802.11(802.11n-MIMO)更新版本的推出，無線技術將能夠廣泛滲透到便攜式消費設備中。針對這個趨勢，SiGe半導體公司推出了能夠同時減小尺寸和耗電量的新一代無線射頻(RF)前端模塊和功率放大器系列。最新的802.11b/g前端模塊SE2559L 與現(xiàn)有產品相比，尺寸減小了40%，耗電減少了30mA，這就能實現(xiàn)在便攜式設備中加入無線解決方案。SiGe的最新藍牙功率放大器SE2425U，可使解決方案的尺寸減小30%，但同時仍然具有藍牙最新的增強型數(shù)據(jù)速率的功能。  


　　飛利浦在集成上也強勢出擊，其WLANBGW200/211則集成了BB/MAC、RF、PA和無源器件?？蛻羲枰木褪菐讉€晶振和連接到電線的50歐姆傳輸線。  

　　SigmaTel (矽瑪特)更看好藍牙和Wi-Fi無線應用，并認為技術會應用到PMP上，它采取的措施是和英飛凌攜手，將英飛凌BlueMoon UniCellular(PMB8753)藍牙2.0解決方案作為矽瑪特STMP3600 MP3播放器參考設計套件(RDK)的組成部分。該參考設計將提供一個包含藍牙上棧軟件和相關的藍牙技術介紹?！斑@一設計將通過BQB認證和UnplugFest測試，能有效降低客戶的開發(fā)成本，并縮短產品的上市時間。矽瑪特客戶將能夠平穩(wěn)地從PMB8753過渡到優(yōu)化藍牙解決方案。”矽瑪特亞洲區(qū)高級副總裁劉家聲強調。  

　　作為非標準無線協(xié)議的堅決擁躉，Nordi  
c強調自己在集成度、效率和功耗方面的優(yōu)勢，如收發(fā)器集成度更高，而且更緊湊，它使用高效率的無線協(xié)議，采用自適應跳頻技術，通過這些大大減少了功耗。陳志謙特別強調Noridc的nRF24Z1瞄準MP3播放器和無線頭戴式耳機之間的音頻流傳輸應用，可以提供4Mbps的數(shù)據(jù)率，如果傳輸未壓縮的CD級音頻這已經是綽綽有余了?！岸{牙就達不到這個質量，所以有些Hi-Fi雜志稱藍牙耳機聽起來尖細些和缺乏動態(tài)。”他指出。  

　　無線技術將在未來幾年中扮演重要的角色，便攜式設備無線化如何演進？我們將密切關注。