藍(lán)牙非常適合在由PDA、耳機(jī)、手機(jī)和筆記本電腦組成的個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)上建立全面兼容的通信，在這種情況下采用標(biāo)準(zhǔn)的無線技術(shù)確實(shí)可以減少很多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。可以確定的是，這樣的設(shè)計(jì)肯定能與另外一個(gè)采用相同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)成功地建立通信，并達(dá)到想要的距離范圍和數(shù)據(jù)傳輸速率。但在具有大量節(jié)點(diǎn)、需要可靠但不頻繁的通信，以及電池要用數(shù)年的網(wǎng)絡(luò)中，最近批準(zhǔn)的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)更加適用。

然而，采用這些標(biāo)準(zhǔn)需要付出一定的代價(jià)。這些芯片相對(duì)昂貴，僅為了確保兼容性就需要大量數(shù)據(jù)包開銷，從而增加數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間和功耗。802.15解決方案需要做很多設(shè)計(jì)和測(cè)試工作來確保與標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，這對(duì)確保許多制造商提供的移動(dòng)設(shè)備、筆記本或無線傳感器之間的互操作性時(shí)很有意義。但如果目標(biāo)應(yīng)用是點(diǎn)到點(diǎn)的專用鏈路，如無線鼠標(biāo)到鍵盤，這個(gè)代價(jià)就顯得毫無必要。隨著制造商開始尋找機(jī)會(huì)為海外市場(chǎng)開發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品，這些低成本、低功耗應(yīng)用變得越來越重要。

本文介紹由Nordic半導(dǎo)體公司為這些典型應(yīng)用而開發(fā)的集成式專利無線芯片(nRF24xx系列)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)使用藍(lán)牙、ZigBee和該芯片做的無線鼠標(biāo)設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，并演示這種替代無線技術(shù)的先進(jìn)性。這些設(shè)計(jì)的基本單元無需大的改動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)其它簡(jiǎn)單的應(yīng)用，如游戲控制器和“智能”運(yùn)動(dòng)設(shè)備。

標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)無線技術(shù)的對(duì)比

藍(lán)牙協(xié)議允許在(PAN或“微蜂窩”中的)1個(gè)主設(shè)備和最多7個(gè)從設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)，最高速率可達(dá)723kbps。然而，實(shí)際數(shù)據(jù)有效載荷一般會(huì)由于通信協(xié)議開銷而所有減少。這些通信協(xié)議開銷主要是利用地址和其它頭部信息來定義每個(gè)單元的類型，用以確保與其它藍(lán)牙設(shè)備的兼容性。

藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)采用高斯頻移鍵控(GFSK)調(diào)制方案，在2.4GHz頻段內(nèi)使用83個(gè)1Mbps的信道。GFSK先對(duì)調(diào)制過的基帶信號(hào)進(jìn)行高斯濾波，然后再送到載波發(fā)射電路,從而阻尼或降低高電平(1)和低電平(0)之間的頻率擺幅。它與直接頻率鍵控(FSK)方法相比,可以使發(fā)送信號(hào)的頻譜更加窄、更加“干凈”。

藍(lán)牙工作在與其它無線技術(shù)(如Wi-Fi)相同的免許可ISM頻段，其它無線技術(shù)的干擾會(huì)使數(shù)據(jù)速率降低，因?yàn)榻?jīng)常會(huì)有錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包需要重發(fā)。不過，版本1.2通過采用自適應(yīng)跳頻(AFH)技術(shù)解決了這個(gè)問題。這種技術(shù)允許兩個(gè)通信中的藍(lán)牙設(shè)備不斷交換頻段中的共有頻率，從而避免與其它相鄰無線設(shè)備發(fā)生沖突。

藍(lán)牙設(shè)備共有3種基本的功率等級(jí)：Class1(可視距離為100米)、Class2(可視距離為10米)、Class3(可視距離為2～3米)。目前大多數(shù)消費(fèi)類設(shè)備屬于藍(lán)牙Class2類型的設(shè)備。

藍(lán)牙微蜂窩中的每個(gè)設(shè)備都有唯一的48位識(shí)別符。第一個(gè)被識(shí)別的設(shè)備(通常在2秒以內(nèi))將成為主設(shè)備，它會(huì)在整個(gè)頻段上設(shè)置為每秒使用1,600個(gè)頻率。微蜂窩中的所有其它設(shè)備“鎖定”或同步于這個(gè)序列。主設(shè)備在偶時(shí)隙發(fā)送信號(hào)，從設(shè)備在奇時(shí)隙作出響應(yīng)。微蜂窩中被激活的從設(shè)備都會(huì)被分配一個(gè)地址，并偵聽?zhēng)в兴鼈冏约旱刂返臅r(shí)隙。

從設(shè)備也會(huì)進(jìn)入低功率的“嗅探(Sniff)”、“保持(hold)”或“停止運(yùn)行(park)”模式。在嗅探模式下，設(shè)備只是周期性地在特定的嗅探時(shí)隙進(jìn)行偵聽，但仍保持同步狀態(tài)。在保持模式下，設(shè)備也只是偵聽以確定是否要激活。在停止運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備甚至?xí)尫潘牡刂?。雖然保持和停止運(yùn)行模式能延長(zhǎng)電池壽命，但設(shè)備至少會(huì)在1600個(gè)跳頻時(shí)間內(nèi)失去同步，直到新的鏈路建立起來。建立鏈路需要幾秒的時(shí)間，因此當(dāng)用戶要求恒定快速響應(yīng)時(shí)這是一個(gè)很明顯的缺陷。

藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)包括許多“模式”，你在開發(fā)時(shí)可以有目的地進(jìn)行選擇。然而，所有藍(lán)牙設(shè)備都必須進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)兼容性認(rèn)證，且所有的標(biāo)準(zhǔn)使用者都必須是藍(lán)牙專門興趣小組的成員。迫于藍(lán)牙專門興趣小組成員的商用壓力，藍(lán)牙的大多數(shù)模式都適合手機(jī)的多媒體和文件傳輸應(yīng)用。因此，采用藍(lán)牙規(guī)范來開發(fā)產(chǎn)品并不是一件輕松的事，可能使藍(lán)牙不太適合用在簡(jiǎn)單的設(shè)備中。

ZigBee是最近推出的RF標(biāo)準(zhǔn)，主要用于具有大量分布式節(jié)點(diǎn)的低功率、低數(shù)據(jù)率無線監(jiān)視和控制應(yīng)用。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)由IEEE802.15.4定義，是一種具有高可靠性的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)協(xié)議。它對(duì)每次發(fā)送的數(shù)據(jù)串進(jìn)行確認(rèn)，并采用它技術(shù)來保證通信的完整性。ZigBee不需要藍(lán)牙的同步機(jī)制，因而功耗要求顯著降低。

與藍(lán)牙一樣，ZigBee工作在ISM2.4GHz波段(16個(gè)間隔為5MHz的信道)。該標(biāo)準(zhǔn)也提供工作在歐洲868MHz(單信道)和美國(guó)915MHz(10個(gè)間隔為2MHz的信道)波段的版本，最大數(shù)據(jù)速率可達(dá)250kbps。ZigBee采用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。DSSS具有一定的抗干擾性能，但需要傳送額外的數(shù)據(jù)包，從而帶來帶寬使用率和功耗方面的額外開銷。ZigBee可以在某些應(yīng)用環(huán)境中解決藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)可能存在的缺陷，特別是在低延時(shí)和低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用場(chǎng)合中。然而，ZigBee設(shè)備在無線物理層仍必須承載一定的開銷以滿足802.15.4規(guī)范所要求的互操作性功能。

互補(bǔ)性技術(shù)

藍(lán)牙和ZigBee組織認(rèn)為，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是互補(bǔ)而非競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系。ZigBee確實(shí)允許更多的節(jié)點(diǎn)(多達(dá)4,090個(gè))，而藍(lán)牙總共才7個(gè)從設(shè)備加上1個(gè)主設(shè)備。ZigBee協(xié)議適合工業(yè)和家庭監(jiān)視與控制應(yīng)用，這些網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)多、節(jié)點(diǎn)活躍性特別低以及網(wǎng)絡(luò)功能容易擴(kuò)展。

功耗是這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間的最大差異。ZigBee主要用于工作時(shí)間特別短、壽命特別長(zhǎng)的應(yīng)用，其電池壽命以年來度量，而連續(xù)的藍(lán)牙通信一般在幾小時(shí)之內(nèi)就會(huì)耗盡電池。此外，ZigBee芯片組的成本比藍(lán)牙解決方案的成本低(雖然為了降低成本，不少的藍(lán)牙協(xié)議堆棧提供少于全范圍的工作模式)。

Nordic半導(dǎo)體公司開發(fā)了一種私有的無線解決方案，稱為nRF24xx。這是一種系統(tǒng)級(jí)芯片器件，由無線收發(fā)器、8051微控制器、4通道12位ADC和各種標(biāo)準(zhǔn)接口組成，采用0.18微米CMOS工藝制造。nRF24xx使用GFSK調(diào)制機(jī)制(與藍(lán)牙非常相似)，提供1Mbps的標(biāo)稱數(shù)據(jù)速率。為盡可能提高無線性能、減小功率預(yù)算，它的開銷很少。nRF24xx產(chǎn)品引入了基于硬件的物理層協(xié)議處理，在正常工作時(shí)它是透明的。圖1(a)和(b)對(duì)ZigBee協(xié)議堆棧和這個(gè)私有的解決方案進(jìn)行了比較。

圖1(a)：私有的ZigBee協(xié)議堆棧。

這種私有無線解決方案被設(shè)計(jì)成小規(guī)模嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員非常熟悉的一種方案。采用這種硅片無線電路開發(fā)無線應(yīng)用的工程師，將很容易使用器件提供的SPI接口。該器件采用一個(gè)120b寄存器建立通信鏈路，支持各種功能。集成的微處理器僅用于一次性設(shè)置工作參數(shù)，隨后它就主要用于同步鎖定目標(biāo)地址和實(shí)際數(shù)據(jù)。更重要的是，由于該設(shè)計(jì)無需得到標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，因而能顯著縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，盡管這種產(chǎn)品必須符合相應(yīng)通信權(quán)威機(jī)構(gòu)的要求，如歐洲的ETSI或美國(guó)的FCC。但不管是不是標(biāo)準(zhǔn)的無線通信產(chǎn)品，這都是起碼的要求。

圖1(b)：Nordic Semiconductor公司的nRF協(xié)議堆棧。

藍(lán)牙、ZigBee和私有無線解決方案采用各不相同的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)。私有無線方案的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)包是32位，一次按80位進(jìn)行消息傳輸，因此開銷是48位，數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)效率是40%。相比之下，藍(lán)牙要求一次按160位傳輸，開銷是128位，因此效率只有20%。傳送數(shù)量完全相同的數(shù)據(jù)，ZigBee器件總共需要152位，因此它的效率也只有21%。

私有無線解決方案采用了與藍(lán)牙相同的信道機(jī)制，它們都在2.4到2.483MHz之間使用多達(dá)83個(gè)1MHz的信道，或更精確地講是在2.402GHz到2.483GHz之間分成75個(gè)1MHz信道，上下保護(hù)帶分別為3.5MHz和2MHz。相比之下，ZigBee只有16個(gè)信道(圖2)。當(dāng)受到同樣工作在擁擠的2.4GHz頻段的其它設(shè)備干擾時(shí)，藍(lán)牙和私有無線方案就有更多可重新分配的頻率(見附錄“處理干擾”)。

圖2：ZigBee共16信道，間隔為5MHz，而Nordic方案采用類似藍(lán)牙的83個(gè)1MHz信道。

帶寬問題

工作在免許可ISM2.4GHz頻段的無線鼠標(biāo)是一個(gè)簡(jiǎn)單、低功率、成本敏感型無線應(yīng)用的經(jīng)典用例，中國(guó)制造商正在大量生產(chǎn)這種產(chǎn)品用于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)和出口。下面將對(duì)采用私有芯片，以及采用ZigBee和藍(lán)牙解決方案的產(chǎn)品設(shè)計(jì)做一下比較。

無線鼠標(biāo)的典型工作方式是10%的時(shí)間處于工作模式，90%的時(shí)間處于睡眠模式，工作時(shí)每8ms完成一次收發(fā)通信。因此采用私有無線方案的凈數(shù)據(jù)速率為0.1x(125x80bps)=1kbps。

采用ZigBee方案的凈數(shù)據(jù)速率為0.1x(125x152bps)=1.9kbps，接近私有無線方案的兩倍。另外，ZigBee的最大速率是250kbps，而私有無線方案的最大速率可達(dá)1Mbps，因此可以看到完成同樣的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，ZigBee的帶寬要求是私有無線方案的8倍。

因?yàn)樗{(lán)牙必須維持同步以避免產(chǎn)生重新鏈接的時(shí)延，它需要每675微秒發(fā)送一個(gè)160位的數(shù)據(jù)包來保持鏈接，而無論鼠標(biāo)是否被使用。如上所述，雖然不用同步也能保持鏈接，但會(huì)導(dǎo)致最長(zhǎng)達(dá)3秒的重新捕獲時(shí)間，這對(duì)用戶來說幾乎是不現(xiàn)實(shí)的。

圖3：典型的無線鼠標(biāo)發(fā)送數(shù)據(jù)包。

延長(zhǎng)電池壽命

圖4a和圖4b分別顯示了采用ZigBee方案和私有無線方案的無線鼠標(biāo)到USB適配器的通信序列圖。

圖4a：ZigBee無線鼠標(biāo)通信序列圖。

私有無線方案的序列圖表明，器件的工作時(shí)間為195+16+80+202+49+16微秒=558微秒。對(duì)典型的8ms通信周期來說，實(shí)際的占空比為1：14.3。因?yàn)樵?ms通信周期內(nèi)的工作時(shí)間非常少，所以在“連續(xù)”使用時(shí)的平均消耗電流僅為855毫安。

圖4b：采用Nordic nRF解決方案的無線鼠標(biāo)通信序列圖。

假設(shè)私有無線方案使用單節(jié)AA電池(容量為200mAh)供電，大約連續(xù)工作2350個(gè)小時(shí)，對(duì)普通用戶來說這相當(dāng)于工作一年(包括鼠標(biāo)光傳感器要求的電池功耗，其中無線鏈路占用95%的功率預(yù)算，微控制器消耗剩下的5%功率)。

從ZigBee方案的次序圖可看出，器件的工作時(shí)間為192+200+192+26+608+192+352+10微秒=1.772毫秒。對(duì)于典型的8ms工作周期，實(shí)際的占空比為1：4.5，這比私有無線方案要高得多(主要是由于為了達(dá)到與私有無線方案可比的性能，它的發(fā)送時(shí)間要長(zhǎng)8倍)。在通信期間，ZigBee的平均消耗電流為4mA。這意味著采用單節(jié)AA電池可以連續(xù)工作500小時(shí)，對(duì)普通用戶來說相當(dāng)于2.5個(gè)月。

雖然藍(lán)牙設(shè)備在工作時(shí)平均電流也為4mA，但為了時(shí)刻保持同步，即使在“空閑”模式下它也要消耗8mA的電流(私有無線解決方案的等效待機(jī)電流為10.2毫安，ZigBee為351毫安，見表1)。因此，藍(lán)牙鼠標(biāo)電池的使用時(shí)間不會(huì)超過一個(gè)月。

表1：Nordic nRF2401、ZigBee收發(fā)器和藍(lán)牙收發(fā)器在各種工作模式下的電流消耗。

請(qǐng)注意，電池壽命是基于序列圖所示的8ms總周期(通信周期)的比例，并根據(jù)每種模式下的平均消耗電流計(jì)算出來的，適合連續(xù)使用的場(chǎng)合(即每秒125個(gè)數(shù)據(jù)包，鼠標(biāo)常開)。就像在上述帶寬要求中看到的那樣，無線鼠標(biāo)通常不是工作在這種方式，約90%的時(shí)間處于空閑狀態(tài)。此時(shí)私有無線方案和ZigBee將進(jìn)入待機(jī)模式，消耗電流僅數(shù)毫安，而藍(lán)牙仍要消耗數(shù)毫安的電流，主要原因是藍(lán)牙器件必須保持工作狀態(tài)才能確保通信鏈接一直有效，而其它無線解決方案則沒有這個(gè)要求。

非標(biāo)準(zhǔn)無線技術(shù)的前景

藍(lán)牙和ZigBee展示了如何讓電子企業(yè)合作創(chuàng)建可確保全球市場(chǎng)兼容的工作標(biāo)準(zhǔn)。兩者都是優(yōu)秀的技術(shù)，在它們各自定義的領(lǐng)域可以發(fā)揮重要作用。只需要將藍(lán)牙耳機(jī)連到手機(jī)上就能享受到這種非常實(shí)用的無線技術(shù)帶來的好處。

盡管如此，基于標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)也有缺點(diǎn)。首先，為滿足標(biāo)準(zhǔn)，在初始設(shè)計(jì)和兼容性測(cè)試中必須付出高昂的NRE費(fèi)用。其次，就其字面意義而言，標(biāo)準(zhǔn)必須是“通用性極強(qiáng)”的解決方案，但由于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手也掌握相同的技術(shù)，所以很難使產(chǎn)品在競(jìng)爭(zhēng)激烈的全球市場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)差異化。最后，標(biāo)準(zhǔn)解決方案很少有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)足夠的靈活性，例如，無線產(chǎn)品的功耗降低空間就極其有限。

本文討論的無線鼠標(biāo)應(yīng)用表明，對(duì)要求長(zhǎng)電池壽命、低占空比但可靠的無線通信的產(chǎn)品來說，私有無線解決方案要好于藍(lán)牙和ZigBee。私有無線解決方還適合采用相同設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的其它應(yīng)用，例如無線游戲控制器，以及心跳傳感器和運(yùn)動(dòng)“計(jì)算機(jī)”之間的無線通信。隨著全球無線技術(shù)的不斷普及，在下一代無線通信鏈路中采用非標(biāo)準(zhǔn)無線技術(shù)將是非常有利的。

附：處理干擾

藍(lán)牙、ZigBee和私有無線技術(shù)都能在一定程度上減少工作在相同頻段的其它無線設(shè)備發(fā)出的干擾。

藍(lán)牙采用FHSS(跳頻擴(kuò)頻)技術(shù)，可確保所有79個(gè)1MHz信道在時(shí)間上被均勻覆蓋，以避免一致性信道干擾。

ZigBee在16個(gè)頻段上采用DSSS技術(shù)，因此更擅長(zhǎng)于處理間歇性窄帶干擾。如果存在其它的802.11b/g設(shè)備，ZigBee就更容易受到干擾，也許只能等待其它設(shè)備停止傳送數(shù)據(jù)。

Nordic nRF方案采用更多的方法來避免干擾。因?yàn)樗妮敵龉β蔬m中，所以干擾不太可能發(fā)生。為了降低功耗和復(fù)雜性，Nordic nRF方案不使用擴(kuò)展頻譜機(jī)制，只采用單頻傳送，直到達(dá)到能發(fā)生干擾的包沖突門限。對(duì)器件執(zhí)行簡(jiǎn)單的單字節(jié)SPI指令就能完成信道的再分配。

對(duì)非活動(dòng)的應(yīng)用來說，79個(gè)1MHz信道可以實(shí)現(xiàn)充足的一次性再分配，從而遠(yuǎn)離其它設(shè)備的發(fā)送頻率。即使在像機(jī)場(chǎng)“熱點(diǎn)”這樣的地區(qū)，頻譜再分配的頻率也相對(duì)較低，一般在分鐘或小時(shí)的數(shù)量級(jí)。

在無線鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)案例中，共信道抑制一般為-6dBm。因此，只要從鼠標(biāo)(TX)到USB適配器(RX)的距離小于干擾源到適配器的距離的一半，通信一般不會(huì)被中斷,這是因?yàn)?dB在無線領(lǐng)域中相當(dāng)于雙倍的距離(圖A)。

圖A：由于低RF輸出功率限制了相鄰接收器收到的信號(hào)強(qiáng)度，所以相鄰無線鼠標(biāo)之間的干擾很小。

作者為Nordic半導(dǎo)體公司現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師