發布日期：2022-07-15 點擊率：33
問:為便攜式裝置添加無線功能進行設計時,有哪些新挑戰出現呢?
答:為便攜式裝置添加無線連接功能時,設計上主要有四大挑戰:成本、復雜性、耗電以及尺寸。作為設計師,你希望能添加無線功能,但消費者卻不太樂意為這種便利多花錢。這意味著賣家無論在為他們的芯片定價,還是針對大批量產品應用時都應該非常慎重。
對設計而言,無線功能還要簡單易行。對許多設計師來說,增加無線功能并非易事。畢竟,射頻芯片集RF,模擬和數碼功能于一身,是技術復雜的產品。不過,大多數射頻芯片的供應商也生產單片射頻收發器,這使得整個過程稍微容易一些。但這也并非只是隨手把一個芯片加到PCB上那么簡單。你還得了解可能影響你設計表現的相關問題,諸如天線的位置、距離和干擾等。
一般說來,諸如的標準易于確保兼容性。但由于必須符合標準,這樣就延長了產品推向市場的時間,同時也增加了非經常性工程成本(NRE)。有一些專有的射頻裝置,例如Nordic Semiconductor's nRF24xx系列,在對等通信應用時,不僅比藍牙表現更佳,而且無須遵從特定標準(當然必須符合當地的RF法規的要求)。如果你的產品是用于與其他制造商的產品構成一個微微網,那么藍牙會是一個不錯的選擇。不過,如果連接系統兩端均為同一公司產品的話,在對等通信應用時,藍牙的表現往往會比其他產品差。目前藍牙正被捧得天花亂墜,設計師們很容易忽略上述事實。ZigBee技術也面臨類似的挑戰。
另外,功耗是個關鍵因素。在便攜式裝置中,需要適度控制功耗。舉例來說,如果你的裝置擁有功能強大的微處理器和背光的屏幕,那么50-60%的電源一下子就被用掉了。但是消費者們要求電池最少可供手機和MP3播放機使用十小時。這意味著射頻裝置必須非常節能。藍牙1.2芯片甚至最新的2.0+EDR由于各種各樣的原因,都不是最節能的裝置。其中最主要是為了維持系統的連接,藍牙每675μS就得傳送一個160bits的數據包,即每秒傳送1600個數據包,或等同于256kbps的凈數據率。這就是為何藍牙射頻裝置只適用于低占空比應用的原因之一。比如說,如用在音頻串流時,藍牙射頻裝置幾個小時內就會耗光電池。在某種程度上,ZigBee通過繞開同步要求解決了這個問題。但因此限制了帶寬而令它不適用于消費類產品。
Nordic Semiconductor的芯片特別為超低耗電而開發。所以當用于相同應用時,既能提供跟藍牙相同帶寬和距離而電池壽命通常又為藍牙兩倍。Nordic的芯片不僅在功耗上優于ZigBee,而且能提供更大帶寬。
最后一點是幾乎每一個設計工程師都會面對的,就是如何將所需的電子元件都放在一個足以令消費者們滿意的小巧便攜式裝置內。這意味著在已經相當擁擠的PCB里,恐怕再沒什么空間來添加笨拙的射頻收發器和它的周邊電路。盡管很多射頻芯片廠家已能做到高度集成,但還是需要外置MCU和元件來控制。相比之下,我們的nRF24xx射頻收發器不僅在 ISM波段操作可提供高達4Mbps的帶寬,并將RF收發器,8051 MCU,4個通道,12bits ADC以及不同的標準界面,采用μm CMOS的技術集成在一個尺寸僅為6X6mm的芯片內。而且你只需要幾個被動型的外圍零件便足以使產品工作。
問:一般而言,工程師在為便攜式裝置添加無線功能時需要什么樣的系統結構？他們如何選擇射頻協定？你能提供一些指導性的建議嗎？
答:當然這完全取決于應用方面。正如我已經指出的,設計師應該盡量把無線連接設計得越簡單越好。因為如果設計超過實際需要,那不僅成本高,耗電大,而且增加了復雜性。比如說,大多數便攜式裝置只需在幾米范圍內工作,這就不需要浪費資源去使用一個工作范圍達幾十米的芯片。決定帶寬的要求也很重要,如果應用并不需要高帶寬,那就不必把它設計進去。
另外一個值得仔細考慮的方面是芯片供應商會提供什么程度的技術支援。比如在調試天線定位時或許需要技術協助。或就RF而言,PCB布局會直接影響到射頻裝置的效果,在這方面你也可能需要一些建議。
如果你和分銷商打交道,要確定他們了解如何使用射頻芯片。因為銷售射頻芯片所涉及的技術要求比一般芯片為多。一般而言,你需要一個適當的射頻裝置在無須執照的ISM(工業、科技和醫藥)波段下運作。比如,在美國,你可以使用915MHz波段,而在歐洲,則需要使用434或868MHz。被視為一個“全球性”的波段,藍牙和ZigBee都使用它。Nordic則制造在所有這些波段都能使用的射頻收發器。這個波段的廣泛利用也有不利的一面,那就是許多的射頻都使用它。隨口就能說上的幾個例子包括無繩電話、Wi-Fi、Bluetooth和微波爐等。
這就意味著所有的的無線設備都會受到其他設備的干擾(尤其是在嘈雜的環境中)。為了減少這種情況的出現,藍牙,ZigBee和Nordic Semiconductor的芯片都采用了自適應跳頻技術。也就是說,這些芯片采用了擴展頻譜技術在整個波段中傳送1MHz頻道。
舉例來說,Nordic的芯片在和之間有多達83個的1MHz的頻道可以使用。或者更準確地說,到之間被分成79個1MHz的頻道,再加上一個2MHz的低端保護頻帶和一個的高端保護頻帶。這種方法和藍牙完全一樣。而ZigBee則使用16個頻道。
如果有干擾的情況發生,那么配對的射頻收發器就會轉到一個不受干擾的頻道,發射器會重新發送未被接收的數據封包。
當然,在一個擁擠的無線網絡環境中,由于射頻收發器經常需要轉換頻率和重新發送數據封包,因此帶寬會縮小。“選擇無線協定是一個非常重要但經常被忽略的因素。該協定的“效率”在某種程度上決定了你無線連接的相應帶寬和功耗。
效率是一種對每個已發送的數據包承載的有效載荷的衡量標準。舉例來說,藍牙1.2使用160bits的數據包,其中僅有32bits是有關數據的有效載荷,其余的128bits則用于建立連接的代碼,起始碼和部分用于確保兼容性。這時效率為百分之二十。如發送相同數量的數據,ZigBee裝置使用的是百分之二十一的152bits的數據包。 Nordic的nRF24L01是專門為超低功耗而設計,所使用的協定為80bits的數據包加上48bits開銷,所以其效率能達到百分之四十。
簡單地說,若與藍牙相比,在發送同樣數量的數據時,nRF24L01只使用一半的功耗(換言之,在使用同樣功耗時能提供兩倍的帶寬。)“許多設計師都熱衷于使用藍牙是因為其“相容性”。不過,這也等同讓競對手也能輕易使用同樣的技術,在競爭日益加劇的全球市場上,難以使自己的產品與他人的產品區分開來。標準的解決方案在設計方面提供的靈活性機會寥寥無幾。比如說,如何節能能量方面,你就非常受限制。
不過,如果你是在設計一個用于與其它廠家的產品進行連接的裝置,如手機或PDA, 那 藍牙是個不錯的解決方案。可是,如果連接系統兩端的產品都由你制造,比如是一部提供無線音頻的MP3的播放機,用來與一對無線耳機進行串流,這種情況下,你的眼光就要放得遠些了。
藍牙是一種折衷的技術,實際上并不是一種特別好的射頻設備。因此,在一些特殊應用領域,考慮使用市場上其他的射頻芯片方案,無論從技術上,還是商業上都會真正產生效益。
問:你們將開發什么樣的新產品或新技術來應對這些挑戰？怎樣幫助便攜式裝置產品的設計師們解決問題？在將來,你們將為自己的產品融合哪些新功能？
答:“Nordic所提供的產品和服務是專門針對和解決便攜式器材的設計師們為其產品添加無線連接功能時所面對的難題。我們的射頻收發器功能完整,而小巧輕便。它使用有效率的協定,非常低功耗,而且這具有自適應的跳頻技術的功能。
配備Nordic芯片的產品也可以用于與其它產品聯網,而且我們的芯片定價相當有競爭力。 我們的芯片可傳送高達4Mbps的數據,這種速度即使是藍牙2.0+EDR也無法達到(其標稱速度為3Mbps)。由于我們是專業公司,而且不必受到某個標準要求的制約,因此我們一向能自由地設計和提供一流的射頻芯片。
藍牙和ZigBee由于實際上是“委員會設定標準”,因此它們始終將是折衷的技術。“我們將始終如一地開發新技術,努力使我們的芯片體積更小巧,功能更完善,而功耗更低。
“我們著眼于設計芯片以解決我們客戶應用時所面對的困難。比如,我們的nRF24L01是一個功耗極低的產品,適合于諸如無線鼠標這類非常重視功耗(因其經常處于工作狀態)而帶寬只是次要考慮的應用。
相比之下,我們的nRF24Z1則是一個高帶寬的產品,專門針對MP3播放機和無線耳機之間的無線音頻串流而設計。它的速度高達4Mbps,足以傳輸無需壓縮的CD音質。藍牙卻達不到CD那樣的音質,這就是為何藍牙耳機的效果常常被形容成“尖聲細氣”而且缺乏動態范圍(這是經常在雜志看到對藍牙無線耳機的評價,無論是哪個廠家的產品,你都會經常看到這類的說法)。然而,音質盡管相當重要,卻只是一付無線音頻耳機能夠取得成功的部分因素。
同樣重要的還包括電池壽命。在這方面,nRF24Z1僅藍牙芯片功耗的一半。
問:你們如何幫助設計師們讓無線設計變得更簡單？你們又如何幫助他們減少無線功能功耗？
答:“作為一家無線領域的專業公司,Nordic Semiconductor聘用了許多RF的專家能手,這些人能夠為我們客戶就無線設計方面的問題提供幫助。“正如剛才討論過的,功耗是根據射頻芯片的設計和其使用的協定來決定的。
許多年來,Nordic的設計始終在不斷改進,日益完善。尤其在降低功耗方面。而我們也一直改良芯片,以達到最佳效率。
相比之下,藍牙和ZigBee受到他們相應協定要求的制約,因此在減低功耗方面他們很難有作為。比如,一個典型的BT 1.2的射頻芯片運行時的平均耗電量為60mA(有些廠家的產品運行效率或會好一些)。
與之相比,nRF24Z1的平均傳送電流為,平均接收電流為。(這是基于有良好的無線連接,傳送和接收未經壓縮的,16bits的音頻流)在“閑置”的模式中,為了維持同步性,藍牙也會消耗8mA(在同樣閑置的情況下,Nordic nRF24LZ1的消耗為5μA,而ZigBee為350μA.)”
問:您能否預測無線設計在便攜式裝置領域將有哪些趨勢？您能否預測這類市場的規模大小？為了獲取更大的市場份額,你們將采取哪些策略？
答:“以Nordic Semiconductor目前所見,無線技術將會有快速的發展和增長。
我們的經驗是,消費者不喜歡有線的限制。他們對無線產品帶來的自由和便利倍感重視。在成本與傳統的有線產品相差無幾的時候,消費者也會因為無線所帶來的方便而選擇無線產品。
比如說,應用藍牙的無線音頻的音質并不太好(例如耳機和臺式電腦用的無線揚聲器),但是消費者仍然會購買這類產品(大多數主要藍牙裝置的供應商都稱銷售增長強勁)。消費者看來真是很喜歡“擺脫有線的限制”,因此他們愿意忍受比較差的音質。
不過,我們芯片能提供無需壓縮的CD音質,這意味著在音質方面大可不必折衷(實際上在電池壽命上也如此)。我們充滿信心地期待,當采用了我們技術的產品推向市場時,這些優勢會導致在需求上的巨大增長。
我們相信 藍牙在教育消費者了解無線連接好處的方面已經做得很出色, 但是它畢竟只是一種局限設計師的折衷的技術。
我最近讀到某位一流的RF射頻設計大師的一段評論,我完全同意他的觀點。他說即使是藍牙 SIG的某些成員也認為:“藍牙與以往另一個也曾被大肆吹捧和大量使用的技術IRDA還真有不少的類似之處；盛行之時當然好,對某些技術人員挺有用,但它最終難逃孤寂消亡的命運。”
