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感測器/MEMS  

揭開藍牙低能耗技術內幕

上網時間: 2011年03月09日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:藍牙低能耗  BLE  藍牙  超低功耗  無線技術 

藍牙低能耗(BLE)無線技術利用許多智慧方法大幅地降低功耗。藍牙2.1+EDR/3.0+HS版本(通常指‘標準藍牙技術’)與藍牙低能耗(BLE)技術有許多共同點:它們都是低成本、短距離、可互通作業的強韌性無線技術,工作在免許可的2.4GHz ISM射頻頻段。不過它們之間有一個重要區別:藍牙低能耗技術從一開始就設計為超低功耗(ULP)無線技術,而標準藍牙技術主要是能夠構成‘低功耗的’無線連接。

標準藍牙技術是一種‘針對連接’的無線技術,具有固定的連接時間間隔,因此是行動電話連接無線耳機等高活動連接的理想之選。相反,藍牙低能耗技術採用可變連接時間間隔,這個間隔根據具體應用可以設置為幾毫秒到幾秒不等。另外,因為BLE技術採用非常快速的連接方式,因此平時可以處於‘非連接’狀態(節省能源),此時鏈路兩端相互間只是知曉對方,只有在必要時才開啟鏈路,然後在盡可能短的時間內關閉鏈路。

BLE技術的工作模式非常適合用於從微型無線感測器(每半秒交換一次數據)或使用完全非同步通訊的遙控器等其它週邊設備傳送數據。這些設備發送的數據量非常少(通常幾個位元組),而且發送次數也很少(例如每秒幾次到每分鐘一次,甚至更少)。

BLE的兩種晶片架構

藍牙低能耗架構共有兩種晶片構成:單模晶片和雙模晶片。藍牙單模元件是藍牙規格中新出現的一種只支援藍牙低能耗技術的晶片──是專門針對ULP作業最佳化的技術的一部份。藍牙單模晶片可以和其它單模晶片及雙模晶片通訊,此時後者需要使用自身架構中的藍牙低能耗技術部份進行收發數據(圖1)。雙模晶片也能與標準藍牙技術及使用傳統藍牙架構的其它雙模晶片通訊。

圖1:雙模晶片將使用其架構中的藍牙低能耗部份與單模元件通訊。
圖1:雙模晶片將使用其架構中的藍牙低能耗部份與單模元件通訊。

雙模晶片可以在目前使用標準藍牙晶片的任何場合使用。這樣安裝有雙模晶片的手機、PC、個人導航設備(PND)或其它應用就可以和市場上已經在用的所有傳統標準藍牙設備以及所有未來的藍牙低能耗設備通訊。然而,由於這些設備要求執行標準藍牙和藍牙低能耗任務,因此雙模晶片針對ULP作業的最佳化程度沒有像單模晶片那麼高。

單模晶片可以用單節鈕扣電池(如3V、220mAh的CR2032)工作很長時間(幾個月甚至幾年)。相反,標準藍牙技術(和藍牙低能耗雙模元件)通常要求使用至少兩節AAA電池(電量是鈕扣電池的10至12倍,可以容忍高得多的峰值電流),並且更多情況下最多只能工作幾天或幾周的時間(取決於具體應用)。注意,也有一些高度專業化的標準藍牙設備,它們可以使用容量比AAA電池低的電池工作。

超低功耗無線技術

藍牙低能耗技術的三大特性成就了ULP性能,這三大特性分別是最大化的待機時間、快速連接和低峰值的發送/接收功耗。

無線‘開啟’的時間只要不是很短就會令電池壽命急劇降低,因此任何必須的發送或接收任務需要很快完成。被藍牙低能耗技術用來最小化無線開啟時間的第一個技巧是僅用3個‘廣告’訊息通道搜索其它設備,或向尋求設立連接的設備宣告自身存在。相較之下,標準藍牙技術使用了32個訊息通道。

這意味著藍牙低能耗技術掃描其它設備只需‘開啟’0.6至1.2ms時間,而標準藍牙技術需要22.5ms時間來掃描它的32個訊息通道。結果藍牙低能耗技術定位其它無線設備所需的功耗要比標準藍牙技術低10至20倍。

值得注意的是,使用3個廣告訊息通道是某種程度上的妥協:這是在頻譜非常擁擠的部份對‘開啟’時間(對應於功耗)和強韌性的一種折衷(廣告訊息通道越少,另外一個無線設備在選用頻率上廣播的機會就越多,就越容易造成訊號衝突)。不過該規格的設計師對於平衡這種妥協相當有信心──例如,他們選擇的廣告訊息通道不會與Wi-Fi默認訊息通道產生衝突(見圖2)。

圖2:藍牙低能耗技術的廣告訊息通道是經過慎重選擇的,可以避免與Wi-Fi產生衝突。
圖2:藍牙低能耗技術的廣告訊息通道是經過慎重選擇的,可以避免與Wi-Fi產生衝突。

一旦連接成功後,藍牙低能耗技術就會切換到37個數據訊息通道之一。在短暫的數據傳送期間,無線訊號將使用標準藍牙技術倡導的自適應跳頻(AFH)技術以偽隨機的方式在訊息通道間切換(雖然標準藍牙技術使用79個數據訊息通道)。

要求藍牙低能耗技術無線開啟時間最短的另一個原因是它具有1Mbps的原始數據頻寬──更大的頻寬允許在更短的時間內發送更多的資訊。舉例來說,具有250kbps頻寬的另一種無線技術發送相同資訊需要開啟的時間要長8倍(消耗更多電池能量)。

藍牙低能耗技術‘完成’一次連接(即掃描其它設備、設立鏈路、發送數據、認證和適當地結束)只需3ms。而標準藍牙技術完成相同的連接週期需要數百毫秒。再次提醒,無線開啟時間越長,消耗的電池能量就越多。

藍牙低能耗技術還能透過兩種其它方式限制峰值功耗:採用更加‘寬鬆的’射頻參數以及發送很短的數據封包。兩種技術都使用高斯頻移鍵控(GFSK)調變,但藍牙低能耗技術使用的調變指數是0.5,而標準藍牙技術是0.35。0.5的指數接近高斯最小頻移鍵控(GMSK)方案,可以降低無線設備的功耗要求(這方面的原因比較複雜,本文暫不贅述)。更低調變指數還有兩個好處,即提高覆蓋範圍和增強強韌性。

標準藍牙技術使用的數據封包長度較長。在發送這些較長的數據封包時,無線設備必須在相對較高的功耗狀態保持更長的時間,因而容易使矽晶片發熱。這種發熱將改變材料的實體特性,進而改變傳送頻率(中斷鏈路),除非頻繁地對無線設備進行再次校準。再次校準將消耗更多的功率(並且要求閉環架構,使得無線設備更加複雜,因而推高設備價格)。

相反,藍牙低能耗技術使用非常短的數據封包──這能使矽晶片保持在低溫狀態。因此,藍牙低能耗收發器不需要較耗能的再次校準和閉環架構。

擴展藍牙生態系統

藍牙低能耗技術設計非常適合由於嚴格的功耗限制而無法使用標準藍牙技術的應用場合。這是第一次向電子設計師提供具有嚴格互通作業性的ULP無線技術,可望帶來數百種新的應用。

一些早期的應用跡象也許是,藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)試圖透過發佈首批配置(profile)進一步補充藍牙版本4.0核心規格(包括了BLE):這些配置針對諸如個人用戶介面設備(如手錶)、遙控器、距離感應警告儀、電池狀態和心率監視器等一些應用最佳化了藍牙低能耗通用晶片。其它健康和健身監視配置(如血糖儀和血壓計、週期性節律儀和週期性奇異電源)將隨後推出(見圖3)。

圖3:藍牙核心規格版本4.0定義了藍牙低能耗技術的架構。相應配置即將推出。
圖3:藍牙核心規格版本4.0定義了藍牙低能耗技術的架構。相應配置即將推出。

下面讓我們看一下藍牙低能耗技術是如何在以下兩種潛在應用中發揮作用的:距離感應警告和室內定位(有時也稱為室內GPS)。

手機和可攜式PC製造商採用雙模晶片是因為這些晶片的價格只比標準藍牙技術稍高一點,但能提供豐富得多的功能。手機製造商可以借此提供包含手錶的安全設備。這種手錶將週期性地與手機進行通訊,如果手機移到一定的範圍之外──因而無法與用戶佩戴的手錶聯繫──它將自動鎖死,同時手錶發出警告。這將防止手機意外丟失,並對任何潛在的小偷發揮重要的震懾作用。

距離感應警告應用還可以延伸至可攜式電腦,當用戶行動到一定範圍之外時將可攜式電腦鎖定(也許當靠近的用戶按下手錶上的某個鍵時也能解鎖)。這種應用還能作為兒童安全設備,當兒童與父母在一定範圍內時他們手上的手錶能保持正常通訊,當兒童跑出設定範圍時發出聲音警告。

藍牙低能耗感測器的低成本和低維護量(因為電池不需要頻繁更換)將鼓勵在公共場所的廣泛使用。一種關鍵應用是室內定位(在沒有GPS訊號的地方)。此時將由分佈在大型公共建築(如機場或火車站)周圍的感測器不斷地廣播它們的位置資訊。裝備了藍牙低能耗技術的手機在這個範圍內通過時就可以向它的主人顯示這些位置資訊。

感測器還可以發送其它資訊,如航班起飛時間和登機口、娛樂場所位置或附近商店的特價商品等(圖4)。

圖4:佈置在機場候機樓周圍的藍牙低能耗感測器能夠持續廣播各自的位置資訊,在這個範圍內經過的手機隨之就可以顯示這些資訊。
圖4:佈置在機場候機樓周圍的藍牙低能耗感測器能夠持續廣播各自的位置資訊,在這個範圍內經過的手機隨之就可以顯示這些資訊。

最後步驟

有多家晶片供應商已經設計出藍牙低能耗晶片,並向選定客戶提供了樣品和開發套件。目前的藍牙版本4.0規格允許這些公司自己認證他們的晶片是否滿足藍牙低能耗規格。

例如,Nordic公司已可提供藍牙低能耗晶片MicroBlue的樣品,並為重要客戶提供MicroBlue原型套件。MicroBlue系列中的第一款產品是nRF8001──這是採用32接腳5x5mm QFN封裝的一種單模週邊設備解決方案,整合了完全嵌入式無線電、鏈路控制器和主機子系統──非常適合手錶、感測器和遙控器等應用(見圖5)。

圖5:Nordic半導體的MicroBlue nRF8001 ──一種單模週邊設備解決方案,適合手錶、感測器和遙控器等應用──將是市場上首批藍牙低能耗晶片之一。
圖5:Nordic半導體的MicroBlue nRF8001 ──一種單模週邊設備解決方案,適合手錶、感測器和遙控器等應用──將是市場上首批藍牙低能耗晶片之一。

藍牙低能耗的最後一塊拼板即將完成。藍牙技術聯盟表示第一批配置──比如距離感應警告──將在數月內開始推出。這意味著電子設計師能在今年年底前拿到完全認證過的晶片開始實際產品開發。

一旦經過完全認證的晶片上市,將有一大批藍牙低能耗產品問市。據Analyst IMS估計,到2013年,每年將售出10億台藍牙低能耗設備,這個數量展現了目前為止無線技術的最快普及速度。

作者:Kjartan Furset

Nordic 半導體公司





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