問:為便攜式裝置添加無線功能進(jìn)行設(shè)計時,有哪些新挑戰(zhàn)出現(xiàn)呢?

答:為便攜式裝置添加無線連接功能時,設(shè)計上主要有四大挑戰(zhàn):成本、復(fù)雜性、耗電以及尺寸。作為設(shè)計師,你希望能添加無線功能,但消費(fèi)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(chǎn)品應(yīng)用時都應(yīng)該非常慎重。

對設(shè)計而言,無線功能還要簡單易行。對許多設(shè)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(shù)碼功能于一身,是技術(shù)復(fù)雜的產(chǎn)品。不過,大多數(shù)射頻芯片的供應(yīng)商也生產(chǎn)單片射頻收發(fā)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(shè)計表現(xiàn)的相關(guān)問題,諸如天線的位置、距離和干擾等。

一般說來,諸如的標(biāo)準(zhǔn)易于確保兼容性。但由于必須符合標(biāo)準(zhǔn),這樣就延長了產(chǎn)品推向市場的時間,同時也增加了非經(jīng)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(yīng)用時,不僅比藍(lán)牙表現(xiàn)更佳,而且無須遵從特定標(biāo)準(zhǔn)(當(dāng)然必須符合當(dāng)?shù)氐腞F法規(guī)的要求)。如果你的產(chǎn)品是用于與其他制造商的產(chǎn)品構(gòu)成一個微微網(wǎng),那么藍(lán)牙會是一個不錯的選擇。不過,如果連接系統(tǒng)兩端均為同一公司產(chǎn)品的話,在對等通信應(yīng)用時,藍(lán)牙的表現(xiàn)往往會比其他產(chǎn)品差。目前藍(lán)牙正被捧得天花亂墜,設(shè)計師們很容易忽略上述事實。ZigBee技術(shù)也面臨類似的挑戰(zhàn)。

另外,功耗是個關(guān)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(qiáng)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(fèi)者們要求電池最少可供手機(jī)和MP3播放機(jī)使用十小時。這意味著射頻裝置必須非常節(jié)能。藍(lán)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(jié)能的裝置。其中最主要是為了維持系統(tǒng)的連接,藍(lán)牙每675μS就得傳送一個160bits的數(shù)據(jù)包,即每秒傳送1600個數(shù)據(jù)包,或等同于256kbps的凈數(shù)據(jù)率。這就是為何藍(lán)牙射頻裝置只適用于低占空比應(yīng)用的原因之一。比如說,如用在音頻串流時,藍(lán)牙射頻裝置幾個小時內(nèi)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(fèi)類產(chǎn)品。

Nordic Semiconductor的芯片特別為超低耗電而開發(fā)。所以當(dāng)用于相同應(yīng)用時,既能提供跟藍(lán)牙相同帶寬和距離而電池壽命通常又為藍(lán)牙兩倍。Nordic的芯片不僅在功耗上優(yōu)于ZigBee,而且能提供更大帶寬。

最后一點是幾乎每一個設(shè)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(fèi)者們滿意的小巧便攜式裝置內(nèi)。這意味著在已經(jīng)相當(dāng)擁擠的PCB里,恐怕再沒什么空間來添加笨拙的射頻收發(fā)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(fā)器不僅在 ISM波段操作可提供高達(dá)4Mbps的帶寬,并將RF收發(fā)器,8051 MCU,4個通道,12bits ADC以及不同的標(biāo)準(zhǔn)界面,采用μm CMOS的技術(shù)集成在一個尺寸僅為6X6mm的芯片內(nèi)。而且你只需要幾個被動型的外圍零件便足以使產(chǎn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)？他們?nèi)绾芜x擇射頻協(xié)定？你能提供一些指導(dǎo)性的建議嗎？

答:當(dāng)然這完全取決于應(yīng)用方面。正如我已經(jīng)指出的,設(shè)計師應(yīng)該盡量把無線連接設(shè)計得越簡單越好。因為如果設(shè)計超過實際需要,那不僅成本高,耗電大,而且增加了復(fù)雜性。比如說,大多數(shù)便攜式裝置只需在幾米范圍內(nèi)工作,這就不需要浪費(fèi)資源去使用一個工作范圍達(dá)幾十米的芯片。決定帶寬的要求也很重要,如果應(yīng)用并不需要高帶寬,那就不必把它設(shè)計進(jìn)去。

另外一個值得仔細(xì)考慮的方面是芯片供應(yīng)商會提供什么程度的技術(shù)支援。比如在調(diào)試天線定位時或許需要技術(shù)協(xié)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(shù)要求比一般芯片為多。一般而言,你需要一個適當(dāng)?shù)纳漕l裝置在無須執(zhí)照的ISM(工業(yè)、科技和醫(yī)藥)波段下運(yùn)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(lán)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(fā)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(shè)備都會受到其他設(shè)備的干擾(尤其是在嘈雜的環(huán)境中)。為了減少這種情況的出現(xiàn),藍(lán)牙,ZigBee和Nordic Semiconductor的芯片都采用了自適應(yīng)跳頻技術(shù)。也就是說,這些芯片采用了擴(kuò)展頻譜技術(shù)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(dá)83個的1MHz的頻道可以使用。或者更準(zhǔn)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(hù)頻帶和一個的高端保護(hù)頻帶。這種方法和藍(lán)牙完全一樣。而ZigBee則使用16個頻道。

如果有干擾的情況發(fā)生,那么配對的射頻收發(fā)器就會轉(zhuǎn)到一個不受干擾的頻道,發(fā)射器會重新發(fā)送未被接收的數(shù)據(jù)封包。

當(dāng)然,在一個擁擠的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,由于射頻收發(fā)器經(jīng)常需要轉(zhuǎn)換頻率和重新發(fā)送數(shù)據(jù)封包,因此帶寬會縮小。“選擇無線協(xié)定是一個非常重要但經(jīng)常被忽略的因素。該協(xié)定的“效率”在某種程度上決定了你無線連接的相應(yīng)帶寬和功耗。

效率是一種對每個已發(fā)送的數(shù)據(jù)包承載的有效載荷的衡量標(biāo)準(zhǔn)。舉例來說,藍(lán)牙1.2使用160bits的數(shù)據(jù)包,其中僅有32bits是有關(guān)數(shù)據(jù)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(fā)送相同數(shù)量的數(shù)據(jù),ZigBee裝置使用的是百分之二十一的152bits的數(shù)據(jù)包。 Nordic的nRF24L01是專門為超低功耗而設(shè)計,所使用的協(xié)定為80bits的數(shù)據(jù)包加上48bits開銷,所以其效率能達(dá)到百分之四十。

簡單地說,若與藍(lán)牙相比,在發(fā)送同樣數(shù)量的數(shù)據(jù)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(shè)計師都熱衷于使用藍(lán)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(shù),在競爭日益加劇的全球市場上,難以使自己的產(chǎn)品與他人的產(chǎn)品區(qū)分開來。標(biāo)準(zhǔn)的解決方案在設(shè)計方面提供的靈活性機(jī)會寥寥無幾。比如說,如何節(jié)能能量方面,你就非常受限制。

不過,如果你是在設(shè)計一個用于與其它廠家的產(chǎn)品進(jìn)行連接的裝置,如手機(jī)或PDA, 那 藍(lán)牙是個不錯的解決方案。可是,如果連接系統(tǒng)兩端的產(chǎn)品都由你制造,比如是一部提供無線音頻的MP3的播放機(jī),用來與一對無線耳機(jī)進(jìn)行串流,這種情況下,你的眼光就要放得遠(yuǎn)些了。

藍(lán)牙是一種折衷的技術(shù),實際上并不是一種特別好的射頻設(shè)備。因此,在一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域,考慮使用市場上其他的射頻芯片方案,無論從技術(shù)上,還是商業(yè)上都會真正產(chǎn)生效益。

問:你們將開發(fā)什么樣的新產(chǎn)品或新技術(shù)來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)？怎樣幫助便攜式裝置產(chǎn)品的設(shè)計師們解決問題？在將來,你們將為自己的產(chǎn)品融合哪些新功能？

答:“Nordic所提供的產(chǎn)品和服務(wù)是專門針對和解決便攜式器材的設(shè)計師們?yōu)槠洚a(chǎn)品添加無線連接功能時所面對的難題。我們的射頻收發(fā)器功能完整,而小巧輕便。它使用有效率的協(xié)定,非常低功耗,而且這具有自適應(yīng)的跳頻技術(shù)的功能。

配備Nordic芯片的產(chǎn)品也可以用于與其它產(chǎn)品聯(lián)網(wǎng),而且我們的芯片定價相當(dāng)有競爭力。 我們的芯片可傳送高達(dá)4Mbps的數(shù)據(jù),這種速度即使是藍(lán)牙2.0+EDR也無法達(dá)到(其標(biāo)稱速度為3Mbps)。由于我們是專業(yè)公司,而且不必受到某個標(biāo)準(zhǔn)要求的制約,因此我們一向能自由地設(shè)計和提供一流的射頻芯片。

藍(lán)牙和ZigBee由于實際上是“委員會設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)”,因此它們始終將是折衷的技術(shù)。“我們將始終如一地開發(fā)新技術(shù),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(shè)計芯片以解決我們客戶應(yīng)用時所面對的困難。比如,我們的nRF24L01是一個功耗極低的產(chǎn)品,適合于諸如無線鼠標(biāo)這類非常重視功耗(因其經(jīng)常處于工作狀態(tài))而帶寬只是次要考慮的應(yīng)用。

相比之下,我們的nRF24Z1則是一個高帶寬的產(chǎn)品,專門針對MP3播放機(jī)和無線耳機(jī)之間的無線音頻串流而設(shè)計。它的速度高達(dá)4Mbps,足以傳輸無需壓縮的CD音質(zhì)。藍(lán)牙卻達(dá)不到CD那樣的音質(zhì),這就是為何藍(lán)牙耳機(jī)的效果常常被形容成“尖聲細(xì)氣”而且缺乏動態(tài)范圍(這是經(jīng)常在雜志看到對藍(lán)牙無線耳機(jī)的評價,無論是哪個廠家的產(chǎn)品,你都會經(jīng)常看到這類的說法)。然而,音質(zhì)盡管相當(dāng)重要,卻只是一付無線音頻耳機(jī)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(lán)牙芯片功耗的一半。

問:你們?nèi)绾螏椭O(shè)計師們讓無線設(shè)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(lǐng)域的專業(yè)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(shè)計方面的問題提供幫助。“正如剛才討論過的,功耗是根據(jù)射頻芯片的設(shè)計和其使用的協(xié)定來決定的。

許多年來,Nordic的設(shè)計始終在不斷改進(jìn),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(dá)到最佳效率。

相比之下,藍(lán)牙和ZigBee受到他們相應(yīng)協(xié)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(yùn)行時的平均耗電量為60mA(有些廠家的產(chǎn)品運(yùn)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(jīng)壓縮的,16bits的音頻流)在“閑置”的模式中,為了維持同步性,藍(lán)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(yù)測無線設(shè)計在便攜式裝置領(lǐng)域?qū)⒂心男┶厔荩磕芊耦A(yù)測這類市場的規(guī)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(shù)將會有快速的發(fā)展和增長。

我們的經(jīng)驗是,消費(fèi)者不喜歡有線的限制。他們對無線產(chǎn)品帶來的自由和便利倍感重視。在成本與傳統(tǒng)的有線產(chǎn)品相差無幾的時候,消費(fèi)者也會因為無線所帶來的方便而選擇無線產(chǎn)品。

比如說,應(yīng)用藍(lán)牙的無線音頻的音質(zhì)并不太好(例如耳機(jī)和臺式電腦用的無線揚(yáng)聲器),但是消費(fèi)者仍然會購買這類產(chǎn)品(大多數(shù)主要藍(lán)牙裝置的供應(yīng)商都稱銷售增長強(qiáng)勁)。消費(fèi)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(zhì)。

不過,我們芯片能提供無需壓縮的CD音質(zhì),這意味著在音質(zhì)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(dāng)采用了我們技術(shù)的產(chǎn)品推向市場時,這些優(yōu)勢會導(dǎo)致在需求上的巨大增長。

我們相信 藍(lán)牙在教育消費(fèi)者了解無線連接好處的方面已經(jīng)做得很出色, 但是它畢竟只是一種局限設(shè)計師的折衷的技術(shù)。

我最近讀到某位一流的RF射頻設(shè)計大師的一段評論,我完全同意他的觀點。他說即使是藍(lán)牙 SIG的某些成員也認(rèn)為:“藍(lán)牙與以往另一個也曾被大肆吹捧和大量使用的技術(shù)IRDA還真有不少的類似之處；盛行之時當(dāng)然好,對某些技術(shù)人員挺有用,但它最終難逃孤寂消亡的命運(yùn)。”