非標準無線技術的應用優勢分析

藍牙非常適合在由PDA、耳機、手機和筆記本電腦組成的個人局域網(PAN)上建立全面兼容的通信，在這種情況下采用標準的無線技術確實可以減少很多設計挑戰。可以確定的是，這樣的設計肯定能與另外一個采用相同標準的設計成功地建立通信，并達到想要的距離范圍和數據傳輸速率。但在具有大量節點、需要可靠但不頻繁的通信，以及電池要用數年的網絡中，最近批準的ZigBee標準更加適用。

然而，采用這些標準需要付出一定的代價。這些芯片相對昂貴，僅為了確保兼容性就需要大量數據包開銷，從而增加數據傳輸時間和功耗。802.15解決方案需要做很多設計和測試工作來確保與標準的兼容性，這對確保許多制造商提供的移動設備、筆記本或無線傳感器之間的互操作性時很有意義。但如果目標應用是點到點的專用鏈路，如無線鼠標到鍵盤，這個代價就顯得毫無必要。隨著制造商開始尋找機會為海外市場開發創新產品，這些低成本、低功耗應用變得越來越重要。

本文介紹由Nordic半導體公司為這些典型應用而開發的集成式專利無線芯片(nRF24xx系列)的優點，對使用藍牙、ZigBee和該芯片做的無線鼠標設計進行對比，并演示這種替代無線技術的先進性。這些設計的基本單元無需大的改動就可以實現其它簡單的應用，如游戲控制器和“智能”運動設備。

標準和非標準無線技術的對比

藍牙協議允許在(PAN或“微蜂窩”中的)1個主設備和最多7個從設備之間傳送數據，最高速率可達723kbps。然而，實際數據有效載荷一般會由于通信協議開銷而所有減少。這些通信協議開銷主要是利用地址和其它頭部信息來定義每個單元的類型，用以確保與其它藍牙設備的兼容性。

藍牙標準采用高斯頻移鍵控(GFSK)調制方案，在2.4GHz頻段內使用83個1Mbps的信道。GFSK先對調制過的基帶信號進行高斯濾波，然后再送到載波發射電路,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,可以使發送信號的頻譜更加窄、更加“干凈”。

藍牙工作在與其它無線技術(如Wi-Fi)相同的免許可ISM頻段，其它無線技術的干擾會使數據速率降低，因為經常會有錯誤的數據包需要重發。不過，版本1.2通過采用自適應跳頻(AFH)技術解決了這個問題。這種技術允許兩個通信中的藍牙設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備發生沖突。

藍牙設備共有3種基本的功率等級：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)。目前大多數消費類設備屬于藍牙Class2類型的設備。

藍牙微蜂窩中的每個設備都有唯一的48位識別符。第一個被識別的設備(通常在2秒以內)將成為主設備，它會在整個頻段上設置為每秒使用1,600個頻率。微蜂窩中的所有其它設備“鎖定”或同步于這個序列。主設備在偶時隙發送信號，從設備在奇時隙作出響應。微蜂窩中被激活的從設備都會被分配一個地址，并偵聽帶有它們自己地址的時隙。

從設備也會進入低功率的“嗅探(Sniff)”、“保持(hold)”或“停止運行(park)”模式。在嗅探模式下，設備只是周期性地在特定的嗅探時隙進行偵聽，但仍保持同步狀態。在保持模式下，設備也只是偵聽以確定是否要激活。在停止運行狀態，設備甚至會釋放它的地址。雖然保持和停止運行模式能延長電池壽命，但設備至少會在1600個跳頻時間內失去同步，直到新的鏈路建立起來。建立鏈路需要幾秒的時間，因此當用戶要求恒定快速響應時這是一個很明顯的缺陷。

藍牙標準包括許多“模式”，你在開發時可以有目的地進行選擇。然而，所有藍牙設備都必須進行標準兼容性認證，且所有的標準使用者都必須是藍牙專門興趣小組的成員。迫于藍牙專門興趣小組成員的商用壓力，藍牙的大多數模式都適合手機的多媒體和文件傳輸應用。因此，采用藍牙規范來開發產品并不是一件輕松的事，可能使藍牙不太適合用在簡單的設備中。

ZigBee是最近推出的RF標準，主要用于具有大量分布式節點的低功率、低數據率無線監視和控制應用。ZigBee標準由IEEE802.15.4定義，是一種具有高可靠性的簡單數據協議。它對每次發送的數據串進行確認，并采用它技術來保證通信的完整性。ZigBee不需要藍牙的同步機制，因而功耗要求顯著降低。

與藍牙一樣，ZigBee工作在ISM2.4GHz波段(16個間隔為5MHz的信道)。該標準也提供工作在歐洲868MHz(單信道)和美國915MHz(10個間隔為2MHz的信道)波段的版本，最大數據速率可達250kbps。ZigBee采用直接序列擴頻(DSSS)機制進行數據傳輸。DSSS具有一定的抗干擾性能，但需要傳送額外的數據包，從而帶來帶寬使用率和功耗方面的額外開銷。ZigBee可以在某些應用環境中解決藍牙標準可能存在的缺陷，特別是在低延時和低數據速率應用場合中。然而，ZigBee設備在無線物理層仍必須承載一定的開銷以滿足802.15.4規范所要求的互操作性功能。

互補性技術

藍牙和ZigBee組織認為，這兩個標準是互補而非競爭的關系。ZigBee確實允許更多的節點(多達4,090個)，而藍牙總共才7個從設備加上1個主設備。ZigBee協議適合工業和家庭監視與控制應用，這些網絡的特點是節點多、節點活躍性特別低以及網絡功能容易擴展。

功耗是這兩個標準之間的最大差異。ZigBee主要用于工作時間特別短、壽命特別長的應用，其電池壽命以年來度量，而連續的藍牙通信一般在幾小時之內就會耗盡電池。此外，ZigBee芯片組的成本比藍牙解決方案的成本低(雖然為了降低成本，不少的藍牙協議堆棧提供少于全范圍的工作模式)。

Nordic半導體公司開發了一種私有的無線解決方案，稱為nRF24xx。這是一種系統級芯片器件，由無線收發器、8051微控制器、4通道12位ADC和各種標準接口組成，采用0.18微米CMOS工藝制造。nRF24xx使用GFSK調制機制(與藍牙非常相似)，提供1Mbps的標稱數據速率。為盡可能提高無線性能、減小功率預算，它的開銷很少。nRF24xx產品引入了基于硬件的物理層協議處理，在正常工作時它是透明的。圖1(a)和(b)對ZigBee協議堆棧和這個私有的解決方案進行了比較。

圖1(a)：私有的ZigBee協議堆棧。

這種私有無線解決方案被設計成小規模嵌入式系統開發人員非常熟悉的一種方案。采用這種硅片無線電路開發無線應用的工程師，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置工作參數，隨后它就主要用于同步鎖定目標地址和實際數據。更重要的是，由于該設計無需得到標準認證，因而能顯著縮短產品上市時間，盡管這種產品必須符合相應通信權威機構的要求，如歐洲的ETSI或美國的FCC。但不管是不是標準的無線通信產品，這都是起碼的要求。

圖1(b)：Nordic Semiconductor公司的nRF協議堆棧。

藍牙、ZigBee和私有無線解決方案采用各不相同的數據包結構。私有無線方案的數據包結構中的數據包是32位，一次按80位進行消息傳輸，因此開銷是48位，數據包的數據效率是40%。相比之下，藍牙要求一次按160位傳輸，開銷是128位，因此效率只有20%。傳送數量完全相同的數據，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牙相同的信道機制，它們都在2.4到2.483MHz之間使用多達83個1MHz的信道，或更精確地講是在2.402GHz到2.483GHz之間分成75個1MHz信道，上下保護帶分別為3.5MHz和2MHz。相比之下，ZigBee只有16個信道(圖2)。當受到同樣工作在擁擠的2.4GHz頻段的其它設備干擾時，藍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方案采用類似藍牙的83個1MHz信道。

帶寬問題

工作在免許可ISM2.4GHz頻段的無線鼠標是一個簡單、低功率、成本敏感型無線應用的經典用例，中國制造商正在大量生產這種產品用于國內市場和出口。下面將對采用私有芯片，以及采用ZigBee和藍牙解決方案的產品設計做一下比較。

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

采用ZigBee方案的凈數據速率為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1Mbps，因此可以看到完成同樣的數據傳輸任務，ZigBee的帶寬要求是私有無線方案的8倍。

因為藍牙必須維持同步以避免產生重新鏈接的時延，它需要每675微秒發送一個160位的數據包來保持鏈接，而無論鼠標是否被使用。如上所述，雖然不用同步也能保持鏈接，但會導致最長達3秒的重新捕獲時間，這對用戶來說幾乎是不現實的。

圖3：典型的無線鼠標發送數據包。

延長電池壽命

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到USB適配器的通信序列圖。

圖4a：ZigBee無線鼠標通信序列圖。

私有無線方案的序列圖表明，器件的工作時間為195+16+80+202+49+16微秒=558微秒。對典型的8ms通信周期來說，實際的占空比為1：14.3。因為在8ms通信周期內的工作時間非常少，所以在“連續”使用時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通信序列圖。

假設私有無線方案使用單節AA電池(容量為200mAh)供電，大約連續工作2350個小時，對普通用戶來說這相當于工作一年(包括鼠標光傳感器要求的電池功耗，其中無線鏈路占用95%的功率預算，微控制器消耗剩下的5%功率)。

從ZigBee方案的次序圖可看出，器件的工作時間為192+200+192+26+608+192+352+10微秒=1.772毫秒。對于典型的8ms工作周期，實際的占空比為1：4.5，這比私有無線方案要高得多(主要是由于為了達到與私有無線方案可比的性能，它的發送時間要長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AA電池可以連續工作500小時，對普通用戶來說相當于2.5個月。

雖然藍牙設備在工作時平均電流也為4mA，但為了時刻保持同步，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電流為10.2毫安，ZigBee為351毫安，見表1)。因此，藍牙鼠標電池的使用時間不會超過一個月。

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

請注意，電池壽命是基于序列圖所示的8ms總周期(通信周期)的比例，并根據每種模式下的平均消耗電流計算出來的，適合連續使用的場合(即每秒125個數據包，鼠標常開)。就像在上述帶寬要求中看到的那樣，無線鼠標通常不是工作在這種方式，約90%的時間處于空閑狀態。此時私有無線方案和ZigBee將進入待機模式，消耗電流僅數毫安，而藍牙仍要消耗數毫安的電流，主要原因是藍牙器件必須保持工作狀態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要求。

非標準無線技術的前景

藍牙和ZigBee展示了如何讓電子企業合作創建可確保全球市場兼容的工作標準。兩者都是優秀的技術，在它們各自定義的領域可以發揮重要作用。只需要將藍牙耳機連到手機上就能享受到這種非常實用的無線技術帶來的好處。

盡管如此，基于標準的技術也有缺點。首先，為滿足標準，在初始設計和兼容性測試中必須付出高昂的NRE費用。其次，就其字面意義而言，標準必須是“通用性極強”的解決方案，但由于競爭對手也掌握相同的技術，所以很難使產品在競爭激烈的全球市場中實現差異化。最后，標準解決方案很少有機會實現足夠的靈活性，例如，無線產品的功耗降低空間就極其有限。

本文討論的無線鼠標應用表明，對要求長電池壽命、低占空比但可靠的無線通信的產品來說，私有無線解決方案要好于藍牙和ZigBee。私有無線解決方還適合采用相同設計準則的其它應用，例如無線游戲控制器，以及心跳傳感器和運動“計算機”之間的無線通信。隨著全球無線技術的不斷普及，在下一代無線通信鏈路中采用非標準無線技術將是非常有利的。

附：處理干擾

藍牙、ZigBee和私有無線技術都能在一定程度上減少工作在相同頻段的其它無線設備發出的干擾。

藍牙采用FHSS(跳頻擴頻)技術，可確保所有79個1MHz信道在時間上被均勻覆蓋，以避免一致性信道干擾。

ZigBee在16個頻段上采用DSSS技術，因此更擅長于處理間歇性窄帶干擾。如果存在其它的802.11b/g設備，ZigBee就更容易受到干擾，也許只能等待其它設備停止傳送數據。

Nordic nRF方案采用更多的方法來避免干擾。因為它的輸出功率適中，所以干擾不太可能發生。為了降低功耗和復雜性，Nordic nRF方案不使用擴展頻譜機制，只采用單頻傳送，直到達到能發生干擾的包沖突門限。對器件執行簡單的單字節SPI指令就能完成信道的再分配。

對非活動的應用來說，79個1MHz信道可以實現充足的一次性再分配，從而遠離其它設備的發送頻率。即使在像機場“熱點”這樣的地區，頻譜再分配的頻率也相對較低，一般在分鐘或小時的數量級。

在無線鼠標的設計案例中，共信道抑制一般為-6dBm。因此，只要從鼠標(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，通信一般不會被中斷,這是因為6dB在無線領域中相當于雙倍的距離(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強度，所以相鄰無線鼠標之間的干擾很小。

作者為Nordic半導體公司現場應用工程師