精品文檔-下載后可編輯分析藍(lán)牙低能耗技術(shù)內(nèi)幕有線和無線通信半導(dǎo)體市場(chǎng)的Broadcom（博通）公司近日宣布，Broadcom新一代藍(lán)牙組合芯片符合已獲正式批準(zhǔn)的、低能耗版本藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范的要求。由于Broadcom實(shí)現(xiàn)了雙模式，因此設(shè)備制造商能夠用單個(gè)芯片將這類新的低能耗藍(lán)牙應(yīng)用擴(kuò)展到智能手機(jī)和其他設(shè)備上，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)多種受歡迎的現(xiàn)有藍(lán)牙功能，從而為新的低能耗版本藍(lán)牙規(guī)范在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中獲得廣泛采用鋪平道路。

藍(lán)牙，是一種支持設(shè)備短距離通信（一般10m內(nèi)）的無線電技術(shù)。能在包括移動(dòng)電話、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。利用"藍(lán)牙"技術(shù)，能夠有效地簡(jiǎn)化移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡(jiǎn)化設(shè)備與因特網(wǎng)Internet之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，工作在通用的2.4GHzISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段。其數(shù)據(jù)速率為1Mbps.采用時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。

藍(lán)牙2.1+EDR/3.0+HS版本與藍(lán)牙低能耗（BLE）技術(shù)有許多共同點(diǎn)：它們都是低成本、短距離、可互操作的魯棒性無線技術(shù)，工作在免許可的2.4GHzISM射頻頻段。

不過它們之間有一個(gè)重要區(qū)別：藍(lán)牙低能耗技術(shù)從一開始就設(shè)計(jì)為超低功耗（ULP）無線技術(shù)，而標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)主要是能夠構(gòu)成"低功耗的"無線連接。

標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)是一種的無線技術(shù)，具有固定的連接時(shí)間間隔，因此是移動(dòng)電話連接無線耳機(jī)等高活動(dòng)連接的理想之選。相反，藍(lán)牙低能耗技術(shù)采用可變連接時(shí)間間隔，這個(gè)間隔根據(jù)具體應(yīng)用可以設(shè)置為幾毫秒到幾秒不等。此時(shí)鏈路兩端相互間只是知曉對(duì)方，只有在必要時(shí)才開啟鏈路，然后在盡可能短的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉鏈路。

BLE技術(shù)的工作模式非常適合用于從微型無線傳感器（每半秒交換數(shù)據(jù)）或使用完全異步通信的遙控器等其它外設(shè)傳送數(shù)據(jù)。這些設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)量非常少（通常幾個(gè)字節(jié)），而且發(fā)送次數(shù)也很少（例如每秒幾次到每分鐘，甚至更少）。

BLE的兩種芯片架構(gòu)

藍(lán)牙低能耗架構(gòu)共有兩種芯片構(gòu)成：?jiǎn)文Ｐ酒碗p模芯片。藍(lán)牙單模芯片可以和其它單模芯片及雙模芯片通信，此時(shí)后者需要使用自身架構(gòu)中的藍(lán)牙低能耗技術(shù)部分進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)（參考圖1）。雙模芯片也能與標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)及使用傳統(tǒng)藍(lán)牙架構(gòu)的其它雙模芯片通信。

圖1:雙模芯片將使用其架構(gòu)中的藍(lán)牙低能耗部分與單模器件通信。

雙模芯片可以在目前使用標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙芯片的任何場(chǎng)合使用。然而，由于這些設(shè)備要求執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙和藍(lán)牙低能耗任務(wù)，因此雙模芯片針對(duì)ULP操作的優(yōu)化程度沒有像單模芯片那么高。

單模芯片可以用單節(jié)鈕扣電池工作很長(zhǎng)時(shí)間。相反，標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)通常要求使用至少兩節(jié)AAA電池，并且更多情況下多只能工作幾天或幾周的時(shí)間。注意，也有一些高度化的標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙設(shè)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(shù)

信息時(shí)代的特點(diǎn)便是更加方便快速的信息傳播，正是基于這一點(diǎn)，技術(shù)人員也在努力開發(fā)更加出色的信息數(shù)據(jù)傳輸方式。拋開傳統(tǒng)連線的束縛，徹底地享受無拘無束的樂趣，藍(lán)牙給予我們的承諾足以讓人精神振奮。

藍(lán)牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性規(guī)范，它以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ)，為固定與移動(dòng)設(shè)備通信環(huán)境建立一個(gè)特別連接。其程序?qū)懺谝粋€(gè)9x9mm的微芯片中。

無線"開啟"的時(shí)間只要不是很短就會(huì)令電池壽命急劇降低，因此任何必需的發(fā)送或接收任務(wù)需要很快完成。被藍(lán)牙低能耗技術(shù)用來化無線開啟時(shí)間的個(gè)技巧是僅用3個(gè)"廣告"信道搜索其它設(shè)備。相比之下，標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)使用了32個(gè)信道。

這意味著藍(lán)牙低能耗技術(shù)掃描其它設(shè)備只需"開啟"0.6至1.2ms時(shí)間，而標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)需要22.5ms時(shí)間來掃描它的32個(gè)信道。結(jié)果藍(lán)牙低能耗技術(shù)定位其它無線設(shè)備所需的功耗要比標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)低10至20倍。

值得注意的是，使用3個(gè)廣告信道是某種程度上的妥協(xié)：這是在頻譜非常擁擠的部分對(duì)"開啟"時(shí)間（對(duì)應(yīng)于功耗）和魯棒性的一種折衷廣告信道越少。不過該規(guī)范的設(shè)計(jì)師對(duì)于平衡這種妥協(xié)相當(dāng)有信心--比如，他們選擇的廣告信道不會(huì)與Wi-Fi默認(rèn)信道發(fā)生沖突（見圖2）。

圖2:藍(lán)牙低能耗技術(shù)的廣告信道是經(jīng)過慎重選擇的，可以避免與Wi-Fi發(fā)生沖突。

一旦連接成功后，藍(lán)牙低能耗技術(shù)就會(huì)切換到37個(gè)數(shù)據(jù)信道之一。在短暫的數(shù)據(jù)傳送期間，無線信號(hào)將使用標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)倡導(dǎo)的自適應(yīng)跳頻（AFH）技術(shù)以偽隨機(jī)的方式在信道間切換（雖然標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)使用79個(gè)數(shù)據(jù)信道）。

要求藍(lán)牙低能耗技術(shù)無線開啟時(shí)間短的另一個(gè)原因是它具有1Mbps的原始數(shù)據(jù)帶寬--更大的帶寬允許在更短的時(shí)間內(nèi)發(fā)送更多的信息。

藍(lán)牙低能耗技術(shù)連接只需3ms.而標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)完成相同的連接周期需要數(shù)百毫秒。再次提醒，無線開啟時(shí)間越長(zhǎng)，消耗的電池能量就越多。

藍(lán)牙低能耗技術(shù)還能通過兩種其它方式限制峰值功耗：采用更加"寬松的"射頻參數(shù)以及發(fā)送很短的數(shù)據(jù)包。兩種技術(shù)都使用高斯頻移鍵控（GFSK）調(diào)制，但藍(lán)牙低能耗技術(shù)使用的調(diào)制指數(shù)是0.5,而標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)是0.35.0.5的指數(shù)接近高斯頻移鍵控（GMSK）方案，可以降低無線設(shè)備的功耗要求。更低調(diào)制指數(shù)還有兩個(gè)好處，即提高覆蓋范圍和增強(qiáng)魯棒性。

直接調(diào)制是將數(shù)字信號(hào)經(jīng)過高斯低通濾波后，直接對(duì)射頻載波進(jìn)行模擬調(diào)頻。當(dāng)調(diào)頻器的調(diào)制指數(shù)等于0.5,它就是熟知的GMSK（高斯頻移鍵控）調(diào)制，因此GMSK調(diào)制可以看成是GFSK調(diào)制的一個(gè)特例。而在有的文獻(xiàn)中，稱具有不同BT積和調(diào)制指數(shù)的GFSK調(diào)制方式為GMSK/FM,這實(shí)際上是注意到了當(dāng)調(diào)制指數(shù)不等于0.5時(shí)，該方式不能稱為GMSK這一事實(shí)。

GFSK高斯頻移鍵控調(diào)制是把輸入數(shù)據(jù)經(jīng)高斯低通濾波器預(yù)調(diào)制濾波后，再進(jìn)行FSK調(diào)制的數(shù)字調(diào)制方式。它在保持恒定幅度的同時(shí)，能夠通過改變高斯低通濾波器的3dB帶寬對(duì)已調(diào)信號(hào)的頻譜進(jìn)行控制，具有恒幅包絡(luò)、功率譜集中、頻譜較窄等無線通信系統(tǒng)所希望的特性。因此，GFSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在移動(dòng)通信、航空與航海通信等諸多領(lǐng)域中。

標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)使用的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度較長(zhǎng)。在發(fā)送這些較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)包時(shí)，無線設(shè)備必須在相對(duì)較高的功耗狀態(tài)保持更長(zhǎng)的時(shí)間，從而容易使硅片發(fā)熱。這種發(fā)熱將改變材料的物理特性，進(jìn)而改變傳送頻率，除非頻繁地對(duì)無線設(shè)備進(jìn)行再次校準(zhǔn)。

相反，藍(lán)牙低能耗技術(shù)使用非常短的數(shù)據(jù)包--這能使硅片保持在低溫狀態(tài)。因此，藍(lán)牙低能耗收發(fā)器不需要較耗能的再次校準(zhǔn)和閉環(huán)架構(gòu)。

擴(kuò)展藍(lán)牙生態(tài)系統(tǒng)

藍(lán)牙低能耗技術(shù)設(shè)計(jì)非常適合由于嚴(yán)格的功耗限制而無法使用標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合。這是次向電子設(shè)計(jì)師提供具有嚴(yán)格互操作性的ULP無線技術(shù)，有望帶來數(shù)百種新的應(yīng)用。

一些早期的應(yīng)用跡象也許是，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（BluetoothSIG）試圖通過發(fā)布首批配置（profile）進(jìn)一步補(bǔ)充藍(lán)牙版本4.0規(guī)范（包括了BLE）：這些配置針對(duì)諸如個(gè)人用戶接口設(shè)備（如手表）、遙控器、距離感應(yīng)告警儀、電池狀態(tài)和心率監(jiān)視器等一些應(yīng)用優(yōu)化了藍(lán)牙低能耗通用芯片。其它健康和健身監(jiān)視配置（如血糖儀和血壓計(jì)、周期性節(jié)律儀和周期性奇異電源）將隨后推出（見圖3）。

圖3:藍(lán)牙規(guī)范版本4.0定義了藍(lán)牙低能耗技術(shù)的架構(gòu)。相應(yīng)配置即將推出。

下面讓我們看一下藍(lán)牙低能耗技術(shù)是如何在以下兩種潛在應(yīng)用中發(fā)揮作用的：距離感應(yīng)告警和室內(nèi)定位（有時(shí)也稱為室內(nèi)GPS）。

手機(jī)和便攜式PC制造商采用雙模芯片是因?yàn)檫@些芯片的價(jià)格只比標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)稍高一點(diǎn)，但能提供豐富得多的功能。手機(jī)制造商可以借此提供包含手表的安全設(shè)備。這種手表將周期性地與手機(jī)進(jìn)行通信，如果手機(jī)移到一定的范圍之外--因而無法與用戶佩戴的手表聯(lián)系--它將自動(dòng)鎖死，同時(shí)手表發(fā)出告警。這將防止手機(jī)意外丟失，并對(duì)任何潛在的小偷起到重要的震懾作用。

距離感應(yīng)告警應(yīng)用還可以延伸至便攜式電腦，當(dāng)用戶移動(dòng)到一定范圍之外時(shí)將便攜式電腦鎖定（也許當(dāng)靠近的用戶按下手表上的某個(gè)鍵時(shí)也能解鎖）。這種應(yīng)用還能用作兒童安全設(shè)備，當(dāng)兒童與父母在一定范圍內(nèi)時(shí)他們手上的手表能保持正常通信，當(dāng)兒童跑出設(shè)定范圍時(shí)發(fā)出聲音告警。

藍(lán)牙低能耗傳感器的低成本和低維護(hù)量（因?yàn)殡姵夭恍枰l繁更換）將鼓勵(lì)在公共場(chǎng)所的廣泛使用。此時(shí)將由分布在大型公共建筑（如機(jī)場(chǎng)或火車站）周圍的傳感器不斷地廣播它們的位置信息。裝備了藍(lán)牙低能耗技術(shù)的手機(jī)在這個(gè)范圍內(nèi)通過時(shí)就可以向它的主人顯示這些位置信息。

傳感器還可以發(fā)送其它信息，如航班起飛時(shí)間和登機(jī)口、娛樂場(chǎng)所位置或附近商店的特價(jià)商品等（見圖4）。

圖4:布置在機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓周圍的藍(lán)牙低能耗傳感器能夠持續(xù)廣播各自的位置信息，在這個(gè)范圍內(nèi)經(jīng)過的手機(jī)隨之就可以顯示這些信息。

步驟

有多家芯片供應(yīng)商已經(jīng)設(shè)計(jì)出藍(lán)牙低能耗芯片，并向優(yōu)選客戶提供了樣品和開發(fā)套件。目前的藍(lán)牙版本4.0規(guī)范允許這些公司自己他們的芯片是否滿足藍(lán)牙低能耗規(guī)范。

例如，Nordic公司已可提供藍(lán)牙低能耗芯片？Blue（MicroBlue）的樣品，并為重要客戶提供？Blue原型套件。？Blue系列中的款產(chǎn)品是nRF8001--這是采用32引腳5x5mmQFN封裝的一種單模外設(shè)解決方案，集成了完全嵌入式無線電、鏈路控制器和主機(jī)子系統(tǒng)--非常適合手表、傳感器和遙控器等應(yīng)用（見圖5）。

圖5:Nordic半導(dǎo)體的？BluenRF8001--一種單模外設(shè)解決方案，適合手表