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为便携式设备增加无线功能的设计策略
作者：张国斌
来源：国际电子商情网站
日期：2007-10-18 09:09:37
摘要：随着无线技术的飞速发展，给便携式设备增加无线功能成为必然的选择。那么，在增加无线功能的时候，设计者需要考虑哪些方面的因素呢？本文从设计挑战、无线架构和协议的选择以及如何降低功耗方面进行了分析。
科技的进步就是帮助人类化繁缛为简洁，提供更大的便利。近年来，便携式设备给消费者在视听享受方面提供了很大的便利，随着无线技术的飞速发展，给便携式设备增加无线功能成为必然的选择。那么，在增加无线功能的时候，设计者需要考虑哪些方面的因素呢？
一、 需要考虑的主要挑战
在增加无线功能的时候，设计者要面临哪些挑战？需要考虑哪些因素？专家们的建议将有助于设计师把握设计重点和方向。
“在给便携式设备如MP3/PMP增加无线功能的时候，最重要的考虑是你得确保在任何使用状态下可靠工作，这意味着在播放MP3或视频的时候，如果有呼叫/电话，则你必须实时响应呼叫/电话同时要暂停多媒体功能。另外由于无线设计包含发射器和接收器，这需要确保有良好的射频性能。”德州仪器半导体技术上海有限公司硬件技术应用经理刘俊勇指出。Nordic半导体亚太区销售经理陈志谦则补充道：“给便携式设备增加无线功能会面临四大挑战：成本、复杂性、功耗和尺寸大小。”他解释说：“无线功能将使设计更复杂，虽然有些供应商设计了集成收发器的元件，但是把芯片设计到PCB的时候你得知道这些因素将影响你的设计性能。它们是天线的位置、范围、和其他设备的接口等。”
当然，要支持设备正常工作，功耗方面的考量也是必不可少的，SiGe半导体公司无线数据产品总监Andrew Parolin指出要把无线技术增加到便携式设备中，电池的寿命和大小尺寸是主要的挑战。因为新产品纵使添加了新功能，但原来的基本特点(如MP3播放器的播放时间等)也绝不能逊于上一代产品。设计者必须开发出耗电非常少的无线解决方案，而且能同时降低现有功能性的耗电量。对射频前端模块和功率放大器而言，电池寿命和尺寸大小是两大重要问题。这些器件一般是设备中耗电最多的部分，因此，要在便携式设备中增添无线功能，它们就成了主要关注的焦点。一般来说，每一代前端模块的尺寸大小都会较前一代减少 30-40%；而效率则递增加1-3%。而且即使增添新功能，生产商也不希望现有产品尺寸增大，因为外形尺寸只要稍稍增加，都会大大影响用户对产品的印象。飞利浦半导体资深技术行销经理蒋益杰则指出，在增加无线功能的时候，工程师还要考虑平台、操作系统和无线接口的选择问题，这些因素都和系统需求、设计复杂度以及市场趋势密切相关。
其他需要考虑的因素是无线功能带来的散热、外观和重量问题，虽然模块化的方案有助于减轻RF方面的问题难度和加速产品面市，但是模块本身存在的尺寸和成本问题都需要进行折中考虑。
二、 无线协议和架构的选择策略
在增加无线功能的时候，工程师该如何选择架构和无线协议？SiGe的Parolin给出的建议是：系统工程师必须知道所需的无线应用要求的最小带宽是多少。某些应用比如游戏等可能需要802.11g这样的大带宽无线标准，这是由于它们需要很高的数据传输速率，所以即使可能消耗较多电流和有效的电池使用寿命，也必须如此。而对于语音等其它应用而言，蓝牙则可能是更好的选择，因为它能在较低的耗电量下满足数据带宽的要求。
TI的刘俊勇则表示一般可以选择两种架构，一种是在现有平台方案上增加无线modem，但这需要设计射频通信层和接口以确保在无线modem和便携式设备之间进行实时可靠的通信。这种方案中可以选择TI的单芯片解决方案Locosto。另外一种架构是选择集成有无线modem和应用处理器的集成方案，例如TI的OMAP730。不过他表示不管选用何种方式，无线协议栈必须是成熟且强健的，他建议最好使用通过互操作测试(IOT)测试的无线协议栈。
Nordic的陈志谦给出的补充建议是：一要考虑使用非授权ISM频段，例如如果你的产品在美国使用，则你可以使用915MHz频段，如你的产品在欧洲销售，你可以使用434或868MHz频段。另外，2.4GHz频段是全球可以使用的频段。二要考虑供应商对你的支持，例如如果从RF角度来看你的PCB不够好，这样就可能产生干扰，这时你需要供应商给你一些建议。如果你通过分销商获得支持，你需要确保他们理解你的硬件设计需求。
目前市场上有许多标准无线技术，工程师可以从应用范围、数据传输率、频段和功耗方面考虑采用何种技术。例如，WLAN可以提供的通信范围是100米左右，可以提供的数据传输率可以超过54Mbps。而NFC提供的通信范围就是10cm左右，数据率为1~3Mbps，频段则是13.56MHz。表一列出了目前可以实用的标准无线技术
另外，工程师在增加无线功能的时候也可以考虑一些非标准的无线协议。Nordic的陈志谦指出类似IEEE802.xx的这些标准协议，因为要确保兼容性方面的问题，所以会延长产品的面市时间，因为你要确保你的产品符合标准，而且这样也增加了一些非工程成本(NRE)开销，而一些非标准协议。例如Nordic的nRF24xx在端对端应用中有比蓝牙更出色的性能，还不用做兼容性方面的测试。如果一个微微网中有其他制造商的无线产品，这时候蓝牙很有优势，但如果都是一个公司的产品，这时候用蓝牙就大材小用了。
实际上，便携式设备的功耗是最重要的考量因素。一般应用处理器和背光屏就占用50~60%的功耗，而且消费者都希望手机和MP3播放器在电池支持下可以工作数十小时。这样，无线部分就必须十分高效。“蓝牙1.2版芯片以及增强数据率(2.0+EDR)芯片都不是很高效的,因为它们需要每隔675us发送一个160bit的数据包(1600数据包/秒)以维持连接，这也是蓝牙为什么不能用于低占空比应用的原因。”陈志谦指出。蓝牙对于便携式设备来说，功耗问题可以算是最大的问题。这样，在无线音频流的应用中，如果用蓝牙，则几个小时就会耗尽电池的电量。Zigbee通过放弃同步请求减少了功耗，但却限制了带宽。而如果采用非标准协议，则既能获得蓝牙的带宽，又可以获得Zigbee的低功耗效果。
实际上，由于许多标准无线协议都采用2.4GHz ISM频段，许多专家已经在担心使用这个频段的设备之间的干扰问题。而这无疑将增加标准协议的使用成本。
三、 如何降低无线功能带来的功耗？
显然，增加无线功能带来的最大问题是功耗的增加，如何降低无线功能带来的功率消耗是设计者考虑的头等大事。无线设计人员的挑战是要在不影响 RF 信号完整性的前提下把电池寿命延至最长。在 RF 设计中，决定功率管理的实现方法有多个考虑因素。成本、电路板空间、效率及噪声抑制等都是设计人员能否获得最佳设计解决方案的重要考虑因素。决定便携式设备的最佳功率管理方法并不是琐碎的事，但如果在一开始就能明确决定目标和取舍，设计人员就能够避免日后设计中的许多麻烦。
飞兆半导体应用工程师Brian Law指出为了降低功耗，一般在功率调节有两种选择：线性调节器或 DC/DC 调节器。由于DC/DC 调节器的效率高于线性调节器，所以一般设计人员多喜欢采用DC/DC 调节器，不过这却要付上代价。DC/DC 调节器的最大缺点是占用的电路板空间大。PWM 架构器件需要小至 1uH 到 10uH 的电感，而电感在板上的占位面积可能和芯片一样大。在电容性调节器中，还需要两个典型值都为 1uF 的外接电容。除了用在线性调节器中的输入和输出电容之外，这些器件都是不可缺少的。开关频率与电感或电容值的大小成反比关系。当开关频率增加，电感或电容值会减小。半导体制造商面对的挑战在于提高开关频率。这会给无线设备带来额外的缺点。开关调节器会产生可能耦合到 RF 电路的开关噪声，这个问题并非不能克服，但却需要在任何无线设计中予以考虑。抑制噪声的方法有很多，包括在输出端增加输出电容或铁氧体磁珠 (ferrite bead)。RF 设计人员还需要考虑到通过设备从输出反馈耦合到输入的噪声。这个噪声可能通过电池反馈耦合到 RF 功率放大器。通常可以在输入端简单地加上铁氧体磁珠来抑制这种噪声。
SiGe的Parolin建议，除了设计更高效率的功率放大器之外，前端模组还可将后置功率放大器的损耗减至最小，从而使该功率放大器的发射功率，这样比一般分立式设计的给定天线输出功率低。从而达到提高能效的效果。
四、 未来趋势与供应商的产品策略
“我们预测无线设计趋势是给便携式设备集成更多的音频、视频、图像和游戏功能，融合是大趋势。我们通过参考设计来简化客户的无线设计。”TI的刘俊勇表示，目前TI可以提供集成有数字基带和RF的GSM/GPRS单芯片方案Locosto并提供经过全球IOT测试的L1/L23软件。在中高端市场，TI可以提供OMAP产品。
当然，提高RF产品的集成度是各个供应商采取的主要措施之一。SiGe公司认为随着蓝牙(EDR、UWB)和802.11(802.11n-MIMO)更新版本的推出，无线技术将能够广泛渗透到便携式消费设备中。针对这个趋势，SiGe半导体公司推出了能够同时减小尺寸和耗电量的新一代无线射频(RF)前端模块和功率放大器系列。最新的802.11b/g前端模块SE2559L 与现有产品相比，尺寸减小了40%，耗电减少了30mA，这就能实现在便携式设备中加入无线解决方案。SiGe的最新蓝牙功率放大器SE2425U，可使解决方案的尺寸减小30%，但同时仍然具有蓝牙最新的增强型数据速率的功能。
飞利浦在集成上也强势出击，其WLANBGW200/211则集成了BB/MAC、RF、PA和无源器件。客户所需要的就是几个晶振和连接到电线的50欧姆传输线。
SigmaTel (矽玛特)更看好蓝牙和Wi-Fi无线应用，并认为技术会应用到PMP上，它采取的措施是和英飞凌携手，将英飞凌BlueMoon UniCellular(PMB8753)蓝牙2.0解决方案作为矽玛特STMP3600 MP3播放器参考设计套件(RDK)的组成部分。该参考设计将提供一个包含蓝牙上栈软件和相关的蓝牙技术介绍。“这一设计将通过BQB认证和UnplugFest测试，能有效降低客户的开发成本，并缩短产品的上市时间。矽玛特客户将能够平稳地从PMB8753过渡到优化蓝牙解决方案。”矽玛特亚洲区高级副总裁刘家声强调。
作为非标准无线协议的坚决拥趸，Nordic强调自己在集成度、效率和功耗方面的优势，如收发器集成度更高，而且更紧凑，它使用高效率的无线协议，采用自适应跳频技术，通过这些大大减少了功耗。陈志谦特别强调Noridc的nRF24Z1瞄准MP3播放器和无线头戴式耳机之间的音频流传输应用，可以提供4Mbps的数据率，如果传输未压缩的CD级音频这已经是绰绰有余了。“而蓝牙就达不到这个质量，所以有些Hi-Fi杂志称蓝牙耳机听起来尖细些和缺乏动态。”他指出。
无线技术将在未来几年中扮演重要的角色，便携式设备无线化如何演进？我们将密切关注。
一、 需要考虑的主要挑战
在增加无线功能的时候，设计者要面临哪些挑战？需要考虑哪些因素？专家们的建议将有助于设计师把握设计重点和方向。
“在给便携式设备如MP3/PMP增加无线功能的时候，最重要的考虑是你得确保在任何使用状态下可靠工作，这意味着在播放MP3或视频的时候，如果有呼叫/电话，则你必须实时响应呼叫/电话同时要暂停多媒体功能。另外由于无线设计包含发射器和接收器，这需要确保有良好的射频性能。”德州仪器半导体技术上海有限公司硬件技术应用经理刘俊勇指出。Nordic半导体亚太区销售经理陈志谦则补充道：“给便携式设备增加无线功能会面临四大挑战：成本、复杂性、功耗和尺寸大小。”他解释说：“无线功能将使设计更复杂，虽然有些供应商设计了集成收发器的元件，但是把芯片设计到PCB的时候你得知道这些因素将影响你的设计性能。它们是天线的位置、范围、和其他设备的接口等。”
当然，要支持设备正常工作，功耗方面的考量也是必不可少的，SiGe半导体公司无线数据产品总监Andrew Parolin指出要把无线技术增加到便携式设备中，电池的寿命和大小尺寸是主要的挑战。因为新产品纵使添加了新功能，但原来的基本特点(如MP3播放器的播放时间等)也绝不能逊于上一代产品。设计者必须开发出耗电非常少的无线解决方案，而且能同时降低现有功能性的耗电量。对射频前端模块和功率放大器而言，电池寿命和尺寸大小是两大重要问题。这些器件一般是设备中耗电最多的部分，因此，要在便携式设备中增添无线功能，它们就成了主要关注的焦点。一般来说，每一代前端模块的尺寸大小都会较前一代减少 30-40%；而效率则递增加1-3%。而且即使增添新功能，生产商也不希望现有产品尺寸增大，因为外形尺寸只要稍稍增加，都会大大影响用户对产品的印象。飞利浦半导体资深技术行销经理蒋益杰则指出，在增加无线功能的时候，工程师还要考虑平台、操作系统和无线接口的选择问题，这些因素都和系统需求、设计复杂度以及市场趋势密切相关。
其他需要考虑的因素是无线功能带来的散热、外观和重量问题，虽然模块化的方案有助于减轻RF方面的问题难度和加速产品面市，但是模块本身存在的尺寸和成本问题都需要进行折中考虑。
二、 无线协议和架构的选择策略
在增加无线功能的时候，工程师该如何选择架构和无线协议？SiGe的Parolin给出的建议是：系统工程师必须知道所需的无线应用要求的最小带宽是多少。某些应用比如游戏等可能需要802.11g这样的大带宽无线标准，这是由于它们需要很高的数据传输速率，所以即使可能消耗较多电流和有效的电池使用寿命，也必须如此。而对于语音等其它应用而言，蓝牙则可能是更好的选择，因为它能在较低的耗电量下满足数据带宽的要求。
TI的刘俊勇则表示一般可以选择两种架构，一种是在现有平台方案上增加无线modem，但这需要设计射频通信层和接口以确保在无线modem和便携式设备之间进行实时可靠的通信。这种方案中可以选择TI的单芯片解决方案Locosto。另外一种架构是选择集成有无线modem和应用处理器的集成方案，例如TI的OMAP730。不过他表示不管选用何种方式，无线协议栈必须是成熟且强健的，他建议最好使用通过互操作测试(IOT)测试的无线协议栈。
Nordic的陈志谦给出的补充建议是：一要考虑使用非授权ISM频段，例如如果你的产品在美国使用，则你可以使用915MHz频段，如你的产品在欧洲销售，你可以使用434或868MHz频段。另外，2.4GHz频段是全球可以使用的频段。二要考虑供应商对你的支持，例如如果从RF角度来看你的PCB不够好，这样就可能产生干扰，这时你需要供应商给你一些建议。如果你通过分销商获得支持，你需要确保他们理解你的硬件设计需求。
目前市场上有许多标准无线技术，工程师可以从应用范围、数据传输率、频段和功耗方面考虑采用何种技术。例如，WLAN可以提供的通信范围是100米左右，可以提供的数据传输率可以超过54Mbps。而NFC提供的通信范围就是10cm左右，数据率为1~3Mbps，频段则是13.56MHz。表一列出了目前可以实用的标准无线技术
另外，工程师在增加无线功能的时候也可以考虑一些非标准的无线协议。Nordic的陈志谦指出类似IEEE802.xx的这些标准协议，因为要确保兼容性方面的问题，所以会延长产品的面市时间，因为你要确保你的产品符合标准，而且这样也增加了一些非工程成本(NRE)开销，而一些非标准协议。例如Nordic的nRF24xx在端对端应用中有比蓝牙更出色的性能，还不用做兼容性方面的测试。如果一个微微网中有其他制造商的无线产品，这时候蓝牙很有优势，但如果都是一个公司的产品，这时候用蓝牙就大材小用了。
实际上，便携式设备的功耗是最重要的考量因素。一般应用处理器和背光屏就占用50~60%的功耗，而且消费者都希望手机和MP3播放器在电池支持下可以工作数十小时。这样，无线部分就必须十分高效。“蓝牙1.2版芯片以及增强数据率(2.0+EDR)芯片都不是很高效的,因为它们需要每隔675us发送一个160bit的数据包(1600数据包/秒)以维持连接，这也是蓝牙为什么不能用于低占空比应用的原因。”陈志谦指出。蓝牙对于便携式设备来说，功耗问题可以算是最大的问题。这样，在无线音频流的应用中，如果用蓝牙，则几个小时就会耗尽电池的电量。Zigbee通过放弃同步请求减少了功耗，但却限制了带宽。而如果采用非标准协议，则既能获得蓝牙的带宽，又可以获得Zigbee的低功耗效果。
实际上，由于许多标准无线协议都采用2.4GHz ISM频段，许多专家已经在担心使用这个频段的设备之间的干扰问题。而这无疑将增加标准协议的使用成本。
三、 如何降低无线功能带来的功耗？
显然，增加无线功能带来的最大问题是功耗的增加，如何降低无线功能带来的功率消耗是设计者考虑的头等大事。无线设计人员的挑战是要在不影响 RF 信号完整性的前提下把电池寿命延至最长。在 RF 设计中，决定功率管理的实现方法有多个考虑因素。成本、电路板空间、效率及噪声抑制等都是设计人员能否获得最佳设计解决方案的重要考虑因素。决定便携式设备的最佳功率管理方法并不是琐碎的事，但如果在一开始就能明确决定目标和取舍，设计人员就能够避免日后设计中的许多麻烦。
飞兆半导体应用工程师Brian Law指出为了降低功耗，一般在功率调节有两种选择：线性调节器或 DC/DC 调节器。由于DC/DC 调节器的效率高于线性调节器，所以一般设计人员多喜欢采用DC/DC 调节器，不过这却要付上代价。DC/DC 调节器的最大缺点是占用的电路板空间大。PWM 架构器件需要小至 1uH 到 10uH 的电感，而电感在板上的占位面积可能和芯片一样大。在电容性调节器中，还需要两个典型值都为 1uF 的外接电容。除了用在线性调节器中的输入和输出电容之外，这些器件都是不可缺少的。开关频率与电感或电容值的大小成反比关系。当开关频率增加，电感或电容值会减小。半导体制造商面对的挑战在于提高开关频率。这会给无线设备带来额外的缺点。开关调节器会产生可能耦合到 RF 电路的开关噪声，这个问题并非不能克服，但却需要在任何无线设计中予以考虑。抑制噪声的方法有很多，包括在输出端增加输出电容或铁氧体磁珠 (ferrite bead)。RF 设计人员还需要考虑到通过设备从输出反馈耦合到输入的噪声。这个噪声可能通过电池反馈耦合到 RF 功率放大器。通常可以在输入端简单地加上铁氧体磁珠来抑制这种噪声。
SiGe的Parolin建议，除了设计更高效率的功率放大器之外，前端模组还可将后置功率放大器的损耗减至最小，从而使该功率放大器的发射功率，这样比一般分立式设计的给定天线输出功率低。从而达到提高能效的效果。
四、 未来趋势与供应商的产品策略
“我们预测无线设计趋势是给便携式设备集成更多的音频、视频、图像和游戏功能，融合是大趋势。我们通过参考设计来简化客户的无线设计。”TI的刘俊勇表示，目前TI可以提供集成有数字基带和RF的GSM/GPRS单芯片方案Locosto并提供经过全球IOT测试的L1/L23软件。在中高端市场，TI可以提供OMAP产品。
当然，提高RF产品的集成度是各个供应商采取的主要措施之一。SiGe公司认为随着蓝牙(EDR、UWB)和802.11(802.11n-MIMO)更新版本的推出，无线技术将能够广泛渗透到便携式消费设备中。针对这个趋势，SiGe半导体公司推出了能够同时减小尺寸和耗电量的新一代无线射频(RF)前端模块和功率放大器系列。最新的802.11b/g前端模块SE2559L 与现有产品相比，尺寸减小了40%，耗电减少了30mA，这就能实现在便携式设备中加入无线解决方案。SiGe的最新蓝牙功率放大器SE2425U，可使解决方案的尺寸减小30%，但同时仍然具有蓝牙最新的增强型数据速率的功能。
飞利浦在集成上也强势出击，其WLANBGW200/211则集成了BB/MAC、RF、PA和无源器件。客户所需要的就是几个晶振和连接到电线的50欧姆传输线。
SigmaTel (矽玛特)更看好蓝牙和Wi-Fi无线应用，并认为技术会应用到PMP上，它采取的措施是和英飞凌携手，将英飞凌BlueMoon UniCellular(PMB8753)蓝牙2.0解决方案作为矽玛特STMP3600 MP3播放器参考设计套件(RDK)的组成部分。该参考设计将提供一个包含蓝牙上栈软件和相关的蓝牙技术介绍。“这一设计将通过BQB认证和UnplugFest测试，能有效降低客户的开发成本，并缩短产品的上市时间。矽玛特客户将能够平稳地从PMB8753过渡到优化蓝牙解决方案。”矽玛特亚洲区高级副总裁刘家声强调。
作为非标准无线协议的坚决拥趸，Nordic强调自己在集成度、效率和功耗方面的优势，如收发器集成度更高，而且更紧凑，它使用高效率的无线协议，采用自适应跳频技术，通过这些大大减少了功耗。陈志谦特别强调Noridc的nRF24Z1瞄准MP3播放器和无线头戴式耳机之间的音频流传输应用，可以提供4Mbps的数据率，如果传输未压缩的CD级音频这已经是绰绰有余了。“而蓝牙就达不到这个质量，所以有些Hi-Fi杂志称蓝牙耳机听起来尖细些和缺乏动态。”他指出。
无线技术将在未来几年中扮演重要的角色，便携式设备无线化如何演进？我们将密切关注。
