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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 通用RF天線

超低功耗RF設計要點注意

發布日期：2022-10-17 點擊率：42

盡管仍處于起步階段，但短距離射頻的前景看來一片光明。而推動該市場不斷擴張的催化劑將會是超低功耗技術。在這個每星期出貨量高達數千萬顆的短距、低功耗射頻市場中，採用2.4GHz ISM頻段的技術仍居主流，包括Wi-Fi、藍牙、ZigBee，當然，這個領域還包括了其他多種尚未成熟的無線技術。未來幾年內，我們的生活周遭可能會出現許多令人印象深刻無線連接技術。

　　短距無線市場的主要趨勢之一，是超低功耗（ULP）無線應用的大規模擴展。這種應用的特徵是採用由鈕扣型電池供電的微型RF收發器，在需要時被喚醒以便快速地連續發送數據，而后再回到nA等級耗電量的‘休眠’狀態。ABI Research統計，2010年無線感測器網路（WSN）晶片市場成長了300%；而在2016年，醫療保健和個人健身設備採用的藍牙低功耗晶片出貨量將會超過4.67億顆。

　　任何一種可攜式電子產品或設備都能添加超低功耗無線連接特性，從微型醫療/健身感測器、手機、電腦、機械工具、汽車都包括在內。微型ULP收發器能夠直接與數以千計的其他設備直接通訊，或是作為網路的一部份，從而強化產品的實用性。

　　然而，對多數工程師而言，RF設計仍然是一種黑色藝術。RF設計確實不平凡，但現代的晶片供應商和開發工具套件將協助設計師發揮更多設計技巧。本文將描述ULP無線技術、晶片，并探討如何更好地運用它們。

　　超低功耗無線揭密

　　超低功耗無線技術不同于所謂的低功耗的短程無線電技術，如藍牙（目前業界將之稱為經典藍牙［Classic Bluetooth］，以便與包含超低功耗藍牙低耗能（BLE）技術的新版藍牙4.0區別）。超低功耗無線技術所需的操作電源顯著減少，能賦予許多設計精巧的可攜式設備無線連接能力。

　　傳統藍牙的電力需求較大，甚至當使用者資料傳輸量不大時，也幾乎會獨占電池。這種電力需求代表著傳統藍牙對‘低頻寬、長壽命’的應用而言并非理想的無線解決方案。

　　相較之下，超低功耗RF收發器可以運用鈕扣電池（如CR2032或CR2025）運作數個月甚至數年的時間。這些鈕扣電池體積小，價格便宜，但儲能量很有限，通常在90～240mAh之間。與之相比，假設平均漏電流為一顆200μA，那么一顆AA電池的儲能量至少有10～12倍。

　　如此低的儲能量嚴重限制了ULP無線鏈路的主動工作週期（active duty cycle）。例如，一顆220mAh的CR2032鈕扣電池，若持續使用至少一年（220mAh/（24hr x 365day）），則可維持的最大額定電流僅25μA（或放電率）。

　　ULP硅無線電晶片則可實現僅數十毫安（milliamps）的峰值電流，以Nordic的nRF24LE1 2.4GHz收發器為例，在傳送時僅11.1mA（0dBm輸出功率）；接收時則僅13.3mA（速率2Mbps）。如果能在很長時間內將平均電流限制在數十微安，則工作週期可降至極低（約0.25%），晶片也能很快地回到nA等級休眠模式。
不同的應用

　　如果收發器有99.75%的時間都在休眠，一旦必須喚醒時，往往很難立即正常運作。而ULP收發器的特色之一便是能迅速喚醒，傳送極短但相對頻寬較高的‘bursts’資料‘（高達1或2Mbps），而后立即返回極低功耗的休眠狀態。

　　因此，ULP RF收發器并不會直接與Wi-Fi和傳統藍牙應用展開競爭。然而，ULP無線卻已開啟了極廣泛的嶄新應用。這些應用包羅萬象。ULP無線已經大舉進入體育、健康、娛樂、PC週邊、遙控、游戲、手機配件，家庭自動化和工業控制等領域，且未來幾年還將延伸到更多其他市場。

　　這些應用的共同點便在于能讓ULP無線技術發揮它的實力。這些應用設備通常採用小型感測器和週邊以及小型電池，每隔幾秒或固定時間發送極少量的數據（通常僅數位元）。然而，根據不同的應用類別，對ULP無線的設計需求仍不盡相同，如帶有可監控速度和距離的性能感測器、射頻遠端控制設備，以及像心律監控等醫療用感測器的自行車電腦、就需要與PC週邊截然不同的工程方案。

　　簡單來說，無線連接需要一個無線電（收發器）、協議（用來控制無線電通訊的軟體程式碼或堆疊），以及應用處理器（擁有自己的程式碼以監控特殊應用，如心律監控）。以下將探討這些要素如何影響無線系統的效率、尺寸和成本。

　　我們以兩個範例進行說明：一個無線滑鼠和一個自行車電腦。無線滑鼠的設計看來較簡單，但它需要應用到大量的超低功耗RF。無線滑鼠製造商需要一種精巧、高效且低成本的連接方案。換句話說，他們希望開發出所有消費者都買得起、功能強大電池壽命長的無線滑鼠。

　　針對這種應用，最佳方案是一顆系統單晶片（SoC），它在單顆晶片上整合了無線電、工廠提供的協議和應用處理器。而極大的應用量則抵銷了廠商投注的高昂NRE成本。此外，供應商還能最佳化軟硬體性能，以滿足目標應用需求。

　　對滑鼠製造商來說，他們毋須浪費時間和金錢開發、選擇或購買外部處理器和相關的開發工具套件，以及撰寫程式碼。收發器供應商在開發SoC時便已完成一部份工作了。

　　以Nordic公司的nRF24LE1 SoC為例，該元件瞄準桌上型週邊市場，內含Nordic公司的nRF24L01 + 2.4GHz超低功耗收發器、用于快閃記憶體或一次可編程（OTP）記憶體中的Gazell軟體協議堆疊、增強型8位元微控制器。這種單晶片元件尺寸僅5x5毫米，可應用在小型無線滑鼠設計中。

　　另一款nRF24LU1+晶片組則整合了Nordic nRF24L01+收發器、USB 2.0相容設備控制器，、快閃記憶體（或OTP）和一個8位元微控制器，可插入主PC的USB埠提供無線鏈接。nRF24LU1+能讓PC週邊製造商開發出微型USB dongle設備（圖1）。

　　圖1：nRF24LU1+能讓PC週邊製造商開發出微型USB dongle。
單晶片連接

　　SoC為量產型應用提供許多優勢，但它仍有一些缺點，如高整合SoC的尺寸和成本可能會增加。一顆無線SoC中通常包含一個微控制器，但在許多應用中，都已經採用微控制器來控制無線應用。

　　此外，一些工程師可能會自行選擇微處理器，因此，一些工程師可能會購買價格更低、沒有板載微處理器的收發器。

　　以一個無線自行車電腦為例，它整合了用于監控心律、速度或距離的各式感測器，另外還有許多各式各樣的感測元件、功率計等，讓自行車電腦的組成更加復雜，因此，這類應用通常都已具備可用于監控和無線功能的處理器，它們不需要再使用附加嵌入式處理器的無線晶片（圖2）。

　　圖2：Nordic的專用ULP收發器nRF24AP2，可為自行車單增加無線連接功能。（圖片來源：Suunto）

　　為此，Nordic與合作伙伴ANT Wireless一直致力為自行車開發適用的無線連接方案。

　　Nordic針對這類應用所開發的nRF24AP2在單晶片中整合了一個2.4GHz ULP收發器、ANT無線協議，以及微控制器/處理器介面。這款方案并未包含應用處理器，從而節省成本、功耗并減小尺寸。在實際使用時，nRF24AP2可無縫連接自行車電腦內的應用處理器，讓應用處理器能監控設備的無線連接情況。Nordic將這種方法稱之為‘單晶片連接’。
互通性需求

　　從技術角度來看，採用專用無線連接方案的好處遠勝過採用ZigBee或藍牙，因為製造商能最佳化協議，而且不會有其他的額外開銷，從而確保更低的功耗和成本。但缺點是缺乏互通性。

　　OEM需要能與其他晶片製造商互通的解決方案。目前通常是由業界廠商組成的聯盟，如ZigBee聯盟，或是像IEEE這類標準組織，以及藍牙SIG等標準協會負責制定這些互通性標準。基本上，這些產品都必須經過測試，以獲得特定標準的互通性認證。

　　雖然要製造符合標準的產品，就必須花費時間進行測試及獲得認證，同時會增加產品開發成本，但可互通的解決方案往往可刺激市場成長。

　　上述的ANT+技術是可互通ULP無線技術的其中一個例子。事實上，ANT是由超過220家公司所組成的監盟，并已被自行車領域的主要製造商如Garmin和Trek等公司採用，成為實質產業標準。另外，除了Nordic以外，也有其他半導體業者開始供應ANT晶片。然而，迄今在短距無線領域中，藍牙仍然是最成功的一項無線技術。

　　藍牙向低功耗領域擴展

　　藍牙最新的低功耗版本能運用在採用扭扣型電池供電的設備中。Nordic因應該標準推出的方案是μBlue系列，首款產品nRF8001在一顆5x5mm QFN封裝的32接腳元件中整合了完整的嵌入式無線電、鏈路控制器以及主控端子系統，可用在手錶、感測器和遙控等應用中。卡西歐的G-SHOCK藍牙低功耗手表便採用了該晶片。

　　這款手錶是首個採用藍牙低功耗的商用化產品，它能夠連接智慧手機校正時間，其他功能還包括來電、電子郵件、簡訊等提醒等。

　　藍牙SIG表示，未來藍牙低功耗將延伸到更廣泛的應用領域中，包括個人化使用者介面（PUID）、遙控、近接警報、電池狀態警示和心律監控等。

　　除了醫療保健，藍牙低功耗感測也將可望在公共場所獲得廣泛應用。其中一項關鍵應用，便是它能用于室內定位（沒有GPS訊號之處）。也就是說，在大型公共建筑，如機場或火車站內的感測器能不斷傳送位置資訊給搭載藍牙低功枆的手機，使用者便可得知所在位置資訊。另外，感測器還可以傳送其他資訊，如起飛時間和閘門、各種設備的具體位置，或是附近商店的特別優惠等（圖5）。