前言
　　目前有一種看法是,，低成本無線通信由藍牙和ZigBee包攬,，深入探討你就會發(fā)現(xiàn)專有的RF替代方案,，而且更適合在中國生產(chǎn)的產(chǎn)品,。
　　如果您認為低成本無線通信就是IEE802下的藍牙（IEEE802.15）和ZigBee（IEEEE802.15.4）,，這是情有可原的,，毫無疑問他們以來頭不小的專業(yè)組（Special Interest Groups）以及電子業(yè)重量級人物作為靠山,，但是他們并非無線通信唯一的選擇,。
　　在廣泛應用的個人區(qū)域網(wǎng)絡（PAN）包括PDA,、耳機、移動電話和膝上個人電腦的兼容通信上,，藍牙是一種理想的選擇,；在這些應用里，遵守標準的確可以免除大量設計的挑戰(zhàn),。您可以確保您的設計能與建立在同樣標準上的另一方通信,，同時獲得所需范圍和數(shù)據(jù)傳送率。而最近獲準通過的ZigBee標準,，優(yōu)化了網(wǎng)絡上包括多節(jié)點產(chǎn)品的應用,，在這種應用，不但要求可靠的通信而且還要求電池壽命可達數(shù)年,。
　　不過,，遵守這些標準要付出一定的代價：器件成本昂貴，僅僅為了保持兼容性而需要在數(shù)據(jù)包通信上付出很大的開銷,，這又會增加數(shù)據(jù)傳送時間并增加功耗,。
　　為了確保諸多制造商生產(chǎn)的手機、膝上電腦或無線傳感器的互操作性,，需要為802.15方案做大量的設計和測試來確保符合標準,，這還算是合情合理，不過,，如果應用在一對一的專用鏈路上,，如無線鼠標和鍵盤之間，它就成了沒有必要的開銷了,。這些低成本,、低功耗應用在中國越來越重要，特別是當為出口市場開發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品時,。
　　本文要說明的是,，在這種類型應用中選擇作者所在公司生產(chǎn)的RF芯片（Nordic半導體的nRF24xx系列）的優(yōu)勢。我們將比較使用藍牙,、ZigBee和nRF來設計無線鼠標來展示這個無線專有方案的優(yōu)勢,。在其他相似的應用上,，如游戲機控制器以及智能型運動設備上，其基本要素是相同的,。
　　RF比較
　　藍牙協(xié)議允許數(shù)據(jù)在1個主設備和最多7個從設備（在PAN或piconet中）之間以最高723kbit/s的速率傳送,。不過，由于通信協(xié)議規(guī)定各個裝置與地址和其他信息標題的類型以確保與其他藍牙設備兼容,，實際實際的速率會比這個數(shù)值小,。
　　標準采用高斯頻移鍵控（GFSK）調(diào)制模式，在2.4G頻段內(nèi)使用83個1Mbps的頻道,。在送到載波之前,，GFSK在基帶信號上使用高斯過濾?？梢云交唠娖剑?quot;1"）低電平（"0"）。與頻移鍵控（FSK）的直接方法相比,，可以給傳輸信號提供一個較狹和"更干凈"的頻譜,。
　　由于藍牙在免許可證ISM頻段下運行，如其他無線技術一樣（如Wi-Fi）,，干擾會削弱速率,，原因是，錯誤的信息包需要重新發(fā)送,。不過,，在1.2版本，通過加入自適應跳頻率（AFH）解決了這個難題,。這樣便能讓藍牙的兩個通信設備不斷在頻段上相互切換頻率,，以免與附近其他的RF設備碰撞。
　　藍牙設備有三種基本功率電平：1級（100米線視距）,、2級（10米）和3級（2-3米）,。目前常用的設備為2級。
　　在藍牙網(wǎng)絡中的每一個設備都有一個獨一無二的48比特識別號碼,。第一個識別設備（通常在2秒鐘內(nèi)）成為主設備,，接著設定為在頻段中每秒使用1600次，所有網(wǎng)絡中的其他設備將與這個主設備鎖定并與其同步,。主設備以偶時隙傳送,，從設備以奇時隙響應。網(wǎng)絡中的從設備將被分配一個地址,，并收聽屬于自己的時隙和地址信息,。
　　從設備也可以進入低功耗的可能進入功率"探測"，"保持"和"停止"模式,。在探測模式中,，設備僅僅在指定的探測時隙中靜聽,，但是保持同步。在保持模式中,，設備進行收聽來確定自身是否需要激活,。在停止模式中，設備放棄它的地址,。雖然在保持和停止模式下可以延長電池壽命省電,，但這也這意味著，設備失去同步,，同時重新建鏈將需要等待時間,，這將耗時幾秒鐘，如果用戶要求快速響應,，這無疑是一個缺點,。
　　藍牙標準包括一系列的應用領域可供選擇。不過,，所有藍牙的應用,，都必須得到認可，并符合藍牙標準,，同時,，所有用戶必須是藍牙特別的成員（www.藍牙.org）。
　　由于來自藍牙專業(yè)組的商業(yè)壓力,，大部分應用領域都適用于移動電話上的媒體和文件的傳輸應用,。因此，應用藍牙來開發(fā)一些較為簡單的應用是價值不高并且沒有實用價值的,。
　　ZigBee是最近推出的RF標準,，為大量多節(jié)點、低功耗,、低速率的無線監(jiān)控應用而開發(fā),。
　　本標準定義為IEEE802.15.4（參見www.zigbee.com），也是可靠性很高的一種簡單數(shù)據(jù)協(xié)議,。這包括通知每次傳輸?shù)膽饳C制以及其他技術以保持信息的可靠性,。ZigBee無須藍牙的同步功能，因此在一定程度上降低功耗,。
　　像藍牙那樣,，ZigBee工作在ISM 2.4GHz頻段（5MHz 16頻道）內(nèi)。本標準也提供在歐洲868MHz（單頻道）和US915MHz(2MHz 10頻道)頻段的版本,。它保證250kbit/s的最高速率,。
　　ZigBee靠DSSS（直接序列擴頻）模式來傳輸數(shù)據(jù)。DSSS能在一定程度上 防止干擾,，但是必須付出傳送過量數(shù)據(jù)包的代價,，并且導致帶寬和功耗,。
　　本標準試圖糾正藍牙在某些應用環(huán)境中的潛在弱點，尤其是在低時延和低數(shù)據(jù)速率應用方面,。不過,，按照802.15.4的要求，ZigBee在RF物理層上的應用還需要進行補充來實現(xiàn)和完善互操作性,。
　　補充技術
　　藍牙和ZigBee標準是互補的,，而不是相互競爭的。
　　與藍牙的7加主設備相比,，ZigBee能容納高達4090個節(jié)點,。ZigBee標準比較適合工業(yè)和家庭監(jiān)控和控制應用，這種應用場合的特點是,，節(jié)點多而節(jié)點的通信頻繁度不是很高,。
　　電源消耗是一個主要的不同點，ZigBee為工作循環(huán)和和超長壽命應用而設計,；它的電池壽命以年計算,，而藍牙的不間斷通信，幾個小時便把電池電力耗盡,。
　　而ZigBee的芯片組，只需藍牙的一小部分費用（雖然藍牙規(guī)程堆棧里有各種變體,，也能提供較低成本的解決方案）,。不過，作為新近的認可標準,，ZigBee還是受到多種限制,。
　　作者所在的公司（www.nordicsemi.no）提供了一種專有的RF芯片方案nRF24xx。它是一種片上系統(tǒng)SOC,，包括RF收發(fā)器,，一個8051微控制器，4頻道12比特ADC以及各種標準接口,，以0.18umCMOS工藝制成,。
　　本產(chǎn)品采用GFSK調(diào)制模式（與藍牙類似），它提供1Mbit/s的速率以并以最小的開銷來提供最佳的性能和最低的功耗,。該產(chǎn)品提出了一種以物理層規(guī)程處理為基礎的硬件,，在正常操作中，對于用戶傳輸是透明的,。（圖1（a）和(b),，以ZigBee規(guī)程堆棧與本產(chǎn)品對比。）

　　該專有解決方案為小型嵌入式系統(tǒng)應用而開發(fā),，在進行無線電項目開發(fā)時,，開發(fā)者將對以SPI 為基礎的接口感到滿意,。
　　一個120比特寄存器用來為芯片使用設立通信鏈路，涵蓋功能的各個方面,。集成在內(nèi)的微處理器只需在首次使用時配置參數(shù),，以后只需輸入目的地址和數(shù)據(jù)即可。
　　顯然,，由于這樣的設計無需進行標準的驗證,，產(chǎn)品上市的時間便會大大縮短。當然產(chǎn)品仍需符合無線電管理當局的規(guī)則要求,，如歐洲的ETSI或美國的FCC,，不管是不是按標準設計，任何RF都不例外,。
　　藍牙,、ZigBee和專有方案都各自使用獨特的數(shù)據(jù)包結構（參考"數(shù)據(jù)包結構"）。
　　當使用專有方案傳輸32比特數(shù)據(jù)包時,，專有方案需要傳輸80位,，需要48比特的額外開銷，數(shù)據(jù)包效率是40%,。相比之下,，藍牙需要傳輸160比特，其中包括128比特的額外開銷,，效率只有20%,。傳送完全相同的數(shù)量的數(shù)據(jù)，ZigBee設備將用152比特,，效率是21%,。
　　專有方案采用藍牙的信道模式。兩者都使用2.400~2.483GHz之間的83個1MHz帶寬的頻道（更準確地說,，2.402至2.483GHz,，分解成75個1MHz帶寬頻道，和一個2MHz的下保護帶和一個3.5MHz的上保護帶）,，與ZigBee的16頻道相比（參見圖2）,，這使藍牙和專有方案在遭遇從擁擠的頻段帶來的干擾的時候有更多可用頻率。（參見 "處理干擾",。）

　　帶寬問題
　　RF無線鼠標在免許可證的ISM 2.4GHz頻段工作,，是簡易、省電和省錢的無線應用的典型的例子,，這是中國廠商善于生產(chǎn)的,，內(nèi)銷和出口都十分適宜。拿以專有方案芯片為基礎設計的產(chǎn)品與ZigBee和藍牙解法器為基礎的相比,。
　　無線鼠標的典型的使用形式是10%處于工作模式和90%處于睡眠模式,，工作模式的時候,，以8ms周期進行工作和傳輸和接收。因此,，所需的凈速率為0.1*（125*80bit/s）=1kbit/s,。
　　與ZigBee相比，它在本應用中所需的的凈據(jù)速率為0.1×（125×152bit/s）=1.9kbit/s,。
　　這幾乎相當于專有方案的雙倍,。還有，ZigBee在最高250 kbit/s上運作,，與專有解法器的1Mbit/s相比,。結果，可以看出,，如果需要完成同樣的傳輸工作,，ZigBee的帶寬要求是專有方案進行相同工作所需的8倍。
　　由于藍牙必保持同步功能以避免再鏈接,，不管是否使用鼠標,，它都必須每隔675us發(fā)出160-bit數(shù)據(jù)包來維持該鏈路（1600包/s或250kbps/s）。如前所述,，沒有同步功能,，鏈路也能維持，這能導致需要高達3秒重新接入期,，對使用者來說,，這是不可接受的。

　　圖3說明典型鼠標數(shù)據(jù)包,。
　　延長電池壽命

　　圖4（a）和(b)說明了分別用專有方案和ZigBee的無線鼠到USB 接收器的通信時序。專有方案圖示表明,，設備的工作周期是195+16+80+202+49+16us=558us,，對典型的8ms通信周期，這提供1：14.3實際使用工作循環(huán),。由于在8ms通信周期中的工作時間相對較短,，在連續(xù)使用的平均電流是855uA。
　　假定專有方案是靠一顆AA電池操作（電力2000mAh）,，它可能完成2350個小時不間斷鏈路運作,。這相當于與于一個普通使用者大約1年的用量（包括鼠標光學 傳感器所需的電力，與無線鏈路,，總共占電力預算的95%,。為控制器消耗其余的5%）。
　　現(xiàn)在,，讓我們來看看ZigBee,。從時序圖解中可以看出,，設備的工作周期是192+200+192+26+608+192+352+10us=1.772ms，對典型的8ms請求周期,，它提供了1：4.5的實際循環(huán)使用,。這個占控比比專有方案高得多（主要由于需要發(fā)送時間8倍于專有方案以維持與專有方案相等的功能）在這個通信周期里，ZigBee的平均耗電量是4mA,。
　　這就是說,，一顆AA電池提供的電力，能讓鏈路不斷運作500個小時,，平均讓每個使用者操作大約兩個半月的時間,。
　　雖然藍牙在工作的時候也有4mA的平均電流，但是為了保持同步,，即使在"閑置"狀態(tài)下,，還繼續(xù)以8mA運行以維持同步功能（專有方案是10.2uA和ZigBee的351uA，這些數(shù)字在表1）,。

　　結論是,，使用者不能指望藍牙電池的壽命超過一個月。
　　注意：電池壽命的計算是基于每個模式的平均電力消耗量計算,，每個模式都作為8ms總周期（通信周期）的一部分,，如時序圖解所述，連續(xù)使用（鼠標開啟每秒鐘125packets/s）,。如上帶寬要求所述,，無線鼠標從來不以這種連續(xù)方式操作，而是90%的時間閑置,。專有方案和ZigBee會進入空閑模式,，只有uA級的功耗，而藍牙則繼續(xù)消耗mA級電流,。這里的關鍵因素是,，與其他無線方案相比藍牙設備必須維持工作狀態(tài)來確保通信鏈路處于鏈接狀態(tài)。
　　超越標準
　　藍牙和ZigBee標準說明,，電子業(yè)界能通過合作以創(chuàng)建標準,，確保全球市場上產(chǎn)品的兼容性。兩者都是各自領域內(nèi)出色的技術,。您只需在您的手機上安裝藍牙耳機,，便可以享受這個非常實用的RF技術和它的好處。
　　無論如何,，以標準作為基礎的工藝有它的不利之處,。第一，為了符合標準，您得達到標準,，這將使您付出高昂的NRE費用,，用來開始設計和測試兼容性。第二,，由于它的特性,，標準必須是"一個尺碼天下通用"的解決方法--在競爭日益激烈的全球化市場上，您的競爭者擁有與您一樣的技術,，很難分辨您的產(chǎn)品的優(yōu)勢,。最后，標準提供的設計靈活性很??；例如在在您的RF產(chǎn)品上進行降低功耗的工作將會受到限制。
　　本文以無線鼠標為例說明,，在要求一種產(chǎn)品需要電池壽命長和通信可靠以及實現(xiàn)低占空比方面,，nRF專有方案比藍牙和ZigBee做得更好。
　　只要使用相同的設計準則,，就可以有很多不同的用途,，例如，心跳傳感器和電腦之間的無線通信以及游戲控制器的無線通信,。隨著世界無線技術的發(fā)展,，放眼標準之外，尋找您的下一個無線通信鏈路,，是值得的,。

　　作者
　　約翰·倫納德（John Leonard）獲得英國Portsmouth大學BEng（榮譽）電子工程學學位。他是Nordic半導體公司的現(xiàn)場應用工程師,。他的職務是協(xié)調(diào)支援資源以完成各類項目,，也是全球主要客戶的現(xiàn)場助理。項目支援包括固件開發(fā)和為客戶開發(fā)軟件庫,，以加速項目開發(fā)周期,，同時與挪威的奧斯陸和Trondheim的五人工程師小組一起支持PCB布局問題和天線的開發(fā)。
　　工具條1

　　數(shù)據(jù)包結構
　　藍牙
　　1 接入碼-68或72比特
　　2 頭-56比特
　　3 數(shù)據(jù)-32比特

　　ZigBee
　　1 前導--32比特
　　2 幀間隔--8比特
　　3 幀長--8比特
　　4 幀控制--16比特
　　5 數(shù)據(jù)順序號=--8比特
　　6 地址ID--32比特
　　7 數(shù)據(jù)--32比特
　　8 幀效驗和--16比特

　　nRF專有方案
　　1 前導--8比特
　　2 地址--32比特
　　3 數(shù)據(jù)--32比特
　　4 CRC--8比特
　　工具條2

　　干擾處理
　　所有三種無線技術,，即藍牙、ZigBee和nRF專有方案,，都有減少在相同頻段工作的RF設備干擾的機制,。
　　藍牙具有頻率跳躍擴頻（FHSS）機制，能確保79個1MHz頻道均勻覆蓋以避免不斷的頻道干擾,。
　　ZigBee利用它的16個DSSS頻段對付窄帶干擾,，因此當如果有其他802.11b/g設備的存在時，就更容易受到干擾,，這就可能需要等待其他設備終止發(fā)送,。
　　專有方案采納一種更靈活的混合做法,。由于它的輸出功率適度，干擾不太可能發(fā)生,。為了最低限度減少電流消耗和復雜性,，專有方案不采用擴頻模式，碰到干擾,，只是簡單地以單一頻率傳送,，直至數(shù)據(jù)包到達為止。改變頻率只需簡單地通過SPI發(fā)送一個單字節(jié)命令即可,。
　　有了79個1MHz頻道,，就可以避開其他設備應用上的傳送頻率而重新分配頻率，即使在機場那樣的"熱點",，在幾分鐘乃至幾個小時內(nèi),，頻率的重新分配頻率也并不頻繁，,。
　　至于無線鼠標,，鄰頻抑制的典型值是-6dBm。因此只要鼠標（TX）到USB接收器（RX）的距離是從干擾源算起的一半,，一般就不會產(chǎn) 生干擾,。這是因為根據(jù)RF理論，6dB的衰減等同于雙倍的距離,。（參見圖1）,。

　　本工具條圖說明