前言
　　目前有一種看法是，低成本無(wú)線通信由藍(lán)牙和ZigBee包攬，深入探討你就會(huì)發(fā)現(xiàn)專(zhuān)有的RF替代方案，而且更適合在中國(guó)生產(chǎn)的產(chǎn)品。
　　如果您認(rèn)為低成本無(wú)線通信就是IEE802下的藍(lán)牙（IEEE802.15）和ZigBee（IEEEE802.15.4），這是情有可原的，毫無(wú)疑問(wèn)他們以來(lái)頭不小的專(zhuān)業(yè)組（Special Interest Groups）以及電子業(yè)重量級(jí)人物作為靠山，但是他們并非無(wú)線通信唯一的選擇。
　　在廣泛應(yīng)用的個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（PAN）包括PDA、耳機(jī)、移動(dòng)電話和膝上個(gè)人電腦的兼容通信上，藍(lán)牙是一種理想的選擇；在這些應(yīng)用里，遵守標(biāo)準(zhǔn)的確可以免除大量設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。您可以確保您的設(shè)計(jì)能與建立在同樣標(biāo)準(zhǔn)上的另一方通信，同時(shí)獲得所需范圍和數(shù)據(jù)傳送率。而最近獲準(zhǔn)通過(guò)的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)上包括多節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品的應(yīng)用，在這種應(yīng)用，不但要求可靠的通信而且還要求電池壽命可達(dá)數(shù)年。
　　不過(guò)，遵守這些標(biāo)準(zhǔn)要付出一定的代價(jià)：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(kāi)銷(xiāo)，這又會(huì)增加數(shù)據(jù)傳送時(shí)間并增加功耗。
　　為了確保諸多制造商生產(chǎn)的手機(jī)、膝上電腦或無(wú)線傳感器的互操作性，需要為802.15方案做大量的設(shè)計(jì)和測(cè)試來(lái)確保符合標(biāo)準(zhǔn)，這還算是合情合理，不過(guò)，如果應(yīng)用在一對(duì)一的專(zhuān)用鏈路上，如無(wú)線鼠標(biāo)和鍵盤(pán)之間，它就成了沒(méi)有必要的開(kāi)銷(xiāo)了。這些低成本、低功耗應(yīng)用在中國(guó)越來(lái)越重要，特別是當(dāng)為出口市場(chǎng)開(kāi)發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品時(shí)。
　　本文要說(shuō)明的是，在這種類(lèi)型應(yīng)用中選擇作者所在公司生產(chǎn)的RF芯片（Nordic半導(dǎo)體的nRF24xx系列）的優(yōu)勢(shì)。我們將比較使用藍(lán)牙、ZigBee和nRF來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)線鼠標(biāo)來(lái)展示這個(gè)無(wú)線專(zhuān)有方案的優(yōu)勢(shì)。在其他相似的應(yīng)用上，如游戲機(jī)控制器以及智能型運(yùn)動(dòng)設(shè)備上，其基本要素是相同的。
　　RF比較
　　藍(lán)牙協(xié)議允許數(shù)據(jù)在1個(gè)主設(shè)備和最多7個(gè)從設(shè)備（在PAN或piconet中）之間以最高723kbit/s的速率傳送。不過(guò)，由于通信協(xié)議規(guī)定各個(gè)裝置與地址和其他信息標(biāo)題的類(lèi)型以確保與其他藍(lán)牙設(shè)備兼容，實(shí)際實(shí)際的速率會(huì)比這個(gè)數(shù)值小。
　　標(biāo)準(zhǔn)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(gè)1Mbps的頻道。在送到載波之前，GFSK在基帶信號(hào)上使用高斯過(guò)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(hào)提供一個(gè)較狹和"更干凈"的頻譜。
　　由于藍(lán)牙在免許可證ISM頻段下運(yùn)行，如其他無(wú)線技術(shù)一樣（如Wi-Fi），干擾會(huì)削弱速率，原因是，錯(cuò)誤的信息包需要重新發(fā)送。不過(guò)，在1.2版本，通過(guò)加入自適應(yīng)跳頻率（AFH）解決了這個(gè)難題。這樣便能讓藍(lán)牙的兩個(gè)通信設(shè)備不斷在頻段上相互切換頻率，以免與附近其他的RF設(shè)備碰撞。
　　藍(lán)牙設(shè)備有三種基本功率電平：1級(jí)（100米線視距）、2級(jí)（10米）和3級(jí)（2-3米）。目前常用的設(shè)備為2級(jí)。
　　在藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)設(shè)備都有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的48比特識(shí)別號(hào)碼。第一個(gè)識(shí)別設(shè)備（通常在2秒鐘內(nèi)）成為主設(shè)備，接著設(shè)定為在頻段中每秒使用1600次，所有網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備將與這個(gè)主設(shè)備鎖定并與其同步。主設(shè)備以偶時(shí)隙傳送，從設(shè)備以奇時(shí)隙響應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)中的從設(shè)備將被分配一個(gè)地址，并收聽(tīng)屬于自己的時(shí)隙和地址信息。
　　從設(shè)備也可以進(jìn)入低功耗的可能進(jìn)入功率"探測(cè)"，"保持"和"停止"模式。在探測(cè)模式中，設(shè)備僅僅在指定的探測(cè)時(shí)隙中靜聽(tīng)，但是保持同步。在保持模式中，設(shè)備進(jìn)行收聽(tīng)來(lái)確定自身是否需要激活。在停止模式中，設(shè)備放棄它的地址。雖然在保持和停止模式下可以延長(zhǎng)電池壽命省電，但這也這意味著，設(shè)備失去同步，同時(shí)重新建鏈將需要等待時(shí)間，這將耗時(shí)幾秒鐘，如果用戶要求快速響應(yīng)，這無(wú)疑是一個(gè)缺點(diǎn)。
　　藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)包括一系列的應(yīng)用領(lǐng)域可供選擇。不過(guò)，所有藍(lán)牙的應(yīng)用，都必須得到認(rèn)可，并符合藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，所有用戶必須是藍(lán)牙特別的成員（www.藍(lán)牙.org）。
　　由于來(lái)自藍(lán)牙專(zhuān)業(yè)組的商業(yè)壓力，大部分應(yīng)用領(lǐng)域都適用于移動(dòng)電話上的媒體和文件的傳輸應(yīng)用。因此，應(yīng)用藍(lán)牙來(lái)開(kāi)發(fā)一些較為簡(jiǎn)單的應(yīng)用是價(jià)值不高并且沒(méi)有實(shí)用價(jià)值的。
　　ZigBee是最近推出的RF標(biāo)準(zhǔn)，為大量多節(jié)點(diǎn)、低功耗、低速率的無(wú)線監(jiān)控應(yīng)用而開(kāi)發(fā)。
　　本標(biāo)準(zhǔn)定義為IEEE802.15.4（參見(jiàn)www.zigbee.com），也是可靠性很高的一種簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)協(xié)議。這包括通知每次傳輸?shù)膽?yīng)答機(jī)制以及其他技術(shù)以保持信息的可靠性。ZigBee無(wú)須藍(lán)牙的同步功能，因此在一定程度上降低功耗。
　　像藍(lán)牙那樣，ZigBee工作在ISM 2.4GHz頻段（5MHz 16頻道）內(nèi)。本標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)頻）模式來(lái)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(guò)量數(shù)據(jù)包的代價(jià)，并且導(dǎo)致帶寬和功耗。
　　本標(biāo)準(zhǔn)試圖糾正藍(lán)牙在某些應(yīng)用環(huán)境中的潛在弱點(diǎn)，尤其是在低時(shí)延和低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用方面。不過(guò)，按照802.15.4的要求，ZigBee在RF物理層上的應(yīng)用還需要進(jìn)行補(bǔ)充來(lái)實(shí)現(xiàn)和完善互操作性。
　　補(bǔ)充技術(shù)
　　藍(lán)牙和ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是互補(bǔ)的，而不是相互競(jìng)爭(zhēng)的。
　　與藍(lán)牙的7加主設(shè)備相比，ZigBee能容納高達(dá)4090個(gè)節(jié)點(diǎn)。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)比較適合工業(yè)和家庭監(jiān)控和控制應(yīng)用，這種應(yīng)用場(chǎng)合的特點(diǎn)是，節(jié)點(diǎn)多而節(jié)點(diǎn)的通信頻繁度不是很高。
　　電源消耗是一個(gè)主要的不同點(diǎn)，ZigBee為工作循環(huán)和和超長(zhǎng)壽命應(yīng)用而設(shè)計(jì)；它的電池壽命以年計(jì)算，而藍(lán)牙的不間斷通信，幾個(gè)小時(shí)便把電池電力耗盡。
　　而ZigBee的芯片組，只需藍(lán)牙的一小部分費(fèi)用（雖然藍(lán)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(guò)，作為新近的認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)，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(zhuān)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(gè)8051微控制器，4頻道12比特ADC以及各種標(biāo)準(zhǔn)接口，以0.18umCMOS工藝制成。
　　本產(chǎn)品采用GFSK調(diào)制模式（與藍(lán)牙類(lèi)似），它提供1Mbit/s的速率以并以最小的開(kāi)銷(xiāo)來(lái)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(chǔ)的硬件，在正常操作中，對(duì)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(duì)比。）

　　該專(zhuān)有解決方案為小型嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)，在進(jìn)行無(wú)線電項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)，開(kāi)發(fā)者將對(duì)以SPI 為基礎(chǔ)的接口感到滿意。
　　一個(gè)120比特寄存器用來(lái)為芯片使用設(shè)立通信鏈路，涵蓋功能的各個(gè)方面。集成在內(nèi)的微處理器只需在首次使用時(shí)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(shè)計(jì)無(wú)需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證，產(chǎn)品上市的時(shí)間便會(huì)大大縮短。當(dāng)然產(chǎn)品仍需符合無(wú)線電管理當(dāng)局的規(guī)則要求，如歐洲的ETSI或美國(guó)的FCC，不管是不是按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，任何RF都不例外。
　　藍(lán)牙、ZigBee和專(zhuān)有方案都各自使用獨(dú)特的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)（參考"數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)"）。
　　當(dāng)使用專(zhuān)有方案?jìng)鬏?2比特?cái)?shù)據(jù)包時(shí)，專(zhuān)有方案需要傳輸80位，需要48比特的額外開(kāi)銷(xiāo)，數(shù)據(jù)包效率是40%。相比之下，藍(lán)牙需要傳輸160比特，其中包括128比特的額外開(kāi)銷(xiāo)，效率只有20%。傳送完全相同的數(shù)量的數(shù)據(jù)，ZigBee設(shè)備將用152比特，效率是21%。
　　專(zhuān)有方案采用藍(lán)牙的信道模式。兩者都使用2.400~2.483GHz之間的83個(gè)1MHz帶寬的頻道（更準(zhǔn)確地說(shuō)，2.402至2.483GHz，分解成75個(gè)1MHz帶寬頻道，和一個(gè)2MHz的下保護(hù)帶和一個(gè)3.5MHz的上保護(hù)帶），與ZigBee的16頻道相比（參見(jiàn)圖2），這使藍(lán)牙和專(zhuān)有方案在遭遇從擁擠的頻段帶來(lái)的干擾的時(shí)候有更多可用頻率。（參見(jiàn) "處理干擾"。）

　　帶寬問(wèn)題
　　RF無(wú)線鼠標(biāo)在免許可證的ISM 2.4GHz頻段工作，是簡(jiǎn)易、省電和省錢(qián)的無(wú)線應(yīng)用的典型的例子，這是中國(guó)廠商善于生產(chǎn)的，內(nèi)銷(xiāo)和出口都十分適宜。拿以專(zhuān)有方案芯片為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品與ZigBee和藍(lán)牙解法器為基礎(chǔ)的相比。
　　無(wú)線鼠標(biāo)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(shí)候，以8ms周期進(jìn)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(yīng)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(dāng)于專(zhuān)有方案的雙倍。還有，ZigBee在最高250 kbit/s上運(yùn)作，與專(zhuān)有解法器的1Mbit/s相比。結(jié)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(zhuān)有方案進(jìn)行相同工作所需的8倍。
　　由于藍(lán)牙必保持同步功能以避免再鏈接，不管是否使用鼠標(biāo)，它都必須每隔675us發(fā)出160-bit數(shù)據(jù)包來(lái)維持該鏈路（1600包/s或250kbps/s）。如前所述，沒(méi)有同步功能，鏈路也能維持，這能導(dǎo)致需要高達(dá)3秒重新接入期，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，這是不可接受的。

　　圖3說(shuō)明典型鼠標(biāo)數(shù)據(jù)包。
　　延長(zhǎng)電池壽命

　　圖4（a）和(b)說(shuō)明了分別用專(zhuān)有方案和ZigBee的無(wú)線鼠到USB 接收器的通信時(shí)序。專(zhuān)有方案圖示表明，設(shè)備的工作周期是195+16+80+202+49+16us=558us，對(duì)典型的8ms通信周期，這提供1：14.3實(shí)際使用工作循環(huán)。由于在8ms通信周期中的工作時(shí)間相對(duì)較短，在連續(xù)使用的平均電流是855uA。
　　假定專(zhuān)有方案是靠一顆AA電池操作（電力2000mAh），它可能完成2350個(gè)小時(shí)不間斷鏈路運(yùn)作。這相當(dāng)于與于一個(gè)普通使用者大約1年的用量（包括鼠標(biāo)光學(xué) 傳感器所需的電力，與無(wú)線鏈路，總共占電力預(yù)算的95%。為控制器消耗其余的5%）。
　　現(xiàn)在，讓我們來(lái)看看ZigBee。從時(shí)序圖解中可以看出，設(shè)備的工作周期是192+200+192+26+608+192+352+10us=1.772ms，對(duì)典型的8ms請(qǐng)求周期，它提供了1：4.5的實(shí)際循環(huán)使用。這個(gè)占控比比專(zhuān)有方案高得多（主要由于需要發(fā)送時(shí)間8倍于專(zhuān)有方案以維持與專(zhuān)有方案相等的功能）在這個(gè)通信周期里，ZigBee的平均耗電量是4mA。
　　這就是說(shuō)，一顆AA電池提供的電力，能讓鏈路不斷運(yùn)作500個(gè)小時(shí)，平均讓每個(gè)使用者操作大約兩個(gè)半月的時(shí)間。
　　雖然藍(lán)牙在工作的時(shí)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(yùn)行以維持同步功能（專(zhuān)有方案是10.2uA和ZigBee的351uA，這些數(shù)字在表1）。

　　結(jié)論是，使用者不能指望藍(lán)牙電池的壽命超過(guò)一個(gè)月。
　　注意：電池壽命的計(jì)算是基于每個(gè)模式的平均電力消耗量計(jì)算，每個(gè)模式都作為8ms總周期（通信周期）的一部分，如時(shí)序圖解所述，連續(xù)使用（鼠標(biāo)開(kāi)啟每秒鐘125packets/s）。如上帶寬要求所述，無(wú)線鼠標(biāo)從來(lái)不以這種連續(xù)方式操作，而是90%的時(shí)間閑置。專(zhuān)有方案和ZigBee會(huì)進(jìn)入空閑模式，只有uA級(jí)的功耗，而藍(lán)牙則繼續(xù)消耗mA級(jí)電流。這里的關(guān)鍵因素是，與其他無(wú)線方案相比藍(lán)牙設(shè)備必須維持工作狀態(tài)來(lái)確保通信鏈路處于鏈接狀態(tài)。
　　超越標(biāo)準(zhǔn)
　　藍(lán)牙和ZigBee標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明，電子業(yè)界能通過(guò)合作以創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)，確保全球市場(chǎng)上產(chǎn)品的兼容性。兩者都是各自領(lǐng)域內(nèi)出色的技術(shù)。您只需在您的手機(jī)上安裝藍(lán)牙耳機(jī)，便可以享受這個(gè)非常實(shí)用的RF技術(shù)和它的好處。
　　無(wú)論如何，以標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ)的工藝有它的不利之處。第一，為了符合標(biāo)準(zhǔn)，您得達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，這將使您付出高昂的NRE費(fèi)用，用來(lái)開(kāi)始設(shè)計(jì)和測(cè)試兼容性。第二，由于它的特性，標(biāo)準(zhǔn)必須是"一個(gè)尺碼天下通用"的解決方法--在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的全球化市場(chǎng)上，您的競(jìng)爭(zhēng)者擁有與您一樣的技術(shù)，很難分辨您的產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。最后，標(biāo)準(zhǔn)提供的設(shè)計(jì)靈活性很小；例如在在您的RF產(chǎn)品上進(jìn)行降低功耗的工作將會(huì)受到限制。
　　本文以無(wú)線鼠標(biāo)為例說(shuō)明，在要求一種產(chǎn)品需要電池壽命長(zhǎng)和通信可靠以及實(shí)現(xiàn)低占空比方面，nRF專(zhuān)有方案比藍(lán)牙和ZigBee做得更好。
　　只要使用相同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)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(wú)線通信以及游戲控制器的無(wú)線通信。隨著世界無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，放眼標(biāo)準(zhǔn)之外，尋找您的下一個(gè)無(wú)線通信鏈路，是值得的。

　　作者
　　約翰·倫納德（John Leonard）獲得英國(guó)Portsmouth大學(xué)BEng（榮譽(yù)）電子工程學(xué)學(xué)位。他是Nordic半導(dǎo)體公司的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。他的職務(wù)是協(xié)調(diào)支援資源以完成各類(lèi)項(xiàng)目，也是全球主要客戶的現(xiàn)場(chǎng)助理。項(xiàng)目支援包括固件開(kāi)發(fā)和為客戶開(kāi)發(fā)軟件庫(kù)，以加速項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)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(wèn)題和天線的開(kāi)發(fā)。
　　工具條1

　　數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)
　　藍(lán)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(dǎo)--32比特
　　2 幀間隔--8比特
　　3 幀長(zhǎng)--8比特
　　4 幀控制--16比特
　　5 數(shù)據(jù)順序號(hào)=--8比特
　　6 地址ID--32比特
　　7 數(shù)據(jù)--32比特
　　8 幀效驗(yàn)和--16比特

　　nRF專(zhuān)有方案
　　1 前導(dǎo)--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(wú)線技術(shù)，即藍(lán)牙、ZigBee和nRF專(zhuān)有方案，都有減少在相同頻段工作的RF設(shè)備干擾的機(jī)制。
　　藍(lán)牙具有頻率跳躍擴(kuò)頻（FHSS）機(jī)制，能確保79個(gè)1MHz頻道均勻覆蓋以避免不斷的頻道干擾。
　　ZigBee利用它的16個(gè)DSSS頻段對(duì)付窄帶干擾，因此當(dāng)如果有其他802.11b/g設(shè)備的存在時(shí)，就更容易受到干擾，這就可能需要等待其他設(shè)備終止發(fā)送。
　　專(zhuān)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(fù)雜性，專(zhuān)有方案不采用擴(kuò)頻模式，碰到干擾，只是簡(jiǎn)單地以單一頻率傳送，直至數(shù)據(jù)包到達(dá)為止。改變頻率只需簡(jiǎn)單地通過(guò)SPI發(fā)送一個(gè)單字節(jié)命令即可。
　　有了79個(gè)1MHz頻道，就可以避開(kāi)其他設(shè)備應(yīng)用上的傳送頻率而重新分配頻率，即使在機(jī)場(chǎng)那樣的"熱點(diǎn)"，在幾分鐘乃至幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，頻率的重新分配頻率也并不頻繁，。
　　至于無(wú)線鼠標(biāo)，鄰頻抑制的典型值是-6dBm。因此只要鼠標(biāo)（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(huì)產(chǎn) 生干擾。這是因?yàn)楦鶕?jù)RF理論，6dB的衰減等同于雙倍的距離。（參見(jiàn)圖1）。

　　本工具條圖說(shuō)明