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(kuò)張的催化劑將會是超低功耗技術(shù),。在這個每星期出貨量高達(dá)數(shù)千萬顆的短距、低功耗射頻市場中,，採用2.4GHz ISM頻段的技術(shù)仍居主流,，包括Wi-Fi、藍(lán)牙,、ZigBee,，當(dāng)然，這個領(lǐng)域還包括了其他多種尚未成熟的無線技術(shù),。未來幾年內(nèi),，我們的生活周遭可能會出現(xiàn)許多令人印象深刻無線連接技術(shù)。

　　短距無線市場的主要趨勢之一,，是超低功耗（ULP）無線應(yīng)用的大規(guī)模擴(kuò)展,。這種應(yīng)用的特徵是採用由鈕扣型電池供電的微型RF收發(fā)器，在需要時被喚醒以便快速地連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù),，而后再回到nA等級耗電量的‘休眠’狀態(tài),。ABI Research統(tǒng)計，2010年無線感測器網(wǎng)路（WSN）晶片市場成長了300%,；而在2016年,，醫(yī)療保健和個人健身設(shè)備採用的藍(lán)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(chǎn)品或設(shè)備都能添加超低功耗無線連接特性,，從微型醫(yī)療/健身感測器,、手機(jī)、電腦,、機(jī)械工具,、汽車都包括在內(nèi)。微型ULP收發(fā)器能夠直接與數(shù)以千計的其他設(shè)備直接通訊,，或是作為網(wǎng)路的一部份,，從而強(qiáng)化產(chǎn)品的實用性。

　　然而,，對多數(shù)工程師而言,，RF設(shè)計仍然是一種黑色藝術(shù),。RF設(shè)計確實不平凡，但現(xiàn)代的晶片供應(yīng)商和開發(fā)工具套件將協(xié)助設(shè)計師發(fā)揮更多設(shè)計技巧,。本文將描述ULP無線技術(shù),、晶片，并探討如何更好地運(yùn)用它們,。

　　超低功耗無線揭密

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

　　傳統(tǒng)藍(lán)牙的電力需求較大,，甚至當(dāng)使用者資料傳輸量不大時,，也幾乎會獨(dú)占電池。這種電力需求代表著傳統(tǒng)藍(lán)牙對‘低頻寬,、長壽命’的應(yīng)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(fā)器可以運(yùn)用鈕扣電池（如CR2032或CR2025）運(yùn)作數(shù)個月甚至數(shù)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(shè)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(yán)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(xù)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(xiàn)僅數(shù)十毫安（milliamps）的峰值電流,，以Nordic的nRF24LE1 2.4GHz收發(fā)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(nèi)將平均電流限制在數(shù)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(yīng)用

　　如果收發(fā)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(yùn)作,。而ULP收發(fā)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(dá)1或2Mbps），而后立即返回極低功耗的休眠狀態(tài),。

　　因此，ULP RF收發(fā)器并不會直接與Wi-Fi和傳統(tǒng)藍(lán)牙應(yīng)用展開競爭,。然而,，ULP無線卻已開啟了極廣泛的嶄新應(yīng)用。這些應(yīng)用包羅萬象,。ULP無線已經(jīng)大舉進(jìn)入體育,、健康、娛樂,、PC週邊,、遙控、游戲,、手機(jī)配件,，家庭自動化和工業(yè)控制等領(lǐng)域，且未來幾年還將延伸到更多其他市場,。

　　這些應(yīng)用的共同點(diǎn)便在于能讓ULP無線技術(shù)發(fā)揮它的實力,。這些應(yīng)用設(shè)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(fā)送極少量的數(shù)據(jù)（通常僅數(shù)位元）,。然而,，根據(jù)不同的應(yīng)用類別，對ULP無線的設(shè)計需求仍不盡相同,，如帶有可監(jiān)控速度和距離的性能感測器,、射頻遠(yuǎn)端控制設(shè)備，以及像心律監(jiān)控等醫(yī)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(fā)器）,、協(xié)議（用來控制無線電通訊的軟體程式碼或堆疊）,，以及應(yīng)用處理器（擁有自己的程式碼以監(jiān)控特殊應(yīng)用，如心律監(jiān)控）,。以下將探討這些要素如何影響無線系統(tǒng)的效率,、尺寸和成本。

　　我們以兩個範(fàn)例進(jìn)行說明：一個無線滑鼠和一個自行車電腦,。無線滑鼠的設(shè)計看來較簡單,，但它需要應(yīng)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(fā)出所有消費(fèi)者都買得起、功能強(qiáng)大電池壽命長的無線滑鼠,。

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

　　對滑鼠製造商來說,，他們毋須浪費(fèi)時間和金錢開發(fā),、選擇或購買外部處理器和相關(guān)的開發(fā)工具套件，以及撰寫程式碼,。收發(fā)器供應(yīng)商在開發(fā)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(zhǔn)桌上型週邊市場,，內(nèi)含Nordic公司的nRF24L01 + 2.4GHz超低功耗收發(fā)器,、用于快閃記憶體或一次可編程（OTP）記憶體中的Gazell軟體協(xié)議堆疊、增強(qiáng)型8位元微控制器,。這種單晶片元件尺寸僅5x5毫米,，可應(yīng)用在小型無線滑鼠設(shè)計中。

　　另一款nRF24LU1+晶片組則整合了Nordic nRF24L01+收發(fā)器,、USB 2.0相容設(shè)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(fā)出微型USB dongle設(shè)備（圖1）。

　　圖1：nRF24LU1+能讓PC週邊製造商開發(fā)出微型USB dongle,。

      單晶片連接
　　SoC為量產(chǎn)型應(yīng)用提供許多優(yōu)勢,，但它仍有一些缺點(diǎn)，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(yīng)用中，都已經(jīng)採用微控制器來控制無線應(yīng)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(fā)器,。

　　以一個無線自行車電腦為例，它整合了用于監(jiān)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(fù)雜,，因此，這類應(yīng)用通常都已具備可用于監(jiān)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(fā)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(fā)適用的無線連接方案,。

　　Nordic針對這類應(yīng)用所開發(fā)的nRF24AP2在單晶片中整合了一個2.4GHz ULP收發(fā)器,、ANT無線協(xié)議，以及微控制器/處理器介面,。這款方案并未包含應(yīng)用處理器,，從而節(jié)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(nèi)的應(yīng)用處理器，讓應(yīng)用處理器能監(jiān)控設(shè)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(shù)角度來看，採用專用無線連接方案的好處遠(yuǎn)勝過採用ZigBee或藍(lán)牙,，因為製造商能最佳化協(xié)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(diǎn)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(yè)界廠商組成的聯(lián)盟,，如ZigBee聯(lián)盟,，或是像IEEE這類標(biāo)準(zhǔn)組織，以及藍(lán)牙SIG等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會負(fù)責(zé)制定這些互通性標(biāo)準(zhǔn),?；旧希@些產(chǎn)品都必須經(jīng)過測試，以獲得特定標(biāo)準(zhǔn)的互通性認(rèn)證,。

　　雖然要製造符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品,，就必須花費(fèi)時間進(jìn)行測試及獲得認(rèn)證，同時會增加產(chǎn)品開發(fā)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(shù)是可互通ULP無線技術(shù)的其中一個例子。事實上,，ANT是由超過220家公司所組成的監(jiān)盟,，并已被自行車領(lǐng)域的主要製造商如Garmin和Trek等公司採用，成為實質(zhì)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn),。另外,，除了Nordic以外，也有其他半導(dǎo)體業(yè)者開始供應(yīng)ANT晶片,。然而,，迄今在短距無線領(lǐng)域中，藍(lán)牙仍然是最成功的一項無線技術(shù),。

　　藍(lán)牙向低功耗領(lǐng)域擴(kuò)展

　　藍(lán)牙最新的低功耗版本能運(yùn)用在採用扭扣型電池供電的設(shè)備中,。Nordic因應(yīng)該標(biāo)準(zhǔn)推出的方案是μBlue系列，首款產(chǎn)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(tǒng),，可用在手錶、感測器和遙控等應(yīng)用中,?？ㄎ鳉W的G-SHOCK藍(lán)牙低功耗手表便採用了該晶片。

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

　　藍(lán)牙SIG表示，未來藍(lán)牙低功耗將延伸到更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中,，包括個人化使用者介面（PUID）,、遙控、近接警報,、電池狀態(tài)警示和心律監(jiān)控等,。

　　除了醫(yī)療保健，藍(lán)牙低功耗感測也將可望在公共場所獲得廣泛應(yīng)用,。其中一項關(guān)鍵應(yīng)用,，便是它能用于室內(nèi)定位（沒有GPS訊號之處）,。也就是說，在大型公共建筑,，如機(jī)場或火車站內(nèi)的感測器能不斷傳送位置資訊給搭載藍(lán)牙低功枆的手機(jī),，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(shè)備的具體位置,，或是附近商店的特別優(yōu)惠等（圖5）,。

　　圖3：Nordic的μBluenRF8001是藍(lán)牙低功耗晶片，已用在卡西歐的G-SHOCK藍(lán)牙低功耗手錶中,。

　　圖4：藍(lán)牙低功耗的早期應(yīng)用可能會是體育,、醫(yī)療保健和娛樂產(chǎn)業(yè)。

　　圖5：在機(jī)場內(nèi),，藍(lán)牙低功耗標(biāo)籤可以被放置在特定位置,，讓搭載藍(lán)牙晶片的手機(jī)使用者得知所在位置。

　　自2011下半年起,，陸續(xù)有手機(jī)採用藍(lán)牙4.0晶片,。這也代表著許多令人振奮的新技術(shù)將有機(jī)會發(fā)揮潛力,。