為便攜式設(shè)備增加無線功能的設(shè)計策略

科技的進步就是幫助人類化繁縟為簡潔，提供更大的便利。近年來，便攜式設(shè)備給消費者在視聽享受方面提供了很大的便利，隨著無線技術(shù)的飛速發(fā)展，給便攜式設(shè)備增加無線功能成為必然的選擇。那么，在增加無線功能的時候，設(shè)計者需要考慮哪些方面的因素呢?

一、 需要考慮的主要挑戰(zhàn)

在增加無線功能的時候，設(shè)計者要面臨哪些挑戰(zhàn)?需要考慮哪些因素?專家們的建議將有助于設(shè)計師把握設(shè)計重點和方向。

“在給便攜式設(shè)備如MP3/PMP增加無線功能的時候，最重要的考慮是你得確保在任何使用狀態(tài)下可靠工作，這意味著在播放MP3或視頻的時候，如果有呼叫/電話，則你必須實時響應(yīng)呼叫/電話同時要暫停多媒體功能。另外由于無線設(shè)計包含發(fā)射器和接收器，這需要確保有良好的射頻性能。”德州儀器半導(dǎo)體技術(shù)上海有限公司硬件技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理劉俊勇指出。Nordic半導(dǎo)體亞太區(qū)銷售經(jīng)理陳志謙則補充道：“給便攜式設(shè)備增加無線功能會面臨四大挑戰(zhàn)：成本、復(fù)雜性、功耗和尺寸大小。”他解釋說：“無線功能將使設(shè)計更復(fù)雜，雖然有些供應(yīng)商設(shè)計了集成收發(fā)器的元件，但是把芯片設(shè)計到PCB的時候你得知道這些因

素將影響你的設(shè)計性能。它們是天線的位置、范圍、和其他設(shè)備的接口等。”

當然，要支持設(shè)備正常工作，功耗方面的考量也是必不可少的，SiGe半導(dǎo)體公司無線數(shù)據(jù)產(chǎn)品總監(jiān)Andrew Parolin指出要把無線技術(shù)增加到便攜式設(shè)備中，電池的壽命和大小尺寸是主要的挑戰(zhàn)。因為新產(chǎn)品縱使添加了新功能，但原來的基本特點(如MP3播放器的播放時間等)也絕不能遜于上一代產(chǎn)品。設(shè)計者必須開發(fā)出耗電非常少的無線解決方案，而且能同時降低現(xiàn)有功能性的耗電量。對射頻前端模塊和功率放大器而言，電池壽命和尺寸大小是兩大重要問題。這些器件一般是設(shè)備中耗電最多的部分，因此，要在便攜式設(shè)備中增添無線功能，它們就成了主要關(guān)注的焦點。一般來說，每一代前端模塊的尺寸大小都會較前一代減少 30-40%;而效率則遞增加1-3%。而且即使增添新功能，生產(chǎn)商也不希望現(xiàn)有產(chǎn)品尺寸增大，因為外形尺寸只要稍稍增加，都會大大影響用戶對產(chǎn)品的印象。飛利浦半導(dǎo)體資深技術(shù)行銷經(jīng)理蔣益杰則指出，在增加無線功能的時候，工程師還要考慮平臺、操作系統(tǒng)和無線接口的選擇問題，這些因素都和系統(tǒng)需求、設(shè)計復(fù)雜度以及市場趨勢密切相關(guān)。

其他需要考慮的因素是無線功能帶來的散熱、外觀和重量問題，雖然模塊化的方案有助于減輕RF方面的問題難度和加速產(chǎn)品面市，但是模塊本身存在的尺寸和成本問題都需要進行折中考慮。

二、 無線協(xié)議和架構(gòu)的選擇策略

在增加無線功能的時候，工程師該如何選擇架構(gòu)和無線協(xié)議?SiGe的Parolin給出的建議是：系統(tǒng)工程師必須知道所需的無線應(yīng)用要求的最小帶寬是多少。某些應(yīng)用比如游戲等可能需要802.11g這樣的大帶寬無線標準，這是由于它們需要很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，所以即使可能消耗較多電流和有效的電池使用壽命，也必須如此。而對于語音等其它應(yīng)用而言，藍牙則可能是更好的選擇，因為它能在較低的耗電量下滿足數(shù)據(jù)帶寬的要求。

目前可以實用的標準無線技術(shù)

TI的劉俊勇則表示一般可以選擇兩種架構(gòu)，一種是在現(xiàn)有平臺方案上增加無線modem，但這需要設(shè)計射頻通信層和接口以確保在無線modem和便攜式設(shè)備之間進行實時可靠的通信。這種方案中可以選擇TI的單芯片解決方案Locosto。另外一種架構(gòu)是選擇集成有無線modem和應(yīng)用處理器的集成方案，例如TI的OMAP730。不過他表示不管選用何種方式，無線協(xié)議棧必須是成熟且強健的，他建議最好使用通過互操作測試(IOT)測試的無線協(xié)議棧。

Nordic的陳志謙給出的補充建議是：一要考慮使用非授權(quán)ISM頻段，例如如果你的產(chǎn)品在美國使用，則你可以使用915MHz頻段，如你的產(chǎn)品在歐洲銷售，你可以使用434或868MHz頻段。另外，2.4GHz頻段是全球可以使用的頻段。二要考慮供應(yīng)商對你的支持，例如如果從RF角度來看你的PCB不夠好，這樣就可能產(chǎn)生干擾，這時你需要供應(yīng)商給你一些建議。如果你通過分銷商獲得支持，你需要確保他們理解你的硬件設(shè)計需求。

目前市場上有許多標準無線技術(shù)，工程師可以從應(yīng)用范圍、數(shù)據(jù)傳輸率、頻段和功耗方面考慮采用何種技術(shù)。例如，WLAN可以提供的通信范圍是100米左右，可以提供的數(shù)據(jù)傳輸率可以超過54Mbps。而NFC提供的通信范圍就是10cm左右，數(shù)據(jù)率為1~3Mbps，頻段則是13.56MHz。表一列出了目前可以實用的標準無線技術(shù)

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另外，工程師在增加無線功能的時候也可以考慮一些非標準的無線協(xié)議。Nordic的陳志謙指出類似IEEE802.xx的這些標準協(xié)議，因為要確保兼容性方面的問題，所以會延長產(chǎn)品的面市時間，因為你要確保你的產(chǎn)品符合標準，而且這樣也增加了一些非工程成本(NRE)開銷，而一些非標準協(xié)議。例如Nordic的nRF24xx在端對端應(yīng)用中有比藍牙更出色的性能，還不用做兼容性方面的測試。如果一個微微網(wǎng)中有其他制造商的無線產(chǎn)品，這時候藍牙很有優(yōu)勢，但如果都是一個公司的產(chǎn)品，這時候用藍牙就大材小用了。

實際上，便攜式設(shè)備的功耗是最重要的考量因素。一般應(yīng)用處理器和背光屏就占用50~60%的功耗，而且消費者都希望手機和MP3播放器在電池支持下可以工作數(shù)十小時。這樣，無線部分就必須十分高效。“藍牙1.2版芯片以及增強數(shù)據(jù)率(2.0+EDR)芯片都不是很高效的,因為它們需要每隔675us發(fā)送一個160bit的數(shù)據(jù)包(1600數(shù)據(jù)包/秒)以維持連接，這也是藍牙為什么不能用于低占空比

應(yīng)用的原因。”陳志謙指出。藍牙對于便攜式設(shè)備來說，功耗問題可以算是最大的問題。這樣，在無線音頻流的應(yīng)用中，如果用藍牙，則幾個小時就會耗盡電池的電量。Zigbee通過放棄同步請求減少了功耗，但卻限制了帶寬。而如果采用非標準協(xié)議，則既能獲得藍牙的帶寬，又可以獲得Zigbee的低功耗效果。

實際上，由于許多標準無線協(xié)議都采用2.4GHz ISM頻段，許多專家已經(jīng)在擔心使用這個頻段的設(shè)備之間的干擾問題。而這無疑將增加標準協(xié)議的使用成本。

三、 如何降低無線功能帶來的功耗?

顯然，增加無線功能帶來的最大問題是功耗的增加，如何降低無線功能帶來的功率消耗是設(shè)計者考慮的頭等大事。無線設(shè)計人員的挑戰(zhàn)是要在不影響 RF 信號完整性的前提下把電池壽命延至最長。在 RF 設(shè)計中，決定功率管理的實現(xiàn)方法有多個考慮因素。成本、電路板空間、效率及噪聲抑制等都是設(shè)計人員能否獲得最佳設(shè)計解決方案的重要考慮因素。決定便攜式設(shè)備的最佳功率管理方法并不是瑣碎的事，但如果在一開始就能明確決定目標和取舍，設(shè)計人員就能夠避免日后設(shè)計中的許多麻煩。

飛兆半導(dǎo)體應(yīng)用工程師Brian Law指出為了降低功耗，一般在功率調(diào)節(jié)有兩種選擇：線性調(diào)節(jié)器或 DC/DC 調(diào)節(jié)器。由于DC/DC 調(diào)節(jié)器的效率高于線性調(diào)節(jié)器，所以一般設(shè)計人員多喜歡采用DC/DC 調(diào)節(jié)器，不過這卻要付上代價。DC/DC 調(diào)節(jié)器的最大缺點是占用的電路板空間大。PWM 架構(gòu)器件需要小至 1uH 到 10uH 的電感，而電感在板上的占位面積可能和芯片一樣大。在電容性調(diào)節(jié)器中，還需要兩個典型值都為 1uF 的外接電容。除了用在線性調(diào)節(jié)器中的輸入和輸出電容之外，這些器件都是不可缺少的。開關(guān)頻率與電感或電容值的大小成反比關(guān)系。當開關(guān)頻率增加，電感或電容值會減小。半導(dǎo)體制造商面對的挑戰(zhàn)在于提高開關(guān)頻率。這會給無線設(shè)備帶來額外的缺點。開關(guān)調(diào)節(jié)器會產(chǎn)生可能耦合到 RF 電路的開關(guān)噪聲，這個問題并非不能克服，但卻需要在任何無線設(shè)計中予以考慮。抑制噪聲的方法有很多，包括在輸出端增加輸出電容或鐵氧體磁珠 (ferrite bead)。RF 設(shè)計人員還需要考慮到通過設(shè)備從輸出反饋耦合到輸入的噪聲。這個噪聲可能通過電池反饋耦合到 RF 功率放大器。通?？梢栽谳斎攵撕唵蔚丶由翔F氧體磁珠來抑制這種噪聲。

SiGe的Parolin建議，除了設(shè)計更高效率的功率放大器之外，前端模組還可將后置功率放大器的損耗減至最小，從而使該功率放大器的發(fā)射功率，這樣比一般分立式設(shè)計的給定天線輸出功率低。從而達到提高能效的效果。

四、 未來趨勢與供應(yīng)商的產(chǎn)品策略

“我們預(yù)測無線設(shè)計趨勢是給便攜式設(shè)備集成更多的音頻、視頻、圖像和游戲功能，融合是大趨勢。我們通過參考設(shè)計來簡化客戶的無線設(shè)計。”TI的劉俊勇表示，目前TI可以提供集成有數(shù)字基帶和RF的GSM/GPRS單芯片方案Locosto并提供經(jīng)過全球IOT測試的L1/L23軟件。在中高端市場，TI可以提供OMAP產(chǎn)品。

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當然，提高RF產(chǎn)品的集成度是各個供應(yīng)商采取的主要措施之一。SiGe公司認為隨著藍牙(EDR、UWB)和802.11(802.11n-MIMO)更新版本的推出，無線技術(shù)將能夠廣泛滲透到便攜式消費設(shè)備中。針對這個趨勢，SiGe半導(dǎo)體公司推出了能夠同時減小尺寸和耗電量的新一代無線射頻(RF)前端模塊和功率放大器系列。最新的802.11b/g前端模塊SE2559L 與現(xiàn)有產(chǎn)品相比，尺寸減小了40%，耗電減少了30mA，這就能實現(xiàn)在便攜式設(shè)備中加入無線解決方案。SiGe的最新藍牙功率放大器SE2425U，可使解決方案的尺寸減小30%，但同時仍然具有藍牙最新的增強型數(shù)據(jù)速率的功能。

飛利浦在集成上也強勢出擊，其WLANBGW200/211則集成了BB/MAC、RF、PA和無源器件?？蛻羲枰木褪菐讉€晶振和連接到電線的50歐姆傳輸線。

SigmaTel (矽瑪特)更看好藍牙和Wi-Fi無線應(yīng)用，并認為技術(shù)會應(yīng)用到PMP上，它采取的措施是和英飛凌攜手，將英飛凌BlueMoon UniCellular(PMB8753)藍牙2.0解決方案作為矽瑪特STMP3600 MP3播放器參考設(shè)計套件(RDK)的組成部分。該參考設(shè)計將提供一個包含藍牙上棧軟件和相關(guān)的藍牙技術(shù)介紹。“這一設(shè)計將通過BQB認證和UnplugFest測試，能有效降低客戶的開發(fā)成本，并縮短產(chǎn)品的上市時間。矽瑪特客戶將能夠平穩(wěn)地從PMB8753過渡到優(yōu)化藍牙解決方案。”矽瑪特亞洲區(qū)高級副總裁劉家聲強調(diào)。

作為非標準無線協(xié)議的堅決擁躉，Nordi

c強調(diào)自己在集成度、效率和功耗方面的優(yōu)勢，如收發(fā)器集成度更高，而且更緊湊，它使用高效率的無線協(xié)議，采用自適應(yīng)跳頻技術(shù)，通過這些大大減少了功耗。陳志謙特別強調(diào)Noridc的nRF24Z1瞄準MP3播放器和無線頭戴式耳機之間的音頻流傳輸應(yīng)用，可以提供4Mbps的數(shù)據(jù)率，如果傳輸未壓縮的CD級音頻這已經(jīng)是綽綽有余了。“而藍牙就達不到這個質(zhì)量，所以有些Hi-Fi雜志稱藍牙耳機聽起來尖細些和缺乏動態(tài)。”他指出。

無線技術(shù)將在未來幾年中扮演重要的角色，便攜式設(shè)備無線化如何演進?我們將密切關(guān)注。