消費電子射頻(RF4CE)協(xié)議標準介紹

(RF4CE)聯盟是針對消費類電子產品遙控器的一種標準。松下、飛利浦、三星電子和索尼公司組成的企業(yè)聯盟正在推動這一標準化進程。它們的目標是，通過運用于遙控器的雙向RF通信實現高可靠性和眾多新穎功能，從而向消費者提供更多價值。

RF4CE的主要優(yōu)點是確保了遙控器和音頻/視頻 (A/V)設備之間的互操作性，而紅外卻無法實現。這種協(xié)議的上層專為遙控器定義，而下層(包括物理層)使用IEEE802.15.4標準。該標準被廣泛用于消費類電子和工業(yè)市場的各種專有協(xié)議，ZigBee和6LowPAN也基于該標準。其優(yōu)點包括低功耗、穩(wěn)健性、遠距離、2.4GHz頻帶全球部署以及成熟的器件市場。在對任何特定應用的射頻設備進行評估時，需要考慮大量的參數。本文將重點討論那些對典型遙控應用的用戶體驗產生重大影響的參數。

利用RF遙控器獲得更長的電池使用壽命

在一個遙控器系統(tǒng)中，遙控器通常為電池驅動，受控設備則為電源供電。這就使得兩種設備具有不同的功耗要求。

1遙控器

遙控器一般由電池供電，這些電池可輕松提供一個IEEE 802.15.4射頻所需的適當峰值電流(大約為30mA)。更為重要的是平均功耗，2xAA電池至少1年的電池使用壽命能滿足電視遙控器的一般要求。但是，低功耗的RF遙控器可以很輕松地實現數年的電池使用壽命。

IEEE802.15.4射頻標準具有三種主要的功耗形式：接收模式功耗、發(fā)送模式功耗和睡眠模式功耗。這些功耗模式對平均功耗的影響取決于其量級和各模式占用時間的乘積。實際上，設備發(fā)送數據包所花費的時間與TX模式下消耗的電流同樣重要。遙控器被看作低占空比設備，這就是說它們大部分時候都處于睡眠模式，只是偶爾被喚醒使用射頻，如發(fā)送一條命令。然而，RF4CE等雙向RF遙控器協(xié)議實現了一些高級功能。例如，在遙控器上顯示設備狀態(tài)和分頁(paging)功能。這些功能要求遙控器在固定間隔時間內自動喚醒，以收集受控設備數據。

可以用CC2430構建一個每天按動按鈕50次的通用RF遙控器，其能實現分頁調度功能，而這種功能要求遙控器每隔5s醒來一次，以檢查是否正被受控設備輪詢。當沒有被命令或輪詢激活時，該設備便進入PM2睡眠模式，并等待按鈕按下或者睡眠計時器輪詢超時來喚醒。

當未實施分頁調度功能時，能量被睡眠期間的電流消耗。這種情況下，射頻設備擁有低于 1μA的平均功耗。實際上，兩節(jié)堿性AA電池的自放電大約為1μA。

2受控設備

當一個受控A/V設備開啟時，RF設備所用功耗一般并不大。這就是說，它可以一直保持開啟狀態(tài)，從而最小化接收命令的時延。但是，當受控設備處于待機模式下時，RF設備的功耗就會變大。

要獲得“能源之星”認證，電視在待機模式下的功耗就必須要(平均)低于1W。將來的一些標準和規(guī)定會有更為嚴格的要求，這樣一來，RF收發(fā)器的功耗預算就被縮減至數mA水平。降低RF收發(fā)器的功耗意味著其不能處于一種連續(xù)接收狀態(tài)下。因此，遙控器發(fā)出開啟命令的時延將會比受控設備開啟時發(fā)送的命令要長。

3共存性

圖1描述了典型的家庭配置，其由眾多2.4GHzRF設備包圍的A/V設備組成。這些設備通常包括Wi-Fi設備、無繩電話、微波爐、藍牙設備、ZigBee網絡等。許多設備工作在相同頻帶中時，互相之間可能會存在干擾。這些干擾會導致數據包丟失、功耗增加和通信時延。而有幾種方法可以減輕RF遙控器網絡中的這些影響。

圖1 典型的家庭無線環(huán)境

站在軟件遙控協(xié)議的立場上來說，減輕干擾影響的最有效方法是頻率捷變。它是一種算法，通過改變通道來響應破損的RF鏈接，直至找到一條干擾極少的通道為止。IEEE802.15.4標準在2.4GHz頻帶中定義了16條通道，將它們編號為11～26。通常來說，切換到一條干擾極少的通道是有可能的;但是，干擾可能會總是存在于鄰近的一些通道中。IEEE 802.11射頻(Wi-Fi)使用了比IEEE802.15.4更寬的通道便是一個例子。當數個Wi-Fi網絡同時存在的時候(見圖2)，如果您的遙控器已經移至Wi-Fi通道干擾極少的通道20，那么有源WiFi網絡使用通道6時鄰近通道就會存在干擾。

圖2 IEEE 802.11和IEEE 802.15.4通道方案

RF接收機受到工作在相同通道的一些設備以及鄰近頻率發(fā)射的信號干擾。選擇性是了解該接收機對無數據包誤差鄰近通道發(fā)射的強干擾容忍程度的一種測量方法。選擇性或干擾電阻是指IEEE802.15.4中鄰近和間隔通道抑制，用dB表示。接收機良好的選擇性是接收機的一個硬件參數，標注在器件的產品說明書中。通過高性能模擬和數字濾波器的組合，可以在一些器件(如CC2520)中獲得較高的選擇性。

圖3顯示的是兩個鄰近通道的干擾，其強度足以導致接收機出現數據包誤差。

圖 3 選擇性被表示為鄰近和間隔通道抑制

IEEE802.15.4將接收機選擇性的最低要求設定為鄰近通道抑制0dB以及間隔通道抑制30dB。為了在強干擾環(huán)境中建立一個穩(wěn)健的系統(tǒng)，就不能僅僅滿足于這些最低要求。TI的CC2520 IEEE802.15.4收發(fā)器擁有49dB的鄰近通道抑制和54dB的間隔通道抑制，也就是說，即使安放在非常靠近于干擾源的地方，它也不會丟失數據包和出現時延。

4有效距離

紅外遙控器要求接收機在視線以內才能起作用，這就使其很難在鄰近房間或同一房間內的各個地方完成操作。RF遙控器并不存在上述問題。設想一下，您現在想如何使用RF遙控器呢!例如，您也許想將您的DVD播放器遮避在厚實的柜門后面，把機頂盒放在房子的中心向幾臺電視機同時提供視頻流，或許您還想在廚房接聽電話的時候將客廳里播放的音樂關閉等。

許多因素均會影響RF設計的有效距離，例如，PCB設計、天線和外殼等。RF收發(fā)器的可能有效距離由靈敏度和輸出功率決定。靈敏度由一定數據包誤差率(PER)下接收機能夠接收到弱信號的強度測量得出(單位為dBm)。輸出功率由發(fā)射器能夠發(fā)射的信號強度測量得出(單位為dBm)。

5信號強度測量

就系統(tǒng)中理想工作的遙控器來說，其必須知道要與之通信的設備所處位置。搜索設備位置的過程被稱為綁定。這一過程使單個遙控器可以被用于控制系統(tǒng)中一個或多個設備。例如，一支萬能遙控器可以控制您的TV、DVD和機頂盒，即使這些設備并非是同時從同一家廠商那里購買的。使用紅外遙控器時，可以通過手動輸入代碼來完成這一過程，這通常是一個令人畏懼的過程，如果設備不支持或者代碼輸入錯誤則會以失敗告終。就RF遙控器而言，有諸多方法可以完成設備配對，其中，最常用的便是就近設備配對。

當遙控器接近其要控制的設備時，用戶按下某個按鈕后就近配對便會起作用。遙控器發(fā)送一個廣播數據包，附近的所有設備便產生回應，以此來建立綁定。該遙控器利用回應廣播的發(fā)射設備的RF信號強度，來探測與其接近的設備?；赗F信號遠距離傳輸后的衰減程度，由接收機上的信號強度計算出發(fā)射器和接收機之間的距離。在RF接收機中，這種信號強度表示為RSSI(接收信號強度指示)。要獲得直觀、用戶易于掌握的就近配對，接收機的RSSI測量就必須精確。

如圖4所示，CC2520擁有良好的就近配對性能所必需的一些功能。RSSI和功率均為線性，且具有較好的動態(tài)范圍(大約100dBm)，這就使其成為確定發(fā)送器距離的理想選擇。

圖4 CC2520典型的RSSI值與輸入功率

結論

正如我們討論的那樣，選擇低平均功耗器件來獲得長電池使用壽命，利用良好的選擇性來建立穩(wěn)健的鏈路，以及運用精確的RSSI測量方法來達到直觀的就近配對，這些都是構建一款優(yōu)秀遙控器產品的關鍵。