無線系統設計管理論文

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藍牙技術自二十世紀九十年代末期面世以來，就開始面對眾多的技術挑戰，包括兼容性、功耗和信號干擾等方面的挑戰。本文全面概述了藍牙技術，以及如何利用BlueCore來應對功耗和信號干擾方面的挑戰。

藍牙是一種短程無線鏈路技術。作為一種纜線替代技術，藍牙在消費電子設備之間傳輸語音和數據，如移動電話、PC和PDA設備等。由于藍牙應用于電池驅動的小型設備，并且具有短程無線鏈路的特點，因此功耗一直是該技術關注的問題。

藍牙技術

藍牙運行的工業、科學和醫學(ISM)頻帶范圍為2.4~2.4835GHz。由于這個頻帶是開放的，因此有許多其它的無線鏈路標準也使用這個頻帶，如802.11Wi-Fi和DECT無繩電話。因為非常類似，這些設備之間可能造成相互的干擾，從而影響藍牙鏈路的質量。

藍牙鏈路的范圍取決于無線設備的功率。一級設備的連接范圍是100米，二級設備為10米，三級設備為1米以內。

藍牙技術的標準數據傳輸速率高達每秒1Mbit/s，真正吞吐量為每秒723千比特。數據被藍牙堆棧劃分為數據包，并通過兩個鏈路中的其中一個進行發送。此鏈路是通過SCO(SynchronousConnectionOrientedChannels)利用預留帶寬進行實時傳輸(包括語音包)的；或通過ACL(AsynchronousConnectionlessChannels)進行數據傳輸和再傳輸。一個藍牙設備由硬件、固件和軟件三部分組成。

圖1顯示的是一個典型的分層藍牙規格協議棧。除了主機控制接口(HCI)、邏輯鏈路控制及適配協議(L2CAP)、RFCOMM和服務發現協議(SDP)之外，該藍牙規格協議棧還具有無線電、基帶和鏈路管理協議。

干擾：挑戰設計

由于藍牙使用的ISM射頻是開放的，因此許多其它的無線標準也利用ISM頻帶，其中比較有影響力的標準包括802.11b/gWi-Fi。除了因為與其它無線標準共存而產生的挑戰之外，藍牙通訊鏈路還可能受到其它家用設備的影響，如微波爐。這些家用設備在運行的同時輻射出射頻能量，由于成本和技術上的限制，不可避免地這些設備會散發出相當程度的幅射。

盡管受到環境射頻的干擾，藍牙在頻率沖突方面的主要挑戰還是來自于802.11b/gWi-Fi。這兩種技術都在ISM頻帶范圍內運行，以數據包的形式發送數據。在過去五年中，WiFi和藍牙都廣泛受到消費者的歡迎，越來越多的家庭開始使用藍牙產品和無線LAN網絡。因為這兩種技術非常類似，所以共存是一個首先需要考慮的問題。實際上，許多機制已經被采用，以便解決相互間的干擾問題。

為了降低某個ISM頻帶區域內傳輸的功率總量，藍牙和Wi-Fi不得不采用各種數據傳輸擴頻技術。藍牙采用跳頻技術(FHSS)，在相對較窄的1MHz帶寬范圍內傳輸數據包。這樣，在該帶寬提供的79個信道范圍內，窄帶信號的頻率變為每秒1,600跳。通過圍繞頻譜頻繁跳動，使信號功率充滿了整個頻帶。

發生一般性干擾時，數據包的接收可能被中斷，因為藍牙和802.11b/g信號發生疊加，造成記錄錯誤。附近的天線可能對第二個系統的運行造成前端過荷干擾。但是，這種干擾要求具備較強的干擾信號，所以較一般性干擾來說是一種不常見的干擾。

自適應跳頻技術(AFH)

自適應跳頻技術(AFH)是解決一般性干擾的有效途徑。AFH可以識別“壞”信道。在這些信道上，要么有其它無線設備干擾藍牙信號，要么藍牙信號干擾了其它的設備。具備AFH技術的藍牙設備與藍牙微網(Piconet)內的其它設備進行通訊，分享有關壞信道的詳細信息。這樣，這些設備就可以轉換到可用的“好”信道，遠離干擾區，不影響帶寬的使用。使用AFH技術時，壞信道的分類必須準確，并且“一般性”干擾應是唯一的干擾形式。圖2展示了有效使用AFH技術的情形。

BlueCore的默認設置通常能在大約四秒鐘的時間內適應新的來源方面的干擾。

信道跳轉使v1.1設備獲得了AFH技術的優點，但不得不犧牲藍牙帶寬以盡量減少對Wi-Fi信號的影響。即使802.11b/g此時閑置，也有高達50%的非優先藍牙通訊被終止。然而，盡管這個數字看起來很大，用戶卻常常覺察不到帶寬的變化，除非他們試圖實施某些對時間敏感的應用，如立體音頻隨選隨播。

時分多路復用(TDM)

時分多路復用(TDM)是一種應對前端過荷型干擾的手段，AFH技術無法應對這種干擾。TDM最初用于保護802.11b/g傳輸不受藍牙干擾，而不是相反的情形。其工作原理是：當ISM頻帶內運行802.11b/g時，所有藍牙傳輸都要關閉，但那些高優先級的藍牙傳輸除外。與信道跳轉一樣，這種方法犧牲了部分藍牙帶寬，這部分犧牲的帶寬與802.11b/g工作周期成比例。因此，如果802.11b/g閑置，則鏈路維護通訊可能造成帶寬下降2-3%，用戶不可能察覺到這個細微的變化。

要增強TDM的效果，就需要具備有關802.11b/g無線設備活動的準確信息。為此，CSR公司定義了WLAN_Active硬件信號，以保證當無線設備運行時，b/g信號得到保護。當需要保護藍牙信號不因802.11b/g干擾而衰退時，CSR公司開發出了BT_Priority，這是一種可選的信號，它可以指出何時正在發送或接收重要的藍牙數據包。這種信號可用于保護采用HV3數據包的SCO音頻，這種格式在單聲道耳機隨選隨播音頻數據時最為常見。Wi-Fi干擾可能阻止耳機與電話連接，還可能造成音頻質量下降，因為部分SCO數據包的傳輸被終止，并且不重新傳輸。

根據信道質量確定數據速率(CQDDR)

這個方案針對的是極端的范圍和干擾問題，其建立的基礎包括跳頻、數據包標題和有效載荷的檢錯碼、以及數據包確認收悉或再傳輸。有兩種格式的數據包，即DH和DM，分別利用高帶寬和中帶寬。DH數據包可以傳輸更多的數據，但是如果部分數據包遭到破壞，整個數據包必須重新傳輸以恢復數據。DM數據包包含前向糾錯(FER)碼，占有效載荷的三分之一：每10比特的數據就增加5比特的前向糾錯碼，每15比特的數據/FEC數據塊中可以糾正2比特的錯誤。這種數據包格式可能降低最大的數據速率，但比不包含糾錯功能的DH數據包更強大。它允許接收設備與傳輸設備進行協調，按照環境干擾情況來確定采用何種數據包格式。例如，如果某個設備確定正在接收的數據存在諸多錯誤，它就會通知傳輸設備以DM數據包的方式傳輸數據。如果鏈路恢復暢通了，它就會允許傳輸設備回轉到DH數據包。見圖4。

CQDDR只是藍牙鏈路的一個可選項，并不包括在藍牙技術規范內。因此，對于配置BlueCore的設備發送數據給沒有配置CQDDR的設備的情況，CSR公司發明出了一種算法來評估鏈路的表現，并且按照確認收悉的數據包(ACKs)和沒有確認收悉的數據包(NACKs)之間的比率來修改數據包的類型。但是，對于從一個沒有配置CQDDR的設備接受信息的情況，如果數據包受損，則BlueCore無法提供應對措施。

擴展型同步定向連接信道(eSCO)

eSCO是允許受損語音數據進行再傳輸的檢錯語音信道。每一個數據包都有一個CRC(循環冗余校驗)，這樣接收設備就可以檢查數據包是否正確接收。在接收過程中存在錯誤和丟失的數據包將得到否認。再傳輸窗口允許未經確認的數據包進行再傳輸。

1.1版SCO只能使用單槽數據包。擴展型SCO允許對同步語音或數據使用三槽數據包。這意味著擴展型SCO可以達到100kbps以上的連接速度，而1.1版的連接速度為固定的64kbps。這是因為在使用單槽數據包時鏈路容量丟失，而當無線設備改變頻率時數據包之間產生間隙。

在每個eSCO傳輸過程中，主設備傳輸一個eSCO數據包，從設備會按照SCO常規進行響應(即使沒有接收到主設備的數據包，從設備也可以進行響應)。eSCO與SCO的不同之處在于SCO存在一個再傳輸窗口。在這個窗口中，可以對未經確認的數據包進行再傳輸，直至確認收悉。eSCO傳輸的間隔是可以調整的。1.1版SCO有三種數據包間隔可供選擇，傳輸速度都是64kb/s。擴展型SCO的數據包長度和間隔在鏈路的兩個方向都是可以調整的，因此可以實現不對稱傳輸。

盡管eSCO信道不主動處理或避免干擾，受損數據包的再傳輸仍保證了其音頻質量受到其它無線設備的影響相對較小。

功耗對于藍牙技術的重要性

功耗是一個關鍵性的問題，在無線開發的競爭方面有著特別重要的作用。作為一種短程無線功耗是一個關鍵性的問題，在無線開發的競爭方面有著特別重要的作用。作為一種短程無線鏈路技術，藍牙的功耗可以降到最低水平，特別是在電腦外圍設備這樣的應用中，藍牙設備的范圍實際上不足50cm。

藍牙較低的功耗水平使其成為移動電話和PDA這樣的小型手持設備首選的無線連接技術，這些設備依賴于電池電量，消費者也看重其電池壽命。

低功耗模式與內部時鐘

在藍牙堆棧的范圍內，最大的功耗水平源自于無線單元的活動，在僅以藍牙堆棧數字單元要求的10mA電流水平傳輸和接收數據時，無線單元的活動卻需要50mA的電流。因此，減少藍牙無線單元的活動對于降低整體的功耗水平最為有效。此外，靈活使用低功耗模式也可以進一步降低藍牙設備的功耗水平。

BlueCore芯片內的硬件時鐘可以將數字單元與無線單元隔離，這樣可以關閉無線單元，從而將芯片送入淺度或深度睡眠模式。

在淺度睡眠模式下，時鐘頻率從16MHz、10mA降低到0.125MHz、2mA(圖6)。

在深度睡眠模式下，除了1kHz自激弛張振蕩器之外，時鐘的主晶體和所有其它部分都停止工作(圖7)。

要進入深度睡眠模式，BlueCore需要有20ms時間的靜止狀態。要從深度睡眠模式下蘇醒過來，時鐘晶體需要5ms時間轉動起來，而設備需要大約20ms時間的無活動狀態。BlueCore可以通過兩種方式退出深度睡眠模式，一是通過定時鬧鐘，在下一次定時活動之前叫醒設備；二是通過PIO、UART或USB串口傳輸設備來中斷深度睡眠模式。

功耗控制方法對于降低干擾和電源耗竭的風險也很重要。如果一個藍牙設備需要與幾厘米之外的另外一個設備進行通訊，這個設備就不需要消耗與100m之外的一個設備鏈接所需要的那么多功率。BlueCore具備了這方面智能，因此，通過利用最少的電流來建立和維持無線鏈接，BlueCore可以減少功率損耗。

芯片結構

BlueCore芯片結構在保證功耗效率和低功耗方面起著關鍵作用。圖8顯示的是BlueCore3-ROMCSP芯片封裝設計的一個例子，展示了BlueCore芯片的典型設計。自最初就設計成一個單芯片產品的BlueCore，其芯片組件特別少，減少了功率消耗，更為重要的是，BlueCore包含一個數字信號處理器基帶去取代常規的ARM處理器。藍牙的短程連接和協議堆棧意味著這個復雜而消耗功率的處理器無法執行日常的藍牙任務。此外，協議堆棧的結構使所有數據不用通過微處理器。芯片內存集線器存儲包括信息包在內的數據，而微處理器確定數據包的類型和結構。數據包通過DSP傳輸。這種方法限制了單個組件的參與，因此降低了數據傳輸和處理過程的功率耗損量。

效率和低功耗方面起著關鍵作用。圖8顯示的是BlueCore3-ROMCSP芯片封裝設計的一個例子，展示了BlueCore芯片的典型設計。自最初就設計成一個單芯片產品的BlueCore，其芯片組件特別少，減少了功率消耗，更為重要的是，BlueCore包含一個數字信號處理器基帶去取代常規的ARM處理器。藍牙的短程連接和協議堆棧意味著這個復雜而消耗功率的處理器無法執行日常的藍牙任務。此外，協議堆棧的結構使所有數據不用通過微處理器。芯片內存集線器存儲包括信息包在內的數據，而微處理器確定數據包的類型和結構。數據包通過DSP傳輸。這種方法限制了單個組件的參與，因此降低了數據傳輸和處理過程的功率耗損量。

EDR藍牙

EDR藍牙的增強型數據傳輸速率也有助于降低藍牙功耗，EDR芯片被越來越多的消費產品所采用。數據傳輸速率最大增加三倍，這意味著數據包的傳輸速度快三倍，而無線單元最多在三分之一的時間內是激活的，另外設備可以利用數據包之間增加的空間進入低功耗模式，如淺度睡眠或深度睡眠。EDR藍牙的效果目前還是有限的，因為EDR產品必須采用標準數據傳輸速率與不具備EDR的v1.1或v1.2設備進行通訊。

目前所有干擾和功耗問題都已克服了嗎？

藍牙技術自推出以來，在干擾和功耗方面取得了令人難以置信的進展。我們的設計工程師們努力將BlueCore打造成最強大的、功率最高的藍牙技術產品，并不斷研發芯片結構、低功耗模式和軟件應用的新方法，以提供最好的干擾和功耗解決方案。包括自適應跳頻(AFH)、分時多路復用(TDM)、電源控制以及信道質量確定數據速率(CQDDR)在內的共存系統，使藍牙鏈路更為強大，并作為其它流行標準(如802.11b/gWi-Fi)的補充技術，改善了藍牙用戶的體驗。

效率和低功耗方面起著關鍵作用。圖8顯示的是BlueCore3-ROMCSP芯片封裝設計的一個例子，展示了BlueCore芯片的典型設計。自最初就設計成一個單芯片產品的BlueCore，其芯片組件特別少，減少了功率消耗，更為重要的是，BlueCore包含一個數字信號處理器基帶去取代常規的ARM處理器。藍牙的短程連接和協議堆棧意味著這個復雜而消耗功率的處理器無法執行日常的藍牙任務。此外，協議堆棧的結構使所有數據不用通過微處理器。芯片內存集線器存儲包括信息包在內的數據，而微處理器確定數據包的類型和結構。數據包通過DSP傳輸。這種方法限制了單個組件的參與，因此降低了數據傳輸和處理過程的功率耗損量。

EDR藍牙

EDR藍牙的增強型數據傳輸速率也有助于降低藍牙功耗，EDR芯片被越來越多的消費產品所采用。數據傳輸速率最大增加三倍，這意味著數據包的傳輸速度快三倍，而無線單元最多在三分之一的時間內是激活的，另外設備可以利用數據包之間增加的空間進入低功耗模式，如淺度睡眠或深度睡眠。EDR藍牙的效果目前還是有限的，因為EDR產品必須采用標準數據傳輸速率與不具備EDR的v1.1或v1.2設備進行通訊。

目前所有干擾和功耗問題都已克服了嗎？

藍牙技術自推出以來，在干擾和功耗方面取得了令人難以置信的進展。我們的設計工程師們努力將BlueCore打造成最強大的、功率最高的藍牙技術產品，并不斷研發芯片結構、低功耗模式和軟件應用的新方法，以提供最好的干擾和功耗解決方案。包括自適應跳頻(AFH)、分時多路復用(TDM)、電源控制以及信道質量確定數據速率(CQDDR)在內的共存系統，使藍牙鏈路更為強大，并作為其它流行標準(如802.11b/gWi-Fi)的補充技術，改善了藍牙用戶的體驗。