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蓝牙低能耗技术内幕

上网日期: 2011年03月09日 ?? 作者: Kjartan Furset ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:蓝牙低能耗? BLE? 蓝牙单模芯片?

蓝牙低能耗技术“完成”一次连接(即扫描其它设备、建立链路、发送数据、认证和适当地结束)只需3ms。而标准蓝牙技术完成相同的连接周期需要数百毫秒。再次提醒,无线开启时间越长,消耗的电池能量就越多。

蓝牙低能耗技术还能通过两种其它方式限制峰值功耗:采用更加“宽松的”射频参数以及发送很短的数据包。两种技术都使用高斯频移键控(GFSK)调制,但蓝牙低能耗技术使用的调制指数是0.5,而标准蓝牙技术是0.35。0.5的指数接近高斯最小频移键控(GMSK)方案,可以降低无线设备的功耗要求(这方面的原因比较复杂,本文暂不赘述)。更低调制指数还有两个好处,即提高覆盖范围和增强鲁棒性。

标准蓝牙技术使用的数据包长度较长。在发送这些较长的数据包时,无线设备必须在相对较高的功耗状态保持更长的时间,从而容易使硅片发热。这种发热将改变材料的物理特性,进而改变传送频率(中断链路),除非频繁地对无线设备进行再次校准。再次校准将消耗更多的功率(并且要求闭环架构,使得无线设备更加复杂,从而推高设备价格)。

相反,蓝牙低能耗技术使用非常短的数据包——这能使硅片保持在低温状态。因此,蓝牙低能耗收发器不需要较耗能的再次校准和闭环架构。

扩展蓝牙生态系统

蓝牙低能耗技术设计非常适合由于严格的功耗限制而无法使用标准蓝牙技术的应用场合。这是第一次向电子设计师提供具有严格互操作性的ULP无线技术,有望带来数百种新的应用。

一些早期的应用迹象也许是,蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)试图通过发布首批配置(profile)进一步补充蓝牙版本4.0核心规范(包括了BLE):这些配置针对诸如个人用户接口设备(如手表)、遥控器、距离感应告警仪、电池状态和心率监视器等一些应用优化了蓝牙低能耗通用芯片。其它健康和健身监视配置(如血糖仪和血压计、周期性节律仪和周期性奇异电源)将随后推出(见图3)。

图3:蓝牙核心规范版本4.0定义了蓝牙低能耗技术的架构。相应配置即将推出。
图3:蓝牙核心规范版本4.0定义了蓝牙低能耗技术的架构。相应配置即将推出。

下面让我们看一下蓝牙低能耗技术是如何在以下两种潜在应用中发挥作用的:距离感应告警和室内定位(有时也称为室内GPS)。

手机和便携式PC制造商采用双模芯片是因为这些芯片的价格只比标准蓝牙技术稍高一点,但能提供丰富得多的功能。手机制造商可以借此提供包含手表的安全设备。这种手表将周期性地与手机进行通信,如果手机移到一定的范围之外——因而无法与用户佩戴的手表联系——它将自动锁死,同时手表发出告警。这将防止手机意外丢失,并对任何潜在的小偷起到重要的震慑作用。

距离感应告警应用还可以延伸至便携式电脑,当用户移动到一定范围之外时将便携式电脑锁定(也许当靠近的用户按下手表上的某个键时也能解锁)。这种应用还能用作儿童安全设备,当儿童与父母在一定范围内时他们手上的手表能保持正常通信,当儿童跑出设定范围时发出声音告警。

蓝牙低能耗传感器的低成本和低维护量(因为电池不需要频繁更换)将鼓励在公共场所的广泛使用。一种关键应用是室内定位(在没有GPS信号的地方)。此时将由分布在大型公共建筑(如机场或火车站)周围的传感器不断地广播它们的位置信息。装备了蓝牙低能耗技术的手机在这个范围内通过时就可以向它的主人显示这些位置信息。

传感器还可以发送其它信息,如航班起飞时间和登机口、娱乐场所位置或附近商店的特价商品等(见图4)。

图4:布置在机场候机楼周围的蓝牙低能耗传感器能够持续广播各自的位置信息,在这个范围内经过的手机随之就可以显示这些信息。
图4:布置在机场候机楼周围的蓝牙低能耗传感器能够持续广播各自的位置信息,在这个范围内经过的手机随之就可以显示这些信息。

最后步骤

有多家芯片供应商已经设计出蓝牙低能耗芯片,并向优选客户提供了样品和开发套件。目前的蓝牙版本4.0规范允许这些公司自己认证他们的芯片是否满足蓝牙低能耗规范。

例如,Nordic公司已可提供蓝牙低能耗芯片?Blue (MicroBlue)的样品,并为重要客户提供?Blue原型套件。?Blue系列中的第一款产品是nRF8001——这是采用32引脚5x5mm QFN封装的一种单模外设解决方案,集成了完全嵌入式无线电、链路控制器和主机子系统——非常适合手表、传感器和遥控器等应用(见图5)。

图5:Nordic半导体的?Blue nRF8001 ——一种单模外设解决方案,适合手表、传感器和遥控器等应用——将是市场上首批蓝牙低能耗芯片之一。
图5:Nordic半导体的?Blue nRF8001 ——一种单模外设解决方案,适合手表、传感器和遥控器等应用——将是市场上首批蓝牙低能耗芯片之一。

蓝牙低能耗的最后一块拼板即将完成。蓝牙技术联盟表示第一批配置——比如距离感应告警——将在数月内开始推出。这意味着电子设计师能在今年年底前拿到完全认证过的芯片开始实际产品开发。

一旦经过完全认证的芯片上市,将有一大批蓝牙低能耗产品面世。据Analyst IMS估计,到2013年,每年将售出10亿台蓝牙低能耗设备,这个数量体现了目前为止无线技术的最快普及速度。

作者:Kjartan Furset

Nordic 半导体公司


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