如何降低藍(lán)牙裝置的功耗

降低藍(lán)牙設(shè)備的功耗發(fā)布日期:2006-09-16作者:吳松如來(lái)源:電子設(shè)計(jì)技術(shù)

功耗問(wèn)題是便攜式設(shè)備成功與否的關(guān)鍵因素。這些設(shè)備目前有一種融合的趨勢(shì)，例如在移動(dòng)上整合百萬(wàn)象素的數(shù)碼相機(jī)。因此，新開(kāi)發(fā)的多功能設(shè)備必須繼續(xù)滿足客戶的各種期望，特別是功耗方面的期望。

盡管藍(lán)牙在本質(zhì)上就是一種低功率的技術(shù)，但是為了進(jìn)一步延長(zhǎng)電池壽命，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟〔SIG〕尋求在每一代新的藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中整合降低功耗的新方法。2004年11月，SIG接受了2.0+版增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率〔EDR〕標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)整合了一種無(wú)線連接和數(shù)據(jù)包傳輸?shù)膭?chuàng)新方法。藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

SIG為降低藍(lán)牙設(shè)備的功耗而采取的最重要的措施，就是引入了EDR藍(lán)牙。藍(lán)牙無(wú)線單元的功耗總量取決于它的運(yùn)行時(shí)間。v2.0+EDR藍(lán)牙的主要改良，在于它使數(shù)據(jù)傳輸速率較傳統(tǒng)的藍(lán)牙速率提高了三倍〔3Mbps：1Mbps〕。這就意味著無(wú)線單元運(yùn)行的時(shí)間只有原來(lái)的三分之一，因此功耗也只有原來(lái)的三分之一。

數(shù)據(jù)速率得以提高的局部原因在于數(shù)據(jù)包傳輸方式的根本改變。

標(biāo)準(zhǔn)速率〔1Mbps——v1.2藍(lán)牙和此前的版本〕數(shù)據(jù)包由四個(gè)局部組成：

1.訪問(wèn)碼——接收設(shè)備用它來(lái)識(shí)別傳入的數(shù)據(jù)

2.標(biāo)題——說(shuō)明數(shù)據(jù)包的類型和長(zhǎng)度

3.有效載荷——實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

4.數(shù)據(jù)包間保護(hù)頻帶——無(wú)線單元調(diào)整到下一個(gè)頻率

所有三個(gè)傳輸局部利用GFSK調(diào)制解調(diào)器來(lái)調(diào)制無(wú)線射頻信號(hào)：載波頻率在±160kHz范圍內(nèi)變化，顯示為0或1，每個(gè)符號(hào)有一個(gè)比特進(jìn)行編碼。符號(hào)速率為1Msps〔兆符號(hào)/秒)。訪問(wèn)碼、標(biāo)題和保護(hù)頻帶所需的傳輸時(shí)間意味著有效載荷數(shù)據(jù)速率為723kbps。

藍(lán)牙EDR數(shù)據(jù)包仍然采用GFSK來(lái)調(diào)制訪問(wèn)碼和標(biāo)題，而對(duì)有效載荷采用以下兩種調(diào)制方式之一：一種是強(qiáng)制性的，提供兩倍數(shù)據(jù)速率，并且可以容忍大量的噪音；另外一種是選擇性的，可以提供三倍的數(shù)據(jù)速率。

兩倍數(shù)據(jù)速率采用p/4差分四相移相鍵控〔p/4-DQPSK〕。顧名思義，這種調(diào)制方法改變的是載波的相而不是頻率的相?！八南啜暿侵该總€(gè)符號(hào)有四個(gè)可能的相位，從而允許每個(gè)符號(hào)有兩個(gè)比特的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。因?yàn)榉?hào)速率保持不變，所以數(shù)據(jù)速率增加了兩倍。

三倍數(shù)據(jù)速率采用8-DPSK。8-DPSK類似于p/4-DQPSK，但允許差分移動(dòng)至八個(gè)可能相位中的任何一個(gè)。相鄰相位之間較小的相差和±π相位躍變的利用，意味著8-DPSK更易受到干擾，但它允許每個(gè)符號(hào)有三個(gè)比特的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。

CSR公司的BlueCore開(kāi)發(fā)進(jìn)一步降低了功耗。低功耗模式和內(nèi)部時(shí)鐘

BlueCore芯片采用的硬時(shí)鐘可以將數(shù)字組件與無(wú)線單元分隔開(kāi)來(lái)，關(guān)閉無(wú)線單元，并將芯片送入淺度睡眠〔圖1〕或深度睡眠模式〔圖2〕。

要進(jìn)入深度睡眠模式，BlueCore需要有20ms的靜止?fàn)顟B(tài)。要從深度睡眠模式下蘇醒過(guò)來(lái)，時(shí)鐘晶體需要5ms啟動(dòng)起來(lái)，而設(shè)備需要大約20ms的無(wú)活動(dòng)狀態(tài)。BlueCore可以通過(guò)兩種方式退出深度睡眠模式，一是通過(guò)定時(shí)鬧鐘，在下一次定時(shí)啟動(dòng)之前啟動(dòng)設(shè)備；二是通過(guò)PIO、UART或USB串口傳輸設(shè)備來(lái)中斷深度睡眠模式。芯片結(jié)構(gòu)

BlueCore芯片結(jié)構(gòu)在保證電源效率和低功耗方面起著關(guān)鍵作用。圖3顯示的是BlueCore3-ROMCSP芯片封裝設(shè)計(jì)的一個(gè)例子，展示了BlueCore芯片的典型設(shè)計(jì)。

CSR公司第五代BlueCore5設(shè)備的制造工藝從0.18mm變?yōu)?.13mm，對(duì)功耗水平也有正面影響。該芯片的尺寸縮小，因此芯片各元件之間的通訊效率更高，而提供相同功能所需的功耗更少。DSP：更低的功耗與更高的性能

CSR公司為其單芯片設(shè)計(jì)選擇了DSP結(jié)構(gòu)，使立體聲和單聲道耳機(jī)市場(chǎng)帶來(lái)了技術(shù)上的突破。對(duì)于立體聲耳機(jī)，用戶希望其電池壽命與他們的音樂(lè)娛樂(lè)設(shè)備的電池壽命一致。如今，iPod的電池壽命〔10小時(shí)~15小時(shí)〕比一般移動(dòng)要長(zhǎng)得多，立體聲耳機(jī)也必須到達(dá)這個(gè)水平，其電池壽命應(yīng)不低于音樂(lè)播放器或移動(dòng)的電池壽命。

BlueCore多媒體產(chǎn)品采用的DSP使CSR支持的無(wú)線耳機(jī)的電池壽命到達(dá)了10小時(shí)~16小時(shí)〔分別為BlueCore3-MM和BlueCore5-MM的電池壽命)，而同類解決方案〔不基于DSP〕的電池壽命僅為5小時(shí)。

那么，為什么整合DSP結(jié)構(gòu)能夠給電池壽命帶來(lái)這么大的變化呢？相對(duì)于一般設(shè)備采用的基于ARM的處理器來(lái)說(shuō)，DSP結(jié)構(gòu)本質(zhì)上功耗較低，局部原因是因?yàn)镈SP支持本地音樂(lè)格式，如MP3、WMA和AAC。有了這種本地支持，就無(wú)需采用效率低、功耗高的codecs格式，如無(wú)線傳輸音頻文件的SBC。

為了保證互操作性，采用藍(lán)牙AV協(xié)議的所有產(chǎn)品必須與SIG的強(qiáng)制性壓縮編/解碼標(biāo)準(zhǔn)——子帶編碼〔SBC〕——相匹配。盡管這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)非常有用，但它與當(dāng)前用戶儲(chǔ)存音樂(lè)的流行格式不匹配。因此，如果耳機(jī)僅支持SBC，音樂(lè)播放器或移動(dòng)就必須執(zhí)行轉(zhuǎn)碼的功能，在傳輸文件之前先解壓縮然后再壓縮。執(zhí)行這項(xiàng)功能不僅對(duì)音樂(lè)收聽(tīng)的質(zhì)量有影響，而且轉(zhuǎn)碼是一個(gè)處理器高度密集型的操作過(guò)程，占用了目前上某些典型處理器內(nèi)核帶寬的80%以上。這個(gè)密集的處理器運(yùn)行過(guò)程對(duì)電源的要求也比擬高，因此給電池壽命帶來(lái)的壓力也比擬大。

此外，SBC在壓縮文件方面不如MP3等格式的效率高，因此需要一個(gè)更長(zhǎng)的工作周期對(duì)文件進(jìn)行隨選隨播。這樣會(huì)影響連接的可靠性，并且會(huì)消耗更多的電池能量。為了對(duì)付轉(zhuǎn)碼效率低和功耗高這些問(wèn)題，CSR公司采用了配置DSP的BlueCore多媒體芯片結(jié)構(gòu)，利用適用于SBC和MP3兩種格式的解碼軟件進(jìn)行具體的藍(lán)牙立體聲耳機(jī)參考設(shè)計(jì)。通過(guò)支持MP3解碼，轉(zhuǎn)碼要求被拒絕，MP3文件可以通過(guò)較少的功耗來(lái)傳輸。例如，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的非EDR信道接收隨選隨播的SBC音樂(lè)文件時(shí)，一種典型的耳機(jī)參考設(shè)計(jì)〔BlueTunes1，采用Bluecore3-MM〕消耗的功率缺乏95mW〔3.7V時(shí)為25mA相當(dāng)于2004年時(shí)一個(gè)典型的技術(shù)領(lǐng)先的單聲道耳機(jī)的功耗〕。傳輸MP3文件所需的功率被大大降低，而且通過(guò)利用EDR功能還可以進(jìn)一步降低功耗〔表1〕。隨意掃描

不與另外一臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備連接時(shí)，藍(lán)牙無(wú)線單元將在“尋呼掃描〞或待機(jī)模式下運(yùn)行。在這個(gè)模式下，無(wú)線單元將搜索與其它設(shè)備連接的射頻范圍，每1.28秒搜索一次。無(wú)線單元掃描其它設(shè)備，然后將識(shí)別碼發(fā)送給相應(yīng)的設(shè)備，以便在需要的時(shí)候進(jìn)行連接。CSR公司一直在努力開(kāi)發(fā)新的技術(shù)，來(lái)進(jìn)一步降低尋呼掃描模式下無(wú)線單元的活動(dòng)水平，從而進(jìn)一步降低電流消耗。當(dāng)接入GSM網(wǎng)絡(luò)時(shí)，利用可用的功率來(lái)掃描射頻范圍，使射頻范圍的掃描與GSM信標(biāo)間隔同步。這個(gè)想法還與“有條件掃描〞一起得到了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，“有條件掃描〞允許設(shè)備掃描射頻范圍。如果不存在射頻活動(dòng)，那么無(wú)需進(jìn)行全面的尋呼掃描，而設(shè)備將等待下一個(gè)掃描周期以查看其它藍(lán)牙設(shè)備。如何降低藍(lán)牙裝置的功耗功耗是決定可攜式裝置開(kāi)展成敗的關(guān)鍵因素。由于這類裝置的趨勢(shì)朝向功能匯整的方向演進(jìn)，最明顯的跡象就是百萬(wàn)像素?cái)?shù)字相機(jī)整合至照相中，新型的多功能裝置必須持續(xù)迎合消費(fèi)者的需求，尤其是在功耗方面。雖然藍(lán)牙本身就已是低功耗技術(shù)，但為了進(jìn)一步延長(zhǎng)電池續(xù)航力，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(BluetoothSIG)仍持續(xù)整合許多新方法，以降低新版本藍(lán)牙規(guī)格的功耗。在2004年11月，BluetoothSIG修訂了2.0+EnhancedDataRate(EDR)規(guī)格，結(jié)合一種革命性的技術(shù)，創(chuàng)造出更有效率的無(wú)線連結(jié)一與資料封包傳送機(jī)制。藍(lán)牙規(guī)格BluetoothSIG降低藍(lán)牙裝置功耗最重要的方法，就是開(kāi)展出EDRBluetooth。藍(lán)牙無(wú)線電元件消耗的電力，取決于運(yùn)作時(shí)間的長(zhǎng)短。v2.0+EDR藍(lán)牙規(guī)格讓資料傳輸速度到達(dá)傳統(tǒng)藍(lán)牙的3倍(3Mbps比1Mbps)，這代表無(wú)線電波的運(yùn)作時(shí)間減少到三分之一，因此消耗的電量也減少至三分之一。提高的資料傳輸率歸功于徹底改變資料封包的傳輸方式。標(biāo)準(zhǔn)傳輸率(1Mbps–例如像v1.2以前的藍(lán)牙版本)封包中含有四個(gè)局部:1.存取碼(AccessCode)–接收裝置利用這個(gè)存取碼來(lái)辨識(shí)輸入端的傳輸作業(yè)2.封包表頭(Header)–描述封包的種類與長(zhǎng)度3.封包內(nèi)容(Payload)–實(shí)際傳送的資料內(nèi)容4.跨封包的GuardBand(Inter-packetGuardBand)–將無(wú)線電波轉(zhuǎn)至下個(gè)頻帶所有三個(gè)傳送部份都采用高斯頻率偏移調(diào)變機(jī)制(GaussianFrequencyShiftKeying,GFSK)來(lái)處理射頻訊號(hào):載波頻率偏移范圍為正負(fù)160kHz，來(lái)代表零或一，每個(gè)符元(symbol)編碼出一個(gè)位元。符元傳輸率為1Msps(MegaSymbolPerSecond)。存取碼、表頭、以及GuardBand保護(hù)頻帶等三個(gè)部份所需的資源，讓最高負(fù)載資料率到達(dá)723kbps。BluetoothEDR封包仍對(duì)存取碼與表頭采用GFSK調(diào)變機(jī)制，但對(duì)Payload資料那么使用以下二種其中之一不同的調(diào)變機(jī)制:一種是強(qiáng)制性，提供2倍的資料傳輸率，能容許較高的噪音;另一種是選擇性調(diào)變機(jī)制，提供3倍的資料傳輸率。2倍資料傳輸率采用π/4DifferentialQuadraturePhaseShift鍵移或π/4-DQPSK技術(shù)。這種調(diào)變機(jī)制會(huì)改變載波的相位而不是頻率?！癚uadrature〞代表每個(gè)符元有四個(gè)可能的相位，讓每個(gè)符元中有兩個(gè)資料位元能進(jìn)行編碼。符元率維持不變;因此資料傳輸率提高兩倍。3倍資料傳輸率采用的是8-DPSK(8-PhaseDifferentialPhaseShiftKeying)，這種機(jī)制類似π/4-DQPSK，但能移至任何8個(gè)可能的相位。鄰近位置之間縮小的相位差，加上使用±π相位跳變，意謂著8-DPSK較容易受到干擾，但每個(gè)符元能編碼3個(gè)位元的資料。在EDR規(guī)格的成功邁入實(shí)際產(chǎn)品階段后，通過(guò)檢驗(yàn)的產(chǎn)品于2005年問(wèn)市，SIG仍繼續(xù)研究各種新方法來(lái)降低耗電量。CSRBlueCore以低功耗模式及內(nèi)部時(shí)脈進(jìn)一步降低耗電量CSR的BlueCore芯片內(nèi)建的硬件時(shí)脈，能將數(shù)字元件與無(wú)線電加以區(qū)隔;關(guān)閉無(wú)線電;以及將芯片切換至淺層或深層睡眠模式。藉此提供甚至可超越BluetoothSIG官方標(biāo)準(zhǔn)的低耗電效能。低功耗模式以及內(nèi)部時(shí)脈BlueCore芯片內(nèi)的硬件時(shí)脈能將數(shù)位元件與無(wú)線電加以區(qū)隔;關(guān)閉無(wú)線電;以及將芯片切換至淺層或深層睡眠模式。圖1淺層睡眠模式的耗電量在淺層睡眠模式時(shí)中，時(shí)脈速度從16MHz降低至0.125MHz，電流從10mA降低至2mA(如圖1所示)圖2深層睡眠模式的時(shí)脈結(jié)構(gòu)在深層睡眠模式中，主要的晶體加上所有其他時(shí)脈元件都被關(guān)閉，只留下1kHz給振蕩器(Oscillator)使用(如圖2所示)在切換至深層睡眠模式時(shí)，BlueCore需要20milliseconds(ms)的無(wú)作業(yè)空閑時(shí)間。在喚醒方面，芯體需要5ms的時(shí)間來(lái)重新啟動(dòng)，元件需要約20ms的無(wú)作業(yè)時(shí)間(預(yù)測(cè))。BlueCore能透過(guò)排程警報(bào)，在下一次排定的作業(yè)之前喚醒元件，或是由PIO、UART、或USB連結(jié)埠傳送器的中斷，藉以離開(kāi)深層睡眠模式。芯片架構(gòu)圖3BlueCore3-ROMCSP芯片封裝BlueCore芯片架構(gòu)本身扮演一個(gè)重要角色，確保功耗的效率以及降低耗電量。圖3列出一個(gè)BlueCore3-ROMCSP芯片級(jí)封裝設(shè)計(jì)，顯示BlueCore芯片的典型配置。CSR從0.18微米轉(zhuǎn)移至0.13微米制程，開(kāi)展CSR的第五代BlueCore5元件，對(duì)耗電量方面產(chǎn)生顯著的影響。隨著硅元件尺寸越來(lái)越小，芯片中不同元件之間的通信變得更有效率，相同的功能如今僅須小量的電力就能完成。DSP:降低功耗與提高效能CSR選擇在單芯片規(guī)格中采用DSP架構(gòu)，在立體聲與單聲道耳機(jī)市場(chǎng)帶來(lái)突破性的解決方案。在立體聲耳機(jī)方面，消費(fèi)者希望其耳機(jī)電池續(xù)航力能比得上音樂(lè)播放裝置的電池續(xù)航力?，F(xiàn)今的iPod提供相當(dāng)長(zhǎng)的電池續(xù)航力(10至15小時(shí))，遠(yuǎn)勝過(guò)一般的移動(dòng)，立體聲耳機(jī)必須到達(dá)相近的電池續(xù)航力，而且不會(huì)過(guò)度消耗音樂(lè)播放裝置或的電池電力。BlueCore多媒體產(chǎn)品采用的DSP，協(xié)助CSR讓無(wú)線耳機(jī)能到達(dá)10至16小時(shí)的續(xù)航力(分別是BlueCore3-MM與BlueCore5-MM)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越其他廠商最優(yōu)秀的產(chǎn)品，這些非DSP解決方案的續(xù)航力最高只有5小時(shí)。為何整合DSP架構(gòu)能讓電池續(xù)航力大幅提升?DSP架構(gòu)的耗電率原本就遠(yuǎn)低于其他廠商采用ARM處理器開(kāi)發(fā)的裝置，再加上DSP在原生模式下就支援各種音樂(lè)格式，例如像MP3、WMA、以及AAC。原生支援能力，讓產(chǎn)品不必使用低效率且高耗能的編解碼器，例如像利用SBC無(wú)線技術(shù)來(lái)傳送音樂(lè)檔案。為確保互通性，所有使用藍(lán)牙AVprofile的產(chǎn)品必須能與BluetoothSIG強(qiáng)制壓縮編碼/解碼機(jī)制:子頻帶編碼(SBC)技術(shù)到達(dá)互通運(yùn)作。雖然這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)實(shí)用，但卻和目前廣受消費(fèi)者歡送的音樂(lè)儲(chǔ)存格式不一致。因此，假設(shè)耳機(jī)僅支援SBC，音樂(lè)播放裝置或就必須執(zhí)行轉(zhuǎn)碼作業(yè)，在傳送之前先解壓縮，然后再壓縮一次。執(zhí)行這項(xiàng)功能不僅影響音樂(lè)的品質(zhì)，轉(zhuǎn)碼作業(yè)本身就耗用大量的處理器資源，在現(xiàn)今使用的一些典型的處理器核心中，會(huì)用去80%的處理器頻寬。這種耗用大量處理器資源的作業(yè)，需要大量的電力，因此對(duì)電池續(xù)航力造成更多的壓力。此外在縮小檔案方面，SBC的效率也比不上像是MP3等格式，因此需要更高的周期資源才能進(jìn)行串流傳輸。這會(huì)影響到連結(jié)的可靠度，也會(huì)耗用更多的電池電力。為解決轉(zhuǎn)碼衍生的效率低落與耗電量的問(wèn)題，CSR運(yùn)用以DSP為根底的BlueCore多媒體元件，開(kāi)發(fā)出專屬的藍(lán)牙立體聲耳機(jī)參考設(shè)計(jì)方案，結(jié)合SBC與MP3格式的編碼軟件。藉由支援MP3編碼功能，就不需再進(jìn)行轉(zhuǎn)碼，傳送MP3檔案所消耗的電力也比以往來(lái)得低。在典型的耳機(jī)參考設(shè)計(jì)方案中-BlueTunes1采用Bluecore3-MM–在透過(guò)標(biāo)準(zhǔn)非EDR頻道接收串流SBC音樂(lè)時(shí)，耗電率不到95mW(25mA與3.7V–相當(dāng)于2004年頂級(jí)單聲道耳機(jī)的耗電水準(zhǔn))。這種設(shè)計(jì)大幅降低傳送MP3檔案的耗電量，且仍支援EDR功能。下表比擬了采用DSP的CSR產(chǎn)品與其他同