如何降低蓝牙装置的功耗

2009-03-04 嵌入式在线收藏 | 打印

功耗是决定可携式装置发展成败的关键因素。由于这类装置的趋势朝向功能汇整的方向演进，最明显的迹象就是百万像素数字相机整合至照相手机中，新型的多功能装置必须持续迎合消费者的需求，尤其是在功耗方面。

　　虽然蓝牙本身就已是低功耗技术，但为了进一步延长电池续航力，蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)仍持续整合许多新方法，以降低新版本蓝牙规格的功耗。在2004年11月，Bluetooth SIG修订了 2.0+ Enhanced Data Rate (EDR)规格，结合一种革命性的技术，创造出更有效率的无线连结一与资料封包传送机制。

　　Bluetooth SIG降低蓝牙装置功耗最重要的方法，就是发展出EDR Bluetooth。蓝牙无线电元件消耗的电力，取决于运作时间的长短。 v2.0+EDR 蓝牙规格让资料传输速度达到传统蓝牙的3倍(3Mbps 比 1Mbps)，这代表无线电波的运作时间减少到三分之一，因此消耗的电量也减少至三分之一。

　　提高的资料传输率归功于彻底改变资料封包的传输方式。

　　标准传输率(1Mbps – 例如像 v1.2 以前的蓝牙版本 ) 封包中含有四个部份 :

　　1. 存取码 (Access Code) – 接收装置利用这个存取码来辨识输入端的传输作业

　　2. 封包表头 (Header) – 描述封包的种类与长度

　　3. 封包内容 (Payload) – 实际传送的资料内容

　　4. 跨封包的 Guard Band (Inter-packet Guard Band)–将无线电波转至下个频带

　　所有三个传送部份都采用高斯频率偏移调变机制 (Gaussian Frequency Shift Keying, GFSK)来处理射频讯号: 载波频率偏移范围为正负160 kHz，来代表零或一，每个符元(symbol)编码出一个位元。符元传输率为 1 Msps (Mega Symbol Per Second)。存取码、表头、以及Guard Band保护频带等三个部份所需的资源，让最高负载资料率达到 723 kbps。

　　Bluetooth EDR 封包仍对存取码与表头采用GFSK调变机制，但对Payload资料则使用以下二种其中之一不同的调变机制: 一种是强制性，提供2倍的资料传输率，能容许较高的噪音; 另一种是选择性调变机制，提供3倍的资料传输率。

　　2倍资料传输率采用 π/4 Differential Quadrature Phase Shift 键移或 π/4-DQPSK技术。这种调变机制会改变载波的相位而不是频率。 “Quadrature” 代表每个符元有四个可能的相位，让每个符元中有两个资料位元能进行编码。符元率维持不变; 因此资料传输率提高两倍。

　　3倍资料传输率采用的是 8-DPSK (8-Phase Differential Phase Shift Keying)，这种机制类似 π/4-DQPSK，但能移至任何8个可能的相位。邻近位置之间缩小的相位差，加上使用 ±π 相位跳变，意谓着 8-DPSK较容易受到干扰，但每个符元能编码3个位元的资料。

　　在 EDR规格的成功迈入实际产品阶段后，通过检验的产品于2005年问市，SIG仍继续研究各种新方法来降低耗电量。 CSR BlueCore以低功耗模式及内部时脉进一步降低耗电量CSR的BlueCore晶片内建的硬件时脉，能将数字元件与无线电加以区隔；关闭无线电；以及将晶片切换至浅层或深层睡眠模式。藉此提供甚至可超越Bluetooth SIG官方标准的低耗电效能。

低功耗模式以及内部时脉

　　BlueCore晶片内的硬件时脉能将数位元件与无线电加以区隔; 关闭无线电; 以及将晶片切换至浅层或深层睡眠模式。

图 1 浅层睡眠模式的耗电量

　　在浅层睡眠模式时中，时脉速度从16MHz降低至0.125MHz ，电流从 10mA降低至 2mA (如图1所示)

图 2 深层睡眠模式的时脉结构

在深层睡眠模式中，主要的晶体加上所有其他时脉元件都被关闭，只留下1kHz给振盪器 (Oscillator) 使用(如图2所示)

　　在切换至深层睡眠模式时，BlueCore需要 20milliseconds (ms)的无作业空闲时间。在唤醒方面，晶体需要 5ms的时间来重新启动，元件需要约20ms的无作业时间(预测)。BlueCore能透过排程警报，在下一次排定的作业之前唤醒元件，或是由PIO、UART、或USB连结埠传送器的中断，藉以离开深层睡眠模式。

晶片架构
　