降低藍(lán)牙裝置的功耗的方法

降低藍(lán)牙裝置的功耗的方法

????? 在2004年11月，Bluetooth SIG修訂了 2.0+ Enhanced Data Rate (EDR)規(guī)格，結(jié)合一種革命性的技術(shù)，創(chuàng)造出更有效率的無線連結(jié)一與資料封包傳送機(jī)制。雖然藍(lán)牙本身就已是低功耗技術(shù)，但為了進(jìn)一步延長電池續(xù)航力，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)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。

藍(lán)牙規(guī)格?

????? Bluetooth SIG降低藍(lán)牙裝置功耗最重要的方法，就是發(fā)展出EDR Bluetooth。藍(lán)牙無線電元件消耗的電力，取決于運(yùn)作時(shí)間的長短。 v2.0+EDR 藍(lán)牙規(guī)格讓資料傳輸速度達(dá)到傳統(tǒng)藍(lán)牙的3倍(3Mbps 比 1Mbps)，這代表無線電波的運(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)部份 :
??????????? 1. 存取碼 (Access Code) – 接收裝置利用這個(gè)存取碼來辨識(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度
??????????? 3. 封包內(nèi)容 (Payload) – 實(shí)際傳送的資料內(nèi)容
??????????? 4. 跨封包的 Guard Band (Inter-packet Guard Band)–將無線電波轉(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 (Gaussian Frequency Shift Keying, GFSK)來處理射頻訊號(hào): 載波頻率偏移范圍為正負(fù)160 kHz，來代表零或一，每個(gè)符元(symbol)編碼出一個(gè)位元。符元傳輸率為 1 Msps (Mega Symbol Per Second)。存取碼、表頭、以及Guard Band保護(hù)頻帶等三個(gè)部份所需的資源，讓最高負(fù)載資料率達(dá)到 723 kbps。

??????? Bluetooth EDR 封包仍對(duì)存取碼與表頭采用GFSK調(diào)變機(jī)制，但對(duì)Payload資料則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/4 Differential Quadrature Phase Shift 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。 “Quadrature” 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-Phase Differential Phase Shift Keying)，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，通過檢驗(yàn)的產(chǎn)品于2005年問市，SIG仍繼續(xù)研究各種新方法來降低耗電量。

CSR BlueCore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晶片內(nèi)建的硬件時(shí)脈，能將數(shù)字元件與無線電加以區(qū)隔；關(guān)閉無線電；以及將晶片切換至淺層或深層睡眠模式。藉此提供甚至可超越Bluetooth SIG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晶片內(nèi)的硬件時(shí)脈能將數(shù)位元件與無線電加以區(qū)隔; 關(guān)閉無線電; 以及將晶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，主要晶體加上所有其他時(shí)脈元件都被關(guān)閉，只留下1kHz給振盪器 (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)的無作業(yè)空閑時(shí)間。在喚醒方面，晶體需要 5ms的時(shí)間來重新啟動(dòng)，元件需要約20ms的無作業(yè)時(shí)間(預(yù)測(cè))。BlueCore能透過排程警報(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，藉以離開深層睡眠模式。

晶片架構(gòu)

圖 3 BlueCore3-ROM CSP 晶片封裝

??????? BlueCore 晶片架構(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-ROM CSP晶片級(jí)封裝設(shè)計(jì)，顯示BlueCore晶片的典型配置。

??????? CSR從0.18微米轉(zhuǎn)移至0.13微米制程，發(fā)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越小，晶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選擇在單晶片規(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)航力能比得上音樂播放裝置的電池續(xù)航力。現(xiàn)今的iPod提供相當(dāng)長的電池續(xù)航力(10至15小時(shí))，遠(yuǎn)勝過一般的移動(dòng)手機(jī)，立體聲耳機(jī)必須達(dá)到相近的電池續(xù)航力，而且不會(huì)過度消耗音樂播放裝置或手機(jī)的電池電力。
BlueCore多媒體產(chǎn)品采用的DSP，協(xié)助CSR讓無線耳機(jī)能達(dá)到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處理器開發(fā)的裝置，再加上DSP在原生模式下就支援各種音樂格式，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無線技術(shù)來傳送音樂檔案。

??????? 為確?；ネㄐ?，所有使用藍(lán)牙AV profile的產(chǎn)品必須能與Bluetooth SIG強(qiáng)制壓縮編碼/解碼機(jī)制:子頻帶編碼(SBC)技術(shù)達(dá)到互通運(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)者歡迎的音樂儲(chǔ)存格式不一致。因此，若耳機(jī)僅支援SBC，音樂播放裝置或手機(jī)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)今手機(jī)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題，CSR運(yùn)用以DSP為基礎(chǔ)的BlueCore多媒體元件，開發(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得低。在典型的耳機(jī)參考設(shè)計(jì)方案中 - BlueTunes 1采用 Bluecore3-MM – 在透過標(biāo)準(zhǔn)非EDR頻道接收串流SBC音樂時(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。

??????? 下表比較了采用DSP的CSR產(chǎn)品與其他同類產(chǎn)品在耗電方面的差異：
　
??????? 運(yùn)作模式 其他廠商的元件 CSR BlueCore3-MM
??????? 通話 (SCO, HV3, master) ~112mW ~45mW
??????? 串流音樂 (SBC) ~180mW ~95mW
??????? 待機(jī) (唿叫掃瞄) ~3.3mW ~1mW

圖 4 BlueCore3-MM 與主要競(jìng)爭(zhēng)廠商元件的比較

Casual不定時(shí)掃瞄

??????? 在不連結(jié)至其他裝置時(shí)，藍(lán)牙無線電會(huì)在 "呼叫掃瞄"或待機(jī)模式下運(yùn)作，讓無線電波在每1.28秒搜尋其他可連接裝置的射頻范圍，當(dāng)無線電波掃描到其他裝置之后會(huì)送出一個(gè)辨識(shí)器到本地端裝置，以便在有需要的時(shí)能建立連線。CSR一直運(yùn)用新技術(shù)，來減少呼叫掃瞄模式下所需要執(zhí)行的活動(dòng)，因此能進(jìn)一步降低耗電量。其中一種作法是採取和GSM信號(hào)(beacon)間隔相互同步的頻率，掃瞄射頻波電的范圍，利用可用的功率來掃瞄射頻范圍，手持式裝置藉此在GSM網(wǎng)路中建立辨識(shí)的機(jī)制。這種作法進(jìn)一步發(fā)展出 "條件式掃瞄"機(jī)制，讓裝置能掃瞄射頻范圍。若沒有射頻電波活動(dòng)，就不必進(jìn)行完整的呼叫掃瞄，裝置可一直等到下一次掃瞄周期以再查看附近是否有其他裝置。

??????? 對(duì)于掌上型裝置制造商而言，耗電量永遠(yuǎn)是主要的考量因素之一。在面臨耗電率問題的同時(shí)，業(yè)者還必須因應(yīng)消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品效能、功能、互通性、以及連結(jié)等方面的持續(xù)攀升的需求。藍(lán)牙身為電池供電設(shè)備最適合的無線傳輸技術(shù)，應(yīng)該要能在最低功耗要求下提供強(qiáng)大的功能。因此Bluetooth SIG與各家業(yè)者致力改進(jìn)采用新規(guī)格或新系列藍(lán)牙裝置的效能。透過采用DSP架構(gòu)來增進(jìn)多媒體效能，不僅可進(jìn)一步降低耗電，亦可提供對(duì)不同應(yīng)用的支援與效能，可作為開發(fā)藍(lán)芽產(chǎn)品廠商設(shè)計(jì)時(shí)的參考。