如何降低藍(lán)牙裝置的功耗

功耗是決定可攜式裝置發(fā)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)整合至照相手機(jī)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，就是發(fā)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)格讓資料傳輸速度達(dá)到傳統(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)部分:

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)載資料率達(dá)到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/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，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(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。現(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)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(guò)度消耗音樂(lè)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(wú)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(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?；ネㄐ裕惺褂盟{(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)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(lè)儲(chǔ)存格式不一致。因此，若耳機(jī)僅支援SBC，音樂(lè)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(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(wèn)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(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CSRBlueCore3-MM通話(SCO,HV3,master)~112mW~45mW串流音樂(lè)(SBC)~180mW~95mW待機(jī)(唿叫掃瞄)~3.3mW~1mW

Casual不定時(shí)掃瞄

在不連結(jié)至其他裝置時(shí)，藍(lán)牙無(wú)線電會(huì)在"呼叫掃瞄"或待機(jī)模式下運(yùn)作，讓無(wú)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(wú)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(lái)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(cǎi)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(lái)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(méi)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。

結(jié)論

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(wèn)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(wú)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BluetoothSIG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(guò)采用DSp架構(gòu)來(lái)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。