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应对便携式产品无线功能设计挑战，Nordic专家指点迷津
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Nordic Semiconductor ASA(原名Nordic VLSI ASA)是一家专业的半导体公司，主要进行无线通信、混合信号、复合数字和模拟集成电路的组件设计，为客户开发标准RF集成电路、指定规格的集成电路(ASIC)和经过硅验证的IP。11月该公司大中华区销售总监 陈志谦 接受了《电子工程专辑》记者的采访。
问：为便携式装置添加无线功能进行设计时，有哪些新挑战出现呢?
答：为便携式装置添加无线连接功能时，设计上主要有四大挑战：成本、复杂性、耗电以及尺寸。作为设计师，你希望能添加无线功能，但消费者却不太乐意为这种便利多花钱。这意味着卖家无论在为他们的芯片定价，还是针对大批量产品应用时都应该非常慎重。
对设计而言，无线功能还要简单易行。对许多设计师来说，增加无线功能并非易事。毕竟，射频芯片集RF，模拟和数码功能于一身，是技术复杂的产品。不过，大多数射频芯片的供应商也生产单片射频收发器，这使得整个过程稍微容易一些。但这也并非只是随手把一个芯片加到PCB上那么简单。你还得了解可能影响你设计表现的相关问题，诸如天线的位置、距离和干扰等。
一般说来，诸如IEEE802.xx的标准易于确保兼容性。但由于必须符合标准，这样就延长了产品推向市场的时间，同时也增加了非经常性工程成本(NRE)。有一些专有的射频装置，例如Nordic Semiconductor"s nRF24xx系列，在对等通信应用时，不仅比蓝牙表现更佳，而且无须遵从特定标准（当然必须符合当地的RF法规的要求）。如果你的产品是用于与其他制造商的产品构成一个微微网，那么蓝牙会是一个不错的选择。不过，如果连接系统两端均为同一公司产品的话，在对等通信应用时，蓝牙的表现往往会比其他产品差。目前蓝牙正被捧得天花乱坠，设计师们很容易忽略上述事实。ZigBee技术也面临类似的挑战。
另外，功耗是个关键因素。在便携式装置中，需要适度控制功耗。举例来说，如果你的装置拥有功能强大的微处理器和背光的屏幕，那么50-60%的电源一下子就被用掉了。但是消费者们要求电池最少可供手机和MP3播放机使用十小时。这意味着射频装置必须非常节能。蓝牙1.2芯片甚至最新的2.0+EDR由于各种各样的原因，都不是最节能的装置。其中最主要是为了维持系统的连接，蓝牙每675μS就得传送一个160bits的数据包，即每秒传送1600个数据包，或等同于256kbps的净数据率。这就是为何蓝牙射频装置只适用于低占空比应用的原因之一。比如说，如用在音频串流时，蓝牙射频装置几个小时内就会耗光电池。在某种程度上，ZigBee通过绕开同步要求解决了这个问题。但因此限制了带宽而令它不适用于消费类产品。
Nordic Semiconductor的芯片特别为超低耗电而开发。所以当用于相同应用时，既能提供跟蓝牙相同带宽和距离而电池寿命通常又为蓝牙两倍。Nordic的芯片不仅在功耗上优于ZigBee，而且能提供更大带宽。
最后一点是几乎每一个设计工程师都会面对的，就是如何将所需的电子元件都放在一个足以令消费者们满意的小巧便携式装置内。这意味着在已经相当拥挤的PCB里，恐怕再没什么空间来添加笨拙的射频收发器和它的周边电路。尽管很多射频芯片厂家已能做到高度集成，但还是需要外置MCU和元件来控制。相比之下，我们的nRF24xx射频收发器不仅在2.4GHz ISM波段操作可提供高达4Mbps的带宽，并将RF收发器，8051 MCU，4个通道，12bits ADC以及不同的标准界面，采用0.18μm CMOS的技术集成在一个尺寸仅为6X6mm的芯片内。而且你只需要几个被动型的外围零件便足以使产品工作。
问：一般而言，工程师在为便携式装置添加无线功能时需要什么样的系统结构？他们如何选择射频协定？你能提供一些指导性的建议吗？
答：当然这完全取决于应用方面。正如我已经指出的，设计师应该尽量把无线连接设计得越简单越好。因为如果设计超过实际需要，那不仅成本高，耗电大，而且增加了复杂性。比如说，大多数便携式装置只需在几米范围内工作，这就不需要浪费资源去使用一个工作范围达几十米的芯片。决定带宽的要求也很重要，如果应用并不需要高带宽，那就不必把它设计进去。
另外一个值得仔细考虑的方面是芯片供应商会提供什么程度的技术支援。比如在调试天线定位时或许需要技术协助。或就RF而言，PCB布局会直接影响到射频装置的效果，在这方面你也可能需要一些建议。
如果你和分销商打交道，要确定他们了解如何使用射频芯片。因为销售射频芯片所涉及的技术要求比一般芯片为多。一般而言，你需要一个适当的射频装置在无须执照的ISM（工业、科技和医药）波段下运作。比如，在美国，你可以使用915MHz波段，而在欧洲，则需要使用434或868MHz。2.4GHz被视为一个“全球性”的波段，蓝牙和ZigBee都使用它。Nordic则制造在所有这些波段都能使用的射频收发器。2.4GHz这个波段的广泛利用也有不利的一面，那就是许多的射频都使用它。随口就能说上的几个例子包括无绳电话、Wi-Fi、Bluetooth和微波炉等。
这就意味着所有的2.4GHz的无线设备都会受到其他设备的干扰（尤其是在嘈杂的环境中）。为了减少这种情况的出现，蓝牙，ZigBee和Nordic Semiconductor的芯片都采用了自适应跳频技术。也就是说，这些芯片采用了扩展频谱技术在整个波段中传送1MHz频道。
举例来说，Nordic的芯片在2.400和2.483MHz之间有多达83个的1MHz的频道可以使用。或者更准确地说，2.402到2.481GHz之间被分成79个1MHz的频道，再加上一个2MHz的低端保护频带和一个2.5MHz的高端保护频带。这种方法和蓝牙完全一样。而ZigBee则使用16个频道。
如果有干扰的情况发生，那么配对的射频收发器就会转到一个不受干扰的频道，发射器会重新发送未被接收的数据封包。
当然，在一个拥挤的无线网络环境中，由于射频收发器经常需要转换频率和重新发送数据封包，因此带宽会缩小。“选择无线协定是一个非常重要但经常被忽略的因素。该协定的“效率”在某种程度上决定了你无线连接的相应带宽和功耗。
效率是一种对每个已发送的数据包承载的有效载荷的衡量标准。举例来说，蓝牙1.2使用160bits的数据包，其中仅有32bits是有关数据的有效载荷，其余的128bits则用于建立连接的代码，起始码和部分用于确保兼容性。这时效率为百分之二十。如发送相同数量的数据，ZigBee装置使用的是百分之二十一的152bits的数据包。 Nordic的nRF24L01是专门为超低功耗而设计，所使用的协定为80bits的数据包加上48bits开销，所以其效率能达到百分之四十。
简单地说，若与蓝牙相比，在发送同样数量的数据时，nRF24L01只使用一半的功耗（换言之，在使用同样功耗时能提供两倍的带宽。）“许多设计师都热衷于使用蓝牙是因为其“相容性”。不过，这也等同让竞对手也能轻易使用同样的技术，在竞争日益加剧的全球市场上，难以使自己的产品与他人的产品区分开来。标准的解决方案在设计方面提供的灵活性机会寥寥无几。比如说，如何节能能量方面，你就非常受限制。
不过，如果你是在设计一个用于与其它厂家的产品进行连接的装置，如手机或PDA， 那 蓝牙是个不错的解决方案。可是，如果连接系统两端的产品都由你制造，比如是一部提供无线音频的MP3的播放机，用来与一对无线耳机进行串流，这种情况下，你的眼光就要放得远些了。
蓝牙是一种折衷的技术，实际上并不是一种特别好的射频设备。因此，在一些特殊应用领域，考虑使用市场上其他的射频芯片方案，无论从技术上，还是商业上都会真正产生效益。
问：你们将开发什么样的新产品或新技术来应对这些挑战？怎样帮助便携式装置产品的设计师们解决问题？在将来，你们将为自己的产品融合哪些新功能？
答：“Nordic所提供的产品和服务是专门针对和解决便携式器材的设计师们为其产品添加无线连接功能时所面对的难题。我们的射频收发器功能完整，而小巧轻便。它使用有效率的协定，非常低功耗，而且这具有自适应的跳频技术的功能。
配备Nordic芯片的产品也可以用于与其它产品联网，而且我们的芯片定价相当有竞争力。 我们的芯片可传送高达4Mbps的数据，这种速度即使是蓝牙2.0+EDR也无法达到（其标称速度为3Mbps）。由于我们是专业公司，而且不必受到某个标准要求的制约，因此我们一向能自由地设计和提供一流的射频芯片。
蓝牙和ZigBee由于实际上是“委员会设定标准”，因此它们始终将是折衷的技术。“我们将始终如一地开发新技术，努力使我们的芯片体积更小巧，功能更完善，而功耗更低。
“我们着眼于设计芯片以解决我们客户应用时所面对的困难。比如，我们的nRF24L01是一个功耗极低的产品，适合于诸如无线鼠标这类非常重视功耗（因其经常处于工作状态）而带宽只是次要考虑的应用。
相比之下，我们的nRF24Z1则是一个高带宽的产品，专门针对MP3播放机和无线耳机之间的无线音频串流而设计。它的速度高达4Mbps，足以传输无需压缩的CD音质。蓝牙却达不到CD那样的音质，这就是为何蓝牙耳机的效果常常被形容成“尖声细气”而且缺乏动态范围（这是经常在杂志看到对蓝牙无线耳机的评价，无论是哪个厂家的产品，你都会经常看到这类的说法）。然而，音质尽管相当重要，却只是一付无线音频耳机能够取得成功的部分因素。
同样重要的还包括电池寿命。在这方面，nRF24Z1仅蓝牙芯片功耗的一半。
问：你们如何帮助设计师们让无线设计变得更简单？你们又如何帮助他们减少无线功能功耗？
答：“作为一家无线领域的专业公司，Nordic Semiconductor聘用了许多RF的专家能手，这些人能够为我们客户就无线设计方面的问题提供帮助。“正如刚才讨论过的，功耗是根据射频芯片的设计和其使用的协定来决定的。
许多年来，Nordic的设计始终在不断改进，日益完善。尤其在降低功耗方面。而我们也一直改良芯片，以达到最佳效率。
相比之下，蓝牙和ZigBee受到他们相应协定要求的制约，因此在减低功耗方面他们很难有作为。比如，一个典型的BT 1.2的射频芯片运行时的平均耗电量为60mA（有些厂家的产品运行效率或会好一些）。
与之相比，nRF24Z1的平均传送电流为17.8mA，平均接收电流为22.9mA。（这是基于有良好的无线连接，传送和接收未经压缩的44.1kHz，16bits的音频流）在“闲置”的模式中，为了维持同步性，蓝牙也会消耗8mA（在同样闲置的情况下，Nordic nRF24LZ1的消耗为5μA，而ZigBee为350μA.）”
问：您能否预测无线设计在便携式装置领域将有哪些趋势？您能否预测这类市场的规模大小？为了获取更大的市场份额，你们将采取哪些策略？
答：“以Nordic Semiconductor目前所见，无线技术将会有快速的发展和增长。
我们的经验是，消费者不喜欢有线的限制。他们对无线产品带来的自由和便利倍感重视。在成本与传统的有线产品相差无几的时候，消费者也会因为无线所带来的方便而选择无线产品。
比如说，应用蓝牙的无线音频的音质并不太好（例如耳机和台式电脑用的无线扬声器），但是消费者仍然会购买这类产品（大多数主要蓝牙装置的供应商都称销售增长强劲）。消费者看来真是很喜欢“摆脱有线的限制”，因此他们愿意忍受比较差的音质。
不过，我们芯片能提供无需压缩的CD音质，这意味着在音质方面大可不必折衷（实际上在电池寿命上也如此）。我们充满信心地期待，当采用了我们技术的产品推向市场时，这些优势会导致在需求上的巨大增长。
我们相信 蓝牙在教育消费者了解无线连接好处的方面已经做得很出色， 但是它毕竟只是一种局限设计师的折衷的技术。
我最近读到某位一流的RF射频设计大师的一段评论，我完全同意他的观点。他说即使是蓝牙 SIG的某些成员也认为：“蓝牙与以往另一个也曾被大肆吹捧和大量使用的技术IRDA还真有不少的类似之处；盛行之时当然好，对某些技术人员挺有用，但它最终难逃孤寂消亡的命运。”
问：为便携式装置添加无线功能进行设计时，有哪些新挑战出现呢?
答：为便携式装置添加无线连接功能时，设计上主要有四大挑战：成本、复杂性、耗电以及尺寸。作为设计师，你希望能添加无线功能，但消费者却不太乐意为这种便利多花钱。这意味着卖家无论在为他们的芯片定价，还是针对大批量产品应用时都应该非常慎重。
对设计而言，无线功能还要简单易行。对许多设计师来说，增加无线功能并非易事。毕竟，射频芯片集RF，模拟和数码功能于一身，是技术复杂的产品。不过，大多数射频芯片的供应商也生产单片射频收发器，这使得整个过程稍微容易一些。但这也并非只是随手把一个芯片加到PCB上那么简单。你还得了解可能影响你设计表现的相关问题，诸如天线的位置、距离和干扰等。
一般说来，诸如IEEE802.xx的标准易于确保兼容性。但由于必须符合标准，这样就延长了产品推向市场的时间，同时也增加了非经常性工程成本(NRE)。有一些专有的射频装置，例如Nordic Semiconductor"s nRF24xx系列，在对等通信应用时，不仅比蓝牙表现更佳，而且无须遵从特定标准（当然必须符合当地的RF法规的要求）。如果你的产品是用于与其他制造商的产品构成一个微微网，那么蓝牙会是一个不错的选择。不过，如果连接系统两端均为同一公司产品的话，在对等通信应用时，蓝牙的表现往往会比其他产品差。目前蓝牙正被捧得天花乱坠，设计师们很容易忽略上述事实。ZigBee技术也面临类似的挑战。
另外，功耗是个关键因素。在便携式装置中，需要适度控制功耗。举例来说，如果你的装置拥有功能强大的微处理器和背光的屏幕，那么50-60%的电源一下子就被用掉了。但是消费者们要求电池最少可供手机和MP3播放机使用十小时。这意味着射频装置必须非常节能。蓝牙1.2芯片甚至最新的2.0+EDR由于各种各样的原因，都不是最节能的装置。其中最主要是为了维持系统的连接，蓝牙每675μS就得传送一个160bits的数据包，即每秒传送1600个数据包，或等同于256kbps的净数据率。这就是为何蓝牙射频装置只适用于低占空比应用的原因之一。比如说，如用在音频串流时，蓝牙射频装置几个小时内就会耗光电池。在某种程度上，ZigBee通过绕开同步要求解决了这个问题。但因此限制了带宽而令它不适用于消费类产品。
Nordic Semiconductor的芯片特别为超低耗电而开发。所以当用于相同应用时，既能提供跟蓝牙相同带宽和距离而电池寿命通常又为蓝牙两倍。Nordic的芯片不仅在功耗上优于ZigBee，而且能提供更大带宽。
最后一点是几乎每一个设计工程师都会面对的，就是如何将所需的电子元件都放在一个足以令消费者们满意的小巧便携式装置内。这意味着在已经相当拥挤的PCB里，恐怕再没什么空间来添加笨拙的射频收发器和它的周边电路。尽管很多射频芯片厂家已能做到高度集成，但还是需要外置MCU和元件来控制。相比之下，我们的nRF24xx射频收发器不仅在2.4GHz ISM波段操作可提供高达4Mbps的带宽，并将RF收发器，8051 MCU，4个通道，12bits ADC以及不同的标准界面，采用0.18μm CMOS的技术集成在一个尺寸仅为6X6mm的芯片内。而且你只需要几个被动型的外围零件便足以使产品工作。
问：一般而言，工程师在为便携式装置添加无线功能时需要什么样的系统结构？他们如何选择射频协定？你能提供一些指导性的建议吗？
答：当然这完全取决于应用方面。正如我已经指出的，设计师应该尽量把无线连接设计得越简单越好。因为如果设计超过实际需要，那不仅成本高，耗电大，而且增加了复杂性。比如说，大多数便携式装置只需在几米范围内工作，这就不需要浪费资源去使用一个工作范围达几十米的芯片。决定带宽的要求也很重要，如果应用并不需要高带宽，那就不必把它设计进去。
另外一个值得仔细考虑的方面是芯片供应商会提供什么程度的技术支援。比如在调试天线定位时或许需要技术协助。或就RF而言，PCB布局会直接影响到射频装置的效果，在这方面你也可能需要一些建议。
如果你和分销商打交道，要确定他们了解如何使用射频芯片。因为销售射频芯片所涉及的技术要求比一般芯片为多。一般而言，你需要一个适当的射频装置在无须执照的ISM（工业、科技和医药）波段下运作。比如，在美国，你可以使用915MHz波段，而在欧洲，则需要使用434或868MHz。2.4GHz被视为一个“全球性”的波段，蓝牙和ZigBee都使用它。Nordic则制造在所有这些波段都能使用的射频收发器。2.4GHz这个波段的广泛利用也有不利的一面，那就是许多的射频都使用它。随口就能说上的几个例子包括无绳电话、Wi-Fi、Bluetooth和微波炉等。
这就意味着所有的2.4GHz的无线设备都会受到其他设备的干扰（尤其是在嘈杂的环境中）。为了减少这种情况的出现，蓝牙，ZigBee和Nordic Semiconductor的芯片都采用了自适应跳频技术。也就是说，这些芯片采用了扩展频谱技术在整个波段中传送1MHz频道。
举例来说，Nordic的芯片在2.400和2.483MHz之间有多达83个的1MHz的频道可以使用。或者更准确地说，2.402到2.481GHz之间被分成79个1MHz的频道，再加上一个2MHz的低端保护频带和一个2.5MHz的高端保护频带。这种方法和蓝牙完全一样。而ZigBee则使用16个频道。
如果有干扰的情况发生，那么配对的射频收发器就会转到一个不受干扰的频道，发射器会重新发送未被接收的数据封包。
当然，在一个拥挤的无线网络环境中，由于射频收发器经常需要转换频率和重新发送数据封包，因此带宽会缩小。“选择无线协定是一个非常重要但经常被忽略的因素。该协定的“效率”在某种程度上决定了你无线连接的相应带宽和功耗。
效率是一种对每个已发送的数据包承载的有效载荷的衡量标准。举例来说，蓝牙1.2使用160bits的数据包，其中仅有32bits是有关数据的有效载荷，其余的128bits则用于建立连接的代码，起始码和部分用于确保兼容性。这时效率为百分之二十。如发送相同数量的数据，ZigBee装置使用的是百分之二十一的152bits的数据包。 Nordic的nRF24L01是专门为超低功耗而设计，所使用的协定为80bits的数据包加上48bits开销，所以其效率能达到百分之四十。
简单地说，若与蓝牙相比，在发送同样数量的数据时，nRF24L01只使用一半的功耗（换言之，在使用同样功耗时能提供两倍的带宽。）“许多设计师都热衷于使用蓝牙是因为其“相容性”。不过，这也等同让竞对手也能轻易使用同样的技术，在竞争日益加剧的全球市场上，难以使自己的产品与他人的产品区分开来。标准的解决方案在设计方面提供的灵活性机会寥寥无几。比如说，如何节能能量方面，你就非常受限制。
不过，如果你是在设计一个用于与其它厂家的产品进行连接的装置，如手机或PDA， 那 蓝牙是个不错的解决方案。可是，如果连接系统两端的产品都由你制造，比如是一部提供无线音频的MP3的播放机，用来与一对无线耳机进行串流，这种情况下，你的眼光就要放得远些了。
蓝牙是一种折衷的技术，实际上并不是一种特别好的射频设备。因此，在一些特殊应用领域，考虑使用市场上其他的射频芯片方案，无论从技术上，还是商业上都会真正产生效益。
问：你们将开发什么样的新产品或新技术来应对这些挑战？怎样帮助便携式装置产品的设计师们解决问题？在将来，你们将为自己的产品融合哪些新功能？
答：“Nordic所提供的产品和服务是专门针对和解决便携式器材的设计师们为其产品添加无线连接功能时所面对的难题。我们的射频收发器功能完整，而小巧轻便。它使用有效率的协定，非常低功耗，而且这具有自适应的跳频技术的功能。
配备Nordic芯片的产品也可以用于与其它产品联网，而且我们的芯片定价相当有竞争力。 我们的芯片可传送高达4Mbps的数据，这种速度即使是蓝牙2.0+EDR也无法达到（其标称速度为3Mbps）。由于我们是专业公司，而且不必受到某个标准要求的制约，因此我们一向能自由地设计和提供一流的射频芯片。
蓝牙和ZigBee由于实际上是“委员会设定标准”，因此它们始终将是折衷的技术。“我们将始终如一地开发新技术，努力使我们的芯片体积更小巧，功能更完善，而功耗更低。
“我们着眼于设计芯片以解决我们客户应用时所面对的困难。比如，我们的nRF24L01是一个功耗极低的产品，适合于诸如无线鼠标这类非常重视功耗（因其经常处于工作状态）而带宽只是次要考虑的应用。
相比之下，我们的nRF24Z1则是一个高带宽的产品，专门针对MP3播放机和无线耳机之间的无线音频串流而设计。它的速度高达4Mbps，足以传输无需压缩的CD音质。蓝牙却达不到CD那样的音质，这就是为何蓝牙耳机的效果常常被形容成“尖声细气”而且缺乏动态范围（这是经常在杂志看到对蓝牙无线耳机的评价，无论是哪个厂家的产品，你都会经常看到这类的说法）。然而，音质尽管相当重要，却只是一付无线音频耳机能够取得成功的部分因素。
同样重要的还包括电池寿命。在这方面，nRF24Z1仅蓝牙芯片功耗的一半。
问：你们如何帮助设计师们让无线设计变得更简单？你们又如何帮助他们减少无线功能功耗？
答：“作为一家无线领域的专业公司，Nordic Semiconductor聘用了许多RF的专家能手，这些人能够为我们客户就无线设计方面的问题提供帮助。“正如刚才讨论过的，功耗是根据射频芯片的设计和其使用的协定来决定的。
许多年来，Nordic的设计始终在不断改进，日益完善。尤其在降低功耗方面。而我们也一直改良芯片，以达到最佳效率。
相比之下，蓝牙和ZigBee受到他们相应协定要求的制约，因此在减低功耗方面他们很难有作为。比如，一个典型的BT 1.2的射频芯片运行时的平均耗电量为60mA（有些厂家的产品运行效率或会好一些）。
与之相比，nRF24Z1的平均传送电流为17.8mA，平均接收电流为22.9mA。（这是基于有良好的无线连接，传送和接收未经压缩的44.1kHz，16bits的音频流）在“闲置”的模式中，为了维持同步性，蓝牙也会消耗8mA（在同样闲置的情况下，Nordic nRF24LZ1的消耗为5μA，而ZigBee为350μA.）”
问：您能否预测无线设计在便携式装置领域将有哪些趋势？您能否预测这类市场的规模大小？为了获取更大的市场份额，你们将采取哪些策略？
答：“以Nordic Semiconductor目前所见，无线技术将会有快速的发展和增长。
我们的经验是，消费者不喜欢有线的限制。他们对无线产品带来的自由和便利倍感重视。在成本与传统的有线产品相差无几的时候，消费者也会因为无线所带来的方便而选择无线产品。
比如说，应用蓝牙的无线音频的音质并不太好（例如耳机和台式电脑用的无线扬声器），但是消费者仍然会购买这类产品（大多数主要蓝牙装置的供应商都称销售增长强劲）。消费者看来真是很喜欢“摆脱有线的限制”，因此他们愿意忍受比较差的音质。
不过，我们芯片能提供无需压缩的CD音质，这意味着在音质方面大可不必折衷（实际上在电池寿命上也如此）。我们充满信心地期待，当采用了我们技术的产品推向市场时，这些优势会导致在需求上的巨大增长。
我们相信 蓝牙在教育消费者了解无线连接好处的方面已经做得很出色， 但是它毕竟只是一种局限设计师的折衷的技术。
我最近读到某位一流的RF射频设计大师的一段评论，我完全同意他的观点。他说即使是蓝牙 SIG的某些成员也认为：“蓝牙与以往另一个也曾被大肆吹捧和大量使用的技术IRDA还真有不少的类似之处；盛行之时当然好，对某些技术人员挺有用，但它最终难逃孤寂消亡的命运。”
