2.4GHz专用射频和蓝牙4.0 HID应用对比

2011-06-05 20:51:18来源: 互联网

随着无线技术在人机接口设备(HID)的不断广泛应用,市场上更多的的HID产品集成了无线技术 (如无线键盘、无线鼠标,等等)。一般情况下,开发人员的选择常常局限于以下两个方面:根据应用来开发最优的专用协议,或遵循常用的无线标准(如蓝牙)。尽管无线标准体现出了其互通的优势,但它们也带来了设计复杂和增加不必要开销的问题,这导致系统的成本提高了。另一方面,专用协议使开发人员在定制应用方面更灵活,开发步骤更简洁。

选择PC HID射频的关键是成本(PC HID市场价格相当敏感)、安全性、范围、功耗、反应时间、干扰、协同定位,和易于设计。一般来说,市场上标准协议比专用协议更具有竞争力,因为它使设备之间具有互通性。然而,直到2009年,在PC HID方面,只有专用协议占据了市场。这主要归结于没有任何一种无线标准对PC HID市场来说在成本、功耗和效率方面是最优的。随着低功耗蓝牙无线技术试图进攻低功耗市场,我们可以预见到新的无线电标准将要占据PC市场一席之地。这篇文章比较了蓝牙4.0无线技术和专用协议在HID市场的应用。

专用射频解决方案
为了在2.4GHz射频带得到一个可靠的通讯链接,专用射频网络充分利用了自己的协议。网络工作在安静的渠道,以确保桥从节点接收到数据包。如果通道变得拥挤,网络会搜寻到一个安静的通道,在那里建立通讯并成功传输。如果硬件支持直接序列扩频(DSSS)传输,当检测到干扰时,协议将切换至该模式,并开始寻找一个比较安静的通道。这些协议不遵循任何IEEE标准,他们代码小并优化,专门致力于功耗和封包开销要求严格的应用。

低功率蓝牙
蓝牙技术是一种短距离通信系统,它意欲替换电缆来连接便携或固定的电子设备,属于IEEE标准。蓝牙无线技术有两种形式:基本速率(BR)和低功率 (LE)。这两种系统都包括设备发现、连接建立和连接机制。低功率蓝牙还可以进行特色设计,可以设计出比BR蓝牙更低功耗、更低复杂性、以及更低成本的产品。低功率系统也可应用于的数据率较低,具有较低的占空比的案例。使用这两个系统的设备可以互相通讯。

成本
无线HID市场对价格要求是相当严格的。无线HID产品开发人员往往关心的是要选择一种低成本的单片机作为他们应用的射频基带控制器。这个单片机还需要有足够的闪存来储存无线协议栈。因为低功率蓝牙是一个标准、堆叠代码的大小远比为专有协议大得多,从而要求更大闪存,致使成本增加。无线HID市场一直被专有协议占有,因为他们协议栈小。然而,专有网络需要外部的桥连接到PC 或主机,以便他们可以和网络中的其他设备通话。蓝牙技术在大部分的个人电脑和手机比较常见,这些设备会有一个完整的双模式蓝牙桥 (BR和LE),以后将不需要外部的桥。低功率蓝牙和我们今天所用的蓝牙不同,它是一种“always-off”技术。这使得使用低功率蓝牙的设计可以用一个小纽扣电池就可以实现多年的电池寿命。蓝牙技术是由蓝牙SIG(特殊兴趣小组)维护的一种标准,任何蓝牙相关设备都需要经过这个认证委员会认证,这就进一步增加了开发成本。

功耗
专有射频芯片制造商通常在datasheet上不完全披露功耗。他们会指出功耗取决于占空比。因此开发人员必须使用实验板的设置和他们各自的固件测试环境来获得自己想要的功率消耗数据。由于功耗是HID市场的主要关注点,低功耗蓝牙标准规定:在一个最大3 ms的数据传输应用一般不会超过20mA的峰值电流,在纽扣电池应用中不会超过15mA。使用低功率蓝牙无线技术的设备只需要消耗其他蓝牙产品能量的一小部分。在许多情况下,低功率蓝牙产品将会仅需要一颗纽扣电池就可以工作一年多的时间而不需要充电。例如,用这种方式,就可以用小的传感器与其他设备(如手机或PDA)持续工作和交流。基于低功率蓝牙实现的小型设备(例如手表和运动传感器)将会拥有很多的低功耗的优点。支持蓝牙和低功率蓝牙的双模实现,将使用部分现有蓝牙的硬件,共享物理收发器件和天线。双模式的实现方式会和典型的蓝牙技术基本保持同样的功率消耗。

可靠性和安全性
防止其它技术干扰或共享相同频段的能力非常重要,因为这也影响到用户的性能。在2.4GHz干扰的鲁棒性,是指能够可靠地与802.11b/g、蓝牙、 WirelessUSB、以及一系列的无绳电话和微波炉共存。只有一个提供了良好的通道跳跃方法论的智能的编码方式可以保证数据的可靠性。一些发射器件例如CYRF6936可以使用直接序列扩频(DSSS)和跳频扩频(FHSS)传输,低功率蓝牙只采用了跳频技术,这和所有版本的蓝牙技术相同。DSSS可以确保数据的鲁棒性,一旦干扰太大了FHSS允许无线电信号马上跳到一个新频道。没有DSSS也是蓝牙相对于专有协议一个缺点,因为专有射频可以并存的在噪声环境中,不必非得跳到一个比较安静的频道。低功率蓝牙提供完整的AES-128加密技术,可以对数据包进行强大的加密和验证。与此同时,这消耗了大量的数据包。为了确保系统的稳定和可靠,开发着要根据设备的硬件能力和应用要求的安全级别来选择现有的专有协议还是标准协议如蓝牙。对于某些应用场合,如无线鼠标,安全不是必需的。

覆盖范围
无线HID应用通常在一个比较短的距离通讯,因此超过十米的需要是非常罕见的。如果希望的通讯距离比较长,设备的功耗也将增加。专用射频协议提出,使用外部功率放大器,可以支持更远的距离,低功率蓝牙规格提出了超过100米的可能范围。

速度/吞吐量
低功率蓝牙支持1Mbps的数据速率,这足以满足无线HID的应用。然而,由于额外的开销,实际吞吐量仅仅是256kbps。专用协议的优点在于,根据应用需求限制了包开销,这就可以支持更高的吞吐量。对于一些应用,例如游戏鼠标,音频应用,和触摸应用,这些应用需要大于250 kbs的有效吞吐量应用,低功率蓝牙的实现方式就不如专有标准了。

拓扑结构
多数无线HID应用要求点对点的网络 (例如,无线键盘或鼠标)或星型网络(例如,传感器网络)。专用协议将协议优化为一个特别的拓扑结构。基于所用的单片机和系统里从设备寻址方式,可以连接在一个网络的从设备数目是有限的。低功率蓝牙技术优化为一对一的连接,同时也允许一对多的星型拓朴结构连接。通过使用快速连接和断开,数据可以像网状拓扑结构一样移动,但在复杂性上,不需要网状拓扑那样维持网络。例如,一个使用集成蓝牙BR /LE电话的用户可以通过腕表记录脉搏,可以通过鞋记录消耗的卡路里,可以通过帽子记录外界温度,前提是如果所有这些电路集成到蓝牙LE。

认证
蓝牙专家组(SIG)是监控蓝牙标准的发展以及给制造商发放许可证和商标的团体。为了得到许可,公司就必须成为蓝牙SIG的成员。SIG同时也负责管理 SIG认证程序,对于任何使用蓝牙的产品来说认证都是必需的,并且要预先得到蓝牙技术知识产权许可。SIG的主要任务是发布蓝牙规格,保护蓝牙商标以及推广蓝牙无线技术。关于认证过程简介,包括认证步骤,认证类型和费用,都公布在蓝牙SIG公众门户网站。在使用专有协议的情况下,许多厂商都提供了自己的认证的规范,这方面几乎是免费的,所以产品开发人员可以在自己的终端评估协议,开发费用和时间都可以减到最小。

应用
使用专有射频,任何应用都可以很容易地修改协议。使用这种方法,可以通过改变输出功率水平,应用就可以修改以便适应环境,工作在具有更好鲁棒性的通讯方式下,或可以移动到一个比较安静的环境来通讯。

在市场遍布窄带、本地、专有技术等连接解决方案的情况下,低功率蓝牙技术本身有其不同之处:
*易实现和多厂商的互通性
*超低的峰值电流,平均功耗和空闲模式功耗
*低成本集成
*功率可控
*接口阻抗

低功率蓝牙技术扩展了个人区域网络(PAN),包括小纽扣电池供电的蓝牙设备。使用低功耗技术,体育卫生保健设备,人机界面(HID)和其它娱乐设备,都可以增强优势。这项技术可以集成到很多产品,如手表,无线键盘、游戏和运动传感器,它可以和host设备(例如移动电话与个人电脑)进行连接与通讯。

低功率蓝牙技术的其他标志特性还包括成本低,范围广。既然新的低功率蓝牙芯片是如此的小,而且也不贵,这就加大了实施到日常消费产品的可行性。例如,可以把它放在鞋底来追踪一个人的速度、距离、步伐和其他统计资料。使用一个低功率无线标准的产品,例如低功率蓝牙芯片嵌入到鞋底,电池的寿命超过一双跑鞋的平均寿命,那么它能提供更长时间的服务。

虽然低功率蓝牙对于很多种应用都看起来像一种不错的技术,但是在HID应用采用这个技术之前,有一些存在的问题需要行业解决。当然它不需要外部的桥,这是它的优点。但是,当电子行业准备集成双模式蓝牙收发时就会遇到问题。把双模式/单模式收发集成到host,也同样会产生蓝牙技术和WiFi、 WiMax、典型蓝牙设备、以及其他2.4 GHz技术共处的问题。这对开发人员提供完整方案来说,可能是一个巨大的挑战。那时候,暂时的解决办法就是用一个外部桥和pc一起工作。由于低功率蓝牙仍是在开发阶段,所有应用轮廓都还没有最终确定,这将在相当长的时间内影响低功率蓝牙应用到无线HID领域。

虽然蓝牙技术是一个标准的协议,但它在绑定方法上的缺点也是不可避免的。例如,假设一个教室环境,这里有许多学生都使用蓝牙鼠标,并且所有人都试图让他们的鼠标同时绑定在各自的pc机上。这时候可能发生交叉捆绑的情况,一只鼠标跟别的电脑捆绑了而不是在应该捆绑的那个。那些专有协议例如赛普拉斯半导体的方案就会避免这些问题,可以使用KISS (Keep It Simple Solutio)绑定,厂商绑定,和自动绑定技术。如果开发人员试图使用低功率蓝牙用到这类HID应用的话,他们需要属于自己的绑定方法。

就像任何其他产品一样,适应应用是成功的关键。低功率蓝牙具备低成本、低能耗的特点,似乎在无线HID市场是一个好的方案。然而,当低功率蓝牙吸引许多公司进入无线HID市场的同时,它又不一定能成功,除非它实现了并且超过了专有协议早在十年前就已经成功实现了的特性。

关键字:2.4GHz  射频RF  蓝牙  HID

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2011/0605/article_6043.html
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