降低蓝牙装置的功耗的方法

降低蓝牙装置的功耗的方法

      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。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。

蓝牙规格 

      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

图 3 BlueCore3-ROM CSP 晶片封装

        BlueCore 晶片架构本身扮演一个重要角色，确保功耗的效率以及降低耗电量。图3列出一个BlueCore3-ROM CSP晶片级封装设计，显示BlueCore晶片的典型配置。

        CSR从0.18微米转移至0.13微米制程，发展CSR的第五代BlueCore5元件，对耗电量方面产生显着的影响。随着硅元件尺寸越来越小，晶片中不同元件之间的通信变得更有效率，相同的功能如今仅须小量的电力就能完成。

DSP: 降低功耗与提高效能

        CSR选择在单晶片规格中采用DSP架构，在立体声与单声道耳机市场带来突破性的解决方案。在立体声耳机方面，消费者希望其耳机电池续航力能比得上音乐播放装置的电池续航力。现今的iPod提供相当长的电池续航力(10至15小时)，远胜过一般的移动手机，立体声耳机必须达到相近的电池续航力，而且不会过度消耗音乐播放装置或手机的电池电力。
BlueCore多媒体产品采用的DSP，协助CSR让无线耳机能达到10至16小时的续航力(分别是 BlueCore3-MM 与 BlueCore5-MM )，远远超越其他厂商最优秀的产品，这些非DSP解决方案的续航力最高只有5小时。

        为何整合DSP架构能让电池续航力大幅提升? DSP架构的耗电率原本就远低于其他厂商采用ARM处理器开发的装置，再加上DSP在原生模式下就支援各种音乐格式，例如像MP3、WMA、以及AAC。原生支援能力，让产品不必使用低效率且高耗能的编解码器，例如像利用SBC无线技术来传送音乐档案。

        为确保互通性，所有使用蓝牙AV profile的产品必须能与Bluetooth SIG强制压缩编码/解码机制:子频带编码(SBC)技术达到互通运作。虽然这项标准相当实用，但却和目前广受消费者欢迎的音乐储存格式不一致。因此，若耳机仅支援SBC，音乐播放装置或手机就必须执行转码作业，在传送之前先解压缩，然后再压缩一次。执行这项功能不仅影响音乐的品质，转码作业本身就耗用大量的处理器资源，在现今手机使用的一些典型的处理器核心中，会用去80%的处理器频宽。这种耗用大量处理器资源的作业，需要大量的电力，因此对电池续航力造成更多的压力。

        此外在缩小档案方面，SBC的效率也比不上像是MP3等格式，因此需要更高的周期资源才能进行串流传输。这会影响到连结的可靠度，也会耗用更多的电池电力。

        为解决转码衍生的效率低落与耗电量的问题，CSR运用以DSP为基础的BlueCore多媒体元件，开发出专属的蓝牙立体声耳机参考设计方案，结合SBC与MP3格式的编码软件。藉由支援MP3编码功能，就不需再进行转码，传送MP3档案所消耗的电力也比以往来得低。在典型的耳机参考设计方案中 - BlueTunes 1采用 Bluecore3-MM – 在透过标准非EDR频道接收串流SBC音乐时，耗电率不到 95mW (25mA 与 3.7V – 相当于2004年顶级单声道耳机的耗电水准)。这种设计大幅降低传送MP3档案的耗电量，且仍支援EDR功能。

        下表比较了采用DSP的CSR产品与其他同类产品在耗电方面的差异：
　
        运作模式 其他厂商的元件 CSR BlueCore3-MM
        通话 (SCO, HV3, master) ~112mW ~45mW
        串流音乐 (SBC) ~180mW ~95mW
        待机 (唿叫扫瞄) ~3.3mW ~1mW

图 4 BlueCore3-MM 与主要竞争厂商元件的比较

Casual不定时扫瞄

        在不连结至其他装置时，蓝牙无线电会在 "呼叫扫瞄"或待机模式下运作，让无线电波在每1.28秒搜寻其他可连接装置的射频范围，当无线电波扫描到其他装置之后会送出一个辨识器到本地端装置，以便在有需要的时能建立连线。CSR一直运用新技术，来减少呼叫扫瞄模式下所需要执行的活动，因此能进一步降低耗电量。其中一种作法是採取和GSM信号(beacon)间隔相互同步的频率，扫瞄射频波电的范围，利用可用的功率来扫瞄射频范围，手持式装置藉此在GSM网路中建立辨识的机制。这种作法进一步发展出 "条件式扫瞄"机制，让装置能扫瞄射频范围。若没有射频电波活动，就不必进行完整的呼叫扫瞄，装置可一直等到下一次扫瞄周期以再查看附近是否有其他装置。

        对于掌上型装置制造商而言，耗电量永远是主要的考量因素之一。在面临耗电率问题的同时，业者还必须因应消费者对产品效能、功能、互通性、以及连结等方面的持续攀升的需求。蓝牙身为电池供电设备最适合的无线传输技术，应该要能在最低功耗要求下提供强大的功能。因此Bluetooth SIG与各家业者致力改进采用新规格或新系列蓝牙装置的效能。透过采用DSP架构来增进多媒体效能，不仅可进一步降低耗电，亦可提供对不同应用的支援与效能，可作为开发蓝芽产品厂商设计时的参考。