浅谈降低蓝牙装置功耗的方法

0  引言

　　功耗是指设备、器件等输入功率和输出功率的差额。功率的损耗。电路中通常指元、器件上耗 散的热能。有时也指整机或设备所需的电源功率。 功耗同样是所有的电器设备都有的一个指标，指的是在单位时间中所消耗的能源的数量，单位为W。不过复印机和电灯不同，是不会始终在工作的，在不工作时则处于待机状态，同样也会消耗一定的能量（除非切断电源才会不消耗能量）。因此复印机的功耗一般会有两个，一个是工作时的功耗，另一个则是待机时的功耗。

　　功耗是决定可携式装置发展成败的关键因素。由于这类装置的趋势朝向功能汇整的方向演进，明显的迹象就是百万像素数字相机整合至照相手机中，新型的多功能装置必须持续迎合消费者的需求，尤其是在功耗方面。

　　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。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。

1  蓝牙规格

　　Bluetooth SIG降低蓝牙装置功耗重要的方法，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。

2  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)

　　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给振荡器 （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。

　　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。

3  DSP: 降低功耗与提高效能

　　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 ），远远超越其他厂商秀的产品，这些非DSP解决方案的续航力只有5小时。DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是值得称道的两大特色。

　　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。

　　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。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中，会用去80%的处理器频宽。

　　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：

图 4 BlueCore3-MM 与主要竞争厂商元件的比较

4  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。其中一种作法是采取和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，装置可一直等到下扫瞄周期以再查看附近是否有其他装置。