如何降低藍牙裝置的功耗[朗讀]

如何降低藍牙裝置的功耗
功耗是決定可攜式裝置發展成敗的關鍵因素。由於這類裝置的趨勢朝向功能彙整的方向演進，最明顯的跡象就是百萬像素數字相機整合至照相手機中，新型的多功能裝置必須持續迎合消費者的需求，尤其是在功耗方面。
雖然藍牙本身就已是低功耗技術，但為了進一步延長電池續航力，藍牙技術聯盟(bluetoothsig)仍持續整合許多新方法，以降低新版本藍牙規格的功耗。在2004年11月，bluetoothsig修訂了2.0+enhanceddatarate(edr)規格，結合一種革命性的技術，創造出更有效率的無線連結一與資料封包傳送機制。
藍牙規格。
bluetoothsig降低藍牙裝置功耗最重要的方法，就是發展出edrbluetooth。藍牙無線電元件消耗的電力，取決於運作時間的長短。v2.0+edr藍牙規格讓資料傳輸速度達到傳統藍牙的3倍(3mbps比1mbps)，這代表無線電波的運作時間減少到三分之一，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於徹底改變資料封包的傳輸方式。
標準傳輸率(1mbps–例如像v1.2以前的藍牙版本)封包中含有四個部分:
1.存取碼(accesscode)–接收裝置利用這個存取碼來辨識輸入端的傳輸作業。
2.封包表頭(header)–描述封包的種類與長度。
3.封包內容(payload)–實際傳送的資料內容。
4.跨封包的guardband(inter-packetguardband)–將無線電波轉至下個頻帶。
所有三個傳送部分都採用高斯頻率偏移調變機制(gaussianfrequencyshiftkeying,gfsk)來處理射頻訊號:載波頻率偏移範圍為正負160khz，來代表零或一，每個符元(symbol)編碼出一個位元。符元傳輸率為1msps(megasymbolpersecond)。存取碼、表頭、以及guardband保護頻帶等三個部分所需的資源，讓最高負載資料率達到723kbps
bluetoothedr封包仍對存取碼與表頭採用gfsk調變機制，但對payload資料則使用以下二種其中之一不同的調變機制:一種是強制性，提供2倍的資料傳輸率，能容許較高的噪音;另一種是選擇性調變機制，提供3倍的資料傳輸率。
2倍資料傳輸率採用π/4differentialquadraturephaseshift鍵移或π/4-dqpsk技術。這種調變機制會改變載波的相位而不是頻率。「quadrature」代表每個符元有四個可能的相位，讓每個符元中有兩個資料位元能進行編碼。符元率維持不變;因此資料傳輸率提高兩倍。
3倍資料傳輸率採用的是8-dpsk(8-phasedifferentialphaseshiftkeying)，這種機制類似π/4-dqpsk，但能移至任何8個可能的相位。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，但每個符元能編碼3個位元的資料。
在edr規格的成功邁入實際產品階段後，通過檢驗的產品於2005年問市，sig仍繼續研究各種新方法來降低耗電量。
csrbluecore以低功耗模式及內部時脈進一步降低耗電量。
csr的bluecore晶片內建的硬體時脈，能將數字元件與無線電加以區隔;關閉無線電;以及將晶片切換至淺層或深層睡眠模式。藉此提供甚至可超越bluetoothsig官方標準的低耗電效能。
低功耗模式以及內部時脈。
bluecore晶片內的硬體時脈能將數位元件與無線電加以區隔;關閉無線電;以及將晶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。
在淺層睡眠模式時中，時脈速度從16mhz降低至0.125mhz，電流從10ma降低至2ma(如圖1所示)。
圖2深層睡眠模式的時脈結構。
在深層睡眠模式中，主要的晶體加上所有其他時脈元件都被關閉，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，bluecore需要20milliseconds(ms)的無作業空閒時間。在喚醒方面，芯體需要5ms的時間來重新啟動，元件需要約20ms的無作業時間(預測)。bluecore能透過排程警報，在下一次排定的作業之前喚醒元件，或是由pio、uart、或usb連結埠傳送器的中斷，藉以離開深層睡眠模式。
晶片架構。
圖3bluecore3-romcsp晶片封裝。
bluecore晶片架構本身扮演一個重要角色，確保功耗的效率以及降低耗電量。圖3列出一個bluecore3-romcsp晶片級封裝設計，顯示bluecore晶片的典型配置。
csr從0.18微米轉移至0.13微米製程，發展csr的第五代bluecore5元件，對耗電量方面產生顯著的影響。隨著矽元件尺寸越來越小，晶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選擇在單晶片規格中採用dsp架構，在立體聲與單聲道耳機市場帶來突破性的解決方案。在立體聲耳機方面，消費者希望其耳機電池續航力能比得上音樂播放裝置的電池續航力。現今的ipod提供相當長的電池續航力(10至15小時)，遠勝過一般的移動手機，立體聲耳機必須達到相近的電池續航力，而且不會過度消耗音樂播放裝置或手機的電池電力。
bluecore多媒體產品採用的dsp，協助csr讓無線耳機能達到10至16小時的續航力(分別是bluecore3-mm與bluecore5-mm)，遠遠超越其他廠商最優秀的產品，這些非dsp解決方案的續航力最高只有5小時。
為何整合dsp架構能讓電池續航力大幅提升?dsp架構的耗電率原本就遠低於其他廠商採用arm處理器開發的裝置，再加上dsp在原生模式下就支援各種音樂格式，例如像mp3、wma、以及aac。原生支援能力，讓產品不必使用低效率且高耗能的編解碼器，例如像利用sbc無線技術來傳送音樂檔案。
為確保互通性，所有使用藍牙avprofile的產品必須能與bluetoothsig強制壓縮編碼/解碼機制:子頻帶編碼(sbc)技術達到互通運作。雖然這項標準相當實用，但卻和目前廣受消費者歡迎的音樂儲存格式不一致。因此，若耳機僅支援sbc，音樂播放裝置或手機就必須執行轉碼作業，在傳送之前先解壓縮，然後再壓縮一次。執行這項功能不僅影響音樂的品質，轉碼作業本身就耗用大量的處理器資源，在現今手機使用的一些典型的處理器核心中，會用去80%的處理器頻寬。這種耗用大量處理器資源的作業，需要大量的電力，因此對電池續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行串流傳輸。這會影響到連結的可靠度，也會耗用更多的電池電力。
為解決轉碼衍生的效率低落與耗電量的問題，csr運用以dsp為基礎的bluecore多媒體元件，開發出專屬的藍牙立體聲耳機參考設計方案，結合sbc與mp3格式的編碼軟體。藉由支援mp3編碼功能，就不需再進行轉碼，傳送mp3檔案所消耗的電力也比以往來得低。在典型的耳機參考設計方案中-bluetunes1採用bluecore3-mm–在透過標準非edr頻道接收串流sbc音樂時，耗電率不到95mw(25ma與3.7v–相當於2004年頂級單聲道耳機的耗電水準)。這種設計大幅降低傳送mp3檔案的耗電量，且仍支援edr功能。
下表比較了採用dsp的csr產品與其他同類產品在耗電方面的差異：
運作模式其他廠商的元件csrbluecore3-mm通話(sco,hv3,master)~112mw~45mw串流音樂(sbc)~180mw~95mw待機(唿叫掃瞄)~3.3mw~1mw
casual不定時掃瞄。
在不連結至其他裝置時，藍牙無線電會在"呼叫掃瞄"或待機模式下運作，讓無線電波在每1.28秒搜尋其他可連接裝置的射頻範圍，當無線電波掃描到其他裝置之後會送出一個辨識器到本地端裝置，以便在有需要的時能建立連線。csr一直運用新技術，來減少呼叫掃瞄模式下所需要執行的活動，因此能進一步降低耗電量。其中一種作法是採取和gsm信號(beacon)間隔相互同步的頻率，掃瞄射頻波電的範圍，利用可用的功率來掃瞄射頻範圍，手持式裝置藉此在gsm網路中建立辨識的機制。這種作法進一步發展出"條件式掃瞄"機制，讓裝置能掃瞄射頻範圍。若沒有射頻電波活動，就不必進行完整的呼叫掃瞄，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。
結論。
對於掌上型裝置製造商而言，耗電量永遠是主要的考量因素之一。在面臨耗電率問題的同時，業者還必須因應消費者對產品效能、功能、互通性、以及連結等方面的持續攀升的需求。藍牙身為電池供電設備最適合的無線傳輸技術，應該要能在最低功耗要求下提供強大的功能。因此bluetoothsig與各家業者致力改進採用新規格或新系列藍牙裝置的效能。透過採用dsp架構來增進多媒體效能，不僅可進一步降低耗電，亦可提供對不同應用的支援與效能，可作為開發藍芽產品廠商設計時的參考。