短距离无线技术热门方案推介
link: EDN China, 20090501Gonzalo Delgado Huitrón是飞思卡尔墨西哥无线连通性运营中心软件工程师，他在下文中介绍了有关“利用无线控制器减少家庭电力消耗”的信息，并建议采用飞思卡尔MC1321X系列
短距离无线传输技术包括ZigBee、Wi-Fi、NFC、Bluetooth、
人们对摆脱线缆束缚的需求将不断推动短距离无线传输技术的发展，为了更多地介绍目前市场中新鲜热门的相关芯片产品和设计方案，本期专题我们将为大家介绍几款短距离无线传输技术热门方案，帮助读者和那些关注短距离无线传输技术的公司推介并收集最新的产品和方案信息。
ZigBee网络方案
无线技术的进步使得众多使用无线通信方式来获取传感数据的应用成为可能，无线传感网络从各式各样移动的
您知道当电视机关机时， 它每小时最多可消耗1 6W吗？ 您的热水器是否在凌晨4点钟运行，而当时并没有人在洗澡？有很多方法可以减少家庭的能源消耗，借助无线网络标准，可以轻松、有效地完成这一目标。
每一天， 我们都能听到能源储备越来越少的消息，能源短缺和断电现象不时出现，人们开始寻找新的能源节省方法。因此，除了这些不便和能源使用成本的不断提高外，为什 么我们还应关注能源保护呢？答案非常简单，因为有数字显示，全球近87%的能源（见图1）都是使用碳化物燃料生产的，当它们燃烧时，会把大量的污染物排放 到我们的环境中。
针对我们的非生态友好的能源生产方式，一种解决办法是使用绿色技术，例如风力、地热、太阳能和水电。坏消息是这种变化不可能一朝一夕完 成（需要几年时间，且新技术层出不穷）。这就是为什么说能源保护目前如此重要的原因。需要考虑的另外一个因素是，过去三十年，美国的能源成本上涨了16 倍，而据预测，随着能源短缺的继续，这一上涨将更为剧烈。
住宅的大部分电力消耗是采暖和制冷，然后是照明和家用电器（见表1），而这正是我们的能效工作应关注的地方。
看起来不那么显眼的另外一个问题是待机模式。在该模式中，设备不是完全打开或关闭，但它们确实要消耗一些电力（见表2），这样才能在需要时随时启动。美国每年的待机功耗总量占到每年总消耗的5%-26%。
现在有很多把每天的待机功耗降到1W的计划，但断开每台不使用的设备（然后在需要时重新连接）不但费力而且耗时。我们需要其他解决方案，而这正是技术可以帮助我们的地方。
IEEE 802.15.4/ZigBee联网标准就是我们正在寻找的解决方案。以监视和控制能源使用为中心的应用是IEEE 802.15.4/ZigBee的主要市场， 这一市场也是飞思卡尔（Freescale）一直处于领先的市场。一些关键功能使它成为理想选择：
想象一下， 每个房间拥有自己的远程控制器，不仅打开/关闭设备，而且记录设备是否正在使用及它们使用电力的多少。由于家里使用的设备少了，室内热量可能减少，空调的温度也可以调高一些。
水加热消耗大量能源，无论是采用天然气还是使用电，但使用飞思卡尔的MC1321X系列ZigBee IC，可以实施天然气/电加热器远程控制器。人们洗澡的时间大多是在早晨或晚上，在所有其他时间，都可以远程关闭热水器，以节省能源。
自动抄表（AMR）是最有前途的一种ZigBee应用（ZigBee联盟还在制定说明文件）。结合“智能家居”，AMR能立即显示出其优势。如果正在消耗大量电能，通过无线链路发出的指令就可以引导房子进入低功率模式，自动关闭没有使用的设备。
使用飞思卡尔的IEEE 802.15.4/ZigBee产品，如MC1321X系列（带有8位MCU）和MC1322X系列（带有32位MCU），这些硬件实施可以轻松完成。从 软件方面， 飞思卡尔为软件实施（SMAC、IEEE802.15.4 MAC和BeeStack）提供几种堆栈。使用我们的BeeKit配置工具，可以轻松创建新项目。只需点击几下鼠标，就可以创建一个通过ZigBee控制 的开关开/关灯，而不需要写入一行代码。
TI即将推出的适用于最新标准化ZigBee RF4CE规范的软硬件解决方案RF4CE 片上系统，主要用以满足RF 遥控应用的需求。TI ZigBeeRF4CE 片上系统产品系列集成了符合 IEEE 802.15.4 标准的无线电广播、MCU 与闪存，以及外设集。TI参与制定了ZigBee RF4CE规范 1.0版，该规范将于本季度向 ZigBee 联盟成员推出。
ZigBee RF4CE 适用于诸如电视与机顶盒等各种遥控型音频／视频消费类电子产品，是近期 ZigBee 联盟与 RF4CE 集团协会达成协议的结果。TI 将在 ZigBee RF4CE 协议发布之际推出可立即实施的软硬件解决方案，并将继续针对新兴的 RF 遥控市场开发IEEE 802.15.4 片上系统解决方案（2009 年第二季度推出）。
ZigBee RF4CE规范基于采用2.4 GHz无许可限制频带的IEEE802.15.4. MAC/PHY无线电广播技术之上，具有低功耗与瞬时响应时间等特性，并可在全球范围内实现良好运行。该规范特性包括： 可支持多向(omni-directional) 及高度可靠的双向无线通信、能与其它 2.4 GHz 无线技术更好共存的频率捷变以及简单的安全性设置及配置。ZigBee联盟将于下个季度针对各种规范与公共应用配置文件开发与现有策略相符合的测试程序。 开发完成后，使用公共应用配置文件、并基于 ZigBee RF4CE 规范的产品将被提交至授权测试机构进行认证。
RF系统方案
遥控门禁(RKE)系统已经备受用户的青睐， 北美80%以上、欧洲70%以上的新车均安装了RKE系统。下一步RKE系统的发展将会涉及双向(半双工)通信，目前它已经以“无源RKE”的形式应用在 某些高端车辆中。当驾驶人员靠近汽车时，汽车发射装置不断轮询，以确定驾驶人员的接近。在一定范围内(1m~2m)，控制器和车辆建立双向通信，并打开车 门。目前的双向系统除了包含确认功能(确认车门已锁)之外，还包含遥控启动功能，它使驾驶者在一段距离之外可以启动发动机。
Zigbee/IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4是一种简单， 低速物理层/ 媒体接入控制标准，适用于
RKE系统包括钥匙扣(或钥匙)中的一个无线发射器，它向安装在车内的接收器发出一串短脉冲数字信号，信号经过解码，通过接收器控制传动机构，打开或关 闭车门或行李箱。在美国和日本该无线载波频率为315MHz，欧洲则使用4 3 3 . 9 2MHz( I SM频段) 。日本的RKE系统采用频移键控FSK调制，其他绝大部分国家则采用幅移键控ASK调制，它的载波幅度调制在两个电平。为了减小功耗，通常取低电平接近于 0，于是产生了开关键控(OOK)调制。
第一代RKE电路使用了声表面波(SAW)器件产生发射器的RF载波和接收器的本振 (LO)。不幸的是，SAW器件初始频率的不确定性至少为±100kHz，并且随温度变化其频率稳定性相对较差。在接收端，如果IF通带过宽，则在接收载 波时会收到过多的噪声，从而限制了汽车响应钥匙控制信号的距离。目前可以代替SAW器件的方案是选择基于晶体的锁相环(PLL)。PLL的使用主要源自日 益严格的RF辐射规则，尤其是在欧洲和日本。使用晶振PLL的发射器比使用SAW谐振器的发射器价格略微贵一点，但精度一般提高十倍。因此接收器具有较窄 的IF带宽，由于提高了SNR，可以提高发射距离。目前，发送和接收芯片均内置锁相环，只需要一个外接晶振，以产生有效的RKE信号。例如，Maxim的 MAX1470 PLL包含64分频电路和低端注入的10.7MHz中频电路。
RKE系统在汽车用户中越来越受欢迎。下文以Maxim的方案为例介绍了RKE系统并讨论系统设计如何满足发射距离、
由于电池的使用寿命非常重要，RKE系统采用了各种技术降低工作电流和"开机时间"。接收器PLL的压控振荡器(VCO)是这一设计细节的范例，接收器 需要保持几乎不间断的检测状态，以免漏过打开车辆的命令；而为了省电需要尽可能地将其置于关机状态，甚至在检查之间的短暂间隔内。控制器的发射装置通常连 续发送4组10ms的数据流(共计40ms左右)，以确保接收器至少捕捉到它们中的一组。接收器可以每隔20ms执行一次查询操作，力图至少捕获两组数 据，以便有足够的余量消除时序误差和噪声。译码时间大约需要0.75ms (足够接收7或8位数据)，用来判断是否为有效数据。除了译码时间外，轮询操作必须首先具备接收器"唤醒"和稳定时间。大多数放大电路可以快速唤醒，但 VCO晶体是机电元件，它需要一定的启振时间，当然，它还需要更长的时间才能稳定在所要求的频率。对于传统的超外差接收机， 该时间通常需要2ms~5ms。而MAX1470的VCO从上电到晶体稳定振荡只需0.25ms。
严格来讲，RKE是近距离通信技术，有源系统的传输距离可以达到20m，无源RKE系统的通信距离是1m~2m，即使是近距离传输，保证低功耗和低成 本设计对于RF电路也是一个挑战。为简单起见，发射器和接收器的天线由PCB上的环形或矩形印制导线组成，并用一个简单的LC网络，以达到天线与发射器或 接收器芯片的阻抗匹配。由于FCC规定必须使用低发射功率，小的电池容量以及发射天线朝向的不确定性等因素，要求RKE接收芯片具有极高的灵敏度。提高接 收灵敏度的一个方法是增加一个低噪声放大器(图2)，但这种方法会降低动态范围，在具体应用中可能无法接受。可以考虑一下对MAX1470超外差接收器的 分析。
S = NF + n0 + S/N，……式1
其中，S为所要求的最小信号电平，以dBm为单位；NF为接收器的噪声系数，以dBm为单位；n0为接收器的热噪声功率，以dBm为单位；S/N为满足信号检波的输出信噪比，以dBm为单位(通常基于可接受的误码率)。
为简化起见，对基于曼彻斯特编码的数据，估计其S/N为5dB，根据定义，可以得到：
n0 = 10log10 (kTB/1E-3)，
其中， k 为玻尔兹曼常数(1.38E-23)，T为温度，以开氏度为单位；B为系统噪声带宽，在室温(T = 290°K)下，1Hz带宽时， n0 =-174dbm/Hz。相对300kHz IF带宽，n0 = -119dbm。
假定系统灵敏度( S )是-109dBm，用式1可以算出噪声系数NF = 5dB。噪声系数(NF)与噪声因数(F)之间的关系为：(NF)dB =10logF，其中F = 10(NFdB/10)。所以，F = 3.162。对于多个双端口部件级联的情况，噪声系数为：
FTotal = F1 + (F2-1)/G1 + (F3-1)/(G1*G2) + . . .……式2
利用式2可以对系统增加了外部LNA时的新噪声因数进行计算。对于Maxim的MAX2640 LNA，NF= 1dB、增益 = 15dB (也就是，F1 = 1.26，G1 = 31.62)。原系统的噪声因数是3.162，所以，FTotal =1.327，即1.23dB，代入式1得到：
S = 1 . 2 3 - 1 1 9 + 5 =-112.77dB。
假定原灵敏度是-109dB，加上LNA后仅仅获得了3.77dB的提高。考虑三阶交调截点(IIP3)对动态范围的影响，MAX1470有16dB的 内部LNA增益和-18dBm的内部混频器IIP3，而总的IIP3为-34dBm。加上具有15dB增益的外部LNA，将这个数字降低到-49dBm。 因此外部LNA的加入对灵敏度大约有4dB的改善，但系统动态范围降低了15dB！对于指定的应用场合，必须考虑这种折衷。
Ma x im是为数不多的可以提供RKE产品的厂商之一， 可生产特定功能的用于RKE市场的集成电路。例如：MAX7057能够在较宽的频率范围内发送OOK/ASK/FSK数据。基于晶体的架构具有较高的调制 深度， 可快速建立频率，发送频率更为精确，其特性基本不受温度的影响，避免了SAW发送器中的常见问题。低功耗超外差接收器MAX7034，用于接收 300MHz~450MHz频率范围内的ASK数据。器件集成了LNA、镜频抑制混频器、内置PLL模块、带有接收信号强度指示(RSSI)的 10.7MHz IF滤波器以及
基于RFID的智能纸质票证技术已经成熟，现在是针对现有系统和新安装系统评估这种技术及其优势的最佳时机。许多第一批非接触式系统现已达到其使用寿命 的终点，需要进行大规模更新，智能纸质票证以较低的成本提供更加安全、更加灵活的解决方案，是将这些系统转换为完全非接触式系统的理想选择。
恩智浦半导体的Denis Scheller在下文中介绍了该公司在今年2月推出的低成本非接触式票证方案Ultralight C，该芯片是世界首款采用标准化开放加密技术的低成本非接触式票证 IC。Ultralight C 与经济高效的 UltralightIC 平台互为补充，主要用于一次性票证解决方案，如公共交通和大型活动所用的智能纸质票证等。
创新技术使 Ultralight C 既能用于忠诚卡和预付卡应用，也能用于NFC Forum Tag Type 2 应用。恩智浦通过 Ultralight C 使低成本 IC 也能使用开放式标准加密认证，从而加强了它在非接触式智能卡 IC 领域的技术领先地位。
Ultralight C 创新特性包括：1536 比特（192 字节）E2PROM 存储器、3DES认证确保安全数据访问、防范伪卡、16位计数器、功能向后兼容Ultralight。
对于公共交通运营商和大型活动组织者，Ultralight C 意味着票务系统将更加安全、更加灵活。利用Ultralight C 可以在全系统内实施伪卡防范措施，减少票证欺诈或伪造情况，获得更多收入。新增加的计数器使解决方案提供商能根据需要定制限次使用部分：根据各种系统的设 置，解决方案提供商可以将该16 位计数器实施为交易计数器、预付费环境中的金额计数器或简单的旅程计数器。
RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签， 操作快捷方便。
Ultralight C 提高了用户统计数据的透明度，从而改善了不同系统的可靠性与效率。例如，这些数据可以用来优化某些时间（如高峰时间等）的营运路线和所需运力。最终，所收集到的数据将有助于降低维护成本和营运支出。
Ultralight C 支持新的支付方式，并能扩展运营商的服务，从而增强用户体验，使相关应用更加便利。除票证应用外，预付费应用、积分计划和因特网交易等也在越来越多地使用非接触式低成本解决方案。
Ultralight C 兼容 NFC ForumTag Type 2 规范，以方便采用低成本IC 的各种应用。此外，Ultralight C平台具有更大的存储空间，使解决方案提供商和公共交通运营商能向客户提供更丰富的服务。Ultralight C支持联合应用，例如“停车换乘”应用，它将低价交通与交通相关的不同服务结合在一起。因此，与新应用及相关的解决方案提供商收入流相比，服务集成与扩展 的成本将更低。此外，Ultralight C 兼容 NFCForum Tag Type 2，因此解决方案提供商将能在成熟且可靠的 IC 系列基础上，将多种新技术（如 NFC 电话等）融合在一个系统中。可能的使用案例包括蓝牙数据交换或智能海报应用。
美国能源部证实，仅商业楼宇就占了全美电力消耗的32%，十八年来全美总能源已经翻倍，如果增长率不缩减，到2030年将再增长25%。楼宇自动化系统可以减少能量消耗，平均减少5%~15%，对比较旧或者疏于维护的楼宇来说减少的更多。有了一个拥有足够
无线传感网络需要具备感应力和行动力（I/O）、处理能力、储存能力和通信能力。GainSpan传感器节点系统属于高度集成的GS1010片上系统 （SoC），GS1010芯片包括一个片上802.11无线收发器和基带调制解调器/MAC（媒体接入控制器）和两个ARM7控制器，一个用于无线及系统 管理，另一个用于响应应用需求。与典型的传感器节点相同，芯片上还为不同功能的感应和行动设备配有各种不同的接口。（见图3）
高度集成的系统也使得在一般系统功能中最小化能耗成为可能。时钟信号，不管送往处理器还 是送往功能模块，都能被拒绝（如处理器休眠），这样处理器状态就能保持，处理器可以以最小延时零耗能重启。处理器处于休眠状态时能耗最低，即使此时还有高 频时钟振荡器（一般为44MHz）工作，以备处理器快速重启；而当高频时钟振荡器不工作时处理器处于深度休眠状态。因为所有功能都集成在一块芯片上，可以 以协议唤醒和应用唤醒的方式使能耗达到最小化。
通过使用8 0 2 . 1 1 协议，GainSpan GS1010能够充分利用接入点资源。当数据包被AP或者另一个802.11站点阻塞时，802.11协议的NAV能够暂停传输数据点，从而使结点的能耗 达到最小化。通过将所有核心功能集成到一块芯片上，GS1010可以有效使用802.11协议降低能耗，并应用到传感器网络中。
高集成Wi-Fi方案
目前零售的Wi - F i 路由器大约有6 0 % 是基本型的，它们采用几种较旧的无线局域网（WLAN）技术，如802.11g、增强G和准标准MIMO（多输入/多输出）。尽管基本型路由器最便宜，但是它们的性能往往参差不齐，覆盖范围也常常不一致。
BCM5356使Wi-Fi厂商能够提供吞吐量和覆盖范围与更昂贵的802.11n路由器类似的入门级路由器。消费者可用这些路由器在约两分半钟时间内传送30分钟高清视频文件，而不是用低端802.11g路由器在一个更小的覆盖半径内用10分钟时间传送这个文件。
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BCM5356将路由性能提高了4倍，具有更高的无线吞吐量，而且无线信号传输距离是同类路由器的两倍。该芯片集成了在单芯片上设计路由器所需的所有组 件， 包括一个802.11n的媒体访问控制器（MAC）和基带、2.4GHz无线、一颗333 MHz MIPS 74K CPU内核、一个5端口快速以太网交换机以及物理层器件和多个可选的系统存储接口。最新的Wi-Fi芯片还集成了高效CMOS功率
BCM5356采用新的802.11n标准以及无线和数字架构，可通过单个天线实现1 5 0 M b p s 的数据速率。该芯片具有一个高性能处理内核， 提供超过100Mbps的无线吞吐量，并用剩余的处理能力处理其他需要占用CPU资源的应用。BCM5356还提供Broadcom独有的 Accelerange技术， 该技术利用空时分组编码（STBC）、增强的输出能力以及卓越的无线和数字架构为家中偏远角落提供更加可靠的覆盖。STBC消除了常常困扰传统产品的“ 冷点”，扩大了基于Broadcom新的BCM4329 Wi-Fi/蓝牙/调频解决方案的手机等Wi-Fi设备的覆盖范围。
BCM5356是用65nm CMOS工艺技术设计的，所消耗功率比以前的802.11g解决方案少25%。它还具有一个独特的“环保Wi-Fi模式”，依据路由器的典型使用规律动态 调节系统参数，可降低路由器的总体功耗。除了节省功率，BCM5356还减少了用来开发Wi-Fi路由器的金属和陶瓷材料的用量。它不仅只需要更少的组件 和互连，而且还能够使用双层而不是典型的4层印刷电路板。
Wi-Fi/IEEE 802.11
IEEE 802.11协议体系构成最广泛使用的无线本地网络技术；Wi-Fi网络已经应用在很多工商企业和家庭中，客户群包括大多数笔记本电脑用户，台式电脑用 户，手机用户以及PDA用户。Wi-Fi是一种数字无线技术，带宽为2.4 GHz或5 GHz，使用带有冲突避免的载波侦听多路访问协议，其信号使用直接序列扩频和正交频分多址技术，数据传输速率范围为1Mbps~54Mbps，在私有域中 速率更高。
link:
EDN China, 20090501
http://article.ednchina.com/Other/Short_range_wireless_technology_popular_programs_to_promote.htm
