消費電子射頻(RF4CE)協(xié)議標準介紹

(RF4CE)聯(lián)盟是針對消費類(lèi)電子產(chǎn)品遙控器的一種標準。松下、飛利浦、三星電子和索尼公司組成的企業(yè)聯(lián)盟正在推動(dòng)這一標準化進(jìn)程。它們的目標是，通過(guò)運用于遙控器的雙向RF通信實(shí)現高可靠性和眾多新穎功能，從而向消費者提供更多價(jià)值。

RF4CE的主要優(yōu)點(diǎn)是確保了遙控器和音頻/視頻 (A/V)設備之間的互操作性，而紅外卻無(wú)法實(shí)現。這種協(xié)議的上層專(zhuān)為遙控器定義，而下層(包括物理層)使用IEEE802.15.4標準。該標準被廣泛用于消費類(lèi)電子和工業(yè)市場(chǎng)的各種專(zhuān)有協(xié)議，ZigBee和6LowPAN也基于該標準。其優(yōu)點(diǎn)包括低功耗、穩健性、遠距離、2.4GHz頻帶全球部署以及成熟的器件市場(chǎng)。在對任何特定應用的射頻設備進(jìn)行評估時(shí)，需要考慮大量的參數。本文將重點(diǎn)討論那些對典型遙控應用的用戶(hù)體驗產(chǎn)生重大影響的參數。

利用RF遙控器獲得更長(cháng)的電池使用壽命

在一個(gè)遙控器系統中，遙控器通常為電池驅動(dòng)，受控設備則為電源供電。這就使得兩種設備具有不同的功耗要求。

1遙控器

遙控器一般由電池供電，這些電池可輕松提供一個(gè)IEEE 802.15.4射頻所需的適當峰值電流(大約為30mA)。更為重要的是平均功耗，2xAA電池至少1年的電池使用壽命能滿(mǎn)足電視遙控器的一般要求。但是，低功耗的RF遙控器可以很輕松地實(shí)現數年的電池使用壽命。

IEEE802.15.4射頻標準具有三種主要的功耗形式：接收模式功耗、發(fā)送模式功耗和睡眠模式功耗。這些功耗模式對平均功耗的影響取決于其量級和各模式占用時(shí)間的乘積。實(shí)際上，設備發(fā)送數據包所花費的時(shí)間與TX模式下消耗的電流同樣重要。遙控器被看作低占空比設備，這就是說(shuō)它們大部分時(shí)候都處于睡眠模式，只是偶爾被喚醒使用射頻，如發(fā)送一條命令。然而，RF4CE等雙向RF遙控器協(xié)議實(shí)現了一些高級功能。例如，在遙控器上顯示設備狀態(tài)和分頁(yè)(paging)功能。這些功能要求遙控器在固定間隔時(shí)間內自動(dòng)喚醒，以收集受控設備數據。

可以用CC2430構建一個(gè)每天按動(dòng)按鈕50次的通用RF遙控器，其能實(shí)現分頁(yè)調度功能，而這種功能要求遙控器每隔5s醒來(lái)一次，以檢查是否正被受控設備輪詢(xún)。當沒(méi)有被命令或輪詢(xún)激活時(shí)，該設備便進(jìn)入PM2睡眠模式，并等待按鈕按下或者睡眠計時(shí)器輪詢(xún)超時(shí)來(lái)喚醒。

當未實(shí)施分頁(yè)調度功能時(shí)，能量被睡眠期間的電流消耗。這種情況下，射頻設備擁有低于 1μA的平均功耗。實(shí)際上，兩節堿性AA電池的自放電大約為1μA。

2受控設備

當一個(gè)受控A/V設備開(kāi)啟時(shí)，RF設備所用功耗一般并不大。這就是說(shuō)，它可以一直保持開(kāi)啟狀態(tài)，從而最小化接收命令的時(shí)延。但是，當受控設備處于待機模式下時(shí)，RF設備的功耗就會(huì )變大。

要獲得“能源之星”認證，電視在待機模式下的功耗就必須要(平均)低于1W。將來(lái)的一些標準和規定會(huì )有更為嚴格的要求，這樣一來(lái)，RF收發(fā)器的功耗預算就被縮減至數mA水平。降低RF收發(fā)器的功耗意味著(zhù)其不能處于一種連續接收狀態(tài)下。因此，遙控器發(fā)出開(kāi)啟命令的時(shí)延將會(huì )比受控設備開(kāi)啟時(shí)發(fā)送的命令要長(cháng)。

3共存性

圖1描述了典型的家庭配置，其由眾多2.4GHzRF設備包圍的A/V設備組成。這些設備通常包括Wi-Fi設備、無(wú)繩電話(huà)、微波爐、藍牙設備、ZigBee網(wǎng)絡(luò )等。許多設備工作在相同頻帶中時(shí)，互相之間可能會(huì )存在干擾。這些干擾會(huì )導致數據包丟失、功耗增加和通信時(shí)延。而有幾種方法可以減輕RF遙控器網(wǎng)絡(luò )中的這些影響。

圖1 典型的家庭無(wú)線(xiàn)環(huán)境

站在軟件遙控協(xié)議的立場(chǎng)上來(lái)說(shuō)，減輕干擾影響的最有效方法是頻率捷變。它是一種算法，通過(guò)改變通道來(lái)響應破損的RF鏈接，直至找到一條干擾極少的通道為止。IEEE802.15.4標準在2.4GHz頻帶中定義了16條通道，將它們編號為11～26。通常來(lái)說(shuō)，切換到一條干擾極少的通道是有可能的;但是，干擾可能會(huì )總是存在于鄰近的一些通道中。IEEE 802.11射頻(Wi-Fi)使用了比IEEE802.15.4更寬的通道便是一個(gè)例子。當數個(gè)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )同時(shí)存在的時(shí)候(見(jiàn)圖2)，如果您的遙控器已經(jīng)移至Wi-Fi通道干擾極少的通道20，那么有源WiFi網(wǎng)絡(luò )使用通道6時(shí)鄰近通道就會(huì )存在干擾。

圖2 IEEE 802.11和IEEE 802.15.4通道方案

RF接收機受到工作在相同通道的一些設備以及鄰近頻率發(fā)射的信號干擾。選擇性是了解該接收機對無(wú)數據包誤差鄰近通道發(fā)射的強干擾容忍程度的一種測量方法。選擇性或干擾電阻是指IEEE802.15.4中鄰近和間隔通道抑制，用dB表示。接收機良好的選擇性是接收機的一個(gè)硬件參數，標注在器件的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中。通過(guò)高性能模擬和數字濾波器的組合，可以在一些器件(如CC2520)中獲得較高的選擇性。

圖3顯示的是兩個(gè)鄰近通道的干擾，其強度足以導致接收機出現數據包誤差。

圖 3 選擇性被表示為鄰近和間隔通道抑制

IEEE802.15.4將接收機選擇性的最低要求設定為鄰近通道抑制0dB以及間隔通道抑制30dB。為了在強干擾環(huán)境中建立一個(gè)穩健的系統，就不能僅僅滿(mǎn)足于這些最低要求。TI的CC2520 IEEE802.15.4收發(fā)器擁有49dB的鄰近通道抑制和54dB的間隔通道抑制，也就是說(shuō)，即使安放在非?？拷诟蓴_源的地方，它也不會(huì )丟失數據包和出現時(shí)延。

4有效距離

紅外遙控器要求接收機在視線(xiàn)以?xún)炔拍芷鹱饔?，這就使其很難在鄰近房間或同一房間內的各個(gè)地方完成操作。RF遙控器并不存在上述問(wèn)題。設想一下，您現在想如何使用RF遙控器呢!例如，您也許想將您的DVD播放器遮避在厚實(shí)的柜門(mén)后面，把機頂盒放在房子的中心向幾臺電視機同時(shí)提供視頻流，或許您還想在廚房接聽(tīng)電話(huà)的時(shí)候將客廳里播放的音樂(lè )關(guān)閉等。

許多因素均會(huì )影響RF設計的有效距離，例如，PCB設計、天線(xiàn)和外殼等。RF收發(fā)器的可能有效距離由靈敏度和輸出功率決定。靈敏度由一定數據包誤差率(PER)下接收機能夠接收到弱信號的強度測量得出(單位為dBm)。輸出功率由發(fā)射器能夠發(fā)射的信號強度測量得出(單位為dBm)。

5信號強度測量

就系統中理想工作的遙控器來(lái)說(shuō)，其必須知道要與之通信的設備所處位置。搜索設備位置的過(guò)程被稱(chēng)為綁定。這一過(guò)程使單個(gè)遙控器可以被用于控制系統中一個(gè)或多個(gè)設備。例如，一支萬(wàn)能遙控器可以控制您的TV、DVD和機頂盒，即使這些設備并非是同時(shí)從同一家廠(chǎng)商那里購買(mǎi)的。使用紅外遙控器時(shí)，可以通過(guò)手動(dòng)輸入代碼來(lái)完成這一過(guò)程，這通常是一個(gè)令人畏懼的過(guò)程，如果設備不支持或者代碼輸入錯誤則會(huì )以失敗告終。就RF遙控器而言，有諸多方法可以完成設備配對，其中，最常用的便是就近設備配對。

當遙控器接近其要控制的設備時(shí)，用戶(hù)按下某個(gè)按鈕后就近配對便會(huì )起作用。遙控器發(fā)送一個(gè)廣播數據包，附近的所有設備便產(chǎn)生回應，以此來(lái)建立綁定。該遙控器利用回應廣播的發(fā)射設備的RF信號強度，來(lái)探測與其接近的設備?；赗F信號遠距離傳輸后的衰減程度，由接收機上的信號強度計算出發(fā)射器和接收機之間的距離。在RF接收機中，這種信號強度表示為RSSI(接收信號強度指示)。要獲得直觀(guān)、用戶(hù)易于掌握的就近配對，接收機的RSSI測量就必須精確。

如圖4所示，CC2520擁有良好的就近配對性能所必需的一些功能。RSSI和功率均為線(xiàn)性，且具有較好的動(dòng)態(tài)范圍(大約100dBm)，這就使其成為確定發(fā)送器距離的理想選擇。

圖4 CC2520典型的RSSI值與輸入功率

結論

正如我們討論的那樣，選擇低平均功耗器件來(lái)獲得長(cháng)電池使用壽命，利用良好的選擇性來(lái)建立穩健的鏈路，以及運用精確的RSSI測量方法來(lái)達到直觀(guān)的就近配對，這些都是構建一款優(yōu)秀遙控器產(chǎn)品的關(guān)鍵。