嵌入式无线应用的可靠性和功率效率优化设计

  嵌入式 无线 技术是嵌入式进程或系统与无线通信接口的组合。方兴未艾的嵌入式无线系统，正催生出各种新型工业、商业和住宅建筑自动化应用，并且还为消费、医疗和农业系统带来了诸多具有新功能和特性丰富的产品。低功耗或者功率是所有这些低数据率应用的一个非常重要的需求，甚至是大多数情况下的一个主要需求。但是，衡量嵌入式无线应用的功耗并非如将各部分功耗简单相加即可，尽管通常情况下，这是对给定应用选择组件的典型方法。这种以可量化的标准来比较的基本方法，无法充分反映各组件在系统中的真实关系和工作状态。因此，必须专注于无线系统的功耗，了解给定无线解决方案在节能方面的表现。

　　提高 可靠性 有助于降低无线系统的功耗，但这个系统属性通常会被忽视。在这里，可靠性指得是系统在两点间一次性进行数据通信的能力。本文将介绍嵌入式无线应用中可靠性和功耗的关系，以及优化可靠性和 功率效率 的方法。

　　可靠性与功耗的关系

　　在大多数嵌入式无线应用中，功耗最大的器件是收发器的发射电路。目前市场上可选的收发器有很多样，单纯从数据表的介绍来看，它们的额定功耗似乎都差不多，都在20～30mA的范围内。但是，如果单纯选择额定功耗最低的器件，更为重要的系统可靠性属性则有可能被忽视。可靠性为什么重要呢？对于将每1uA或每1mA电流都要考虑在内的低功耗应用来说，可靠性是决定该应用在高功耗的动态状态(相对于极低功耗的睡眠状态)能保持多久的最重要因素，因为可靠性越高，功耗就越低。完美、理想的无线系统应尽可能快地在两点间一次性传输一组数据。当然，系统不可能始终完美地实现这种工作模式，因此有可能会由于干扰或信号强度不足，无法达到远程末端，而必须重新传输数据。在此情况下，必须尽可能提高无线系统的可靠性。

　　无线系统有具体的特征描述(参数)，这有助于决定在给定系统中如何可靠地工作。例如，“RF频谱应用”是指无线通信采用什么RF频谱进行通信；“接收灵敏度”是指收发器识别出通信内容的最低程度，以功率分贝比来计算，单位为1mW(dBm)；“输出功率”指技术通信需要多大的功率，它必须大于潜在干扰的功率，单位为dBm；“RF捷变性”指能否支持在RF频谱中移动以避免干扰，它由RF通道大小和可用通道数量决定的；最后一个是“抗干扰性”，即RF技术能否在存在面临干扰的情况下确保给定通道的通信，它体现为接收敏感度的增加，也称作编码增益(dBm)。

　　RF频谱应用是可靠性方程中的一个变量，依赖于RF波物理特性决定的环境。频率越低，波长越长，RF波也就越难被液体和混凝土等常见制造材料吸收。不过，RF频谱及其应用是一个受政府高度管理的无线通信领域，原因是避免干扰其他无线通信技术。只有少部分频段预留给在本地和国际上这些通信应用非限制地使用，也就是所谓的工业、科学和医疗(ISM)频段。在此频段内，常用的最主要频率是ISM频段的2.4GHz部分。在此频段中，工业领域中恶劣的RF环境会很快吸收波长较短的波，因此必须更加关注其它波长的波，以测量可靠性。

　　可以将接收灵敏度、输出功率和抗干扰性全部量化，以形成定义可靠性的变量，即链路预算。链路预算可定义为接收灵敏度加上输出功率和抗干扰性的绝对值。接收灵敏度越高，输出功率就越大，抗干扰性就越强，解决方案的链路预算就越高。而链路预算越高，无线解决方案受RF吸收和干扰影响的几率就越低，从而有助于提高可靠性。收发器的接收灵敏度和输出功率往往决定了链路预算的器件级鉴别器，我们可以方便地对其加以评估和比较。但是，抗干扰性很大程度上取决于无线收发器采用何种技术来提高其信号有效性。当前采用的可以直接改善这一功能的最佳技术之一就是直接序列扩频(DSSS)调制技术。

　　DSSS调制技术是一种对发送信号进行前向纠错的方法，用于减小信号干扰造成数据丢失的影响。具体而言，DSSS根据发射器和接收器共享的伪随机噪声码，将一组数据进行编码，输出成较大的比特流。例如，在图1中，8位数据编码为32个码片，在此情况下，4个码片相当于1位。随后，码片在RF信号上调制发送。接收器将接收信号的码片解调，并反向执行DSSS编码方案。即便由于信号噪声或干扰会出现解调错误，原始数据仍然可以被恢复出来。

图1：直接序列扩频技术。

　　最后，RF捷变性可通过避免干扰技术提高可靠性，也就是通过RF频谱跳频或者移动来避免干扰。解决方案的自由度越高，就越有利于找到RF干扰较小的环境，降低干扰。目前使用的RF捷变性技术主要分为两大类，一类是伪随机或算法型跳频方案，可在频谱内持续跳频，以尽量减少干扰，另一类是仅在需要时才移动的智能方案(见图2)。从可靠性角度看，第一类捷变性方案存在的一个问题是，如果RF频谱内比较繁忙，那么可能会无意中跳频到干扰较高的频谱部分中去；而智能型技术则会找到干扰较低的位置并随即停止移动。不管采用何种捷变性方案，RF捷变性都取决于RF频谱的使用和通道的大小。

图2：RF频谱跳频技术的示意图。

　　依靠RF频谱应用，捷变性可以有或多或少的空间。例如，由于频率分配的缘故，低频解决方案比高频解决方案的空间较小。2.4GHz解决方案支持约100MHz的可用频谱，而900MHz解决方案仅支持约26MHz的空间。通道大小也是影响RF捷变性的一个重要因素。通道尺寸越小，频谱中捷变性的空间就越大，从而能以更高的RF捷变性来避免干扰，在干扰信号间找到干扰最小的工作频率。例如，就2.4GHz无线解决方案而言，基于802.15.4的解决方案一般宽度为5MHz，只有16个可用的通道，而宽度为1MHz的解决方案通常支持80个可用通道，因此能在更多通道间移动以避免干扰。

　　因此，可靠性与RF频谱应用的链路预算与RF捷变性成正比。链路预算越大，RF捷变性就越高，在同一RF频谱上的给定无线解决方案的可靠性就越高。此外，尽管某些解决方案在给定环境下针对某一RF频谱性能出色，如布满水管的工厂中的低频通信，但这种解决方案的性能仍比不上最大化链路预算和RF捷变性的较高频率解决方案。因此，尽管差别很难量化，我们仍很容易理解比较无线解决方案时的逻辑，以及最大化系统睡眠时间并减少功耗的方法。

　　优化可靠性和功率效率

　　嵌入式无线解决方案的另一新术语是功率效率，即系统通过有源和无源技术来最小化功耗的量度。效率越高，节约的电力就越多。大多数时间都处于睡眠模式最低功耗状态下的高可靠性系统，其功率效率一般比拥有较低的发送和接收状态、但可靠性不足的其他系统更高，因为这些系统处于休眠模式的时间较短。因此，可靠性是反映系统真实功率效率的主要指标。

　　可靠性和功率效率机制协作可最大化节能效果，不过除了上述机制，还能采用其他技术来提高功率效率，并尽可能减小对系统可靠性的影响。这些技术包括控制动态数据速率、输出功率级别的活动链路和电源管理等系统行为。通过最小化不必要的输出功率，持续关注最小化输出功率以确保只使用通信所必须的最低功耗解决方案，不仅可靠，而且节能。此外，如果解决方案能根据环境条件调节数据速率，并尽可能缩短空中通信时间，也可以最小化系统功耗，提高功率效率。这种节能技术尽管在无线电技术领域并不算新生事物，但在确保系统致力于真正最小化系统功耗方面确实是一项新技术。

　　本文小结

　　可靠性是解决方案节能效果的主要指标，也可优化最大化系统休眠时间及最小化通信时间。最后，也指出了比较组件数据表的典型方法不能解决功率效率和可靠性等系统级功能的原因。虽然测量系统中使用组件的典型功耗是比较无线解决方案更传统的方法，但其不能全面反映出特定解决方案最小化系统功耗的情况。例如，大多数时间都处于最低功耗的睡眠模式下的高可靠性系统，比拥有较低发送和接收功率级别但不太可靠的其他系统更节能，并能保存最大量的系统电力。这是因为这些不太可靠的系统处于休眠模式的时间较短，而重复发射或通信的时间较多。