低功耗射頻(Low-power RF)可攜式產品的研發業者，必須遵守兩項深刻影響他們選擇無線技術的標準：電池續航力與通訊範圍。好消息是，有為數眾多的標準與專利型2.4GHz無線技術可供研發業者選擇。但壞消息是，想要評估這些選擇是否滿足特定應用對於電池續航力與通訊範圍的要求，是項非常困難的工作。大部分研發者被迫採用容易使人誤解的行銷與資料手冊規格作評估，其中包括傳輸電流、接收電流、睡眠電流，及通訊距離的資料。
本文闡述這些使人誤解的規格，以及它們如何誤導研發業者選擇非最理想的方案，並將說明如何精確地估算功耗與通訊距離、如何使用鏈路預算，以及如何利用電流特性來達到最長睡眠時間、減少重新傳輸與避免干擾。
無線嵌入式控制應用為低資料傳輸率(低於2Mbit/s)、低功耗(可用電池動力運行數年)，且通訊距離通常為10～50公尺。這類應用範例包括用來監控病患的醫療用低功耗感測器網路、遙控、工業製程自動化、住宅/商業建築自動化、資產管理與精密農耕。在這些應用中，資料傳輸率非常容易預測，因為傳輸率最終僅受到通訊協定的耗用資源所限。
無線技術的其他重點，也就是功率與通訊範圍，正巧是在選擇無線技術時，被誤解最深且最令人困惑的規格。
對研發業者而言，許多廠商宣傳其無線電功耗與通訊距離的數據並非全然有用，因為這些數據在不同應用上會有差異，且沒有考量雜訊與通訊協定所造成的影響。並致使選擇一個能夠達到預期設計規格的無線技術，變得十分困難。
但這不能全怪罪於晶片廠商，因為在不同的雜訊環境及無線通訊協定下，很難訂出一個標準方法來明確說明效能。因此，為了在評估無線方案時，能做出最佳決定，嵌入式無線韌體工程師必須考量如何評估功率與通訊範圍，以及如何最佳化各項參數，開發出低功耗射頻應用。本文將就2.4GHz低功耗射頻技術來探討這些問題，因為2.4GHz工業、科學與醫療(ISM)頻帶在全球皆無須授權即可使用。
釐清各種模式下的功率狀態
在功率方面，首先討論在資料手冊中令人產生誤解的資訊，接著談論真正會影響功率效能的參數，然後再提出在具干擾的一般環境中，如何將功耗最佳化。 有些廠商多年來標榜的電池續航力，並沒有說明無線電在什麼環境下運作。實際上，每家廠商都採用不同的環境，因此在不同的無線電間，很難有相同的比較基準。
除了傳輸/接收模式外，不同廠商的運作模式名稱也有所不同，其中包括：關機、休眠、半休眠、閒置、睡眠、待機、待機I、待機II及電源關閉。每種運作模式的實際功能視晶片而定，因此很難得知何款無線電能帶來預期的效能。
換句話說，多數的2.4GHz無線電資料手冊上，都會強調傳輸、接收及睡眠模式電流，以供客戶評估功耗。想得知一般的通訊範圍，可視輸出等級而定，將傳輸/接收電流設於15～60毫安培間，而休眠/待機電流則約在不到1～30微安培間。
照表面數據來看，有些人可能會認為15毫安培的無線電較30毫安培的無線電省電兩倍。這種比較方式是研發業者最先會下的錯誤結論之一，且易導致在設計電力持久的低功耗無線產品時，得到令人失望的結果。
一般無線電具備下列的原生模式：睡眠、閒置、合成器關閉、傳輸及接收。每種運作模式有不同程度的電流消耗量，每種無線電在不同模式耗用的時間也不同。此外，有些無線電能執行的功能較其他無線電多，如能將資料載入緩衝區，或能利用SPI通訊資料來喚醒無線電。因此，計算一個完整傳輸週期的功耗，能得到比無線電更真實的資訊。
計算平均功耗
遺憾的是，資料手冊無法提供標準化數據。因此，工程師必須先計算平均功耗。對應參照一個高效能收發器的電流數據，是一種有效的方法。
圖1顯示一個理想的無線電，耗費不到2毫秒，就能完成一次傳輸(如圖中的模式2到5)，且大部分時間是花在啟動晶片與合成模式。無線電在進行無線通訊時，實際花不到518微秒的時間(包含確認接收的傳輸)，且不須重新合成與維持晶片啟動狀態，並載入下個要傳輸的封包。在這個例子中，合成模式在高速通道上花費100微秒，相當迅速。不同通道需要不同的合成時間。對多數無線電而言，即使是高速通道，合成器也須花費200～400微秒的時間。請注意，為了使說明簡明易懂，圖1並未計入電流增加與減少的時間。
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| 圖1 理想的無線電收發器在一個傳輸週期中所耗用的電流分析 |
根據電流數據比較無線電，能更清楚看出功率效能，但仍須考量重新傳送的情形，才能了解其實際效能。以上述例子來看，傳輸/接收電流較睡眠模式的電流高出兩萬倍。無論是何種2.4GHz低功耗射頻或無線電，傳輸/接收模式與睡眠模式之間，都會有如此大的差距。對任何無線電而言，每次重新傳輸都會耗費許多功耗(也會影響延遲與流量)。
除了運用各種方法來釐清對於功率規格的困惑外，工程師還須要考慮建置一個智慧型通訊協定，以發揮低功耗無線電的效益。如上述例子所示，設計者有充分的動機，盡可能的轉換至睡眠模式。功率的效率有一大部分得依賴可靠性。換句話說，藉由最少次的重新傳輸來確保成功的通訊，能創造最佳的功率效率。
省電的無線電/通訊協定可能具備以下部分，或最好能夠擁有以下所有智慧型特色：
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亦即能夠偵測出通道上的干擾，並尋找新通道。無線電若能更快找到/切換至其他通道，並有更多通道可供選擇，就是更理想的方案。對其他2.4GHz網路而言，如802.11b/g/n無線區域網路(WiFi)這類占用極寬頻譜，僅留很少頻譜資源給其他網路使用的技術，窄頻帶訊號是非常理想的選擇。 |
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直接序列展頻無線電可藉由直接序列展頻(DSSS)來減少位元錯誤率，以避免直接將資料傳送到空中，直接面臨干擾及位元流失的情形。DSSS將資料編碼成虛擬隨機的連續片段資料，稱之為符元。藉著傳輸代表原始資料的連續片段到空中，即使幾個片段出現傳送錯誤，接收端仍能回復原始資料內容。這種方法稱做編碼增益(Coding Gain)，且通常都能夠調整。市面上有些無線電，由於功耗規格略為優越，因此看起來功耗似乎較其他技術低，但若沒有運用DSSS來提高成功傳輸率，實際上反而更耗電。 |
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省電與可靠性之間有密切的關係，但須維持微妙平衡才能達到最低功耗，因為可能必須花更長的無線傳輸時間才能換得可靠性，這反而會耗用更多電力。DSSS本身會花費更多時間來傳送與未處理模式相同的資料量，如高斯頻移鍵控。在充滿雜訊的環境裡，採用DSSS是合理的作法，但運作環境通常會持續改變，無干擾和有雜訊的時間都會出現。因此，一個理想的無線電不僅要具備DSSS，也要能夠機動關閉，利用無干擾時間，來提高傳送速度，而有更多時間切換至睡眠模式。一個好的通訊協定應有智慧功能，能決定何時運用何種資料傳輸率，並進行最佳化，將整體無線通訊時間降至最低。 |
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大多數無線電都有許多功率輸出值可供選擇，因此一個健全的通訊協定應具有智慧功能，把輸出功率降低至能夠完成傳輸的水準。這樣的通訊協定將能監測雜訊程度，且連續成功傳輸，以研判較低的功率輸出等級是否能夠節省電力，並維持良好的鏈路。 |
利用鏈路預算衡量合理通訊範圍
通訊範圍也與可靠度有關。然而，應先考量有多少2.4GHz射頻晶片廠商會標榜通訊範圍。目前，大多數廠商都以公尺為單位來標示通訊範圍。舉例來說，有的廠商會標示其無線電通訊範圍為10～50公尺，而有的廠商會宣稱其產品能達到150公尺的通訊範圍。
以公尺來量化傳輸距離，可能無法代表整體性能，因為難以驗證，且不同應用會有不同結果。在充斥雜訊、多重路徑、金屬、水及其他阻擋射頻的情況和材料下，很難預測一個無線電能傳輸的距離。此外，移動物體或是移動無線節點，也會導致通訊範圍有極大幅的變動。如此一來，工程師應如何客觀的比較不同無線電的傳輸距離呢？最接近客觀標準的方式就是鏈路預算。
鏈路預算是將最高傳送端功率減去接收端靈敏度。因為接收(RX)靈敏度為負值，所以鏈路預算應永遠是正值。有一點必須注意，RX靈敏度是一種比傳送端功率更重要的衡量標準，因為高RX靈敏度能讓無線電接受到更微弱的訊號。以相同的輸出功率而言，有較高敏感度的無線電，能達到更多的鏈路預算(通訊範圍)。這點對於想在嚴格限制發送(TX)功率的地區通過無線產品驗證而言，十分重要且有用。
表1為現今市面上各種受歡迎無線電的TX功率和RX靈敏度。表中計算出的鏈路預算，可作為客觀比較的依據。
| 表1 市面上主要無線電收發器的傳送功率與接收靈敏度分析 |
| 無線電收發器 |
最高傳送功率 |
接收靈敏度 |
鏈路預算 |
Nordiv nRF24L01 |
+4dBm |
-82dBm |
86dBm |
TI CC2400 |
+0dBm |
-87dBm |
87dBm |
| Freescale MC13192 |
+4dBm |
-92dBm |
96dBm |
| Atmel ATR2406 |
+4dBm |
-93dBm |
97dBm |
| Cypress CyFi CYRF7936 |
+4dBm |
-97dBm |
101dBm |
| Microchip MRF24J40 |
+0dBm |
-95dBm |
95dBm |
從表1中可看出，RX靈敏度是鏈路預算中變動幅度最大的。由於編碼增益的關係，直接序列展頻會讓RX靈敏度增加9～13dBm，因此通訊範圍也會視可靠度而定。記得大致的基本原則是，每6dBm的鏈路預算約等於兩倍的通訊範圍。
要獲得理想的通訊範圍，首先應選擇一個高鏈路預算的無線電，但是工程師不能僅依賴晶片規格。除了晶片外，還有一些會影響通訊範圍的因素：
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在一個四層機板中，配置不同的接地和電源層，會較容易擁有較好的效能。 |
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可用來延伸通訊範圍，但代價是消耗更多電流。此外，使用外部功率放大器，也會讓驗證變得較為困難。 |
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有許多不同的天線選擇，包括簡單的隨機線型天線、偶極天線、印刷電路板(PCB)擺動天線、雙天線設計、晶片天線、SMA天線和其他選擇。不同的選擇在成本、規格/尺寸及通訊距離間存在折衷平衡的空間。 |
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當阻抗匹配網路不是針對規格設計，通訊範圍就變得十分重要，因為沒有達到最大的功率傳輸，且可能有嚴重的訊號反射。滿足晶片廠商對於網路匹配的要求，十分重要。有些原始設計製造商(ODM)走捷徑，藉著採用容許度較寬的元件來降低成本，但效果卻不如預期。在某些情況中，這些看似微小的缺點，卻會讓傳輸距離從30公尺減少到2～3公尺。有些晶片廠商為工程師提供設計檢視服務，確保他們的無線電能達到可預測的效能。工程師利用這些服務，並與提供服務的廠商合作，是相當重要的。 |
最後，在有雜訊、隨時變化的真實環境中，測試實際應用，是推測通訊距離和電池續航力的最佳方法。工程師會發現，電池續航力會因裝置所面臨的雜訊多寡，而出現大幅波動。若市面上無線電的平均功耗增加了四到五倍，也不足為奇，因為它們不具備抗干擾功能或是頻率敏捷性。即使在遭遇雜訊干擾時，良好的無線電/通訊協定組合效能也會符合預期，且平均功耗也相對穩定。設計一個完善的通訊協定，規畫總比實際完成容易，因此，大多數的無線通訊協定都是由真正了解無線通訊理論的博士後研究(Post-doctorate)工程師來研發。同樣地，晶片廠商最了解自己的無線電，也知道如何在自家的通訊協定中，最佳化其無線電功能。因此，工程師通常比較偏愛使用已針對特定無線電進行最佳化的現成通訊協定。
(本文作者任職於賽普拉斯)