消费电子射频(RF4CE)协议标准介绍

2009年05月06日 16:05    李宽
关键词: 射频 , 消费电子 , 协议
消费电子射频(RF4CE)联盟是针对消费类电子产品遥控器的一种协议标准。松下、飞利浦、三星电子和索尼公司组成的企业联盟正在推动这一标准化进程。它们的目标是,通过运用于遥控器的双向RF通信实现高可靠性和众多新颖功能,从而向消费者提供更多价值。

RF4CE的主要优点是确保了遥控器和音频/视频 (A/V)设备之间的互操作性,而红外却无法实现。这种协议的上层专为遥控器定义,而下层(包括物理层)使用IEEE802.15.4标准。该标准被广泛用于消费类电子和工业市场的各种专有协议,ZigBee和6LowPAN也基于该标准。其优点包括低功耗、稳健性、远距离、2.4GHz频带全球部署以及成熟的器件市场。在对任何特定应用的射频设备进行评估时,需要考虑大量的参数。本文将重点讨论那些对典型遥控应用的用户体验产生重大影响的参数。
利用RF遥控器获得更长的电池使用寿命

在一个遥控器系统中,遥控器通常为电池驱动,受控设备则为电源供电。这就使得两种设备具有不同的功耗要求。

1遥控器

遥控器一般由电池供电,这些电池可轻松提供一个IEEE 802.15.4射频所需的适当峰值电流(大约为30mA)。更为重要的是平均功耗,2xAA电池至少1年的电池使用寿命能满足电视遥控器的一般要求。但是,低功耗的RF遥控器可以很轻松地实现数年的电池使用寿命。

IEEE802.15.4射频标准具有三种主要的功耗形式:接收模式功耗、发送模式功耗和睡眠模式功耗。这些功耗模式对平均功耗的影响取决于其量级和各模式占用时间的乘积。实际上,设备发送数据包所花费的时间与TX模式下消耗的电流同样重要。遥控器被看作低占空比设备,这就是说它们大部分时候都处于睡眠模式,只是偶尔被唤醒使用射频,如发送一条命令。然而,RF4CE等双向RF遥控器协议实现了一些高级功能。例如,在遥控器上显示设备状态和分页(paging)功能。这些功能要求遥控器在固定间隔时间内自动唤醒,以收集受控设备数据。

可以用CC2430构建一个每天按动按钮50次的通用RF遥控器,其能实现分页调度功能,而这种功能要求遥控器每隔5s醒来一次,以检查是否正被受控设备轮询。当没有被命令或轮询激活时,该设备便进入PM2睡眠模式,并等待按钮按下或者睡眠计时器轮询超时来唤醒。

当未实施分页调度功能时,能量被睡眠期间的电流消耗。这种情况下,射频设备拥有低于 1μA的平均功耗。实际上,两节碱性AA电池的自放电大约为1μA。

2受控设备

当一个受控A/V设备开启时,RF设备所用功耗一般并不大。这就是说,它可以一直保持开启状态,从而最小化接收命令的时延。但是,当受控设备处于待机模式下时,RF设备的功耗就会变大。

要获得“能源之星”认证,电视在待机模式下的功耗就必须要(平均)低于1W。将来的一些标准和规定会有更为严格的要求,这样一来,RF收发器的功耗预算就被缩减至数mA水平。降低RF收发器的功耗意味着其不能处于一种连续接收状态下。因此,遥控器发出开启命令的时延将会比受控设备开启时发送的命令要长。

3共存性

图1描述了典型的家庭配置,其由众多2.4GHzRF设备包围的A/V设备组成。这些设备通常包括Wi-Fi设备、无绳电话、微波炉、蓝牙设备、ZigBee网络等。许多设备工作在相同频带中时,互相之间可能会存在干扰。这些干扰会导致数据包丢失、功耗增加和通信时延。而有几种方法可以减轻RF遥控器网络中的这些影响。




图1 典型的家庭无线环境



站在软件遥控协议的立场上来说,减轻干扰影响的最有效方法是频率捷变。它是一种算法,通过改变通道来响应破损的RF链接,直至找到一条干扰极少的通道为止。IEEE802.15.4标准在2.4GHz频带中定义了16条通道,将它们编号为11~26。通常来说,切换到一条干扰极少的通道是有可能的;但是,干扰可能会总是存在于邻近的一些通道中。IEEE 802.11射频(Wi-Fi)使用了比IEEE802.15.4更宽的通道便是一个例子。当数个Wi-Fi网络同时存在的时候(见图2),如果您的遥控器已经移至Wi-Fi通道干扰极少的通道20,那么有源WiFi网络使用通道6时邻近通道就会存在干扰。




图2 IEEE 802.11和IEEE 802.15.4通道方案



RF接收机受到工作在相同通道的一些设备以及邻近频率发射的信号干扰。选择性是了解该接收机对无数据包误差邻近通道发射的强干扰容忍程度的一种测量方法。选择性或干扰电阻是指IEEE802.15.4中邻近和间隔通道抑制,用dB表示。接收机良好的选择性是接收机的一个硬件参数,标注在器件的产品说明书中。通过高性能模拟和数字滤波器的组合,可以在一些器件(如CC2520)中获得较高的选择性。

图3显示的是两个邻近通道的干扰,其强度足以导致接收机出现数据包误差。




图 3 选择性被表示为邻近和间隔通道抑制



IEEE802.15.4将接收机选择性的最低要求设定为邻近通道抑制0dB以及间隔通道抑制30dB。为了在强干扰环境中建立一个稳健的系统,就不能仅仅满足于这些最低要求。TI的CC2520 IEEE802.15.4收发器拥有49dB的邻近通道抑制和54dB的间隔通道抑制,也就是说,即使安放在非常靠近于干扰源的地方,它也不会丢失数据包和出现时延。

4有效距离

红外遥控器要求接收机在视线以内才能起作用,这就使其很难在邻近房间或同一房间内的各个地方完成操作。RF遥控器并不存在上述问题。设想一下,您现在想如何使用RF遥控器呢!例如,您也许想将您的DVD播放器遮避在厚实的柜门后面,把机顶盒放在房子的中心向几台电视机同时提供视频流,或许您还想在厨房接听电话的时候将客厅里播放的音乐关闭等。

许多因素均会影响RF设计的有效距离,例如,PCB设计、天线和外壳等。RF收发器的可能有效距离由灵敏度和输出功率决定。灵敏度由一定数据包误差率(PER)下接收机能够接收到弱信号的强度测量得出(单位为dBm)。输出功率由发射器能够发射的信号强度测量得出(单位为dBm)。

5信号强度测量

就系统中理想工作的遥控器来说,其必须知道要与之通信的设备所处位置。搜索设备位置的过程被称为绑定。这一过程使单个遥控器可以被用于控制系统中一个或多个设备。例如,一支万能遥控器可以控制您的TV、DVD和机顶盒,即使这些设备并非是同时从同一家厂商那里购买的。使用红外遥控器时,可以通过手动输入代码来完成这一过程,这通常是一个令人畏惧的过程,如果设备不支持或者代码输入错误则会以失败告终。就RF遥控器而言,有诸多方法可以完成设备配对,其中,最常用的便是就近设备配对。

当遥控器接近其要控制的设备时,用户按下某个按钮后就近配对便会起作用。遥控器发送一个广播数据包,附近的所有设备便产生回应,以此来建立绑定。该遥控器利用回应广播的发射设备的RF信号强度,来探测与其接近的设备。基于RF信号远距离传输后的衰减程度,由接收机上的信号强度计算出发射器和接收机之间的距离。在RF接收机中,这种信号强度表示为RSSI(接收信号强度指示)。要获得直观、用户易于掌握的就近配对,接收机的RSSI测量就必须精确。

如图4所示,CC2520拥有良好的就近配对性能所必需的一些功能。RSSI和功率均为线性,且具有较好的动态范围(大约100dBm),这就使其成为确定发送器距离的理想选择。




图4 CC2520典型的RSSI值与输入功率


结论

正如我们讨论的那样,选择低平均功耗器件来获得长电池使用寿命,利用良好的选择性来建立稳健的链路,以及运用精确的RSSI测量方法来达到直观的就近配对,这些都是构建一款优秀遥控器产品的关键。
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wang4041 发表于 2010-9-23 00:25:23
学习了!
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