超低功耗無線技術概述

       短距離無線市場的主要趨勢之一，就是超低功耗(ULP) 無線應用的大規模擴展。 
       這種專屬的 2.4GHz 技術已經廣泛地使用在各種應用中，如無線桌面、遙控以及心跳帶等健身監控感應器。不過要真正能推動這項技術成為主流市場，卻還是要等到能推出可共同操作的技術。這種 ULP 無線技術的應用特徵就是能採用鈕扣型電池供電的微型 RF 收發器，在需要時才被喚醒以便能快速地連續發送數據，然後再回到 nA 等級耗電量的「休眠」狀態。
      任何一種可攜式電子產品或設備都能添加這種超低功耗無線技術來做為連接，從微型醫療、健身感測器、手機、電腦、機械工具、汽車都包括在內。微型 ULP 收發器都能夠直接與數以千計的其他設備直接通訊，或是做為網路的一部份，從而強化產品本身的實用性。
       超低功耗無線技術不同於所謂的低功耗的短程無線電技術。其所需的操作電源必需要顯著的減少，才能賦予許多設計精巧的可攜式設備有無線連接的能力。超低功耗 RF 收發器可以運用鈕扣電池 (如CR2032或CR2025) 運作數個月甚至數年的時間。這些鈕扣電池體積小，價格便宜，但儲能量也很有限，通常在 90 ～ 240mAh 之間。如此低的儲能量嚴重限制了 ULP 無線鏈路的主動工作週期 (active duty cycle)。例如一顆 220mAh 的 CR2032 鈕扣電池，若要持續使用至少一年 (220mAh/(24hr x 365day))，則可維持的最大額定電流僅能有 25μA(或放電率)。

2.4GHz 短距通信標準 Bluetooth、ANT、ZigBee

       無線電(Radio)射頻(RF)技術為當今應用最廣泛的無線傳輸技術。發射端透過天線射出電磁波，接收端透過接收器與解調動作即可收訊，早期大量應用在廣播、電視、通信等用途。 後來在數位通訊應用上，除了以 IEEE 802.11 為基礎的 Wi-Fi、WLAN 傳輸標準外，在短距離通訊部份，則有 IEEE 802.15.1 的藍牙、ANT、ZigBee 技術，皆是採用 2.4GHz ISM band (工業/科學/醫學專屬頻段)作為標準。
Bluetooth :
       藍牙技術最早由易立信 (Ericsson) 於 1994 年發起，主要針對手機和配件(如耳機)間進行低功耗、低成本的無線通訊連線。後來藍牙協會成立，在各大 ICT 廠商的推廣之下，如今藍牙已成為短距傳輸的主流標準之一，廣泛應用於手機、平板、遊戲機、耳機、立體聲音頻串流、汽車、電腦，與穿戴式裝置等產品。
       藍牙主攻個人區域網路(PAN)，“傳統藍牙”標準主要作為訊息傳遞、裝置連線為目標，傳輸速度為 1～3Mbps，距離 10 米或 100 米；另外 “高速藍牙”  (Bluetooth HS) 主攻數據交換與傳輸，速度為傳統藍牙 8 倍；至於“低耗電藍牙”(BLE，Bluetooth Low Energy，亦稱作 Bluetooth Smart)則是針對穿戴式裝置(如手錶、體育健身/醫療保健產品)或工業自動化之低耗電需求，於 2010 年所公佈的分支標準，距離在 30 米以內，傳輸速 度為 1Mbps。
ANT :
       ANT Wireless 無線傳輸技術，是由 Dynastream Innovations 公司所主導。 ANT 主打 PAN 應用，且基於無線感應網路之短距傳輸需求而制定的標準，傳輸速度為 20Kbps，採自適應同步網路架構，確保各裝置在傳輸時不受其他訊號干擾。
       跟 BLE 一樣，ANT 具超低耗電特性，使用鈕扣電池可維持 1 年以上，普遍應用在體育健身、醫療保健、穿戴式裝置等產品上。而 ANT+ 為 ANT 的延伸協定，可定義不同廠商產品的裝置參數(包含心律器、單車速度、力量/重量範圍等等)，以便互享感測器數據資料。由於市面上許多 ICT 裝置並不支援 ANT 協定，加上 BLE 也以低耗電、相容於 ICT 產品來搶市，使得許多廠商逐漸採用 ANT+BLE 雙模晶片來設計上述產品，以提升產品互連相容性。
ZigBee :
      2005 年開始嶄露頭角的 ZigBee 協定，同樣也基於 PAN 應用，以 IEEE 802.15.4 標準規範之無線網狀網路節點為架構，具備低成本、低功耗特性，傳輸速度在 250Kbps，距離 10~20 公尺，廣泛應用在遠端監控/遙控 (如家用燈控)，自動化(家庭、建築、工廠等)以及無線感測網路(WSN)產品中。其網路拓撲可支援 Star(星狀)、Cluster Tree(簇樹狀)、Mesh(網狀)型態，被業界視為智慧建築(Smart Building)、物聯網(IoT)最廣泛的協定之一。
       ZigBee v1.2 (又稱 ZigBee PRO、ZigBee 2007)，涵蓋了: 家庭自動化、智慧能源、通信服務、醫療保健、Light Link (燈光控制)、建築自動化、閘道器、以及 Green Power(綠能)等協定，運用廣泛。而 ZigBee RF4CE (消費性電子之無線電)以取代遙控器、輸入裝置為主，與 BLE 搶市。

2.4G Presnter appliction and debug

 

   

2.4GHz 射頻模組的 FCC 預測試

隨著 RF 技術的日趨成熟,應用於日常生活中的 RF 產品種類繁多,競爭激烈。在經濟日益全球化的今天,想在世界各地暢銷產品,首先就要獲得進入各國市場的銷售資格。所以對產品做準確、快速、高效率的認證是產品能否快速進入市場把握商機創造更大價值的先決條件。

    為方便 2.4GHz 射頻模組的應用以便產品研發後可快速通過 FCC 的認証,縮短開發時程, 2.4GHz 射頻模組可先到實驗室做 FCC Part 15.249 的預測試(pretest)動作,以確保符合要求。

待測的 RF module 必需要有 3 個 TX 發射頻道進行測試,一般選用在低頻道 2405MHz、中頻道 2447MHz、高頻道 2477MHz。待測物模組,必需安裝在特 殊的測試製具,藉由 MCU 對 RF IC 模組進行控制頻道切換及發射,在 EMC 暗室中進行測試。

主要是對於工作於 902 ~ 928MHz, 2400 ~ 2483.5 MHz, 5725 ~ 5875 MHz, and 24.0 ~ 24.25 GHz 頻帶的設備必須遵循 FCC Part 15.249 部分,允許的場強最高 50mV/m (距離 3m)。諧波限制在 500μV/m,同時其他雜波信號被限制在 50dBc,但對發射的內容和持續時間則沒有限制。

 

業界首款2.4GHz藍牙v4.0滑鼠採用Nordic系統級晶片

上網時間:2013年11月15日
超低功耗(ULP) RF專家Nordic Semiconductor ASA日前宣佈，獲獎的PC巨頭—Lenovo Group推出世界上首款雙操作模式藍牙v4.0和專屬2.4GHz的無線滑鼠。該產品採用一顆Nordic 業界領先的多協定nRF51822系統級晶片(SoC)，提供兩種操作模式。
這使消費者可以在帶有藍牙v4.0的最新Windows 8系統PC上使用Lenovo N700無線滑鼠，同時還可以通過產品隨附的小巧專屬2.4GHz USB適配器，與不支援藍牙v4.0 ULP功能的舊款 Windows 7系統PC產品保持無線相容。
Lenovo N700是一款突破性的產品，Lenovo Group表示，它除了可用作先進的鐳射筆演示器外，還提供兩種世界領先的功能：世界上首款可以自動與兩台單獨的藍牙v4.0 PC保持配對的無線滑鼠 (儘管這項功能尚未正式被列入藍牙v4.0 規範中)；同時，Lenovo N700也是第一款可以支援最新Windows 8.1系統觸摸手勢功能的無線滑鼠。
在操作中，當Lenovo N700滑鼠第一次與一台PC配對時，它將掃描藍牙v4.0和專屬2.4GHz無線訊號，一旦發現其中一項時，將會關閉另一項。Lenovo Group預計，產品最初將普遍用於擁有兩台PC的消費者，其中只有一台原生支持藍牙v4.0的情況，因此可通過附帶的USB適配器，利用專屬 2.4GHz無線技術操作滑鼠。實現兩種無線技術之間的切換，只需通過撥動產品底部的小開關。
Lenovo N700採用單節AA電池供電，使其設計更加輕薄(1.5釐米厚，81.5克重)，採用Nordic Semiconductor nRF51822業界領先的ULP特性也使它的電池壽命可長達9個月(2.4GHz操作模式，而在藍牙v4.0操作模式下則為6個月)。在滑鼠模式 下，N700為130度角設計，經驗證符合人體工程學，在演示器或旅行模式下可折疊放平，以保持用戶的舒適度。N700還使用高度靈敏的觸控條取代傳統的 滾輪。
Lenovo Group配件部門的高級技術經理Michael Chen評論道：“N700是Lenovo Group邁出的重要一步，Nordic Semiconductor在整個開發過程中給予我們很大支持，使我們得以率先向市場推出雙操作模式藍牙v4.0/專屬2.4GHz無線滑鼠。 Lenovo Group希望在一段時間內使雙操作模式無線PC的周邊產品實現標準化，消費者可方便地在採用藍牙v3.0的舊款 Windows 7系統PC和原生支援藍牙v4.0/藍牙低功耗的Windows 8系統PC之間進行轉換。我們非常期待與Nordic Semiconductor繼續合作，開發未來的所有藍牙v4.0無線PC周邊產品。”
Nordic Semiconductor亞洲區銷售與市場行銷總監Steel Ytterdal 評論道：“雙操作模式給終端使用者帶來兩全其美的感受。憑藉Nordic Semiconductor久經驗證、業界領先的專屬 2.4GHz無線技術，在消費者準備好購買Windows 8作業系統且內置支援藍牙v4.0的新PC之前，他們都能將同一個滑鼠用在不同的產品上，無需升級舊款設備即可充分享受低功耗的好處。”

此文章源自《電子工程專輯》網站:
http://www.eet-china.com/ART_8800691993_865371_NP_2f2a453e.HTM

2.4G mouse 桌面測試

Return Loss

以 50ohm的通信系統為例，當天線副系統的 Return Loss 為無線大(或負無限大)時，即阻抗為 50ohm，此時功率轉換效率為百分之五十。而當天線副系統的 Return Loss 為 9.54dB(或-9.54dB)時，即阻抗為 25ohm，此時功率轉換效率為百分之三十三。
依最佳功率轉換定律理論計算，當天線副系統的 Return Loss 為 3dB 時才會使接收機靈敏度減少 3dB。而當天線副系統的 Return Loss 為 3dB 時，則幾乎可以斷定天線已故障或纜線
已斷裂。雖然天線的 Return Loss 對接收敏靈度確有影響，但一般情況下，天線的 Return Loss不會劣於 10dB。而在這種情況下，從功率的角度來看，訊號強度僅會因天線品質而變化百分之十，即靈敏度差異 0.46dB。也就是說，在一般情況下，即使使用次一等的天線，或品質稍差的纜線都不會使靈敏度產生明顯變化。
Return loss 依字面解釋就是反射損失，是指當一個高頻訊號（Vin）傳導至導體，因為阻抗不完全匹配而導致部分能量反射回來（Vref）。你可以用光的概念來看，當光線由空氣進入
另一個介質例如玻璃，它會部分穿透部分反射。Return loss 要討論的就是這個反射的部分。
Z O ：訊號源阻抗
Z L ：導體阻抗
Γ=V ref /V in =（Z L -Z O ）/（Z L +Z O ）=ρ∠Φ
Return loss=-20log|Γ|
當 Z L =Z O 時 Return loss=-∞表示訊號全部傳導至導體，而 Z L =Open 或 Short 時 Return loss=0
表示訊號全部由導體端反射回來。
以上部分是以高頻訊號的觀念來看，如果你以一般低頻或直流訊號來看結果會不一樣。 

2.4GHz PCB antenna verify

2.4RF ANT Verify

 

RF IC 客訴處理-Bonding Wire

 

Mouse Dongle PCB

 

2.4G RF Module ESD 分析

2.4G RF Module EMMI 分析

2.4G RF mouse verify

2.4G mouse RF schematic

 

Wireless 受干擾的因素

 

R&S發表符合ETSI標準的2.4GHz 頻段認證測試系統

R&S發表符合ETSI標準的2.4GHz 頻段認證測試系統

FCC Part 15.247 for 2.4GHz(DSSS) test item & limit

FCC part 15C 15.247 針對Drect Sequence Spread Spectrum
的產品主要的測試項目與limit:

1.AC Power Conducted Emissions:48dBuV

2.Spectrum Bandwidth of Drect Sequence Spread Spectrum system:Min.500KHz

3.Maximum Peak Output Power:Max. 1 watt(30dBm)

4.RF EXPOSURE LIMIT:20 cm

5.Transmitter Radiated Emissions(Spurious):
30 – 88 MHz   40dBuV
88 – 216MHz   43.5dBuV
216 – 960 MHz 46.dBuV
Above 960 MHz 54dBuV

6.Power Spectral Density:Max. 8dBm

7.Processing Gain of Drect Sequence Spread Spectrum system:Min.10dB

2.4GHz Module 製造及測試流程

2.4G RF COB(Mouse Application)

2.4GHz PCB antenna modify

 

2.4GHz RF Mouse