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Zigbee RF4CE

RF4CE是新一代家電遙控解標準和協(xié)議,其中RF即射頻(Radio Frequency),4是指 "for"(four同音),CE即消費電子(Consumer Electronics)。

RF4CE簡介

為了在家用電器市場普及射頻操控技術(shù),并避免新技術(shù)的引入成為產(chǎn)品設(shè)計的障礙,2008年,消費電子大廠索尼(Sony)、飛利浦 (Philips)、松下(Panasonic)、三星(Samsung)與主要低功耗RFIC廠商飛思卡爾(Freescale)、德州儀器(TI), 以及OKI共同成立RF4CE(Radio Frequency for Consumer Electronics)聯(lián)盟(RF4CE Consortium)。2009年3月,RF4CE聯(lián)盟同意與ZigBee聯(lián)盟(ZigBee Alliance)合作共同開發(fā)基于ZigBee / IEEE 802.15.4,并用于家電遙控的射頻新標準。從此,射頻遙控終于有望徹底取代傳統(tǒng)紅外技術(shù)。 RF4CE不但能提高操作的可靠性;提高信號的傳輸距離和抗干擾性;使信號傳遞不受障礙物影響;還能實現(xiàn)雙向通信和解決不同電器的互操作問題,遙控器電池 壽命也可顯著延長。消費者將不再需要用遙控器的發(fā)射端準確指向電器的接收端,也不再需要數(shù)個遙控器來操作家中不同的電子設(shè)備。RF4CE克服了與大屏幕電 視等眾多電器一起使用時的限制,降低了功耗,推動了雙向通信,用于更加豐富的用戶界面,并擴大了有效距離。

RF4CE的構(gòu)成

在RF4CE標準中,兩個或更多設(shè)備利用星型拓撲組成一個RC 個域網(wǎng)(PAN),多個RC PANs可以形成一個RC網(wǎng)絡(luò),在RC網(wǎng)絡(luò)內(nèi),PAN內(nèi)的設(shè)備和不同的PANs之間都可以互相通信。

一個RC PAN網(wǎng)絡(luò)由兩種設(shè)備類型構(gòu)成:

目標節(jié)點:即受控設(shè)備,例如,TV、DVD等;該類設(shè)備在扮演PAN Coordinator的角色,負責創(chuàng)建啟動一個PAN網(wǎng)絡(luò);因此每個RC PAN中都只有一個目標節(jié)點。 控制節(jié)點:即控制設(shè)備,例如,TV遙控器、DVD遙控器等;該類設(shè)備作為遙控單元加入目標節(jié)點創(chuàng)建的RC PAN網(wǎng)絡(luò)。為了能夠?qū)δ繕斯?jié)點進行控制,還需要與目標節(jié)點完成配對;一個RC PAN網(wǎng)絡(luò)中可以有多個控制節(jié)點。

一個RC網(wǎng)絡(luò)示例如下圖所示,網(wǎng)絡(luò)中包含三個目標節(jié)點:TV、DVD、Set-Top Box(STB),它們分別創(chuàng)建了各自的RC PAN網(wǎng)絡(luò);四個控制節(jié)點:TV RC、DVD RC、STB RC和Multi-function RC,這些遙控器分別與對應(yīng)設(shè)備配對,而Multi-function RC由于與三個目標節(jié)點都完成配對,因此其能夠控制TV、DVD、STB三個目標節(jié)點。此外,RC網(wǎng)絡(luò)中還有一個可選的網(wǎng)關(guān)提供擴展以太網(wǎng)端控制的功能。


RF4CE是一種以IEEE 802.15.4的媒體訪問控制層(MAC Layer)、物理層(PHY Layer)和對應(yīng)的射頻收發(fā)器為基礎(chǔ)所推出的網(wǎng)絡(luò)層(Networking Layer)和應(yīng)用協(xié)議層(Application Layer)標準規(guī)范(如下圖)。這是一個與ZigBee非常類似的標準,兩種技術(shù)皆利用IEEE 802.15.4作為其無線電平臺,因此未來有意遵循RF4CE規(guī)范的設(shè)備制造商,可直接采用目前市場上的ZigBee芯片方案進行產(chǎn)品開發(fā),只須把韌體 由ZigBee協(xié)議更換成RF4CE協(xié)議即可。

RF4CE Function Block

利用 RF 遙控器獲得更長的電池使用壽命

在一個遙控器系統(tǒng)中,遙控器通常為電池驅(qū)動和受控設(shè)備電源供電。這就使得兩種設(shè)備具有不同的功耗要求。

遙控器

遙控器一般由電池供電,這些電池可輕松提供一個 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 的電池使用壽命應(yīng)為電視遙控器的一般要求。但是,低功耗實施的 RF 遙控器可以很輕松地達到數(shù)年的電池使用壽命。IEEE 802.15.4 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間的乘積。實際上,設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包所花費的時間與 TX 模式下消耗的電流同樣重要。遙控 器被看作是低占空比設(shè)備,這就是說它們大部分時候都處于睡眠模式,只是偶爾被喚醒使用射頻,例如:發(fā)送一條命令。

然而,RF4CE 等雙向 RF 遙控器協(xié)議實現(xiàn)了一些高級功能,例如:在遙控器上顯示設(shè)備狀態(tài)的功能和分頁 (paging) 功能(如:用戶按下電視上的一個按鈕后 遙控器便會發(fā)出嘟嘟的響聲,從而更容易進行定位)。這些功能要求遙控器在固定間隔時間內(nèi)自動喚醒,以收集受控設(shè)備數(shù)據(jù)。

圖 1 所示的計算舉例顯示,分頁調(diào)度等功能為遙控器功耗的主要功耗。這種簡化計算基于 CC2430 IEEE 802.15.4 SoC 數(shù)值,其擁有一顆 CPU 和一塊閃存, 可以用于實施單芯片遙控器。該示例假設(shè)為一個簡單的每天按動按鈕 50 次的通用 RF 遙控器。它還實施了分頁調(diào)度功能,而這種功能要求遙控器每隔五秒鐘 醒來一次,以檢查其是否正被受控設(shè)備輪詢。當沒有被命令或輪詢激活時,該設(shè)備便進入 PM2 睡眠模式,并等待按鈕按下或者睡眠計時器輪詢超時來喚 醒。

圖 1 遙控器功耗計算示例

當未實施分頁調(diào)度功能時,能量被睡眠期間的電流消耗。這種情況下,射頻設(shè)備擁有低于 1μA 的平均功耗。實際上,兩節(jié)堿性 AA 電池的自放電大約就為  1μA。對比的另一個方面是傳統(tǒng) IR 遙控器的功耗。當一個按鈕被按下時,調(diào)制 IR LED 需要大約 50mA 的電流,按下按鈕持續(xù)多長時間這一電流消耗的時間就 有多長,并且這一時間很可能會持續(xù)數(shù)百毫秒。IR 在按鈕按下期間所消耗的功耗大約為 1000mAmS,而一個 RF 遙控器的功耗甚至還不到其 1/10。

受控設(shè)備

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

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。將來的一些標準和規(guī)定會有更為嚴格的要求,這樣一來 RF 收發(fā)器的功耗預(yù) 算就被縮減至數(shù) mA 水平。降低 RF 收發(fā)器的功耗意味著其不能處于一種連續(xù)接收狀態(tài)下。因此,遙控器發(fā)出的開啟命令的時延將會比受控設(shè)備開啟時發(fā)送 的命令要長。

實際上,在圖 2 舉例的功耗和時延之間存在一種近線性折中方案,其顯示了每 50 ms 輪詢待機模式下一個 A/V 設(shè)備的計算示例。正確看待這種時延,典型  IR 實施的最小時延為 110ms。

圖 2 受控設(shè)備待機功耗計算示例

共存性

圖 3 描述了典型的家庭配置,其由眾多其他 2.4GHz RF 設(shè)備包圍的 A/V 設(shè)備組成。這些設(shè)備通常包括 WiFi、無繩電話、微波爐、藍牙設(shè)備、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)等。 許多設(shè)備工作在相同頻帶中時,互相之間可能會存在干擾。RF 干擾會導致數(shù)據(jù)包丟失、功耗增加和通信時延。有幾種方法可以減輕 RF 遙控器網(wǎng)絡(luò)中的這些 影響。

圖 3 典型的家庭無線環(huán)境

站在軟件遙控協(xié)議的立場上來說,減輕干擾影響的最有效方法是頻率捷變。它是一種算法,通過改變通道來響應(yīng)破損的 RF 鏈接,直至找到一條干擾極少 的通道為止。IEEE 802.15.4 標準在 2.4GHz 頻帶中定義了 16 條通道,將它們編號為 11-26。通常來說,切換到一條干擾極少的通道是有可能的;但是,干擾可能 會總是存在于鄰近的一些通道中。IEEE 802.11 射頻 (WiFi) 使用了比 IEEE 802.15.4 更寬的通道便是一個例子。當數(shù)個 WiFi 網(wǎng)絡(luò)同時存在的時候,圖 4 表明,如 果您的遙控器已經(jīng)移至 WiFi 通道干擾極少的通道 20,那么有源 WiFi 網(wǎng)絡(luò)使用通道 6 時鄰近通道就會存在干擾。

圖 4 IEEE 802.11 和 IEEE 802.15.4 通道方案 [1]

RF 接收機受到工作在相同通道的一些設(shè)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數(shù)據(jù)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 IEEE 802.15.4 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硬件參數(shù),標注在器件的產(chǎn)品 說明書中。通過高性能模擬和數(shù)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 5 顯示的是兩個鄰近通道的干擾,其強度足以導致接收機出現(xiàn)數(shù)據(jù)包誤差。

圖 5 選擇性被表示為鄰近和間隔通道抑制

IEEE 802.15.4 將接收機選擇性的最低要求設(shè)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)境中建立一個穩(wěn)健的系統(tǒng),就不能僅僅滿足 于這些最低要求。TI 的 CC2520 IEEE 802.15.4 收發(fā)器擁有 49 Db 的鄰近通道抑制和 54dB 的間隔通道抑制,也就是說,即使安放在非常靠近于干擾源的地方, 它也不會丟失數(shù)據(jù)包和出現(xiàn)時延。

有效距離

IR 遙控器要求接收機在視線以內(nèi)才能起作用,這就使其很難在鄰近房間或同一房間內(nèi)的各個地方完成操作。RF 遙控器并不存在上述要求,即要求接收機 在視線以內(nèi)。設(shè)想一下,您現(xiàn)在想如何使用 RF 遙控器呢!例如,您也許想將您的 DVD 播放器遮避在厚實的柜門后面,把機頂盒放在房子的中心向幾臺電視 機同時提供視頻流,或許您還想在廚房接聽電話的時候?qū)⒖蛷d里播放的音樂關(guān)閉等等。

許多因素均會影響 RF 設(shè)計的有效距離,例如:PCB 設(shè)計、天線和外殼等。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(shù)據(jù)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)。

信號強度測量

就系統(tǒng)中理想工作的遙控器來說,其必須知道要與之通信的設(shè)備所處的位置。搜索設(shè)備位置的過程被稱為綁定。這一過程使單個遙控器可以被用于控制 系統(tǒng)中一個或多個設(shè)備。例如,一支萬能遙控器可以控制您的 TV、DVD 和機頂盒,即使這些設(shè)備并非同時從同一家廠商那里購買的。使用 IR 遙控器時,可以 通過手動輸入代碼來完成這一過程,這通常是一個令人畏縮的過程,而且如果設(shè)備不支持或者代碼輸入錯誤則會以失敗告終。就 RF 遙控器而言,有諸多方 法可以完成設(shè)備配對,其中,最常用的便是就近設(shè)備配對。

當遙控器物理接近其要控制的設(shè)備時,用戶按下某個按鈕后就近配對便會起作用。遙控器發(fā)送一個廣播數(shù)據(jù)包,附近的所有設(shè)備便產(chǎn)生回應(yīng),以此來建 立綁定。該遙控器利用回應(yīng)廣播的發(fā)射設(shè)備的 RF 信號強度,來探測其物理接近的設(shè)備?;?RF 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、用戶易于掌握的就近配對,接收機的 RSSI 測 量就必須精確。

圖 6 CC2520 典型的 RSSI 值與輸入功率

如圖 6 所示,CC2520 擁有良好的就近配對性能所必需的一些功能。RSSI 和功率均為線性,且具有較好的動態(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。

結(jié)論

RF4CE 聯(lián)盟等 RF 消費類電子遙控器全球標準將改變我們對家庭娛樂體驗的前景。轉(zhuǎn)到 RF 遙控器技術(shù)的時代已經(jīng)到來。遙控器和 A/V 設(shè)備之間可靠的 雙向 RF 鏈路不但極大地改善了用戶體驗,而且還擁有了一些以前無法實現(xiàn)的特性和功能。RF 為基于遙控器的系統(tǒng)帶來許多重要的好處,但是在為您的  RF4CE 遙控實施選擇硬件時仍然要注意 RF 性能參數(shù)。正如我們討論的那樣,選擇低平均功耗器件來獲得長電池使用壽命,利用良好的選擇性來建立穩(wěn)健的 鏈路,以及運用精確的 RSSI 測量方法來達到直觀的就近配對,這些都是構(gòu)建一款優(yōu)秀遙控器產(chǎn)品的關(guān)鍵。


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