去年十二月，蓝牙技术联盟（SIG）发表声明宣布采纳蓝牙低耗能无线技术，这项人们期待已久、深受欢迎的超低功耗（ULP）无线技术将成为4.0版蓝牙核心规范的标志性特征。现在，新规范已采用的部分可以在Bluetooth.com得到，一些芯片制造商可以提供使用这个规范的传感器样品，但是在一段时间内，半导体厂商将不会提供蓝牙低耗能芯片，这是因为把这项技术完全融入的工作尚未完成。

这表示，这项技术的分层结构仍然有几个部份正在由蓝牙技术联盟进行测试。（在这背后，各会员公司的工程师，包括我所在的超低功耗无线技术公司Nordic半导体的工程师们，正在不懈地努力，解决整个规范中最后的一些小问题。）蓝牙技术联盟目前估计完整规范将在今年下半年公布。

但是该规范已采用的部分所做的是规定蓝牙低耗能架构的各层：物理层（PHY）（该层传输位元），链路层（LL）（该层规定了数据包的结构和控制），以及主机控制器接口（HCI）。总的来说，人们把这三层称作蓝牙低耗能链路控制器（或者“控制器”）（图1）。

图1　目前的4.0版本蓝牙核心规范只制订了蓝牙低耗能的链路控制器部分。主机和内容层将在今年下半年制订。
 
虽说控制器规范还缺少关于完整产品的规定，它的出版仍然是一个重要的发展，因为它揭开了蓝牙低耗能技术基础的面纱，告诉大家它是如何运作的，而需要的功率是这么低，因而可以使用容量小、高峰电流有限的纽扣电池供电。让我们来仔细看看罢。

单模式芯片和双模式芯片

蓝牙2.1版本＋EDR和蓝牙3.0版＋HS通常称作“传统蓝牙技术”，它与蓝牙低耗能技术有许多共同之处：它们都是可以互操作的、可靠的低成本短距离无线技术，它工作在工业、科学和医疗（ISM）领域中使用的免许可证2.4 GHz射频频段。

但它们之间有一个关键性的区别：蓝牙低耗能技术从一开始就是设计成超低功耗技术，而传统的蓝牙技术是“低功耗”无线技术。

这个差别决定了传统蓝牙技术和蓝牙低耗能技术的运作特点是完全不同的。传统的蓝牙技术是“连接主导”的射频技术，有固定的连接间隔，适合活动频繁的连接，例如移动电话与无线 耳机之间的连接。蓝牙低耗能技术采取了若干措施来降低电力消耗（见下文），其中使用了可变连接间隔，可以从几毫秒到几秒，这取决于用途。此外，由于蓝牙低耗能技术进行连接的速度非常快，通常它可以处于“未连接”状态（因而省电），但链接的两端都知道对方，只在绝对必要时才连接起来，而且时间尽可能地短。

蓝牙低耗能技术的运作模式非常适合紧凑型无线传感器的数据传输（每隔半秒交换一次数据）或者其他外围设备，例如可以进行异步通信的遥控器。这些设备发送的数据量低（即几个字节）、不是很频繁（例如，每秒几次到每分钟一次或者更很少）。

对于设计工程师来讲，这意味着什么呢？我们在详细讨论之前，需要先看看两种类型的芯片，它们一起构成了蓝牙低耗能的结构：单模式芯片和双模式芯片。

单模式器件是蓝牙低耗能芯片，在蓝牙规范中，完全是新的－ 是这项技术中针对超低功耗运作进行优化的一部分。单模式芯片可以与其他的单模式芯片和双模式芯片通信，而后者则使用架构中的蓝牙低耗能技术这部份进行发送和接收（见图2）。双模式芯片也能够与传统的蓝牙技术和采用普通蓝牙结构的其他双模式芯片进行通信。

图2　双模式芯片将使用他们的架构中的蓝牙低耗能部分与与单模式器件沟通。

现在凡是使用传统蓝牙芯片的地方，将来都会用双模式芯片。于是，移动电话、个人电脑、个人导航设备（PND）或者配备双模式芯片的其他产品将能够与市场上所有已有的传统蓝牙设备以及未来的所有蓝牙低耗能设备进行通信。不过，因为他们必须执行传统蓝牙和蓝牙低耗能的职责，没有把双模芯片像单模式器件那样优化成为进行超低功耗功运作。

用钮扣电池实现无线运作

蓝牙低耗能技术的特点是超低功耗，它将如何影响无线设计呢？这些特点意味着，用一个纽扣电池，例如一个3V、220mAh的 CR2032钮扣电池或者3V、160mAh的CR2025钮扣电池供电，蓝牙低耗能单模式芯片就能够运作很长时间（几个月甚至几年）。相比之下，传统的蓝牙技术（以及蓝牙低耗能双模式器件）通常需要至少两节AAA电池（其容量是钮扣电池的10至12倍，能承受的高峰电流更大）甚至更多节电池供电，最多只能工作几天或几星期（取决于用途）。 （注：有一些高度专业化的传统蓝牙产品，可以使用容量比AAA电池低的电池。）

例如，一节220mAh的 CR2032纽扣电池，如果它要持续工作至少一年，可以承受的最大额定电流（或放电率）仅25μA（220mAh 除以24小时再除以365天）。半导体发射电路的高峰电流为几十毫安，发射时间不超过这个时间的百分0.25－ 迅速地返回到睡眠模式，这时消耗的电流只是几个毫微安－ 如果平均电流保持在只有几十微安。

实际的情况更加复杂，因为典型的超低功耗收发器在工作时的高峰电流会降低产品规格说明书中列出的标称电池容量。这种效应称作电池（容量）的退化。电池出现退化是因为在放电过程中，电池的内阻增大。内阻越大，射频电路在短暂的高峰电流期间，电池（由于欧姆定律）不能提供最低电压的可能性越高，虽然它的容量仍然很大。

因此，芯片厂商正在努力设计单模式蓝牙低耗能收发器，在发送或接收数据包时的高峰电流适中（大约20mA，相比之下，传统蓝牙无线技术的高峰电流为30至35mA）。（有多家厂商提供“标准”器件，这是开放标准的主要好处之一－ 但是要注意，一些“标准”器件比其他的好一些，例如，Nordic半导体设计了一种单模式蓝牙低耗能发射芯片，它的高峰电流低于15mA。）

但是，这在很大程度上取决于用途。对于典型的蓝牙低耗能传感器这种应用，例如连接到心率传感器的运动手表（假定每天使用1.2小时），Nordic单模式芯片的平均电流约为12μA，加上高峰电流较低，CR2032电池的寿命为两年。

超低功耗无线技术

蓝牙低耗能技术有三个特点：待机时间最长，连接快速，发射和接收的高峰功率低，这些决定了它的超低功耗性能。

正如我们在前面已经看到的，在任何情况下，除非射频电路接通电源的时间非常短，都会大量缩短电池的寿命，因此发送或接收必须很快完成。为了缩短发送和接收时间，蓝牙低耗能技术使用第一招，是只用三个“广播”的通道来寻找其他设备或者让其他也许在进行寻找的设备知道它的存在，以便进行连接。相比之下，传统蓝牙技术使用32个通道。

图3　蓝牙低耗能技术的广告频道都经过精心挑选，避免与Wi - Fi的冲突。
 
这意味着蓝牙低耗能技术只需要接通电源0.6到1.2ms，进行扫描寻找其他设备，而传统蓝牙技术需要22.5ms时间对32个通道进行扫描。因此，蓝牙低耗能技术找到其他射频设备所消耗的功率是传统蓝牙技术的十分之一至二十分之一。

请注意，使用三个广播通道是有一些折衷考虑的：这是在接通电源的时间（也就是功率）和可靠性（频谱非常拥挤）之间的平衡（用少一些广播频道时，另一个射频设备选上的这个频道进行广播的可能性更高，信号受影响的可能性也更高）。该规范的设计人员确信他们已经作了这种平衡－例如，他们在选择广播频道时，不会与Wi - Fi的预设频道冲突（图3）。

一旦连接上了，蓝牙低耗能技术便切换到37个数据频道中的一个。在短短的数据传输时间内，射频电路使用传统蓝牙技术（虽然蓝牙技术使用79个数据频道）开创的适应性跳频（AHF）技术，在频道之间以赝随机模式进行切换。

蓝牙低耗能技术发送时间最少的另一个原因，是因为它的原始数据带宽为1Mbps－由于频带较宽，可以在更短的时间发送更多的信息。一个与之竞争的技术的带宽为250kbps，它需要“接通电源”的时间长八倍（因而消耗更多的电池能量），来发送相同数量的信息。

蓝牙低耗能技术能够在短短3毫秒内“完成”一次连接（即进行扫描寻找其他设备，连接，发送数据，验证，并且“优雅地”终止）。对于传统蓝牙技术，进行一次类似的连接，需要几百毫秒。请记住，发射的时间越长，消耗的电池能量越多。

蓝牙低耗能技术还从其他两个方面限制了高峰功率：比起传统蓝牙技术，它用更“宽松”的射频参数，而且发送的数据包很短。这两种技术都使用高斯频移键控（GFSK）调制，然而，蓝牙低耗能技术的调制系数为0.5，而传统蓝牙技术的调制系数为0.35。调制系数0.5接近高斯最小频移键控（GMSK调制）方案，降低了发射时需要的电源（其原因极复杂，超出了本文的范围）。较低的调制系数有两个有益的副作用，这就是增加作用距离，增强可靠性。

传统的蓝牙技术的数据包较长。在传送这些较长的数据包时，射频电路必须保持在较高功率的状态，持续时间较长，因而芯片会发热。这会改变材料的物理特性，并且会改变传输频率（打断链接），除非射频电路不断重新校准。重新校准会消耗很多功率（需要用闭环的方法，因而射频电路更加复杂，提高了设备的价钱）。

与此相反，蓝牙低耗能技术使用的数据包很短，因而芯片的温度不会很高。于是，蓝牙低耗能收发器不需要耗费能量的校准，也不需要闭环架构。

扩大蓝牙生态系统

蓝牙低耗能技术是针对传统蓝牙技术由于为功率受到严重限制因而不可行的应用而设计的。所有这些应用都有一个共同点：它们都含有钮扣电池供电的传感器（或其他外围设备），发送少量数据，发送数据不是经常进行。这是电子设计师第一次可以使用保证互操作性的超低功耗无线技术，数以百计的新应用将开始出现。

蓝牙技术联盟发表蓝牙低耗能技术概况，表示了蓝牙4.0版本的出版进行跟进的意愿，与完整规范的发布（或之后不久）配合，提供它的早期用途的一些思路，包括个人用户接口设备（PUID）（例如手表）、遥控器、接近报警器、电池状态和心率监视器。随之而来的是其他保健设备，例如血糖计和血压计，自行车码表，以及自行车曲轴功率测量。

详细列出这项新技术的几十种可能用途，已经超出了本文的范围。这项新技术将大大扩大蓝牙技术的应用。让我们来看看蓝牙低耗能技术的两个可能的用途，看看它是如何用于遗失警报和室内定位设备（有时称作“室内GPS”）。

移动电路和便携式电脑制造商正采用双模式芯片，因为它们的成本比传统蓝牙技术高不了多少，但是提供的功能却多得多。这样，移动电话制造商就可以提供一个安全性设备，其中包含一个蓝牙低能量技术的手表，它定期地与移动电话进行通讯。如果移动电话走出了范围－因而无法与用户戴的手表联络－它会自动锁住，手表会发出报警信号。这样可以防止你不小心忘了把移动电话带在身上，也可以防止它被窃。

遗失警报可以用于便携式电脑，当用户走出一定范围时，电脑将锁住（也许用户按下他偑戴的手表上的一个按钮，就将电脑解锁，以备使用）。这个应用也可以作为儿童安全装置使用：当儿童与父母在一定范围之内，儿童的手表与父母的手表进行通信，当孩子走出这个范围，父母的手表将发出警报信号。

蓝牙低耗能传感器的成本低、维护成本低（因为电池不需要经常更换），这将鼓励人们在公共场所广泛地用它。一个关键性的用途是室内的定位（哪里没有GPS信号），围绕大型公共建筑（如机场或火车站）传感器不断发出它们的位置信息。配备蓝牙低耗能的移动电话在这些场所经过时，便可以把这些信息显示给它的主人 （图4）。

图4　机场候机楼四周的蓝牙低耗能传感器不停地广播它们的位置信息。在这个范围内移动电话将显示这些信息。
 
传感器可以传送其他信息，例如飞行时间和登机门，娱乐设施的位置，或者附近商店的特别优惠。

最后一步

按照目前的4.0版蓝牙规范，不允许芯片厂商开始把芯片交给兴奋的客户。不过，它确实表示，这些公司可以认证他们的芯片是否符合蓝牙低耗能控制器规范－这是重要的一步。控制器是三层结构的底层，是实现半导体射频功能的根本所在。

一些芯片厂商在芯片设计方面取得了很大进展，并且向特选客户提供样品和开发工具。例如，Nordic半导体公司最近宣布提供μBlue（“MicroBlue”）蓝牙低耗能芯片样品（并为重点客户提供μBlue原型机开发工具）。μBlue系列的第一个产品是nRF8001 ，这是单模式外设解决方案，使用32引脚QFN封装，尺寸为5×5mm，其中集成了完整的嵌入式射频电路、链路控制器和主机子系统──适合手表、传感器和遥控器使用，还有其他用途（图5）。

由于现在可以确认控制器是否符合规范，这些特选客户将收到芯片样品，就电气性能和外形而言，它与最终产品是完全相同的，这样，客户可以着手进行早期开发工作。（这些样品不能执行接近传感器这类特殊的功能，因为在这个版本的规范中还没有发布这方面的内容。）

最后一步是发布完整的规范，到今年下半年，还不会走到这最后一步。因此，在年底之前，电子产品设计人员只能着手用他们手头那些完全合格的芯片开始实际的产品开发。然而，诺基亚于2005年倡导而开始的这项技术，只不过才五年，就将作为一个完整的蓝牙标准得到采用，提供给蓝牙技术联盟所有的13000会员──这是一个了不起的成就。

一旦完全合格的芯片进入市场，预计蓝牙低耗能产品会产生海啸般的效果。 IMS的分析师估计，到2013年，蓝牙低耗能器件的销售量每年将达到十亿。这是迄今最快得到采用的无线技术。

作者简介：Chim Chan是2.4GHz超低功耗硅半导体解决方案供应商Nordic半导体公司的区域销售经理（中国）。Nordic半导体是专利技术2.4GHz超低功耗芯片解决方案的领先制造商，是制定Bluetooth低耗能无线规范组织的成员。预计在最早把符合规范的单模式器件推入市场的公司之中，将包括该公司。