RF 與藍牙的比較

設計人員針對人性化介面裝置 (HID) 到物聯網 (IoT) 的遠端感測器等應用選擇無線連線時，有許多選擇。究竟該採用標準式 RF 介面，例如 Wi-Fi、藍牙、ZigBee，還是自行研發 RF 實體層 (PHY) 設計與協定，仍是許多設計人員感到困擾而又必須作出的最基本決策。

選擇某一個而不選擇其他的原因很多，但也事關一些相對的妥協因素，包括成本、安全性、功耗、互通性、設計時間、遭逢干擾時的耐用性、共存性、延遲以及認證要求。這些妥協因素中有許多相互關聯，因此設計人員首先必須決定出設計要求，再依此進行最佳化。

本文將針對選擇標準藍牙介面或自行研發 RF 協定時，探討需要考量的因素。接著會介紹藍牙 5 模組，以及一個矽方案，以此為基礎打造自行研發的協定，然後分別提供適合兩者的準則，說明快速設置並運行的方法。

自行研發 RF 的優缺點

如果是需要朝安全性、低功率、小覆蓋區和效能方向進行最佳化，則自行研發 PHY 與協定較為合適。

安全性對許多應用來說 (從車庫門開啟裝置到 IoT 裝置等) 至關重要。若使用自行研發的無線電，有許多方法可以解決問題。首先，自行研發設計可確保「透過隱匿達到安全性」，在此方法下，RF 介面因為並非眾所周知，因此較難遭駭。再者，自行研發介面傾向點對點操作，或在封閉系統中操作，而不連接到較廣大的網路，因此可維持隱匿。最後，自行研發介面的設計人員可自由開發專屬的先進加密演算法，或微調現成的演算法，而不必與其他製造商的安全性演算法進行互通。與眾不同本身，就已佔有安全性的優勢。

在確保不受 Wi-Fi 網路、微波爐、無線電話和其他低功率無線網路的干擾方面，自行研發無線電設計人員可獲得優勢。因為不受標準限制，設計人員可彈性地使用直接序列展頻 (DSSS) 和跳頻展頻 (FHSS) 等技術，更有效發揮頻譜能力。此外，設計人員可根據自己期望的鏈路預算，並採用自己偏好的編碼方法，以獲得較高的傳輸量和較低的功耗。

這種彈性也適用於資料封包結構。由於無需任何封包負荷來確保與標準式無線裝置的互通性，此封包結構可依據應用需求進行簡化。

從硬體設計觀點來看，若可妥善瞭解效能需求，且保證這些需求不會在稍後的階段中改變，則自行研發 RF 介面的設計人員可針對空間、功率和效能進行最佳化。他們還可藉由再次僅納入符合應用需求的那些功能來實現上述最佳化。

儘管自行研發 RF 有許多的優勢，但仍需要考量許多因素。第一個因素便是成本：證明客製化 RF IC 設計和相關軟體的一次性工程費用 (NRE) 的合理性，特別是低成本裝置，其預期數量應大於 100,000 件。

與成本有緊密關係的是設計時間，特別是當考慮到 RF 設計的變幻莫測、明顯缺乏 RF 專業知識，以及開發成功設計所需的韌體和軟體而需投入的時間時。

藍牙不僅普遍採用也不斷改進

藍牙是另一個極端的例子。藍牙最初是一種直覺式的點對點纜線替代技術，適用於 HID 和其他涉及使用者的裝置，但此技術很快就成為無線音訊以及裝置對裝置的連線方案。受惠於藍牙技術聯盟 (SIG) 的嚴格管制，藍牙不僅廣為瞭解，且設計人員能有信心，裝置可連接其他藍牙功能裝置並且互通操作，無論硬體來源為何。

廣泛的採用以及可互通的裝置，造就了豐富的硬體和軟體，讓需要無線介面的設計能以較低的成本快速上巿。此外，過去幾年間，藍牙也不斷演變。

藍牙一直以來都使用 2.4 GHz 工業、科學和醫療 (ISM) 頻段操作，從 GFSK 調變的 79 個 1 MHz 載波開始，可提供 1 Mbit/s 的傳輸量。此傳輸量稱為藍牙基本傳輸率(BR)。藍牙採用可調適 FHSS 編碼機制，因此即使 IoT 引進愈來愈多的無線連線裝置，也能在干擾下保持完備。為了獲得更高的數據傳輸率，藍牙 2.0+ 增強型數據傳輸率 (EDR) 使用 π/4-DQPSK (差積分相位偏移調變) 和 8DPSK 調變方法，分別達到 2 和 3 Mbits/s 的速率。

儘管藍牙技術受到 SIG 的嚴格管制，但設計人員仍需密切研究 2010 年推出之藍牙 4.0 核心規格所帶來的變化。此規格推出了低功耗藍牙 (BLE)，之前的問世名稱為 Bluetooth Smart。BLE 無法向下相容無傳統藍牙，設計人員必須注意這點。

BLE 的首要目標是低功率。為達成此目標，新版藍牙不再使用傳統藍牙的連線導向方式 (裝置常保連線)，而改用未連線方法 (僅在需要時短暫連線)。適合的應用包括智慧型手錶和 IoT 感測器等穿戴式裝置。

為滿足聯盟成員及其應用的各種需求，SIG 不斷地改善規格。若要進一步了解藍牙演進的詳細資訊，請參閱「藍牙 4.1、4.2 和 5 相容的低功耗藍牙 SoC 和工具能克服物聯網挑戰 (第 1 部分)」。

最新版藍牙 5 將 BLE 數據傳輸率從 1 Mbit/s 提升兩倍達 2 Mbit/s，並使用較強的前向錯誤修正 (FEC) 將 128 kbit/s 的有效範圍提高 4 倍，最高可達 50 m。較高的數據傳輸率允許在指定時槽內傳輸更多的封包，因此裝置能保持在低功率或待機模式中更長的時間，進而降低功耗。

較大的訊號範圍，能讓設計人員針對任何藍牙裝置 (包括信標)，更彈性地在數據傳輸率方面妥協，以換取距離優勢。信標屬於電池供電式 BLE 裝置，能將自己的識別碼廣播到附近的行動裝置，讓這些裝置能在接近信標時執行特定動作。信標很受廣告業者歡迎，且能在室內和戶外精確地進行追蹤。

但 SIG 採取了自行研發 RF 介面設計人員也能做的其他有趣的微調：降低開銷與酬載比，因此要傳送指定「實際」數據量所需的傳輸次數更少，因此能更進一步降低功耗。

藍牙最初僅是一種簡單的纜線替代技術，現已轉變成非常實用的技術。因此，設計人員現在已習慣尋找快速而簡單的藍牙解決方案，而不會想花成本自行設計 RF 介面。

藍牙的設置與運行

在上巿時間和設計預算日益緊縮的當下，選用藍牙介面的必要性也日益明顯。幸好，許多設計有足夠的空間可容納現成的藍牙模組，因此設計團隊能專注於終端應用和差異化。

Rigado 的 BMD-330 藍牙 5 模組就是這類模組之一 (圖 1)。儘管有許多藍牙模組可選，但此模組的電路板上具有整合式天線，因此特別有意思而且實用。天線的匹配和替換是 RF 設計中屬於精細的技術，因此若設計人員無需進行作業，不僅能節省時間，還能確保達到最佳的訊號耦合。

圖 1：BMD-330 藍牙 5 模組內建天線和匹配電路，可簡化並加速實作。(圖片來源：Rigado)

此模組是完整的解決方案且通過法規認可，並具有板載 DC-DC 轉換器和智慧型電源控制，尺寸為 9.8 x 14.0 x 1.9 mm。雖然已內建天線，此模組仍需合適的接地面才能有效放射。此外，應確保自此模組天線部分延伸出去的區域內不含銅和其他金屬，且應將模組置於 PC 板邊緣且將天線朝外。

將模組安裝在外殼內時，應確保天線附近沒有任何金屬物，否則會影響天線的效能。此模組針對自由空間內操作而設計和最佳化，因此，灌封、環氧樹脂、包覆成型或共形塗層均會影響其效能，需要在應用後進行額外措施，確保鏈路預算符合規格。

此模組以 Nordic Semiconductor 的 nRF52810 系統單晶片 (SoC) 作為基礎架構 (圖 2)。採用時脈為 64 MHz 的 Arm® Cortex®-M4 CPU，具備 192 Kb 快閃記憶體和 24 Kb 的 RAM。

圖 2：BMD-330 模組基於 Nordic Semiconductor 的 nRF52810 SoC 建構而成，其中包含一個 Arm® Cortex®-M4 CPU 和一個 2.4 GHz 無線電。(圖片來源：Rigado)

快閃記憶體的空間有限，所以 Rigado 未在模組上提供任何原廠韌體。由於沒有啟動載入器，因此必須使用序列線除錯 (SWD) 介面載入任何韌體。載入韌體後，可使用 Nordic 提供的多種協定堆疊，稱為 SoftDevices。這些預先編譯、預先連結的二進位檔案，可從 Nordic 網站下載。採用 nRF52810 SoC 的 BMD-330 可支援 S132 (BLE 中央和周邊裝置) SoftDevice，以及記憶體最佳化的 S112 (BLE 周邊裝置) SoftDevice。

BMD-330 模組的重要規格包括 +4 dBm 的發射功率，以及靈敏度 96 dBm (BLE 模式) 的接收器。此模組能以 3 V 電源操作，在 +4 dBm 發射模式下消耗電流為 7.0 mA，0 dBm 時則為 4.6 mA。在接收模式下，1 Mbit/s 時的消耗電流為 4.6 mA，2 Mbit/s 時則為 5.8 mA。發射和接收的規格均假設 DC-DC 轉換器已啟用：停用時電流會增加。

自行研發技術和藍牙的優點比較

除了完全客製的自行研發無線電設計和標準藍牙外，還有另一種選擇：可讓設計人員開發其專屬協定和編碼方法的現成無線電收發器，或採用 Ant、Thread 或 ZigBee 等的現有版本。隨著現有矽元件的成本降低且支援多種軟體，對於正在尋求差異化、少許最佳化自由度和增強安全性選項，同時想維持最低成本和設計時程不變的設計人員而言，這或許會是個「甜蜜點」。

對於有意考量此途徑的設計人員來說，Silicon Labs 的 EFR32FG14 Flex Gecko 自行研發協定系列 SoC (圖 3) 是個不錯的選項。

圖 3：Silicon Labs 的 EFR32FG14 Flex Gecko 能提供穩固的硬體平台，可在此添加或開發自行研發軟體。(圖片來源：Silicon Labs)

EFR32FG14 與 BMD-330 一樣都採用 Arm® Cortex®-M4 核心，但運行時脈最高為 40 MHz，而不是 64 MHz，這是因為此晶片更針對低功率 IoT 應用而設計。具有最大 256 Kb 快閃記憶體以及 32 Kb RAM。請注意，此晶片支援 2.4 GHz 和 sub-GHz (915 MHz) 操作，並提供天線網路匹配指南。此晶片亦支援天線分集，可緩解選擇性頻率衰減的影響。

此外，也內建許多靈活的 I/O 和安全性功能，包括：可自主與 MCU 周邊裝置互動的 12 通道周邊裝置反射系統、最多 32 個 GPIO，以及一個自主硬體加密加速器與真實亂數產生器。晶片上也整合可在 2.4 GHz 和 sub-GHz 下操作的功率放大器。

為了在開發流程中提供協助，Silicon Labs 還提供了適用於 EFR32FG 產品線的 SLWRB4250A 電路板 (圖 4)。此電路板包含 SoC、排針座、晶體、天線匹配電路以及軟體。

圖 4：SLWRB4250A Flex Gecko 無線電板能提供必要的硬體，以配合自行研發低功率無線介面進行實驗。(圖片來源：Silicon Labs)

結論

選擇完全自行研發的 RF 設計途徑或標準的藍牙無線電的理由不勝枚舉。談到符合設計和應用的成本、時間、效能、尺寸、安全性和許多其他因素的需求時，每個理由都有其合理性。但對於某些設計人員，他們既想獲得現成矽方案所帶來的低成本和省時優勢，又想彈性地加入某種程度的自行研發差異性，廠商現也為其提供了穩固的建置硬體平台。