现在有越来越多的人认为蓝牙的日子屈指可数。多年以来，蓝牙技术一直是其他无线技术主要替代的目标，这导致其市场份额受到挤压。成本明显较低，相对简单并易于使用(不需要经历冗长的标准认证过程)的各种能够提供更高带宽、更低运行功耗、更高协议效率的器件正逐渐侵蚀蓝牙的市场份额。

当然，像蓝牙这样成功的技术很难在一夜之间消失，蓝牙SIG的成员已坚定地对来自ZigBee、Wi-Fi、专有RF器件带来的竞争压力做出响应。值得注意的发展动向包括通过修改协议来提高带宽(蓝牙2.0+ EDR)以及蓝牙和超宽带技术(UWB)的结盟。后一个趋势必将会把蓝牙在无线个人局域网(WPAN)方面的优点和UWB高达100Mbps的数据传输速率结合起来。

但这些措施都不能改变以下的事实：尽管蓝牙是一种经过验证的解决方案(对WPAN中的一个主设备和多达七个的从设备之间的低占空比文件传送尤为如此)，但从射频硅集成电路的角度来看它并不是一个特别好的技术，比如蓝牙的带宽很窄，而且能迅速耗尽电池。

能充分体现蓝牙技术缺陷的一个例子是无线立体声耳机。例如，人们现在对市场上具备蓝牙1.2功能的耳机总体评价一般比较差。批评意见主要是由于必须携带很大的电池以至体积笨重、声音深度不足，并且使用几小时便会耗尽电池。

值得庆幸的是，有几种替代方法能帮助无线耳机设计工程师开发出用户盼望的产品，Nordic Semiconductor公司专门为音频流应用而开发的RF芯片nRF24Z1便是其中一个替代方案。该芯片具有4Mbps的速率，但与蓝牙1.2芯片组在同一音频流应用进行比较，它的功耗仅为蓝牙1.2芯片组的一半。

用nRF24Z1构建无线连接的一个附加好处是无需经过像蓝牙的IEEE802.15.4标准认证，当然它仍必须满足诸如美国FCC和欧洲ETSI规范等相关的本地法规要求。然而，因其收发器工作在为流行也极为拥挤的2.4GHz ISM频段上，因此nRF24Z1拥有其自己的自适应跳频形式(adaptive frequency hopping)以避免干扰其它2.4GHz设备。

关键设计问题

为便携式设备增加无线连接存在四个关键设计问题：成本、复杂性、体积和功耗。

成本问题至关重要，对于激烈竞争的消费类电子产品尤为如此。虽然消费者毫无疑问地希望享受无线连接带来的方便性，但他们却不愿意为此付出太大的额外代价。

同样的，由于当今消费类产品的生命周期很短，无线连接的设计必须非常简单，以便让产品能迅速进入市场。很多设计工程师对增加无线功能都非常谨慎，因为他们觉得这是项非常复杂的工作，毕竟射频集成电路集RF、模拟和数字等多种功能于一身，本身即具有很高的复杂性。但是，一些厂家已设计出高度集成的收发器，使其尽可能地简化了产品开发和设计过程。当然，这个过程也并非轻而易举。

无线设计仍然不是一件简单地把芯片组安装到印制电路板上的事情。设计工程师必须了解可能严重影响产品性能的各种技术问题。事实上，除非设计工程师具有RF工作经验、较长的产品开发时间以及充裕的经费预算(这在当今竞争强烈的环境中是不大可能的)，否则必定会在某些进度点上遇到问题并且需要专家的帮助。

例如，设计工程师可能需要在测试、天线布置或者从RF的角度来改变印制电路板布局等方面获得帮助，以避免该射频产品干扰其他设备。因此，必须小心选择器件和供应商，尤其是要选择有信心保证和经验丰富的供应商，他们能提供设计所需的帮助。

便携式设备的设计工程师已尽量缩小电子电路以适应移动设备产品所需的精巧外形，拥挤的印制电路板上几乎再也没有多余的空间来安置笨拙的收发器和外设元件。

虽然大多数射频集成电路供应商在集成方面已经作了相当好的工作，但是这些芯片还是需要MCU和其他外设元件。与此相反，Nordic公司的nRF24xx 0.18μm CMOS收发器尺寸为6x6mm，并集成了RF收发器、8051 MCU、4通道12b ADC和各种标准接口电路。这就是说，只要再添加一个音频ADC或DAC芯片和一、两个无源外设元件，就可以在便携式产品中增加无线连接功能。

最后，还有功耗的问题。尽管电池技术迅速发展，所有便携式设备设计工程师仍然面临着相当紧张的功率预算分配。然而，消费者希望高性能、多功能的蜂窝电话和MP3播放器充一次电至少能使用几十个小时。从功耗的角度来看蓝牙1.2，甚至最新的2.0+ EDR器件还都不是最经济的器件。这就是蓝牙无线产品实际上只适合于诸如在便携式数字助理(PDA)和PC机之间传送文件的低占空比应用场合的原因之一。

干扰管理

应当确保无线连接能够应付中断所引起的问题。所有无线连接都容易受到工作在相同频率的其它设备的干扰，这对于全球化、免授权许可的2.4GHz频段来说尤其是一个问题。

为此，蓝牙和nRF24Z1都采用自适应跳频技术将干扰降到最低。蓝牙使用79个信道，而nRF24Z1具有包括来自38条目的可配置信道跳转表(channel-hopping table)，并且在发现干扰的地方用自适应跳频为信道入口做出标记，最多可以将38个信道的18信道标记为坏信道。所有这些屏蔽标记(例如本地Wi-Fi频段)都在芯片内完成，无需主MCU或者用户的参与。

nRF24Z1的自适应跳频功能在110us时间内对整个2.4GHz频段进行扫描，以寻找好的信道(方法是每个信道使用2.9us，然后转到下一个信道)。这种跳频功能专门为符合FCC等相关法规的规定而设计，解决了与常见的干扰丢失音频包再传输有关的很多问题，同时还可以屏蔽与蓝牙或其它2.4GHz设备偶然发生的冲突。如果频段扫描程序发现了一个坏的频率，那么丢失的音频信息将会在另一不同的频率上重新传输，而不会被最终用户觉察到。

延长电池的寿命

下面讨论MP3播放器到无线耳机音频流应用中的蓝牙1.2和专有芯片的功耗问题。

蓝牙技术必须保持同步(由于要支持多达7个从设备)以避免再连接发生延时。实现同步的方法是：不管是否使用，都要每675μS发送一个160b的包(1600包/秒，或者256kbps净数据速率)以保持该连接。结果，无线音频流应用中的蓝牙芯片即使在“空闲”模式下也要需要8mA电流。虽然蓝牙技术允许芯片进入“睡眠”模式以节省功耗，但是重新建立连接需要3秒钟，这种“反应迟钝(unresponsiveness)使很多用户感到沮丧。

nRF24Z1则采用不同的技术。当音频流为44.1kHz时，收发器保持给定的载波频率2.9ms。在这个期间，音频内容和控制信息将发送到接收端(音频接收器ARX)，任何丢失的音频内容将重新发送，并接收ARX端应答和控制信息，然后，系统跳到另一个不同的频率并重复此过程。

当没有内容传送时，芯片可以进入多种不同的睡眠模式。在“深”睡眠模式下，芯片只需5μA的电流来保持存储器的内容。在“浅”睡眠模式下，芯片以固定的间隔被唤醒以寻找对方。当系统处在睡眠模式时，还必须考虑系统中所有转换器和微控制器的功率损耗。

当连接的发送端(音频发送器ATX)和ARX都打开时，通过一种片内的频率扫描算法,器件能够互相定位(通常在10ms之内)。当器件在睡眠模式时，唤醒时间可低至几分之一秒，空闲时的功率损耗越低，唤醒时间越长。根据所选择的睡眠模式，无论从睡眠状态唤醒或者开机，用户都可以体验到近乎即时开始播放的音乐。

为方便计算电池的寿命，我们假定电池保持中等放电速率并且电池的容量随时间呈线性下降。实际上，由于自放电和其它效应的作用，对于两种技术(蓝牙和专有芯片)来说，电池寿命都可能会更短。

此外，计算中没有考虑其它一些因素，例如：使耳机膜片机械振动所需要的功率；在电池耗尽之前，当其电压降低到某一设定电平之下时，线性稳压器就切断电池的供电等。尽管如此，进行比较对说明基本差别仍然有效。

蓝牙1.2芯片发送或接收时大约要消耗60mA电流。(请注意：这是一个平均数字，某些芯片组可以达到大约消耗50mA电流的水平。这种变化是因为功率消耗主要决定于射频集成电路的设计。)因此，当工作在2V时，器件要消耗120mW的功率。

假定电源是一个工作在3.7V的锂电池，并采用了效率为90%的DC/DC转换器，因此从电池吸取的功率为133mW。安装在耳机上的DAC/放大器工作时要吸取大约4mA电流。假定DAC/放大器直接工作在转换器输出的3.7V电压上，那么它所吸取的功率为14.8mW。

典型3.7V锂电池的容量为900mAh，能够供给3330mWh，因此回放时的总功率损耗为147.8mW，电池寿命为3330mWh/147.8mW=22.5小时。

图1：良好无线连接时典型通信周期中ARX的电流消耗。

nRF24Z1的平均ARX电流为22.9mA(见图1)，而平均ATX电流为17.8mA(图2)。聪明的硅片设计保证这种专有解决方案具有很低的功耗。请注意，这些数字适用于良好的无线连接环境，发送和接收以44.1kHz速率进行采样的16b无压缩音频流。下面的曲线的电流值点1-6(图1)和1-7(图2)代表整个时间间隔内的平均值。间隔4-5(图1)和5-6(图2)的长度决定于无线连接的质量。在坏的连接条件下，由于需要重新发送数据包的数目增加这些间隔将会明显延长。

图2：良好无线连接时典型通信周期中ATX的电流消耗。

当工作在2V电压下时(与蓝牙器件相同)，Nordic的解决方案从DC/DC转换器吸取45.8mW，这样要求从电池吸取50.9mW功率，再加上DAC/放大器的消耗，总共需要65.7mW。使用3.7V的锂电池，电池寿命为3330mWh/65.7mW=50.7小时，是蓝牙芯片方案22.5小时电池寿命的两倍多。

为进行比较，还包括了采用两个串联1.5V AAA电池供电时的数据。AAA电池的容量为900mAh，两个AAA电池可以提供2x1.5Vx900mAh=2700mWh，无需DC/DC转换器。

保持高保真度

除了长电池寿命外，音频品质对于激烈竞争的消费类便携式音频产品来说是另一个关键。CD数字音频对原始模拟音乐信号以44.1kHz/通道的速度、16b的分辨率进行采样。这种采样速率和分辨度产生1.41Mbps的数据流，通常认为CD音频是可以接受的高保真度标准。

蓝牙1.2具有1Mbps的标称数据速率，实际大约运行在720kbps(因为为保持同步需要260kbps)。720kbps的带宽是在假定具有很好的无线连接、不需要重发坏的数据包的情况下达到的。实际上，蓝牙1.2很难运行在这种“最佳”的速率之下。

虽然蓝牙1.2的带宽足以提供可以接受的语音音频流，却肯定不能满足CD品质音频的需求，它所产生的流音乐缺少动态范围和“热烈的激情”。

相反，Nordic公司的收发器将标称带宽提高到4Mbps。该芯片能提供足够的带宽，从而能以48kHz的速率传送16b、总数据速率为1.54Mbps的立体声信号，并提供CD音质。该无线芯片具有4Mbps的标称传输速率，这样的带宽可以提供充足的开销，以便进行丢失包的再传送、进行收到数据包的应答、用户中断(例如按下按键)、设备寻址和时分多路等工作(图3是基于nRF24Z1无线耳机参考设计)。

图3：基于nRF24Z1的无线耳机参考设计原型。

遗憾的是，这里还有某些不利的因素。首先，为了达到增加带宽，连接的两端都需要与2.0版本兼容。最近在标准批准方面的问题限制了商业蓝牙2.0+ EDR芯片的供应。虽然2.0版本与早期的蓝牙版本向后兼容，但是数据传输速率决定于传输链中速率较低的连接，所以其速率很可能为720kbps。

虽然蓝牙2.0+ EDR的供应商们宣称新的版本会更加经济，这种说法是基于更高的数据速率而降低无线电芯片的占空比。对于诸如从一个蜂窝电话向另一个蜂窝电话传送1Mb图像文件等应用情况而言这一性能还不错，因为这时无线电只要传送大约20秒钟，而不是像蓝牙1.2那样要传送1分钟。问题是，对于长期、连续的音频流来说，任何“猝发性”的效率都是没有用的。

超出标准之外

蓝牙技术对于在WPAN上广泛兼容的通信来说是理想的，在这种情况下标准确实消除了很多设计上的挑战。工程师可以确信其设计能够和其它具备蓝牙功能的产品进行通信，而不会有太多的麻烦。

相反，Nordic Semiconductor的芯片并不依赖某一标准。但是，当一个制造厂商同时制造连接的两端产品时，标准并不是一个考虑因素。这也等于缩短了设计的周期，因为不需要在测试实验室里花费几周的时间来保证产品符合有关的IEEE标准。

蓝牙1.2和nRF24Z1的比较说明，nRF24Z1以1.5Mbps传送CD品质音频时的功耗比运行在较低保真度的720kps速率下的蓝牙要少。这就意味着使用这种专有芯片解决方案可以使产品设计既具有更长的电池寿命，又有更高的音频品质，这两点在全球竞争激烈的无线耳机市场中都非常重要的卖点。

通过RF连接传送音频流

熟悉如何利用RF方法连接移动电话和耳机的消费者，现在要求MP3播放器也具有一种类似的的无线耳机。请注意，在MP3市场上还没有哪一家主流公司推出了能无线收听的播放器，这就为人们开辟了一个新的市场。

图4给出了一款MP3/有线耳机组合。音频源(通常是闪存或者迷你硬盘输出数字音频信号)以I²S或者S/PDIF的格式由MP3解码器进行解码。由一个微控制器(MCU)管理音频源并控制回放特性，诸如音量控制，或者由组合DAC/放大器实现的低音提升。

图4：使用有线耳机的MP3播放器的原理框图。

在音频源和DAC/放大器之间添加RF连接不再需要MP3播放器和耳机之间的有线连接(见图5)。这就是说，RF连接的一端在播放器中，而另一端在耳机中。与有线系统MCU和DAC/放大器之间固定的连接方法不同，无线系统中除了音频通道之外，还需要一个附加的控制数据通道(否则音量控制只能放在耳机上，而其它的按键仍然放在播放器上)。MP3播放和耳机都需要使用电池。

图5：使用无线连接的MP3播放器将音频流传送到耳机的示意图。

从便携式音乐播放器向耳机无线传送流音频内容有两种方法：一种方法是简单地通过无线连接传送压缩的MP3数据。MP3事实上(de facto)的“良好质量”压缩标准是192kbps，完全在蓝牙1.2带宽容量之内。即使是“无损失”专有标准，例如苹果(Apple)自己的标准也只要求320kbps，对于蓝牙同样没有问题。

然而，这种技术有其缺点。首先，耳机听筒需要必要的电子电路(DSP、DAC/放大器和电池)来解压缩MP3数据流，这就增加了耳机的重量、体积、复杂性和成本。第二，无论播放器有多么好，再现声音的质量都决定于耳机。最后，此MP3播放器将不再能够和普通有线耳机配合使用。

第二种技术是在播放器中解压缩MP3数据，并将解压缩后的音频信息传送到耳机中的接收器。这样就模仿了普通有线MP3播放器/耳机组合的情况，并且可能是最实际的配置方法，因为它降低了耳机的复杂性、重量和功率损耗。但它却要求带宽宽得多的RF连接。

低功率无线音频连接

nRF24Z1是一款CD品质立体声音频无线流的单芯片解决方案，可以达到16b、48kHz而不使用压缩技术。nRF24Z1还支持24b、96kHz的输入信号。

nRF24Z1工作在全球通用的2.4GHz频段，能提供很好的性能和集成度并具有极低的方案成本。nRF24Z1采用Nordic Semiconductor公司的4Mbps的MegaZtream平台，嵌入了服务质量(QoS)子系统。由于具有极低功率的4Mbps，无线2.4GHz收发器以及所有适当的数字音频接口在6x6mm的芯片封装内构成了完整的数字无线音频流解决方案。

除了具有高达4Mbps的音频流能力之外，nRF24Z1还拥有一个数字控制信息通道，用来传送诸如音量、平衡和显示详细内容等控制信息。nRF24Z1采用工业标准的I²S和S/PDIF接口传送音频，实际上不用胶合逻辑就能与任何数字音频源进行接口，或者与外部工业标准的低成本ADCDAC转换器进行接口，以实现模拟音频输入输出。控制信息采用SPI或者2线(与I²S兼容)接口。

nRF24Z1设计具有良好的平衡性，设计中注意到了音频接口和CD品质音频流挑战性任务的每个细节，当存在诸如蓝牙等2.4GHz的其它信源时，不会产生毛刺或者使性能降低。该电路集成了稳压器，具有最大的噪声抑制能力，并且在单一2.0V到3.6V电源下工作。