А. Щербаков

Bluetooth: Сага о голубых кристаллах

Давно миновали времена Грэхема Белла, когда электрический провод был диковинкой, и если не предметом культового свойства, то уж явным признаком "высоких технологий" той эпохи. Сегодня паутина проводов разрастается у нас на глазах в геометрической прогрессии, и не где-нибудь в естественных для не╦ промышленных цехах, а в квартирах и офисах. Компьютеры, бытовые устройства, даже мобильные телефоны с их принадлежностями - стараются опутать нас металлическими канатами в пластиковой оболочке, большая часть которых предназначена для передачи информации, а не энергии, где альтернативы пока не предвидится. До сих пор не существовало единого серь╦зного стандарта (IrDA и отдельные продукты с радиодоступом не в сч╦т), способного избавить нас от "проводного рабства". Кроме пока ещ╦ не вышедшей на массовый рынок, но уже наделавшей немало шума на крупнейших выставках технологии Bluetooth.

История Bluetooth началась в 1994 году, с проекта MC Link шведской фирмы Ericsson по разработке системы локальной беспроводной связи радиотелефона со своими аксессуарами типа телефонной гарнитуры. Осознав необходимость массового производства подобных систем для снижения их стоимости, а также пользу технологии для многих других областей, компании удалось заинтересовать проектом ряд крупных мировых производителей. В феврале 1998 года при участии Ericsson, Nokia, Intel, Toshiba, IBM была образована группа Bluetooth Special Interest Group (BSIG), сконцентрировавшая свои усилия на ключевых аспектах совершенствования и внедрения Bluetooth спецификаций, анонсированных в мае того же года.

Столь необычное название ("Голубой Зуб") новая технология получила от английского прозвища датского короля Гарольда (Harold Bluetooth), объединившего в X веке Данию и Норвегию. Нечто подобное создатели Bluetooth планируют сделать уже в XXI веке с разбросанными в углах дома и офиса электронными устройствами - радиотелефонами, компьютерами, цифровыми камерами и так далее вплоть до кофеварок и холодильников. На сегодня группа BSIG насчитывает уже около 2000 членов, и число их продолжает увеличиваться.

ГОЛУБЫЕ БИТЫ И МЕГАГЕРЦЫ

Bluetooth представляет собой стандарт беспроводной связи близкого (до 10 м, с возможностью расширения до 100 м) радиуса действия в нелицензируемом 2,4-ГГц диапазоне - ISM (Industrial, Scientific, Medical). Среди ключевых моментов стандарта - использование метода расширения спектра с перескоком по частоте - FHSS. Смена рабочего канала происходит по псевдослучайному закону 1600 раз в секунду. Данные могут передаваться в изохронном и асинхронном режимах, обеспечивается простая интеграция с TCP/IP, предусмотрена поддержка до тр╦х голосовых каналов.

В отличие от технологии инфракрасного обмена IrDA, Bluetooth допускает не только передачи типа "точка-точка", но и многоточечные, не требуя при этом прямой видимости. До 8-ми близко расположенных устройств могут образовывать (используя единый частотный канал) беспроводные пикосети Piconet, которые, в свою очередь, способны объединяться между собой в сеть Scatternet. Каждое устройство имеет уникальный 48-бит сетевой адрес, совместимый по формату с принятым в сетях IEEE 802.

Для удовлетворения противоречивых требований разных приложений по дальности, энергопотреблению и возможной интерференции определены три класса излучаемой мощности Bluetooth-модулей (таблица).

Благодаря простоте и изяществу технических решений, положенных в основу Bluetooth, новая технология бес-проводной связи - "┘самое заметное достижение инженерной мысли со врем╦н появления стандарта GSM" (Дэвид Лок, Orange). Однако любая, даже самая выдающаяся концепция или стандарт так и останутся лишь стопкой бумаг (или набором файлов создавшей их SIG), если не будут воплощены в реальных, востребованных рынком устройствах, сердцем которых, без сомнения, являются интегральные компоненты. Итак┘

ГОЛУБЫЕ ЧИПСЕТЫ

Infineon Technologies

Под относительно новым, пока ещ╦ не примелькавшимся именем скрывается бывшее отделение полупроводников фирмы Siemens AG. Более чем семилетнее лидерство на рынке беспроводных технологий - более 25 млн. поставленных кристаллов для DECT-систем и приложений диапазона 2,4 ГГц - да╦т возможность компании воплощать накопленный опыт уже в кристаллах Bluetooth. Вступив в BSIG в октябре 98 года, к настоящему времени компания закончила разработку интегрального решения под поэтичным названием BlueMoon ("Голубая Луна"), вероятно, сочтя зубную тематику чересчур брутальной. Как и в других системах беспроводной связи, в Bluetooth сохраняется условное деление устройства на высокочастотную часть (RF, "Radio"), радиоканал и низкочастотную (Baseband-тракт). Как и ранее, при создании DECT-чипсетов, решения компании отличаются высокой степенью интеграции и лаконичностью. Уже первое поколение (Spec 1.0) законченного Bluetooth-чипсета BlueMoon I включает всего два кристалла.

Трансивер PMB 6615(25), c интегрированными блоками LNA, VCO, PLL и управлением по тр╦хпроводной шине, выполнен по BiCMOS-технологии в корпусе TSSOP38 и обеспечивает работу в режиме класса 2. При минимуме навесных элементов трансивер не требует внешних настроек.

Однокристальный CMOS BaseBand-контроллер PMB 6752 (корпус LFBGA81) /PMB 6754 (корпус TQFP100) включает в себя, помимо интерфейса трансивера и цепей управления дополнительными усилителями мощности, линк-контроллер, UART-интерфейс хост-контроллера (HCI) и PCM-интерфейс для голосовой связи. Функционированием всех блоков Baseband-контроллера управляет Firmware ProBlue с возможностью гибкой настройки под конкретные приложения.

Для Bluetooth-устройств увеличенного радиуса действия (класс 1) могут применяться как разработанные специально для Bluetooth усилители (PMB 4823, PMB6827, CGY 63), так и универсальные CGY196/197, позиционируемые для DECT, WLL, ISM900/2400 и других приложений. Интегрированный Bluetooth модуль фирмы, собранный на базе чипсета BlueMoon I, включающий в себя две вышеописанные ИМС с дискретным обрамлением и 2,4-ГГц полосовым фильтром (EPCOS), имеет размеры 24x14x3..4 мм.

Philips Semiconductors

Первой выпустив на рынок Bluetooth-компонентов законченный чипсет (Spec 1.0), фирма Philips уже предлагает решения второго поколения, соответствующего Bluetooth спецификации 1.1. Особенность Baseband-контроллера второго поколения BlueBerry - "Голубая ягода" (PCF87750, корпуса - LFBGA81, LFBGA128 или LQFP208) - усовершенствованная модификация ядра EBC (Ericsson Bluetooth Core), получившая название PBC (Philips Bluetooth Core), на основе экономичного RISK-процессора ARM7. PBC делает контроллер самым гибким и функционально развитым на рынке. Контроллеры BlueBerry содержат многие блоки, зачастую отсутствующие в подобных устройствах (высококачественные речевые кодеки с непосредственным подключением к микрофону и головным телефонам, память программ и данных и др.), имеют богатый выбор интерфейсов (I2C, USB, UART, SPI и другие), что делает их идеальным решением для самого широкого круга приложений - компьютерных, радиотелефонных, бытовых и т.п. Контроллер PCF87750 допускает непосредственное подключение к трансиверу UAA3558, в то время как ранее разработанные VW2600x контроллеры (FPBGA96/100, TQFP100 корпуса) требуют дополнительной интерфейсной ИМС (VWS22233).

Предназначенный для применения с обоими поколениями Baseband-контроллеров, однокристальный трансивер UAA3558 (класс 2, 4 dBm) с низкой ПЧ (N-ZIF), интегрированным балансным LNA и симметричным VCO (1,2 ГГц), выполнен в корпусе HVQFN32 и является одним из самых компактных на рынке (5x5 мм). Для устройств класса 1 предусмотрена его работа совместно с усилителем мощности UAA3591 (4x4-мм корпус MLF16). Трансивер не требует настроек, внешних фильтров (SAW) и управляется по тр╦хпроводной шине.

На базе своего трансивера фирма производит интегрированный радиомодуль второго поколения TrueBlue BGB 100 размером 12,25x9,8x1,9 мм в безвыводном SOT-корпусе, включающий в себя все цепи обрамления: каскады согласования, входной фильтр, антенный переключатель, а также интерфейс с Baseband-контроллером PCF87750. Чуть больших размеров (150 мм2) модуль TrueBlue BGB 110 первого поколения, предназначенный для работы в паре с контроллерами VWS2600x. В настоящее время компания работает над созданием Bluetooth-ядра для встраивания в Bluetooth SoC (System-on-Chip) ASIC на основе методологии разработки Sea-of-IP. Конечной целью Philips, как и многих е╦ конкурентов, является объединение радио- и Baseband-тракта в одном кристалле и создание недорогого однокристального Bluetooth-решения.

Ericsson

Несмотря на то, что компания-родоначальник голубых технологий и на сегодня выступает в роли этакого локомотива Bluetooth-прогресса, инициатора создания союза поставщиков Bluetooth-решений (Bluetooth Solution Providers, BSP), а также производителя готовой продукции - Bluetooth-аксессуаров для сотовых телефонов - е╦ подразделения Ericsson Microelectronics и Ericsson Mobile Communications AB предлагают и собственные разработки элементов Bluetooth-устройств.

Для превращения е╦ модуля (на базе BiCMOS ASIC) трансивера PBA 313 (Spec 1.1), выполненного в корпусе CBGA34 (10,2x14,0x1,8/1,6 мм), в полноценный радиоканал, работающий в радиусе 10 м (класс 2), необходимо лишь подключение антенны и подача внешней тактовой частоты. Антенный фильтр и согласующие элементы интегрированы в керамическую LTCC подложку. Для совместной работы с модулем Ericsson предлагает использовать Baseband-контроллеры (и Firmware) фирм Qualcomm и Philips. Структура и возможности (благодаря ядру EBC, Ericsson Bluetooth Core, на базе ARM7 CPU) собственного Baseband-контроллера IrmaB HCI R1A, поставки которого ещ╦ не начались, подобны таковым у аналогичных продуктов фирмы Philips, с которой Ericsson тесно сотрудничает в рамках BSP-союза.

Законченный Bluetooth-модуль ROK 101 007 (Spec 1.1) включает в себя Baseband-контроллер, Flash-память (для Firmware) и трансивер. Модуль поддерживает передачу данных и речи. Взаимодействие с хост-контроллером осуществляется по интерфейсам USB (Spec. 1.1, в качестве slave-устройства), UART (до 460 Кбит/с), PCM, а также I2C. Основное назначение - встраивание в компьютерную периферию, переносные устройства, а также работа в точках доступа Bluetooth (Bluetooth access point). Размеры модуля - 33x17x3,65 мм.

Silicon Wave

Молодая (год создания - 1997) венчурная калифорнийская компания Silicon Wave (Сан-Диего) на сегодня в основном полностью сосредоточила свою деятельность на разработке Bluetooth-решений. Она стала одним из первых ассоциированных членов Bluetooth SIG альянса и первой предложила на рынке однокристальный Bluetooth-радиомодем (в терминологии фирмы). Е╦ интегральное семейство Odyssey на текущий момент включает радиомодем SiW1502 (корпус MLF48) с прямым преобразованием частоты, интегрированным VCO и синтезатором, обеспечивающий выходную мощность до 0 dBm (8 уровней), и линк-контроллер SiW1601 (Spec. 1.0, обеспечивается поддержка Piconet и Scatternet сетей) в корпусе CBGA108. Радиомодем может использоваться как отдельно, так и совместно с линк-контроллером (для формирования заверш╦нной Bluetooth-системы потребуется ещ╦ какой-либо стандартный микроконтроллер).

Партн╦ром Silicon Wave, предлагающим законченные Bluetooth-модули (тр╦х разновидностей, 1 и 2 классов), является мультинациональная компания Taiyo Yuden, специализирующаяся на выпуске пассивных компонентов, DC/DC и AD/DC-преобразователей. Стратегическим инвестором Silicon Wave в области Bluetooth-технологий стала известная компания Intersil, разработчик интегрального решения PRISM для популярных беспроводных (также ISM-диапазона) сетей (WLAN) стандарта IEEE 802.11b. В настоящее время обе компании объединили усилия в разработке двухрежимного (Bluetooth/IEEE 802.11b) чипсета - один из изящных способов разрешения проблемы влияния Bluetooth-устройств на эти сети за сч╦т координации процессов передачи данных в обоих стандартах.

National Semiconductor

Двухкомпонентное решение National, анонсированное и частично реализованное ещ╦ в 1999 году, не отличается высокой степенью интеграции, однако, по утверждению фирмы, достаточно апробировано и над╦жно. Косвенным подтверждением этому служит факт использования интегральных компонентов National в своих Bluetooth-продуктах датской компанией Digianswer A/S, являющейся OEM-партн╦ром гиганта Motorola по выпуску Bluetooth-аксессуаров (PC-карты для лаптопов и USB-адаптеры с поддержкой Bluetooth-обмена и др.), а также то, что беспроводной Bluetooth USB-адаптер фирмы стал первым в мире (в сентябре 2000 года) сертифицированным BSIG-устройством подобного типа.

BiCMOS ИМС трансивера LMX3162 выполнена в корпусе PQFP48 (7x7x1,4 мм) и требует наличия внешних ПАВ (SAW) и LC-фильтра ПЧ (110 МГц), а также каскадов VCO и малошумящего усилителя (LNA). Для работы в паре с LMX3162 разработан линк-контроллер LMX5001 (TQFP48), для управления которым в законченном Bluetooth-устройстве необходим LM (Link Management) контроллер или хост-процессор.

Компания не собирается покидать рынок Bluetooth-компонентов и в настоящее время находится в стадии разработки чипсета второго поколения повышенной степени интеграции (40-выводной трансивер с минимальным числом внешних элементов и 48-выводной Baseband-чип), имея конечной целью (в 4-ом поколении) создание полностью однокристального Bluetooth-решения (как планируется, в 48-выводном исполнении с размером корпуса 7x7 мм).

Разумеется, круг компаний, занятых разработкой голубых чипсетов, не ограничен вышеописанными. Без преувеличения можно сказать, что Bluetooth-кристаллами уже заняты или планируют заняться в ближайшее время почти все ведущие интегральные производители. Так, после покупки компании Butterfly VLSI Ltd, специализирующейся на разработке беспроводных систем малого радиуса действия, компания Texas Instruments к концу 2000 года предложила собственный набор из двух ИМС - BiCMOS-трансивер TRF6001 в 56-выводном корпусе Microstar BGA Junior (5x5 мм) и CMOS Baseband-контроллер BSN6030 в 80-выводном корпусе того же типа (6x6 мм) с интегрированной ROM-памятью. Ряд фирм предлагает на рынок интегрированные модули, как правило, на основе уже апробированных и сертифицированных Bluetooth-чипсетов от лидеров полупроводникового рынка (каких именно, производителями, как правило, не анонсируется). Так, компактный модуль первого поколения с очевидно расшифровываемым наименованием BTM01 (класс 2) японской компании Matsushita Electronic Components Co. Ltd (Panasonic) со встроенной EEPROM и Flash-памятью, имеет лишь выводы для подключения антенны, питания (3,3 В) и линий интерфейсов UART и PCM. Размеры модуля - 28x20x2,7 мм, вес - 2,9 г. Модуль обеспечивает поддержку сети Piconet и позиционирован для телефонии, компьютерных и бытовых приложений (цифровых камер и других).

ТУЧИ НА ГОЛУБОМ НЕБОСВОДЕ

Несмотря на красочные анимацион ные ролики и презентации на сайте группы Bluetooth SIG, расписывающие близкое беззаботно-беспроводное будущее, не вс╦ так гладко. И явление свету нового, ещ╦ вчера скандинавского, а теперь уже мирового детища, не обходится без родовых мук. Объективности ради следует коснуться некоторых проблематичных моментов.

Дороговизна чипов

Средняя стоимость Bluetooth-чипов на сегодня составляет немногим менее 30$. Для широкого распространения Bluetooth-совместимых устройств на рынке, по мнению аналитиков, необходимо е╦ снижение по крайней мере до 10√15$ (Дженифер Шмидт, Meridien Research Inc.), или даже 5$, что станет возможным лишь не ранее 2002√2003 года. Действует известный принцип замкнутого круга - снижение стоимости возможно при массовом производстве, которому необходим широкий рынок сбыта, а он не появится без снижения стоимости┘ и так далее.

Проблемы со спектром

Первая из них - сильная загруженность ISM-диапазона (2,4 ГГц), в котором уже работает бесчисленное множество устройств - от трансиверов беспроводных сетей, медицинского и научного оборудования до микроволновых печей (2450 МГц - резонансная частота молекул воды), что повышает вероятность взаимных помех. Интересно, что часто поднимается вопрос о помехах со стороны Bluetooth, а не наоборот, так как "зубастая" технология использует очень быстрый перескок по частоте, что да╦т ей преимущество в борьбе за спектр с другими беспроводными сетями и приводит к снижению их пропускной способности (за что Bluetooth прозвали "rude radio" - грубое радио). Тем не менее, в связи с наметившейся тенденцией разработки многорежимных чипов (например, IEEE 802.11b/Bluetooth), где эта проблема решается сама собой, а также в связи с прогнозируемой миграцией беспроводных сетей в 5-ГГц диапазон, вс╦ это выглядит не так уж пугающе. Другая нередко упоминаемая проблема - более узкие границы лицензируемого участка ISM-диапазона в ряде стран (Франция, Испания). Для е╦ решения планируется разработать специальную разновидность спецификации Bluetooth. Однако соответствующие ей устройства будут несовместимы с общемировым стандартом.

Несовместимость устройств разных производителей

Многие эксперты считают Bluetooth-стандарт неоправданно перегруженным профилями и спецификациями протоколов, что потребует много времени для достижения полной совместимости устройств разных производителей, если это вообще когда-либо станет возможным. Некоторые эксперты даже предсказывают провал технологии из-за этих проблем (Гален Шрек, Forrester Research). Несмотря на впечатляющее число компаний, входящих в группу BSIG, многие из них занимают выжидательную позицию, не желая рисковать до тех пор, пока вс╦ "не заработает так, как надо". Так, Microsoft (член BSIG) не включила поддержку Bluetooth ни в одну из своих текущих операционных систем и не планирует этого делать в ближайших service pack▓ах Windows 2000 и WinMe, отложив введение такой поддержки на момент разработки Windows 2002.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Хотя прогноз группы BSIG - 100 млн. поставленных Bluetooth-модулей уже к концу 2001 года - большинство экспертов склонны считать не более чем провокационным рекламным трюком, новая технология становится вс╦ более и более популярной. И другой прогноз (Cahners In-Stat) о 1,4 млрд. проданных модулей к 2005 году уже вполне может сбыться. А тучи на голубом небосводе непременно рассеются, и Bluetooth засияет во всей свой красе, избавив нас от спагетти проводов, доставшихся в наследство от старика Белла, тем более, что, по словам Кристины Бьоркхадер, маркетинг-менеджера компании Ericsson, "В Ericsson пока не видят задачи, с которой бы не смогла справиться Bluetooth".