從紅外線轉進RF趨勢成形 射頻技術讓遙控器更自由

2008-07-15
隨著高畫質時代的來臨,大畫面化、機身薄型化是液晶、電漿等平面電視製造商們競爭角逐的重心。而身兼重任的遙控器所擔當的操作角色變得更加重要。過去,遙控器不過是一個不起眼的小產品,絕大多數僅使用紅外線,如今這個生態已經改變,有不少影音設備開始導入射頻遙控器。
長期以來,紅外線一直是電視遙控器的主流。但使用無線電射頻(RF)的遙控器最近急速地增加。舉例來看,日商新力(Sony)於2007年所推出的Bravia全系列十五個機種中,就有十三個機種採用了無線電射頻遙控器(圖1)。這類使用無線電射頻的遙控器在使用時不見得要直接面對電視,擺在桌子上也可以順利操作。值得注意的是,這些新型遙控器採用的是遵循IEEE 802.15.4協定,亦即ZigBee的射頻IC。

圖1 Sony於2007年推出的無線電射頻遙控器RMF-JD004

如果從機器操作的自由度、雙向通訊還有產品設計的彈性來說,無線電射頻遙控器遠勝紅外線。但由於成本與功耗的考量,過去的電視遙控器卻幾乎沒有使用無線電射頻技術的產品。但現在電視製造商有以下幾個理由可以將這些新的射頻技術導入至其搖控器設計中。
理由之一
  客廳使用電視的型態起了變化。大螢幕平面電視的使用型態彈性大,可以懸吊、可以搭配裝潢與牆壁搭配、也可以如同過去陰極射線管(CRT)的時代擺在家具上。整個影音視聽(AV)設備的配置比起以往有了更多彈性。以往錄影機等AV設備是圍繞在電視機的周圍來設置的,但在電視薄型化之後,AV設備不見得一定要安裝在電視機周圍。此外,由於紅外線遙控器與電視端接收器的角度必須正負三十度內才能正常運作,在螢幕尺寸加大之後,導致使用者有時會發現遙控器不太能正常運作。
為了解決接收角度的問題,有些廠商乾脆在電視端受光部位設置二至三個,遙控器也採用兩個發光元件,避免消費者使用上的困擾,但無線電波的無指向性特徵仍是比較好的解決之道。
理由之二
  像Wii這類在遙控器(圖2)內建角速度感應器或接觸感應器,並允許使用者以揮舞、旋轉等方式來使用的產品,以紅外線來傳輸訊號是不可行的。

圖2 Wii的遙控器
理由之三
  無線滑鼠、無線鍵盤的容易使用,吸引了消費者的使用意願。在網路電視逐漸普及,且個人電腦(PC)也開始走入客廳之際,以射頻作為輸入裝置與主機間的連接技術將變得更為普遍,例如夏普(Sharp)於2007年春季推出結合PC與電視的Internet AQUOS(圖3),即是採用了射頻遙控器。

圖3 Internet AQUOS
理由之四
  射頻遙控器所使用無線收發器特性急速地改善。特別是超低功率的元件開始出現在市面上,乃是最大的影響。目前許多射頻收發器的待機電流,僅有數微安培(μA)的水準,是傳統的十分之一。而按鍵之後,訊號傳到電視端的遲延時間(Latency)也大幅改善,低於100毫秒以內。

以新力新推出的射頻遙控器RMF-JD004為例,其用電量比紅外線還要省,因此,不用兩顆三號電池,改用更小型的四號電池。遙控器的厚度就可以設計得更薄。 在這些潮流的變化之下,射頻遙控器開始在市場上嶄露頭角乃是因緣必然的結果。不過,實現的原動力可以說是世界中可以利用2.4GHz頻帶IC的高度普及化。  

由於無指向性以及雙方向通信的特點,使得產品設計更富魅力。就如同無線電話機一般,電視機也可以送出訊號來找到遙控器的位置。  

儘管射頻遙控器有這麼多的優勢,要全面取代紅外線也不是短時間可以辦到的事。最大的課題還是在材料元件的成本須要進一步降低。元件的整合是一條路,或有其他突破性方案,就看半導體業者怎麼走。  

如果單從技術的面向來觀察,射頻遙控器可以運用的無線介面技術還蠻多的,除了眾所皆知的藍牙、ZigBee之外,還有2.4GHz特定低功率無線、315MHz頻帶微弱無線等等。然而,對於遙控器設計來講,這些近距離無線通訊方式最大的瓶頸,就在於要能在電池壽命上和紅外線媲美,亦即必須讓使用者在半年到一年時間內不必更換電池。而針對感應器網路、大樓/工廠的照明、空調等,而制定的ZigBee,就是以電池1~2年使用時間為目標。最近推出的產品,其睡眠模式的消耗電流僅有數微安培。以新力的新產品為例,就是採用了實體(PHY)層/媒體存取控制(MAC)層皆符合ZigBee規格的IEEE 802.15.4標準收發器。  

有的半導體業者將ZigBee送收IC以系統級封裝(SiP)的方式將微控制器封裝在一起,將ZigBee網路層以上的規範完全省略,而獨自開發特定的協定堆疊,免費提供了命令群給客戶,如此一來,即使非通訊的專門業者,也很容易開發出產品。  

而在手機大獲全勝的藍牙也覬覦這個龐大的市場。2007年6月,諾基亞(Nokia)開發藍牙的超低功率版Wibree,並在同年7月將實現超低功耗的相關規格正式納入藍牙2.1版+EDR(Enhanced Data Rate)。藍牙2.1版+EDR並追加了無線滑鼠,無線鍵盤等HID裝置的超低功耗規格(Sniff Subrating),而簡化配對(Simple Pairing)規格的出現,則使裝置間更容易配對,使用起來更加簡便。  

藍牙2.1版+EDR僅對MAC層控制訊號的協定做出改變,使其深層睡眠模式(Deep Sleeping)的消耗電流約10微安培前後,與802.15.4差異並不大。值得注意的是,在藍牙2.1版+EDR之外,另外有一種藍牙超低功耗(Ultra Low Power, ULP)技術可以實現更低功耗的藍牙連接。這種技術改變了實體層的規格,比如說挪威商Nordic開發的Shock Burst模式,以Frequency Agility電波干擾迴避技術取代跳頻的方式,線路的消耗電力約是四分之一。再配合MAC層的變更,藍牙ULP的平均消耗電力,可以是傳統藍牙的十分之一以下。  

資訊產業總是這樣,當有一個影子的時候,大家就開始探討下一代射頻遙控器的遠景,大談附加價值。於是家庭自動化(Home Automation)的願景又成為ZigBee與藍牙兩大陣營的目標,並各自制定新的應用設定(Profile)(表1)。

表1 藍牙與ZigBee策定中的新應用設定
無線方式 應用設定或應用領域 概要
藍牙 自動化 工業自動化
人機介面 針對遙控器、無線滑鼠、無線鍵盤
醫療應用 如血壓監視器等醫療用機器
遠端顯示 如可以與對方通話號碼之計時表示,如STB等操作畫面顯示在手機
超低功耗 超低消耗電力,實體層有一部分變更
ZigBee 大樓自動化 電燈開關、空調開關等大樓自動化應用
先進量表基礎設施 電力計量的自動讀取
個人家用與醫療應用 家庭內各種家電或是康健儀器的控制

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