WiFi目前已經(jīng)發(fā)展為一種非常普遍的技術(shù)，也是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）互聯(lián)的主要方式。然而WiFi面臨的主要問題是對于功耗的要求非常嚴(yán)格，Imagination推出的Ensigma 'Whipser' 低功耗WiFi IP橫空出世，能夠?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)和其他電池操作的設(shè)備提供完美的超低功耗解決方案。本篇文章我們與大家分享使用'Whisper' WiFi IP核來定制化芯片并且測量實(shí)際的功耗，測量系統(tǒng)功耗能夠幫助我們確定最終產(chǎn)品的電池壽命。

測試環(huán)境搭建

我們的測量環(huán)境使用的是泰克科技（Techtronix）TDS 784D示波器和TCP202電流探針，對于低電流的測量我們使用的是一個(gè)數(shù)字萬用表（Metrix MX56）。處于互連待機(jī)模式下電流的測量是將待測設(shè)備（DUT）與TP-Link AC750路由器連接，所有的電流測量都是經(jīng)過通道1（Channel 1）,通道模式處于混合模式（802.11 b/g/n），頻率帶寬20MHz，不啟用加密。該測試環(huán)境既可以用于活躍狀態(tài)（發(fā)送和接收）也可用于非活躍狀態(tài)（睡眠模式）下的功耗測量。

圖1：搭建測試環(huán)境和測量儀器

電源域分區(qū)

'Whisper' 無線電處理單元（RPU）具有多個(gè)電源分區(qū)，面向不同的功能模塊提供電源，同時(shí)還設(shè)計(jì)了睡眠控制器，盡可能在最短的時(shí)間內(nèi)為每一個(gè)電源分區(qū)提供電源，同時(shí)在最短的時(shí)間內(nèi)切斷電源。電源分區(qū)主要包括以下幾個(gè)：3.3V用于功放（PA），1.6V用于射頻信號（RF）,1.1V用于數(shù)字模塊。我們分別對每個(gè)電源分區(qū)進(jìn)行的功耗測量。

圖2：'Whisper'無線電處理單元（RPU）的電源分區(qū)設(shè)計(jì)

圖3：'Whisper'無線電處理單元（RPU）睡眠控制器設(shè)計(jì)

3.3V功放（PA）模塊的功耗

功放模塊的功耗測量分為兩類：最高輸出功率（最低數(shù)據(jù)速率）和最低輸出功率（最高數(shù)據(jù)速率），如下圖所示。從圖片中我們可以看出發(fā)射輸出功率在10.5dBm時(shí)的電流值為98mA，相應(yīng)地功率在17.5dBm時(shí)的電流為136mA。功放模塊是發(fā)射通路的主要功耗，'Whisper'架構(gòu)主要就是降低每個(gè)模塊（包括功放）的功耗。

圖4：802.11n MCS7信號@10.5dBm的傳輸過程

圖5：802.11b 1Mbps信號@17.5dBm的傳輸過程

1.8V射頻（RF）模塊功耗

射頻模塊的功耗分別測量了發(fā)射通路和接收通路，如下圖所示。從圖中我們可以看出，接收鏈路的功耗電流是29mA，發(fā)射鏈路的功耗電流是59mA，接收功耗是互連待機(jī)狀態(tài)下功耗的關(guān)鍵參數(shù)，'Whisper' IP核對于接收鏈路的功耗進(jìn)行了具體的優(yōu)化。

圖6：802.11 n MCS7信號的接收

圖7:802.11 n MCS7信號的發(fā)射

1.1V電源分區(qū)的功耗

數(shù)字化分區(qū)同樣也測量了發(fā)射和接收鏈路的功耗情況，如下方圖片所示。在這種模式下，接收鏈路的電流為16mA,發(fā)射鏈路的電流為13mA。通過基帶的創(chuàng)新算法和門功率的控制的結(jié)合對數(shù)字化分區(qū)的功耗進(jìn)行了全面的優(yōu)化。

圖8：802.11n MCS7信號的接收與發(fā)送

當(dāng)前狀態(tài)下的功耗總結(jié)

對于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備來說功耗的關(guān)鍵指標(biāo)就是接收狀態(tài)下的功耗，詳情如下方表格所示。在活躍模式下'Whisper'內(nèi)核接收功耗為64mW，通過對大部分類似設(shè)備的測試以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可以公平的指出在大多數(shù)情況下'Whisper'內(nèi)核的接收功耗表現(xiàn)更好——在大部分情況下約為50%。

表1：功耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

應(yīng)用能耗計(jì)算實(shí)例：

對于間歇性工作狀態(tài)的設(shè)備比如煙霧警報(bào)傳感器，該設(shè)備會在每隔一段時(shí)間就會激活與服務(wù)器（或接入點(diǎn)）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。主要涉及兩種工作狀態(tài)：靜態(tài)功耗（睡眠模式）和激活功耗（這個(gè)狀態(tài)下RF收發(fā)器的各個(gè)子模塊都需要消耗功率并且接收數(shù)據(jù)）。

這個(gè)場景下互連待機(jī)狀態(tài)下功耗計(jì)算如下：

功耗 = 29mA*33ms + 0.5mA*(304-33)ms = 1.1mC
在一小時(shí)內(nèi)，如果這個(gè)設(shè)備每隔兩分鐘激活一次（一小時(shí)也就是30次），那么總的功耗計(jì)算就是 = 1.1 * 30mAs。
對于一個(gè)電池容量為1000mAH的電源來講，那么它的壽命為 = (1000 mAh/33(mAs))/24 小時(shí) = 12.45 年

總結(jié)

通過上文的測試分析，Ensigma 'Whisper'低功耗WiFi IP核消耗的功率大約是相似設(shè)備功耗的一半，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用理想的解決方案，具有低成本、低功耗和可靠的性能等關(guān)鍵特性。