桃之夭夭,灼灼其华之“蓝牙芯”

手机与无线通信   作者:郑小龙(《电子产品世界》编委) 时间:2021-08-17来源:电子产品世界


1   后数字信息的“蓝牙新生代”

人们现在说起“蓝牙”自然想到与之相关的各种小型化或微型无线通信产品,其实这个名字来源于10世纪曾经称霸北欧的丹麦国王Harold Bluetooth,20世纪末,其昵称被赋予一项短距离无线通信技术,即Bluetooth(蓝牙),旨在以低功率射频方式实现移动终端及3C 产品的互联互通,以便数据传输更高效、灵活、安全。其行业规范具有开放性,使用IEEE 802.15 协议,工作在2.4GHz ISM 通用频段。

20 世纪末,在获悉TI 收购Butterfly 公司时,笔者才初识蓝牙技术和芯片,之后亲历GSM 手机与蓝牙芯片的全球推广,随之参与蓝牙技术和芯片者趋之若鹜。作为数字信息时代亮点之一,蓝牙很快配备于各种数字信息产品,为全球消费者所喜闻乐见。在通用标准的支撑下,蓝牙芯片国产化进展顺利,相继涌现出众多“蓝牙公司”,其产品开始被广泛采用。面对“芯片荒”的严峻形势,国产蓝牙芯片独树一帜,逆势而升,引起我极大的兴趣。北京桃芯科技公司就是其中的后起之秀,与总经理王治平的交流回顾了蓝牙通信协议发展历程(如图1),进而畅谈国产化蓝牙芯片和行业应用动向,并展望广阔的应用前景。

蓝牙由BT0.7 起步,正式版本BT1.0A 推出才为行业接受,可视为第一代蓝牙。随着BT2.0 速率翻番,经典BT2.1+EDR(增强速率)安全且配对简易,加速了市场推广进程,是为第二代;应用领域开拓是在BT3.0+HS(高传输速率),由此进入第三代。第四代低功耗模式蓝牙BT4.0 全面开启了物联网应用,进而在BT4.1 上与蜂窝4G 网络协同发展,更以BT4.2 使多蓝牙智能设备由一个终端接入互联网,使蓝牙应用登上新的台阶,成为后信息时代的宠儿。

第五代蓝牙BT5.0 可视为新生代,是面向低功耗设备、应对物联网发展推出的全新蓝牙协议,特点为速率快、距离长、带宽大。其覆盖范围更广且速率翻了两番;低功耗模式传输速度上限为2 Mbps,是之前版本的2倍;有效工作距离达300 米,翻了两番;从BT5.0 开始引入的大广播包可增强Mesh 组网功能。而BT5.1 引入的AoA/AoD 技术能实现实际应用小于1 米精度的室内定位辅助功能,让蓝牙这个历史悠久的连接方式在物联网时代焕发出勃勃生机,从消费类的“红海”进入到专业和工业类的“蓝海”。

1629182144309174.png

2   国产化芯片的“蓝牙弄潮儿”

蓝牙芯片从数字信息时代到物联网时代都占据着重要地位,由国际知名厂商引领,国内公司跟进做国产化替代的模式业已形成。然而,第五代蓝牙BT5.0 所面临的国产化挑战巨大,首先来自蓝牙协议栈通信技术。知识产权IP 是所有关键技术和单片系统(SoC)产品的基础,如果要摆脱外部制约和自主发展,就需要拥有自主全栈协议栈,以确保为客户提供富有竞争力的产品特性和及时高效的售后服务,有效缩短客户的开发周期并降低开发成本。其次,挑战来自蓝牙低功耗处理和射频实现。低端蓝牙芯片只有收发器,而高端集成微控制器(MCU)与BT5.0 的SoC 已成为物联网终端处理器,需要尽可能降低功耗,不仅对处理器和存储单元,也对蓝牙射频技术方案提出了更高的要求。

桃芯科技将这些挑战转化成机遇,在国内率先推出拥有自主知识产权的BT5.0 芯片,继而推出BT5.1 芯片,力求改变由国际知名蓝牙厂商垄断中高端市场的局面,所具有的3 项蓝牙核心技术是获得胜算的关键:

1)国内首个完全自主的BT5.1 协议栈,包括底层协议LINK Controller IP 软硬件技术、高层协议Host Controller IP 软件技术和应用层协议。完整协议栈支持体现在支持全规格AoA/AoD 精确定位、LR、2Mbps、AdvExt、Mesh 自组网特性及全规格、全功能、高优化、可定制。

2) 类M3 核心MCU 区域独立电源和自动切换技术及DPVFS 动态电源/ 电压/时钟控制,有8 种节能模式和16 种工作模式。采用40nm ULP eFlash 先进工艺,内置Flash,缩小了硅片的面积,确保芯片功耗极低。

3)采用国际领先的RF 解决方案,灵敏度/ 功耗/ 面积均处于业界领先水平。桃芯科技自主研发的超低功耗芯片蓝牙ING918xx 系列,对标当前业界同类别最高规格的BT5.0/5.1 芯片,实测数据如表1 所示。

表1

1629182263441071.png

ING918xx 系列芯片的SDK 友好开放, 支持跨IDE、跨语言、跨操作系统(OS)平台,集成诸多蓝牙软件方案的参考代码,同时也有系列常用硬件解决方案供用户参考,还提供功能齐全的量产工具。

桃芯科技是首个在泰尔实验室实现完整认证BLE5.1 Link-PHY-RF 子系统的国内企业,其产品性能领先业内同类主流芯片公司(如图2),并已申报16项知识产权,其蓝牙5.1 SoC 芯片是目前国内唯一通过蓝牙官方组织认证的产品。为了更好地适应各种应用的差异性,桃芯科技的芯片力求全面,蓝牙特性的认证条目数多达280 项,行业内最多,比国际知名厂商高出100 项。

1629182327429981.png

3   物联网新潮的“蓝牙狂想曲”

蓝牙芯片的发展路线无外乎两条,其一是单纯蓝牙收发器,面向低端应用,属于消费类经典应用,包括低端音频类产品等;BLE 新型应用是蓝牙遥控、无线鼠标键盘以及蓝牙无线透传等。这类应用有海量市场而价格超低,对性能要求不高,技术含量有限。其二是在蓝牙收发器基础上集成MCU,面向中高端应用,追求高性能和高可靠性,此为桃芯科技重点,起步就是BT5.0 的SoC 芯片。这属于智能应用,包括以低功耗蓝牙协议为无线连接技术的物联网终端。桃芯科技消费级芯片面向大规模组网、智能家居设备、Beacon、运动相机、可穿戴设备、无人机等;其工业级芯片利用更高端工艺,内置Flash 和更友好的功耗管理,传输速率更高,距离更远,功耗更低。由此,其主打重点市场扩展为工业和泛工业组网类,例如智能电网、智能汽车、医疗电子、智慧楼宇,并拓展到智慧工农业领域等。据权威预测,未来低功耗蓝牙市场每年增长为20% 到30%。

为满足更多场景应用需要,蓝牙协议的迭代向来比较活跃。桃芯科技的与众不同在于所有蓝牙的底层协议完全自主开发,这样就可以提供更多更好的特性,比如提高连接数和吞吐率,还有极低的延时等。例如,多达24 条连接达到2M 吞吐率极限值,协议规定最小7.5 ms的连接延时,桃芯可以做到2.5 ms,另外还有很多定制化应用获得支持,扩展协议的适用性。桃芯科技芯片所展现的蓝牙特性在行业应用上最为突出,这样的“蓝牙”因此而“特别蓝”!

王治平指出,2021 年是AoA/AoD 蓝牙5.1 室内精确定位元年。中国移动2020 年的《室内定位白皮书》对室内定位不同技术方案比较,如表2 所示。

1629182478318258.png

由此可见,BT5.1 与多种技术方案相比其优势不仅在技术本身,而且在经济效益上尤为明显。室内定位是利用室内微基站对室内无线设备进行准确定位的技术,该系统包括微基站及位置计算后台以及被定位设备,目前已广泛应用于各行各业,实现定位、寻物、监控、导航等功能。相信在不久的将来,室外导航与室内导航将实现无缝连接。蓝牙5.1 室内定位原理及部分应用场景如图3 所示。

1629182587468094.png

根据市场分析,全球室内定位市场规模预计将从2017 年的70 亿美元增长到2022 年的400 亿美元,年复合增长率为42%;根据蓝牙官方的预计,2024 年蓝牙定位芯片出货量将达5 亿颗。其应用场景包括各类工厂、仓库、隧道、地铁、机场、酒店、办公楼、养老院、医院、博物馆、看守所等。室内定位应用的核心问题在于定位精度和成本及标准化的前后台系统。在中国市场,伴随蓝牙市场的蓬勃发展,将有更大爆发增长空间。桃芯科技的名称源于中华古典名篇《诗经》中优美的诗句“逃之夭夭、灼灼其华”,以创业公司身份不断创新,为芯片行业添加水果成分,以彰显情怀。既然蓝牙通信是一片浩瀚的蓝色海洋,不禁联想起著名作曲家格什温的名作《蓝色狂想曲》,这首交响曲不也应和着数字信息领域的“蓝牙狂想曲”,伴随蓝色波涛的汹涌澎湃,让人们尽情享用蓝牙无线通信所奉献的高科技成果!

(本文来源于《电子产品世界》杂志2021年8月期)

关键词: 202108 蓝牙 芯片

加入微信
获取电子行业最新资讯
搜索微信公众号:电子产品世界

或用微信扫描左侧二维码

相关文章


用户评论

请文明上网,做现代文明人
验证码:
查看电脑版