桃之夭夭，灼灼其華之“藍(lán)牙芯”

1   后數(shù)字信息的“藍(lán)牙新生代”

人們現(xiàn)在說起“藍(lán)牙”自然想到與之相關(guān)的各種小型化或微型無線通信產(chǎn)品，其實(shí)這個(gè)名字來源于10世紀(jì)曾經(jīng)稱霸北歐的丹麥國(guó)王Harold Bluetooth，20世紀(jì)末，其昵稱被賦予一項(xiàng)短距離無線通信技術(shù)，即Bluetooth（藍(lán)牙），旨在以低功率射頻方式實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端及3C 產(chǎn)品的互聯(lián)互通，以便數(shù)據(jù)傳輸更高效、靈活、安全。其行業(yè)規(guī)范具有開放性，使用IEEE 802.15 協(xié)議，工作在2.4GHz ISM 通用頻段。

20 世紀(jì)末，在獲悉TI 收購(gòu)Butterfly 公司時(shí)，筆者才初識(shí)藍(lán)牙技術(shù)和芯片，之后親歷GSM 手機(jī)與藍(lán)牙芯片的全球推廣，隨之參與藍(lán)牙技術(shù)和芯片者趨之若鶩。作為數(shù)字信息時(shí)代亮點(diǎn)之一，藍(lán)牙很快配備于各種數(shù)字信息產(chǎn)品，為全球消費(fèi)者所喜聞樂見。在通用標(biāo)準(zhǔn)的支撐下，藍(lán)牙芯片國(guó)產(chǎn)化進(jìn)展順利，相繼涌現(xiàn)出眾多“藍(lán)牙公司”，其產(chǎn)品開始被廣泛采用。面對(duì)“芯片荒”的嚴(yán)峻形勢(shì)，國(guó)產(chǎn)藍(lán)牙芯片獨(dú)樹一幟，逆勢(shì)而升，引起我極大的興趣。北京桃芯科技公司就是其中的后起之秀，與總經(jīng)理王治平的交流回顧了藍(lán)牙通信協(xié)議發(fā)展歷程（如圖1），進(jìn)而暢談國(guó)產(chǎn)化藍(lán)牙芯片和行業(yè)應(yīng)用動(dòng)向，并展望廣闊的應(yīng)用前景。

藍(lán)牙由BT0.7 起步，正式版本BT1.0A 推出才為行業(yè)接受，可視為第一代藍(lán)牙。隨著BT2.0 速率翻番，經(jīng)典BT2.1+EDR（增強(qiáng)速率）安全且配對(duì)簡(jiǎn)易，加速了市場(chǎng)推廣進(jìn)程，是為第二代；應(yīng)用領(lǐng)域開拓是在BT3.0+HS（高傳輸速率），由此進(jìn)入第三代。第四代低功耗模式藍(lán)牙BT4.0 全面開啟了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，進(jìn)而在BT4.1 上與蜂窩4G 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同發(fā)展，更以BT4.2 使多藍(lán)牙智能設(shè)備由一個(gè)終端接入互聯(lián)網(wǎng)，使藍(lán)牙應(yīng)用登上新的臺(tái)階，成為后信息時(shí)代的寵兒。

第五代藍(lán)牙BT5.0 可視為新生代，是面向低功耗設(shè)備、應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展推出的全新藍(lán)牙協(xié)議，特點(diǎn)為速率快、距離長(zhǎng)、帶寬大。其覆蓋范圍更廣且速率翻了兩番；低功耗模式傳輸速度上限為2 Mbps，是之前版本的2倍；有效工作距離達(dá)300 米，翻了兩番；從BT5.0 開始引入的大廣播包可增強(qiáng)Mesh 組網(wǎng)功能。而BT5.1 引入的AoA/AoD 技術(shù)能實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用小于1 米精度的室內(nèi)定位輔助功能，讓藍(lán)牙這個(gè)歷史悠久的連接方式在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代煥發(fā)出勃勃生機(jī)，從消費(fèi)類的“紅?！边M(jìn)入到專業(yè)和工業(yè)類的“藍(lán)海”。

2   國(guó)產(chǎn)化芯片的“藍(lán)牙弄潮兒”

藍(lán)牙芯片從數(shù)字信息時(shí)代到物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代都占據(jù)著重要地位，由國(guó)際知名廠商引領(lǐng)，國(guó)內(nèi)公司跟進(jìn)做國(guó)產(chǎn)化替代的模式業(yè)已形成。然而，第五代藍(lán)牙BT5.0 所面臨的國(guó)產(chǎn)化挑戰(zhàn)巨大，首先來自藍(lán)牙協(xié)議棧通信技術(shù)。知識(shí)產(chǎn)權(quán)IP 是所有關(guān)鍵技術(shù)和單片系統(tǒng)（SoC）產(chǎn)品的基礎(chǔ)，如果要擺脫外部制約和自主發(fā)展，就需要擁有自主全棧協(xié)議棧，以確保為客戶提供富有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品特性和及時(shí)高效的售后服務(wù)，有效縮短客戶的開發(fā)周期并降低開發(fā)成本。其次，挑戰(zhàn)來自藍(lán)牙低功耗處理和射頻實(shí)現(xiàn)。低端藍(lán)牙芯片只有收發(fā)器，而高端集成微控制器（MCU）與BT5.0 的SoC 已成為物聯(lián)網(wǎng)終端處理器，需要盡可能降低功耗，不僅對(duì)處理器和存儲(chǔ)單元，也對(duì)藍(lán)牙射頻技術(shù)方案提出了更高的要求。

桃芯科技將這些挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)化成機(jī)遇，在國(guó)內(nèi)率先推出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的BT5.0 芯片，繼而推出BT5.1 芯片，力求改變由國(guó)際知名藍(lán)牙廠商壟斷中高端市場(chǎng)的局面，所具有的3 項(xiàng)藍(lán)牙核心技術(shù)是獲得勝算的關(guān)鍵：

1）國(guó)內(nèi)首個(gè)完全自主的BT5.1 協(xié)議棧，包括底層協(xié)議LINK Controller IP 軟硬件技術(shù)、高層協(xié)議Host Controller IP 軟件技術(shù)和應(yīng)用層協(xié)議。完整協(xié)議棧支持體現(xiàn)在支持全規(guī)格AoA/AoD 精確定位、LR、2Mbps、AdvExt、Mesh 自組網(wǎng)特性及全規(guī)格、全功能、高優(yōu)化、可定制。

2） 類M3 核心MCU 區(qū)域獨(dú)立電源和自動(dòng)切換技術(shù)及DPVFS 動(dòng)態(tài)電源/ 電壓/時(shí)鐘控制，有8 種節(jié)能模式和16 種工作模式。采用40nm ULP eFlash 先進(jìn)工藝，內(nèi)置Flash，縮小了硅片的面積，確保芯片功耗極低。

3）采用國(guó)際領(lǐng)先的RF 解決方案，靈敏度/ 功耗/ 面積均處于業(yè)界領(lǐng)先水平。桃芯科技自主研發(fā)的超低功耗芯片藍(lán)牙ING918xx 系列，對(duì)標(biāo)當(dāng)前業(yè)界同類別最高規(guī)格的BT5.0/5.1 芯片，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1

ING918xx 系列芯片的SDK 友好開放， 支持跨IDE、跨語(yǔ)言、跨操作系統(tǒng)（OS）平臺(tái)，集成諸多藍(lán)牙軟件方案的參考代碼，同時(shí)也有系列常用硬件解決方案供用戶參考，還提供功能齊全的量產(chǎn)工具。

桃芯科技是首個(gè)在泰爾實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)完整認(rèn)證BLE5.1 Link-PHY-RF 子系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)企業(yè)，其產(chǎn)品性能領(lǐng)先業(yè)內(nèi)同類主流芯片公司（如圖2），并已申報(bào)16項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，其藍(lán)牙5.1 SoC 芯片是目前國(guó)內(nèi)唯一通過藍(lán)牙官方組織認(rèn)證的產(chǎn)品。為了更好地適應(yīng)各種應(yīng)用的差異性，桃芯科技的芯片力求全面，藍(lán)牙特性的認(rèn)證條目數(shù)多達(dá)280 項(xiàng)，行業(yè)內(nèi)最多，比國(guó)際知名廠商高出100 項(xiàng)。

3   物聯(lián)網(wǎng)新潮的“藍(lán)牙狂想曲”

藍(lán)牙芯片的發(fā)展路線無外乎兩條，其一是單純藍(lán)牙收發(fā)器，面向低端應(yīng)用，屬于消費(fèi)類經(jīng)典應(yīng)用，包括低端音頻類產(chǎn)品等；BLE 新型應(yīng)用是藍(lán)牙遙控、無線鼠標(biāo)鍵盤以及藍(lán)牙無線透?jìng)鞯?。這類應(yīng)用有海量市場(chǎng)而價(jià)格超低，對(duì)性能要求不高，技術(shù)含量有限。其二是在藍(lán)牙收發(fā)器基礎(chǔ)上集成MCU，面向中高端應(yīng)用，追求高性能和高可靠性，此為桃芯科技重點(diǎn)，起步就是BT5.0 的SoC 芯片。這屬于智能應(yīng)用，包括以低功耗藍(lán)牙協(xié)議為無線連接技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)終端。桃芯科技消費(fèi)級(jí)芯片面向大規(guī)模組網(wǎng)、智能家居設(shè)備、Beacon、運(yùn)動(dòng)相機(jī)、可穿戴設(shè)備、無人機(jī)等；其工業(yè)級(jí)芯片利用更高端工藝，內(nèi)置Flash 和更友好的功耗管理，傳輸速率更高，距離更遠(yuǎn)，功耗更低。由此，其主打重點(diǎn)市場(chǎng)擴(kuò)展為工業(yè)和泛工業(yè)組網(wǎng)類，例如智能電網(wǎng)、智能汽車、醫(yī)療電子、智慧樓宇，并拓展到智慧工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域等。據(jù)權(quán)威預(yù)測(cè)，未來低功耗藍(lán)牙市場(chǎng)每年增長(zhǎng)為20% 到30%。

為滿足更多場(chǎng)景應(yīng)用需要，藍(lán)牙協(xié)議的迭代向來比較活躍。桃芯科技的與眾不同在于所有藍(lán)牙的底層協(xié)議完全自主開發(fā)，這樣就可以提供更多更好的特性，比如提高連接數(shù)和吞吐率，還有極低的延時(shí)等。例如，多達(dá)24 條連接達(dá)到2M 吞吐率極限值，協(xié)議規(guī)定最小7.5 ms的連接延時(shí)，桃芯可以做到2.5 ms，另外還有很多定制化應(yīng)用獲得支持，擴(kuò)展協(xié)議的適用性。桃芯科技芯片所展現(xiàn)的藍(lán)牙特性在行業(yè)應(yīng)用上最為突出，這樣的“藍(lán)牙”因此而“特別藍(lán)”！

王治平指出，2021 年是AoA/AoD 藍(lán)牙5.1 室內(nèi)精確定位元年。中國(guó)移動(dòng)2020 年的《室內(nèi)定位白皮書》對(duì)室內(nèi)定位不同技術(shù)方案比較，如表2 所示。

由此可見，BT5.1 與多種技術(shù)方案相比其優(yōu)勢(shì)不僅在技術(shù)本身，而且在經(jīng)濟(jì)效益上尤為明顯。室內(nèi)定位是利用室內(nèi)微基站對(duì)室內(nèi)無線設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確定位的技術(shù)，該系統(tǒng)包括微基站及位置計(jì)算后臺(tái)以及被定位設(shè)備，目前已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，實(shí)現(xiàn)定位、尋物、監(jiān)控、導(dǎo)航等功能。相信在不久的將來，室外導(dǎo)航與室內(nèi)導(dǎo)航將實(shí)現(xiàn)無縫連接。藍(lán)牙5.1 室內(nèi)定位原理及部分應(yīng)用場(chǎng)景如圖3 所示。

根據(jù)市場(chǎng)分析，全球室內(nèi)定位市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2017 年的70 億美元增長(zhǎng)到2022 年的400 億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為42%；根據(jù)藍(lán)牙官方的預(yù)計(jì)，2024 年藍(lán)牙定位芯片出貨量將達(dá)5 億顆。其應(yīng)用場(chǎng)景包括各類工廠、倉(cāng)庫(kù)、隧道、地鐵、機(jī)場(chǎng)、酒店、辦公樓、養(yǎng)老院、醫(yī)院、博物館、看守所等。室內(nèi)定位應(yīng)用的核心問題在于定位精度和成本及標(biāo)準(zhǔn)化的前后臺(tái)系統(tǒng)。在中國(guó)市場(chǎng)，伴隨藍(lán)牙市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，將有更大爆發(fā)增長(zhǎng)空間。桃芯科技的名稱源于中華古典名篇《詩(shī)經(jīng)》中優(yōu)美的詩(shī)句“逃之夭夭、灼灼其華”，以創(chuàng)業(yè)公司身份不斷創(chuàng)新，為芯片行業(yè)添加水果成分，以彰顯情懷。既然藍(lán)牙通信是一片浩瀚的藍(lán)色海洋，不禁聯(lián)想起著名作曲家格什溫的名作《藍(lán)色狂想曲》，這首交響曲不也應(yīng)和著數(shù)字信息領(lǐng)域的“藍(lán)牙狂想曲”，伴隨藍(lán)色波濤的洶涌澎湃，讓人們盡情享用藍(lán)牙無線通信所奉獻(xiàn)的高科技成果！

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期）