桃之夭夭，灼灼其華之“藍牙芯”

1   后數(shù)字信息的“藍牙新生代”

人們現(xiàn)在說起“藍牙”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，其實這個名字來源于10世紀曾經(jīng)稱霸北歐的丹麥國王Harold Bluetooth，20世紀末，其昵稱被賦予一項短距離無線通信技術(shù)，即Bluetooth（藍牙），旨在以低功率射頻方式實現(xiàn)移動終端及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 世紀末，在獲悉TI 收購Butterfly 公司時，筆者才初識藍牙技術(shù)和芯片，之后親歷GSM 手機與藍牙芯片的全球推廣，隨之參與藍牙技術(shù)和芯片者趨之若鶩。作為數(shù)字信息時代亮點之一，藍牙很快配備于各種數(shù)字信息產(chǎn)品，為全球消費者所喜聞樂見。在通用標準的支撐下，藍牙芯片國產(chǎn)化進展順利，相繼涌現(xiàn)出眾多“藍牙公司”，其產(chǎn)品開始被廣泛采用。面對“芯片荒”的嚴峻形勢，國產(chǎn)藍牙芯片獨樹一幟，逆勢而升，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牙通信協(xié)議發(fā)展歷程（如圖1），進而暢談國產(chǎn)化藍牙芯片和行業(yè)應用動向，并展望廣闊的應用前景。

藍牙由BT0.7 起步，正式版本BT1.0A 推出才為行業(yè)接受，可視為第一代藍牙。隨著BT2.0 速率翻番，經(jīng)典BT2.1+EDR（增強速率）安全且配對簡易，加速了市場推廣進程，是為第二代；應用領域開拓是在BT3.0+HS（高傳輸速率），由此進入第三代。第四代低功耗模式藍牙BT4.0 全面開啟了物聯(lián)網(wǎng)應用，進而在BT4.1 上與蜂窩4G 網(wǎng)絡協(xié)同發(fā)展，更以BT4.2 使多藍牙智能設備由一個終端接入互聯(lián)網(wǎng)，使藍牙應用登上新的臺階，成為后信息時代的寵兒。

第五代藍牙BT5.0 可視為新生代，是面向低功耗設備、應對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展推出的全新藍牙協(xié)議，特點為速率快、距離長、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300 米，翻了兩番；從BT5.0 開始引入的大廣播包可增強Mesh 組網(wǎng)功能。而BT5.1 引入的AoA/AoD 技術(shù)能實現(xiàn)實際應用小于1 米精度的室內(nèi)定位輔助功能，讓藍牙這個歷史悠久的連接方式在物聯(lián)網(wǎng)時代煥發(fā)出勃勃生機，從消費類的“紅?！边M入到專業(yè)和工業(yè)類的“藍?！?。

2   國產(chǎn)化芯片的“藍牙弄潮兒”

藍牙芯片從數(shù)字信息時代到物聯(lián)網(wǎng)時代都占據(jù)著重要地位，由國際知名廠商引領，國內(nèi)公司跟進做國產(chǎn)化替代的模式業(yè)已形成。然而，第五代藍牙BT5.0 所面臨的國產(chǎn)化挑戰(zhàn)巨大，首先來自藍牙協(xié)議棧通信技術(shù)。知識產(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，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爭力的產(chǎn)品特性和及時高效的售后服務，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)來自藍牙低功耗處理和射頻實現(xiàn)。低端藍牙芯片只有收發(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，不僅對處理器和存儲單元，也對藍牙射頻技術(shù)方案提出了更高的要求。

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

1）國內(nèi)首個完全自主的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)域獨立電源和自動切換技術(shù)及DPVFS 動態(tài)電源/ 電壓/時鐘控制，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）采用國際領先的RF 解決方案，靈敏度/ 功耗/ 面積均處于業(yè)界領先水平。桃芯科技自主研發(fā)的超低功耗芯片藍牙ING918xx 系列，對標當前業(yè)界同類別最高規(guī)格的BT5.0/5.1 芯片，實測數(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、跨語言、跨操作系統(tǒng)（OS）平臺，集成諸多藍牙軟件方案的參考代碼，同時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。

桃芯科技是首個在泰爾實驗室實現(xiàn)完整認證BLE5.1 Link-PHY-RF 子系統(tǒng)的國內(nèi)企業(yè)，其產(chǎn)品性能領先業(yè)內(nèi)同類主流芯片公司（如圖2），并已申報16項知識產(chǎn)權(quán)，其藍牙5.1 SoC 芯片是目前國內(nèi)唯一通過藍牙官方組織認證的產(chǎn)品。為了更好地適應各種應用的差異性，桃芯科技的芯片力求全面，藍牙特性的認證條目數(shù)多達280 項，行業(yè)內(nèi)最多，比國際知名廠商高出100 項。

3   物聯(lián)網(wǎng)新潮的“藍牙狂想曲”

藍牙芯片的發(fā)展路線無外乎兩條，其一是單純藍牙收發(fā)器，面向低端應用，屬于消費類經(jīng)典應用，包括低端音頻類產(chǎn)品等；BLE 新型應用是藍牙遙控、無線鼠標鍵盤以及藍牙無線透傳等。這類應用有海量市場而價格超低，對性能要求不高，技術(shù)含量有限。其二是在藍牙收發(fā)器基礎上集成MCU，面向中高端應用，追求高性能和高可靠性，此為桃芯科技重點，起步就是BT5.0 的SoC 芯片。這屬于智能應用，包括以低功耗藍牙協(xié)議為無線連接技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)終端。桃芯科技消費級芯片面向大規(guī)模組網(wǎng)、智能家居設備、Beacon、運動相機、可穿戴設備、無人機等；其工業(yè)級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，功耗更低。由此，其主打重點市場擴展為工業(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)領域等。據(jù)權(quán)威預測，未來低功耗藍牙市場每年增長為20% 到30%。

為滿足更多場景應用需要，藍牙協(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，還有極低的延時等。例如，多達24 條連接達到2M 吞吐率極限值，協(xié)議規(guī)定最小7.5 ms的連接延時，桃芯可以做到2.5 ms，另外還有很多定制化應用獲得支持，擴展協(xié)議的適用性。桃芯科技芯片所展現(xiàn)的藍牙特性在行業(yè)應用上最為突出，這樣的“藍牙”因此而“特別藍”！

王治平指出，2021 年是AoA/AoD 藍牙5.1 室內(nèi)精確定位元年。中國移動2020 年的《室內(nèi)定位白皮書》對室內(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)勢不僅在技術(shù)本身，而且在經(jīng)濟效益上尤為明顯。室內(nèi)定位是利用室內(nèi)微基站對室內(nèi)無線設備進行準確定位的技術(shù)，該系統(tǒng)包括微基站及位置計算后臺以及被定位設備，目前已廣泛應用于各行各業(yè)，實現(xiàn)定位、尋物、監(jiān)控、導航等功能。相信在不久的將來，室外導航與室內(nèi)導航將實現(xiàn)無縫連接。藍牙5.1 室內(nèi)定位原理及部分應用場景如圖3 所示。

根據(jù)市場分析，全球室內(nèi)定位市場規(guī)模預計將從2017 年的70 億美元增長到2022 年的400 億美元，年復合增長率為42%；根據(jù)藍牙官方的預計，2024 年藍牙定位芯片出貨量將達5 億顆。其應用場景包括各類工廠、倉庫、隧道、地鐵、機場、酒店、辦公樓、養(yǎng)老院、醫(yī)院、博物館、看守所等。室內(nèi)定位應用的核心問題在于定位精度和成本及標準化的前后臺系統(tǒng)。在中國市場，伴隨藍牙市場的蓬勃發(fā)展，將有更大爆發(fā)增長空間。桃芯科技的名稱源于中華古典名篇《詩經(jīng)》中優(yōu)美的詩句“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。既然藍牙通信是一片浩瀚的藍色海洋，不禁聯(lián)想起著名作曲家格什溫的名作《藍色狂想曲》，這首交響曲不也應和著數(shù)字信息領域的“藍牙狂想曲”，伴隨藍色波濤的洶涌澎湃，讓人們盡情享用藍牙無線通信所奉獻的高科技成果！

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期）