桃之夭夭，灼灼其華之“藍牙芯”

1   后數字信息的“藍牙新生代”

人們現在說(shuō)起“藍牙”自然想到與之相關(guān)的各種小型化或微型無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品，其實(shí)這個(gè)名字來(lái)源于10世紀曾經(jīng)稱(chēng)霸北歐的丹麥國王Harold Bluetooth，20世紀末，其昵稱(chēng)被賦予一項短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，即Bluetooth（藍牙），旨在以低功率射頻方式實(shí)現移動(dòng)終端及3C 產(chǎn)品的互聯(lián)互通，以便數據傳輸更高效、靈活、安全。其行業(yè)規范具有開(kāi)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(shí)，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。作為數字信息時(shí)代亮點(diǎn)之一，藍牙很快配備于各種數字信息產(chǎn)品，為全球消費者所喜聞樂(lè )見(jiàn)。在通用標準的支撐下，藍牙芯片國產(chǎn)化進(jìn)展順利，相繼涌現出眾多“藍牙公司”，其產(chǎn)品開(kāi)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(shù)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(jìn)而暢談國產(chǎn)化藍牙芯片和行業(yè)應用動(dòng)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(zhù)BT2.0 速率翻番，經(jīng)典BT2.1+EDR（增強速率）安全且配對簡(jiǎn)易，加速了市場(chǎng)推廣進(jìn)程，是為第二代；應用領(lǐng)域開(kāi)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牙BT4.0 全面開(kāi)啟了物聯(lián)網(wǎng)應用，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 使多藍牙智能設備由一個(gè)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(shí)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(diǎn)為速率快、距離長(cháng)、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(kāi)始引入的大廣播包可增強Mesh 組網(wǎng)功能。而B(niǎo)T5.1 引入的AoA/AoD 技術(shù)能實(shí)現實(shí)際應用小于1 米精度的室內定位輔助功能，讓藍牙這個(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，從消費類(lèi)的“紅?！边M(jìn)入到專(zhuān)業(yè)和工業(yè)類(lèi)的“藍?！?。

2   國產(chǎn)化芯片的“藍牙弄潮兒”

藍牙芯片從數字信息時(shí)代到物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代都占據著(zhù)重要地位，由國際知名廠(chǎng)商引領(lǐng)，國內公司跟進(jìn)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)化挑戰巨大，首先來(lái)自藍牙協(xié)議棧通信技術(shù)。知識產(chǎn)權IP 是所有關(guān)鍵技術(shù)和單片系統（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(hù)提供富有競爭力的產(chǎn)品特性和及時(shí)高效的售后服務(wù)，有效縮短客戶(hù)的開(kāi)發(fā)周期并降低開(kāi)發(fā)成本。其次，挑戰來(lái)自藍牙低功耗處理和射頻實(shí)現。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轉化成機遇，在國內率先推出擁有自主知識產(chǎn)權的BT5.0 芯片，繼而推出BT5.1 芯片，力求改變由國際知名藍牙廠(chǎng)商壟斷中高端市場(chǎng)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)和應用層協(xié)議。完整協(xié)議棧支持體現在支持全規格AoA/AoD 精確定位、LR、2Mbps、AdvExt、Mesh 自組網(wǎng)特性及全規格、全功能、高優(yōu)化、可定制。

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

3）采用國際領(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)的超低功耗芯片藍牙ING918xx 系列，對標當前業(yè)界同類(lèi)別最高規格的BT5.0/5.1 芯片，實(shí)測數據如表1 所示。

表1

ING918xx 系列芯片的SDK 友好開(kāi)放， 支持跨IDE、跨語(yǔ)言、跨操作系統（OS）平臺，集成諸多藍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(hù)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)驗室實(shí)現完整認證BLE5.1 Link-PHY-RF 子系統的國內企業(yè)，其產(chǎn)品性能領(lǐng)先業(yè)內同類(lèi)主流芯片公司（如圖2），并已申報16項知識產(chǎn)權，其藍牙5.1 SoC 芯片是目前國內唯一通過(guò)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多達280 項，行業(yè)內最多，比國際知名廠(chǎng)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(xiàn)無(wú)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(lèi)經(jīng)典應用，包括低端音頻類(lèi)產(chǎn)品等；BLE 新型應用是藍牙遙控、無(wú)線(xiàn)鼠標鍵盤(pán)以及藍牙無(wú)線(xiàn)透傳等。這類(lèi)應用有海量市場(chǎng)而價(jià)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(diǎn)，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(wú)線(xiàn)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模組網(wǎng)、智能家居設備、Beacon、運動(dòng)相機、可穿戴設備、無(wú)人機等；其工業(yè)級芯片利用更高端工藝，內置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(diǎn)市場(chǎng)擴展為工業(yè)和泛工業(yè)組網(wǎng)類(lèi)，例如智能電網(wǎng)、智能汽車(chē)、醫療電子、智慧樓宇，并拓展到智慧工農業(yè)領(lǐng)域等。據權威預測，未來(lái)低功耗藍牙市場(chǎng)每年增長(cháng)為20% 到30%。

為滿(mǎn)足更多場(chǎng)景應用需要，藍牙協(xié)議的迭代向來(lái)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(kāi)發(fā)，這樣就可以提供更多更好的特性，比如提高連接數和吞吐率，還有極低的延時(shí)等。例如，多達24 條連接達到2M 吞吐率極限值，協(xié)議規定最小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用獲得支持，擴展協(xié)議的適用性。桃芯科技芯片所展現的藍牙特性在行業(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 室內精確定位元年。中國移動(dòng)2020 年的《室內定位白皮書(shū)》對室內定位不同技術(shù)方案比較，如表2 所示。

由此可見(jiàn)，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。室內定位是利用室內微基站對室內無(wú)線(xiàn)設備進(jìn)行準確定位的技術(shù)，該系統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(shí)現定位、尋物、監控、導航等功能。相信在不久的將來(lái)，室外導航與室內導航將實(shí)現無(wú)縫連接。藍牙5.1 室內定位原理及部分應用場(chǎng)景如圖3 所示。

根據市場(chǎng)分析，全球室內定位市場(chǎng)規模預計將從2017 年的70 億美元增長(cháng)到2022 年的400 億美元，年復合增長(cháng)率為42%；根據藍牙官方的預計，2024 年藍牙定位芯片出貨量將達5 億顆。其應用場(chǎng)景包括各類(lèi)工廠(chǎng)、倉庫、隧道、地鐵、機場(chǎng)、酒店、辦公樓、養老院、醫院、博物館、看守所等。室內定位應用的核心問(wèn)題在于定位精度和成本及標準化的前后臺系統。在中國市場(chǎng)，伴隨藍牙市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，將有更大爆發(fā)增長(cháng)空間。桃芯科技的名稱(chēng)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。既然藍牙通信是一片浩瀚的藍色海洋，不禁聯(lián)想起著(zhù)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(zhù)數字信息領(lǐng)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(wú)線(xiàn)通信所奉獻的高科技成果！

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期）