Wi-Fi 7來了，智能家電接入方式走向大一統(tǒng)

近幾年，Wi-Fi規(guī)格迭代很快。Wi-Fi 6標準于2019年發(fā)布，最高速率由Wi-Fi 5的3.5Gbps升至9.6Gbps，2020年Wi-Fi 6E標準公布，增加了對6GHz頻譜的支持。Wi-Fi 7第一版標準草案已于2021年公布，而最近又有廠商現(xiàn)場展示W(wǎng)i-Fi 7技術，并表示支持Wi-Fi 7的終端設備將于2023年上市。從已公布出的信息來看，Wi-Fi 7（相對應的國際標準為802.11be）將支持2.4GHz、5GHz、6GHz三個頻段，在Wi-Fi 6的基礎上，Wi-Fi 7將帶寬從160MHz拓展到320MHz，并支持4096正交幅度調制（4096-QAM）、多資源單元（Multi-RU）、多鏈路操作、多用戶多入多出增強（MU-MIMO）、多接入點協(xié)調（Multi-AP）等技術。Wi-Fi 7的最高速率至少是Wi-Fi 6（最高速率9.6Gbps）的三倍，有望達到46Gbps。

表1：Wi-Fi 5至Wi-Fi 7主要標準參數(shù)對比

Wi-Fi是室內無線通信性能之王

從參數(shù)來看，Wi-Fi 6/Wi-Fi 7已經(jīng)是當前主流無線通信技術傳輸速率的天花板，尤其是規(guī)劃中的Wi-Fi 7，既可以應對4K/8K視頻傳輸，又能支持增強現(xiàn)實（AR）、虛擬現(xiàn)實（VR）和在線游戲等對數(shù)據(jù)吞吐量和延遲性能要求很高的應用。無論是藍牙、Zigbee還是LoRa，速率都比Wi-Fi至少低2個數(shù)量級，UWB速率雖然比藍牙和Zigbee高，但與Wi-Fi 6或Wi-Fi 7相比并無勝算，而且普及率低，目前還沒有大規(guī)模應用，短時間內無法對Wi-Fi技術的市場地位造成沖擊。在通信距離與配置難易程度上，Wi-Fi也不輸上述技術。

就目前時間節(jié)點來說，Wi-Fi就是室內無線通信技術的性能之王，Wi-Fi在智能家電無線連接市場競爭中的優(yōu)勢非常突出。

首先，如今的手機和筆記本都標配Wi-Fi，用戶隨時隨地可以用手機或電腦管理其他設備，這是Wi-Fi技術在智能家電市場的“群眾基礎”。Wi-Fi的“群眾基礎”好，用戶學習成本低，配置簡單，組網(wǎng)容易，這是除藍牙外其他競爭技術難以比擬的優(yōu)勢。

其次，在電視、投影、AR、VR等視頻設備中，其他競爭技術均難以有足夠速率來滿足4K影像等高質量視頻數(shù)據(jù)的無線傳輸要求，高速率傳輸應用是Wi-Fi技術的根據(jù)地，穩(wěn)固的大后方。

第三，傳統(tǒng)家電新產(chǎn)品標配Wi-Fi的越來越多，沒有配置Wi-Fi的冰箱、空調、洗衣機，很難被視作智能家電，而掃地機等新興家電產(chǎn)品在發(fā)展時就已經(jīng)進入無線聯(lián)網(wǎng)時代，因而這些產(chǎn)品從基因中就支持Wi-Fi技術。

實現(xiàn)高性能Wi-Fi要攻克這幾道難題

用戶基礎廣泛，性能指標也越來越優(yōu)異，Wi-Fi技術在智能家電市場隱隱透露出一統(tǒng)天下的趨勢。不過，性能指標越高，往往意味著終端產(chǎn)品開發(fā)者需要應對的挑戰(zhàn)也更大。

以射頻部分實現(xiàn)為例，Wi-Fi 5支持256 QAM，而Wi-Fi 6則支持1024 QAM，QAM的增加對射頻部分提出更高的線性度要求，有的場景下設備商對動態(tài)誤差矢量幅度（EVM）的要求設置達到-47dB，這時候就要使用針對EVM做過專門優(yōu)化的射頻前端模塊，才能確保其最終產(chǎn)品能夠獲得認證。例如貿澤電子在售的來自制造商Qorvo的5GHz Wi-Fi射頻前端模塊（FEM）QPF4588，就能滿足這樣嚴苛的要求。

圖1：QPF4588電氣參數(shù)表（圖源：Qorvo）

從Wi-Fi 5升級到Wi-Fi 6，對接收端靈敏度要求也提高了，因而必須降低接收路徑的噪聲系數(shù)，而且，Wi-Fi標準演化對功耗要求也越來越高，要求在最低功耗水平下實現(xiàn)高性能，這都是射頻部分設計所面臨的難題。功耗增加意味著射頻模塊的熱量增加，熱量會降低整體系統(tǒng)性能，同時影響數(shù)據(jù)吞吐量、覆蓋范圍和抗干擾性。而且現(xiàn)在用以太網(wǎng)供電（PoE）的設備越來越多，以太網(wǎng)供電對設備功率限制較大，終端產(chǎn)品必須在PoE電源下實現(xiàn)射頻輸出功率最大化，射頻前端性能最優(yōu)化，因而低功耗設計非常重要。

與分立式射頻前端模塊相比，QPF4588這類集成式射頻前端模塊針對應用場景做了全面優(yōu)化，可縮短線路長度，并減少使用額外的調諧組件，從而有助于減少插入損耗和系統(tǒng)熱量。利用QPF4588，開發(fā)者可以輕松解決上述攔路虎，設計出高性能、低功耗的Wi-Fi 6產(chǎn)品。具體來看，QPF4588集成了5GHz功率放大器（PA）、穩(wěn)壓器、單刀雙擲（SP2T）開關、可旁路低噪聲放大器（LNA）以及耦合器。該模塊還集成了射頻功率檢測器和直流功率檢測器，可實現(xiàn)功率檢測功能，并在5V工作電壓下優(yōu)化了PA，從而可降低功耗并保持高線性輸出和高吞吐量。

QPF4588還集成了用于控制二次和三次諧波的濾波器，并具備雙頻雙發(fā)（Dual Band Dual Concurrent，簡稱DBDC）時對2.4GHz的抑制能力。Wi-Fi 6同時支持2.4GHz頻段，Qorvo也有多個2.4GHz頻段射頻前端模塊產(chǎn)品可選，例如QPF4528或QPF7219，這些射頻模塊也均在貿澤電子有售。由于藍牙設備、手機和微波爐等都可能會干擾到2.4GHz頻段，所以Qorvo還提供專用濾波器以進一步提升射頻部分抗干擾能力，保證通信質量，典型代表有貿澤電子在售的帶緣濾波器885136和共存濾波器885128。

針對市場上Wi-Fi產(chǎn)品小型化的趨勢，Qorvo還有升級大招。貿澤電子在售的集成射頻前端模塊QPF4800同時支持2.4GHz和5GHz雙頻，在一個尺寸僅4mmx3mm的封裝中，集成了2.4GHz和5.0GHz功率放大器（PAS）、一個穩(wěn)壓器、兩個SPDT開關、一個雙工器和一個帶旁路的低噪聲放大器（LNA）。QPF4800射頻前端的發(fā)射增益超過29dB，接收增益為14dB，噪聲系數(shù)為2.6dB，工作電源電壓為5.0V。

QPF4800非常適合住宅網(wǎng)關、機頂盒、智能音箱、語音輔助設備等對外觀和尺寸有很高要求的設備，也可化解小尺寸路由器和接入點設備在于性能、尺寸與散熱設計上難找平衡的窘境。

藍牙及其他Wi-Fi競爭技術的市場生存空間

雖然Wi-Fi形勢一片大好，但不代表其他通信制式就沒有機會了，目前在智能家居領域能和Wi-Fi并駕齊驅的就是藍牙。藍牙的市場地位，很大一部分也得益于手機標配。當然，相比Wi-Fi或Zigbee、LoRa，藍牙也有明顯的特點，其最大優(yōu)勢就是功耗低。雖然數(shù)據(jù)吞吐量不如Wi-Fi，但在功耗表現(xiàn)上，藍牙技術明顯好于Wi-Fi，尤其是對于一些電池供電的便攜設備，例如智能音箱、體脂秤、智能手表與TWS耳機等，在這類產(chǎn)品中，藍牙技術居于主導地位。

藍牙在4.0版本時推出了低功耗藍牙（BLE）技術，這為藍牙進入電池供電的便攜設備奠定了基礎。而智能音箱和TWS耳機市場的爆發(fā)式增長，讓藍牙成為當前非專業(yè)應用無線音頻市場的不二之選，在藍牙5.2標準中，還制定了低功耗音頻技術標準（LE Audio），有望進一步鞏固藍牙技術在便攜式音頻設備中的地位。

藍牙技術功耗優(yōu)勢，從貿澤電子在售的北歐廠商Nordic所開發(fā)的系統(tǒng)級芯片nRF52811可見一斑。Wi-Fi芯片發(fā)射/接收時電流一般在百毫安以上，而nRF52811的發(fā)射端功率在0dBm時電流為4.6毫安，接收端在1Mbps速率時電流也是4.6毫安，在2Mbps速率時為5.2毫安，而且可以看出這顆芯片集成的MCU也很省電，在系統(tǒng)喚醒狀態(tài)電流也僅有1.1μA，超低功耗表現(xiàn)，無疑是電池供電便攜設備的首選通信制式。

傳統(tǒng)藍牙信標產(chǎn)品通過信號強度來定位，精度一般在數(shù)米左右，藍牙5.1標準中支持利用信號方位角來對設備位置進行定位，通過計算接收信號到達角（AoA）與發(fā)射信號出發(fā)角（AoD），可以將藍牙設備定位精度提高到厘米級，nRF52811就支持信號方位角定位功能。

新藍牙標準在室內定位和組網(wǎng)（MESH）方面的突破，將為藍牙在智能家居應用上拓展更多想象空間。

其他適用于智能家居的主流無線連接協(xié)議標準還有Zigbee、LoRa等，也各有特色。以Zigbee為例，功耗低、覆蓋廣、容量大、自組網(wǎng)能力強、協(xié)議簡單是其優(yōu)點，Zigbee的協(xié)議比藍牙更簡單，功耗也低。不過，Zigbee等技術不被手機支持，配置相對復雜，而且需要獨立網(wǎng)關才能連入互聯(lián)網(wǎng)，因而用戶學習成本高，這些缺點是阻礙其普及的關鍵。雖然Zigbee在智能家居領域布局較早，但其原有市場份額，正不斷被Wi-Fi和藍牙蠶食。在工業(yè)應用等專業(yè)領域，由于比較封閉，Zigbee的市場份額還比較穩(wěn)固。

兼容并包

當然，不同制式之間并不是你死我活的關系，相互匹配則可能為用戶提供更好的使用體驗。比如，Wi-Fi配置還是比藍牙要復雜一點，有些設備就同時集成了藍牙和Wi-Fi功能，用藍牙來配網(wǎng)以及負責低速率數(shù)據(jù)傳輸，既便捷又省電，用Wi-Fi負責高速率數(shù)據(jù)傳輸，則快捷高效。

藍牙和Zigbee二合一的芯片也如此，藍牙用于快速配置，Zigbee用于規(guī)模連接。nRF52811支持藍牙協(xié)議和Zigbee，但是由于存儲限制，nRF52811僅有192KB閃存，在應用時只能支持其中一種協(xié)議，不能同時支持藍牙和Zigbee。要同時支持藍牙和Zigbee，需要選用Nordic另外一款芯片nRF52840，這款芯片也可在貿澤電子官網(wǎng)購買。

圖6：Nordic Semiconductor nRF52811不支持多協(xié)議同時工作（圖源：Nordic）

nRF52840是一款超低功耗、高度靈活的單芯片解決方案。支持Bluetooth 5和Thread或Zigbee無線連接同時工作，由于這些協(xié)議都工作在2.4GHz頻段，nRF52840的動態(tài)多協(xié)議特性實現(xiàn)了射頻通道在不同協(xié)議間共享，使用一種協(xié)議發(fā)送和接收數(shù)據(jù)不會干擾并發(fā)支持期間的其他鏈路。

圖7：Nordic Semiconductor nRF52840應用框圖（圖源：貿澤電子）

總結

無線連接是智能家居智能化的基礎技術之一，也是很多芯片廠商非常重視的市場方向。Wi-Fi和藍牙技術近年來迭代很快，不斷改善性能或增加功能，再加上擁有巨大的用戶基礎，因而在智能家居市場的優(yōu)勢越來越明顯，Zigbee等其他非運營商專有無線通信制式還有一定的市場空間，且不同制式之間并非完全競爭關系，多制式兼容的芯片在當前市場也頗受歡迎。

審核編輯：郭婷