在物聯(lián)網(wǎng)SoC中整合藍牙IP技術(shù)的應(yīng)用

藍牙、Wi－Fi、LTE和5G技術(shù)使得無線連接得到廣泛應(yīng)用。雖然每一種技術(shù)有其獨特的功能和優(yōu)勢，設(shè)計人員必須確定是要將它們整合在單個芯片內(nèi)，還是使用外部的無線芯片解決方案。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用整合無線功能的優(yōu)勢正變得日益顯著，尤其是在朝向更先進工藝進行設(shè)計時，必須要考慮這一點。目前，具有低功耗特性的藍牙技術(shù)正成為可穿戴設(shè)備和對象追蹤或“智能”物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)選擇。藍牙5 （Bluetooth 5）標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計將以更廣的范圍、更快的速度和超越點對點通訊的能力，進入智能家庭應(yīng)用。

根據(jù)Synopsys最近進行的用戶調(diào)查顯示，受惠于新的可穿戴設(shè)備IC市場貢獻，從2013到2015年的物聯(lián)網(wǎng)SoC設(shè)計大幅成長。此外，根據(jù)Teardown．com的資料，在其于2012至2015年拆解的800多款移動和可穿戴產(chǎn)品中，無線芯片的數(shù)量超過了產(chǎn)品的實際數(shù)量，表示在一些設(shè)計中采用了多顆無線IC。根據(jù)這些報告，可穿戴設(shè)備和智能硬件應(yīng)用的成長，帶動外加無線解決方案的設(shè)計增加，并為設(shè)計人員創(chuàng)造了機會，使其得以透過整合無線功能降低物聯(lián)網(wǎng)SoC的成本和功耗。本文介紹在單芯片SoC中整合低功耗藍牙等無線技術(shù)的好處，打造具有低功耗藍牙物理層（PHY）和鏈路層IP的完整解決方案。

無線系統(tǒng)架構(gòu)

在過去的數(shù)年內(nèi)，出現(xiàn)了多種無線技術(shù)建置方案（圖1）：

· 獨立式RF收發(fā)器：在該傳統(tǒng)建置方案中，收發(fā)器芯片中包含控制器和PHY，或稱鏈路層和PHY（以藍牙情況而言）。收發(fā)器芯片連接至主SoC，其中包含軟件堆棧和應(yīng)用程序代碼。

· 無線網(wǎng)絡(luò)處理器：該建置使用整合無線協(xié)議堆棧的專用處理器，從而為無線芯片組帶來更多價值，并讓主SoC可將資源專注于應(yīng)用中。

· 全整合式無線SoC：這是一種單芯片的單一建置方案，適用于特定的無線技術(shù)，尤其是用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的低功耗藍牙技術(shù)。鏈路層和PHY整合于SoC中，以執(zhí)行所有的軟件堆棧和應(yīng)用程序代碼。

· 無線組合芯片組解決方案：針對移動應(yīng)用的傳統(tǒng)架構(gòu)，在單個收發(fā)器中結(jié)合了數(shù)種無線技術(shù)，如Wi－Fi和藍牙，收發(fā)器并連接至包含數(shù)字調(diào)制解調(diào)器芯片的SoC。所有的軟件、無線堆棧和應(yīng)用程序代碼均位于外部的非揮發(fā)性內(nèi)存中。

圖1：藍牙芯片建置選項（來源：ti．com）

在決定哪種建置方案能為目標(biāo)應(yīng)用帶來最大好處時，工藝技術(shù)起著關(guān)鍵作用。獨立式RF收發(fā)器采用了如180nm的傳統(tǒng)節(jié)點。對于無線網(wǎng)絡(luò)處理器，無線協(xié)議堆棧嵌入于RF收發(fā)器中，通常使用成熟的90nm節(jié)點。而在整體式無線解決方案中采用40nm和55nm技術(shù)的節(jié)點正日漸流行，這歸因于可用的嵌入式閃存和混合信號IP（包括無線IP）的結(jié)合。這種類似的整體式無線SoC解決方案預(yù)計普遍采用28nm節(jié)點。其中，協(xié)議堆棧、RF收發(fā)器以及應(yīng)用程序代碼則整合于單個SoC中。

針對移動應(yīng)用處理器，無線組合芯片（Combo）解決方案仍是流行的架構(gòu)，它能利用最先進工藝為芯片面積和成本實現(xiàn)優(yōu)化。這些系統(tǒng)具有無限制的芯片外內(nèi)存，可為程序設(shè)計人員提供更多資源，但系統(tǒng)中的總芯片數(shù)將多達三個，而在其他三種建置方案中的芯片數(shù)為1或2。這清楚顯示，當(dāng)工藝節(jié)點能有效搭配可用IP解決方案時，可為無線整合帶來諸多好處，這同時也是全整合式無線SoC系統(tǒng)架構(gòu)變得普遍的原因所在。

工業(yè)應(yīng)用案例

對于當(dāng)前的穿戴式設(shè)計，如僅用低功耗藍牙實現(xiàn)無線連接的的健身手環(huán)，內(nèi)含一顆SoC透過UART或I2C總線連接至外部的低功耗藍牙IC。類似的，虛擬現(xiàn)實（VR）眼鏡使用標(biāo)準(zhǔn)的藍牙無線網(wǎng)絡(luò)處理器與游戲控制器進行通訊。在門鎖、照明和室內(nèi)定位信標(biāo)等智能家庭產(chǎn)品中也能發(fā)現(xiàn)外部低功耗藍牙芯片組。這些例子顯示將無線功能整合在系統(tǒng)SoC的機會，可帶來更多的成本降低。

如果在設(shè)計中還包含較高帶寬的無線技術(shù)，如Wi－Fi，則可使用整合了多種無線技術(shù)、處理器和外部內(nèi)存的無線組合芯片解決方案。例如，擴增實境（AR）眼鏡需要更高的處理能力，因此，設(shè)計人員必須提升類似的移動平臺設(shè)計。

無線功能正取代傳統(tǒng)上許多靠聯(lián)機實現(xiàn)的功能。尤其是低功耗藍牙，它用于診斷和傳送低帶寬信息，而之前傳統(tǒng)使用的是UART、I2C、SPI和USB。

在SoC中整合無線技術(shù)的好處

現(xiàn)在，我們已知道將無線功能整合在單個SoC中所帶來的機會，接下來討論其優(yōu)缺點。無線網(wǎng)絡(luò)處理器（如獨立的低功耗藍牙解決方案）已持續(xù)用于認(rèn)證系統(tǒng)中，簡化了設(shè)計的模塊認(rèn)證過程。這些獨立的低功耗藍牙解決方案不僅能簡化認(rèn)證過程，還提供了可靠的連接，以及與組件（如天線等）相關(guān)的常見系統(tǒng)設(shè)計方法。

整體式解決方案能夠提供更多益處，包括低功耗、低成本、低延遲以及較小的占位空間，推動市場開始采納和設(shè)計完全整體式無線SoC。相較于使用SPI總線，透過AMBA AHB匯流傳送的數(shù)據(jù)能夠?qū)⒀舆t降低5～10個周期，延長空閑時間因而節(jié)省功耗。事實上，在最近發(fā)布的微軟（Microsoft）無線功耗研究報告中指出，“在功耗方面具有支配作用的參數(shù)并不是主動電流或待機電流，而是在休眠周期結(jié)束后重新連接所需的時間，以及RF模塊休眠的程度?！?/p>

除了功耗和延遲方面的改善外，無線整合方案還能去除完整芯片組、降低封裝成本，以及減少所需的額外接腳和電源管理IP。這將使封裝成本降低0．15美元以上，并減少20～30個用于連接更多無線網(wǎng)絡(luò)處理器的接腳。這些節(jié)省加上移除重復(fù)的電源管理組件、減少PCB面積，能讓整個系統(tǒng)的成本降低更具吸引力。

正如在teardown．com報告中提到的，在VR眼鏡等系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了多顆無線IC。藍牙和Wi－Fi通常被結(jié)合在單一芯片中，但這些無線技術(shù)的要求很不一樣。Wi－Fi支持更高帶寬，而低功耗藍牙則將功率降至最低。Wi－Fi能夠支持高達300Mbps的速度，使用遠(yuǎn)超過40～100微瓦（uW）的收發(fā)功率，對內(nèi)存有相當(dāng)要求。為了支持Wi－Fi的傳輸速率，SoC必須以符合目標(biāo)工藝技術(shù)的電壓作業(yè)。而在藍牙5中，低功耗藍牙支持2Mbps的速度，使用的收發(fā)功率低于10uW，對于內(nèi)存的要求更低，電壓也較低，如最新40nm和55nm超低功耗工藝中使用0．9V。

整合低功耗藍牙的優(yōu)點顯而易見，預(yù)計整體式無線SoC建置方案會在不遠(yuǎn)的將來變得普遍。對于采用55nm和40nm技術(shù)而要求極低功耗的物聯(lián)網(wǎng)SoC，優(yōu)勢更加明顯。這類物聯(lián)網(wǎng)SoC還會利用電源管理技術(shù)、DC－DC降壓轉(zhuǎn)換器，以及使用厚氧化層等技術(shù)，進一步降低工作功耗和泄漏功耗。

完整的低功耗藍牙PHY和鏈路層IP

例如，Synopsys針對5G、Wi－Fi、移動LTE與無線802．15．4應(yīng)用提供范圍廣泛的無線和模擬IP選擇，以及具有優(yōu)化模擬前端、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及包含PHY和鏈路層IP完整低功耗藍牙IP解決方案的藍牙技術(shù)。

Synopsys的完整DesignWare藍牙IP解決方案配有PHY和鏈路層，兼容于最新的藍牙規(guī)范，PHY支持藍牙5和IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)，可在ZigBee和Thread網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)連接。使用鏈路層，能夠建立與整合數(shù)據(jù)加密和隨機數(shù)生成的安全無線連接，在單個實例中實現(xiàn)8個同步連接，并提供與第三方軟件堆棧和處理器的互操作性。PHY作業(yè)在低于1V的電壓下，可獲得更長的電池壽命，包括整合匹配網(wǎng)絡(luò)的芯片收發(fā)器，以及單個“接腳－天線”（pin－to－antenna）接口和電壓調(diào)節(jié)器，可降低BOM成本，并簡化系統(tǒng)設(shè)計和整合。藍牙PHY可在180nm、55nm和40nm節(jié)點上整合，協(xié)助設(shè)計人員利用先進工藝在功率、面積和性能方面帶來的益處。對于物聯(lián)網(wǎng)SoC設(shè)計而言，55nm和40nm上的PHY更具優(yōu)勢，原因在于這些工藝具有極低功耗與較小尺寸的優(yōu)勢。

DesignWare低功耗藍牙IP解決方案通過藍牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth SIG）組織的認(rèn)證，這對設(shè)計人員取得成功至關(guān)重要。該IP經(jīng)歷嚴(yán)格的驗證過程，從完整的設(shè)計驗證流程，到對產(chǎn)品驗證測試（PVT）的完全特征化，以及與生態(tài)系統(tǒng)的互操作性。