本文來自微信公眾號“半導(dǎo)體行業(yè)觀察”，作者/杜芹。
在科技領(lǐng)域，有些創(chuàng)新震撼世界，而有些則悄無聲息地成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?。藍(lán)牙技術(shù)正是后者的典范。作為一個普遍而又不起眼的技術(shù)，自1998年誕生以來，藍(lán)牙憑借極低功耗、低成本和短距離的關(guān)鍵屬性，在耳機、鍵盤、鼠標(biāo)、智能家居、醫(yī)療健康等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，為人們的生活和工作帶來了便利。
尤其是2010年低功耗藍(lán)牙（BLE）技術(shù)的出現(xiàn)，再次將藍(lán)牙技術(shù)推向了新的發(fā)展階段。BLE與經(jīng)典藍(lán)牙采用了不同的協(xié)議，其基本上是圍繞著使用3V紐扣電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器而設(shè)計的。2014年發(fā)布的BT4.2是經(jīng)典藍(lán)牙的最后一個版本，此后所有藍(lán)牙規(guī)范增強功能都是針對BLE進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化的。
根據(jù)ABI Research和藍(lán)牙特別興趣小組(SIG)的數(shù)據(jù)，2018~2027年BLE技術(shù)蓬勃發(fā)展，設(shè)備年出貨量將以9%的年復(fù)合增長率增長，預(yù)計2023年出貨量將超過50億臺，到2027年出貨量將遠(yuǎn)超70億臺/年。需要注意的是，平臺設(shè)備的出貨量在這十年間基本持平（平臺設(shè)備通常是指像PC、平板電腦和手機這樣的“主機”設(shè)備）。為了兼容現(xiàn)有的藍(lán)牙外設(shè)，這些平臺設(shè)備幾乎都同時支持傳統(tǒng)的藍(lán)牙BR/EDR和較新的BLE協(xié)議。推動BLE增長的主要動力是外圍設(shè)備的需求，而且以“純BLE”設(shè)備為主，主要是受其低功耗特性和不斷增強的功能集所驅(qū)動。BLE設(shè)備大多由電池供電，電池壽命可能長達(dá)10年。
2018-2027年間藍(lán)牙平臺和外圍設(shè)備出貨量
BLE增長的新引擎
BLE設(shè)備的蓬勃發(fā)展，得益于不斷發(fā)展的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙社區(qū)的各個工作組一直致力于定義和開發(fā)新的BLE功能，他們每1.5至2年更新一版藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，每次都會帶來3至4項新功能。下圖顯示了從2016年的BT5.0到未來3-4年計劃增強的各種藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，其中一些已經(jīng)被業(yè)界認(rèn)為是非常重要的。例如，信道探測或高精度距離測量（HADM），該標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計將于2024年發(fā)布，可提供更高精度/定位的定位系統(tǒng)；更高的數(shù)據(jù)吞吐量，最高可達(dá)8Mbps；更高的頻段（5-6GHz）運作，這將緩解目前2.4GHz頻段的無線擁塞情況并改善延遲。這些新功能將使BLE在諸多新興領(lǐng)域釋放潛力。
從2016年的BT5.0到未來3-4年計劃增強的各種藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)
汽車是推動BLE增長的一大新興市場。此前，藍(lán)牙在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，包括免提電話、手機聯(lián)系人同步、音樂傳輸、GPS導(dǎo)航、診斷、云連接、密鑰卡等。然而，BLE在汽車領(lǐng)域的潛力還遠(yuǎn)不止這些。
隨著汽車邁向電動化、智能化和網(wǎng)聯(lián)化，所使用的電子設(shè)備數(shù)量激增，汽車內(nèi)外部對無線通信的需求也隨之增加。車載通信應(yīng)用非常適合使用BLE，因為無線信號需要傳輸?shù)木嚯x較短，而BLE的傳輸距離大約10米到100米之間。舉例來說，過去基于CAN接入的傳感器或電磁閥/執(zhí)行器所需的電纜和連接器，現(xiàn)在可以通過使用專用的BLE無線鏈來實現(xiàn)，這不僅減輕了重量，降低了成本，還消除了傳統(tǒng)連接器的可靠性問題。
車輛中還有兩個更受歡迎的監(jiān)控系統(tǒng)——胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）和電源管理系統(tǒng)（BMS）——也正在向BLE遷移。
過去，TPMS采用低頻專有無線協(xié)議，現(xiàn)在隨著TPMS系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，不僅要測量胎壓，還要監(jiān)測溫度、振動甚至胎面磨損，以更好地指示何時需要維護(hù)或更換以防輪胎故障。2023年，藍(lán)牙5.4規(guī)范中發(fā)布了帶響應(yīng)的周期性廣播（PAwR）增強功能，這有助于提高TPMS系統(tǒng)的可靠性并延長電池壽命。
BMS是一個相對較新的BLE應(yīng)用案例，但重要性日益提升。電動車的電池包中有5000至9000個單獨的電池單元，這些單元組合在整個電動車電池包的幾十個模塊中。為了有效管理電池單元，必須單獨監(jiān)控每個模塊，并配備各自的充電控制器，以確保電池單元的正確運行、最佳容量、壽命和電池保護(hù)/安全。要進(jìn)行的監(jiān)控工作包括：1）需要監(jiān)測電流和電壓，以確保電池單元在安全操作區(qū)域（SOA）內(nèi)運行；2）需要測量溫度和當(dāng)前充電速率，以確定電池單元的健康狀態(tài)（SOH）。3）因為電池單元的充放電速率不同，所以需要監(jiān)控電池單元的充電狀態(tài)（SOC），以確保充電電流流向最需要充電的電池單元，同時避免已充滿的電池單元過度充電，這稱為“電池均衡”。如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)的電線來鏈接所有這些單獨的充電控制器/傳感器會變得非常繁瑣。為了簡化布線的難題，BMS供應(yīng)商現(xiàn)在正在設(shè)計基于BLE的控制器來無線處理通信。
2020年藍(lán)牙5.2規(guī)范中，新增了LE音頻，汽車中信息娛樂系統(tǒng)的音頻質(zhì)量、電池壽命也隨之有了大幅提升。藍(lán)牙特別興趣小組（Bluetooth SIG）將之稱為“Auracast計劃”，Auracast實質(zhì)上是一個BLE無線電臺，它可以被車內(nèi)多個耳機或耳塞接收，提高了共享音頻體驗的便利性和靈活性。
車鑰匙也逐步發(fā)展為使用移動設(shè)備來替代。由于智能手機都內(nèi)置BLE，我們只需通過特定的應(yīng)用程序，就能通過BLE無線連接操控汽車中的各種系統(tǒng)。汽車連接性聯(lián)盟（Car Connectivity Consortium，CCC）和亞洲的其他標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)發(fā)布了包括BLE在內(nèi)的多項無線數(shù)字鑰匙協(xié)議。BLE不僅可以單獨使用，也可以與近場通信（NFC）或超寬帶（UWB）無線協(xié)議結(jié)合使用。預(yù)計在2024年中期發(fā)布的信道探測功能，是一種用于高精度距離測量（HADM）的新BLE標(biāo)準(zhǔn)，將比僅測量無線電信號強度更為精確，也將增強訪問數(shù)字鑰匙相關(guān)的安全性。
此外，耳機市場，包括耳罩式、貼耳式和入耳式設(shè)備，也極大地受益于BLE音頻低功耗技術(shù)。前文中提到的“Auracast計劃”預(yù)計將引發(fā)耳戴式設(shè)備的重大變革。目前，無線揚聲器和耳罩式設(shè)備普遍采用雙模藍(lán)牙技術(shù)，但由于入耳式設(shè)備（如助聽器和耳塞）的電池壽命限制，預(yù)計純BLE音頻解決方案將先搶占這些小型設(shè)備市場，再逐漸擴展到耳罩式耳機等大型設(shè)備市場。
電子貨架標(biāo)簽（ESL）也將是BLE極具潛力的增長點。與傳統(tǒng)的手動更換紙質(zhì)標(biāo)簽相比，ESL更加快速便捷。2023年藍(lán)牙5.4標(biāo)準(zhǔn)中新增了四項增強功能，最受關(guān)注的是帶響應(yīng)的定期性廣播(PAwR)和較小程度的加密廣告數(shù)據(jù)(EAD)，這些功能非常適合電子貨架標(biāo)簽（ESL），可以實現(xiàn)與數(shù)千個終端節(jié)點進(jìn)行雙向、節(jié)能的通信。
BLE不僅作為獨立的無線協(xié)議蓬勃發(fā)展，而且越來越多地與其他無線協(xié)議結(jié)合使用。面對WiFi、Zigbee、LoRa、Thread、UWB等等不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)，藍(lán)牙非但沒有被邊緣化，而且愈發(fā)展現(xiàn)出價值。例如，Zigbee Direct利用BLE簡化了基于Zigbee的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)置；而Thread為BLE在Thread網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的配置定義了一種方法；WiFi和BLE的雙協(xié)議解決方案也日益受歡迎，它們通過分離的無線系統(tǒng)在SoC上協(xié)調(diào)使用。超寬帶（UWB）作為一種精確測距的補充無線技術(shù)出現(xiàn)，并與BLE結(jié)合……
BLE IP授權(quán)、購買趨勢興起
BLE已經(jīng)變得無處不在，無論是作為主要的無線接口，還是為設(shè)備提供無線訪問以進(jìn)行設(shè)置、配置和維護(hù)，BLE已迅速成為SoC上的另一個標(biāo)準(zhǔn)接口。近年來，越來越多的芯片廠商選擇購買經(jīng)過驗證的BLE IP解決方案，而不是耗費昂貴的內(nèi)部資源自行設(shè)計，就像很多廠商會采購CPU內(nèi)核、互聯(lián)系統(tǒng)、內(nèi)存控制器、安全組件和分布接口等IP模塊一樣。
為什么BLE領(lǐng)域也出現(xiàn)了類似的IP授權(quán)和購買趨勢呢？原因主要有幾點：
1
藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)不斷更新，內(nèi)部設(shè)計團(tuán)隊維護(hù)更新所有新增功能變得越來越昂貴和不可實現(xiàn)。
2
受摩爾定律的影響，將RF/模擬設(shè)計移植到更小的晶體管以保持芯片PPA的做法非常昂貴，許多老牌BLE供應(yīng)商的內(nèi)部解決方案沒有跟上這些拓?fù)滢D(zhuǎn)變，仍然體積龐大且耗電。
3
對于資金有限的初創(chuàng)公司，建立一支有能力的BLE設(shè)計團(tuán)隊，需要三年甚至更長的時間。
4
還有一部分芯片廠商可能已經(jīng)在非無線解決方案領(lǐng)域擁有多年的經(jīng)驗，但由于BLE的普遍性，他們第一次將其添加到SoC中，缺乏內(nèi)部的RF知識。
簡而言之，BLE的普及和復(fù)雜性使得購買高質(zhì)量的BLE IP解決方案比自行設(shè)計更具吸引力，經(jīng)過硅驗證的射頻物理層和控制器IP可以支持無線連接的低功耗和安全性要求。使用符合標(biāo)準(zhǔn)的IP可以降低集成風(fēng)險，并幫助加速無線設(shè)計SoC上市的時間。
EDA和IP領(lǐng)域的領(lǐng)先供應(yīng)商——新思科技憑借對BLE市場機遇的敏銳洞察，提供支持多種規(guī)范的無線IP解決方案。其RF PHY和鏈路層控制器已通過藍(lán)牙認(rèn)證，有效優(yōu)化了PPA。
新思科技的無線IP不僅支持最新的藍(lán)牙BT5.4規(guī)范，同時還在積極關(guān)注所有即將推出的藍(lán)牙規(guī)范，確保能夠在規(guī)范發(fā)布后能第一時間推出市場所需的解決方案。
從市場應(yīng)用的角度上，新思科技積極支持所有BLE汽車應(yīng)用，包括為汽車級(AG)RFPHY提供適當(dāng)?shù)腁EC-Q100、HTOL、Misson配置文件以及DRC/溫度和老化要求。該IP也符合Zigbee、Thread和Matter規(guī)范，便于將BLE與其他無線協(xié)議進(jìn)行結(jié)合。
新思科技適用于BLE、Thread、Zigbee IP解決方案
結(jié)語
新需求、新應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，為藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展帶來了新的機遇。藍(lán)牙技術(shù)正在從傳統(tǒng)的音頻傳輸，向物聯(lián)網(wǎng)、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域拓展。而且隨著BLE IP的不斷成熟，將進(jìn)一步推動BLE技術(shù)的革新和發(fā)展。藍(lán)牙技術(shù)作為一種成熟、可靠的無線技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
參考：
【1】Bluetooth Low Energy Is Everywhere—and Now BLE Is Teaming Up with Other Wireless Protocols，synopsys
【2】Three Major Inflection Points for Sourcing Bluetooth Intellectual Property，synopsys
【3】Bluetooth Use Cases for V2X Automotive Applications，synopsys
