用于物联网SoC集成的蓝牙5就绪IP

作者：Ron Lowman，Synopsys技术营销经理

蓝牙特别兴趣小组 (SIG) 成立于1998年，主要职责是定义蓝牙标准。从成立之日起，蓝牙已经转变成为可靠的互操作无线标准，促成了物联网 (IoT) 的实现。新发布的蓝牙5规范继续推动这一转变。包括ZigBee、wirelessHART、Z-Wave、WiSun等在内的多个无线标准已经为利基应用领域提供了服务，例如智能家居、遥控、建筑自动化和仪表测量。由于每个应用的需求不同，整个行业很难在孤立的标准和选项之间实现物联网设备之间的互操作性。蓝牙在手机中的应用使其成为消除互操作障碍的主要候选技术，方法是将包括蓝牙在内的不同解决方案融合在一起。目前，蓝牙的使用已经不局限于传统应用，在音频、穿戴设备和其他小型便携式设备和玩具领域都得到了运用。

蓝牙设备的演进从大约七年前开始，经历了手机 (2000)、键鼠组合 (2002)、立体式耳机 (2004) 和智能手表 (2006) 几个阶段。随着配备蓝牙技术的物联网设备变得越来越智能化，而且越来越先进，它们需要具有更高的能效，这促使SIG及其成员引入低能耗蓝牙标准。在此后不久的2012年，Apple推出采用低能耗蓝牙的iPhone 4S，其他所有品牌也开始支持这种标准。随着4.2版本的推出（其中增加了针对安全和速度的特性），低能耗蓝牙标准持续演进。

2016年，SIG推出蓝牙5（据2016年6月蓝牙SIG新闻稿《传输范围增加4倍，速度翻番，数据广播容量提升800%》），满足了简单、安全的无线连接的关键要求。蓝牙到蓝牙5的演进势头持续加强，并“将提供强健、可靠的物联网 (IoT) 连接”，使穿戴设备以及当前的智能家居成为现实。本文介绍了使用蓝牙5就绪IP轻松实现物联网SoC集成的优点。

蓝牙5

蓝牙5依托蓝牙音频、穿戴设备和其他小型便携设备的极大成功。蓝牙5的应用范围已经扩展到智能家居领域，增强了灯塔能力，并且为需要无线技术的其他多种包含丰富特性的新型应用敞开了大门。据蓝牙SIG执行总监Mark Powell在2016年的一篇新闻稿中指出：“扩大运行范围将使得与物联网设备的连接超出一般家庭的范围，同时，更高的速度支持更快的数据传输和设备软件更新。”自适应跳频等其他关键特性为未来物联网解决方案发展带来的高密度无线装置的运行铺平了道路，包括5G。表1列出了蓝牙5的一些关键特性：

• 数据速率从1Mbps增加到2Mbps，并提供了更灵活的功耗优化方法
• 通过更大的链路预算实现更大的传输范围，并在当地法律允许的情况下支持20分贝毫瓦
• 通过基于更高权限的广告传播而向蓝牙设备传达蓝牙消息，尤其是灯塔
• 基于信道选择算法的自适应跳频 (AFH) 在使用其他无线技术的环境中提高了连接性能
• 在有限的重新连接时间内，以不足100ms的间隔传输有限的高负载持续率非连接广告，通过更快的连接改善用户体验，延长电池寿命
• 利用时隙可用性掩码检测并预防其他无线频带干扰

蓝牙应用

低能耗蓝牙已经成为物联网穿戴设备的事实标准，如今，数百万装备蓝牙技术的灯塔在市场上随处可见。如智能插座、门锁等智能家居应用和其他多种应用也从蓝牙的各种特性中获益。图1显示了多种物联网应用的不同无线技术要求。凭借更长的传输距离、更快的速度，而且由于市场上不断推出并支持带有蓝牙功能的集线器和路由器，向智能家居应用扩展的前景非常光明。

图1：物联网应用的无线技术要求

便携健康设备很早以前就支持蓝牙与手机或其他医疗设备连接。现在，由于更大的传输距离，设计人员可以将蓝牙用在植入器件中。

蓝牙5将包含后续版本，包括为在音频设备中融合低能耗蓝牙而奠定基础（摘自WiFore CTO Nick Hunn在2016年10月的博客）。这样，语音和音频应用可以有效地使用高能效技术，从而将便携设备的电池寿命从几小时延长到几天。

蓝牙IC集成的好处

过去，蓝牙通过包含WiFi和其他无线技术的组合芯片组而在系统中实施。尽管绝大多数的实施都采用双模式（低能耗和传统模式）组合无线芯片组，但仅支持低能耗蓝牙规范的解决方案正迅速集成到单个一体化系统中，以充分发挥功耗、工艺节点排列和更高性能的优势。例如，MCU正将低能耗蓝牙IP融合到其芯片组中。与USB 2.0相似，低能耗蓝牙将继续作为一个事实标准特性而渗透到MCU解决方案中，这是一个明显的趋势。特别需要指出的是，超低功耗55纳米和40纳米工艺等工艺节点在集成蓝牙方面扮演着关键角色。

低能耗蓝牙规范和新推出的蓝牙5以及将渗透、分享并增强802.15.4无线标准、蜂窝物联网和其他类似解决方案的市场。因此，开发出将低能耗蓝牙与其他利基型低功耗无线解决方案相结合的多协议芯片组已经成为快速发展的新趋势。这样，最终应用可以利用其他无线技术的优点和传统，同时从低能耗蓝牙的新特性和互操作能力中获益。

无线技术集成到单个SoC中的原因有很多，包括低功耗、低成本、小体积和短延时。除了功效和延时方面的改进外，无线集成还可以消除完整的芯片组，降低封装成本，并减少所需的额外垫片及电源管理IP。对于支持更多无线网络处理器所需的SoC设计，这可以节约超过0.15美元的封装成本和20-30个额外的垫片。通过这些方面的节约，以及重复电源管理的消除和PCB体积的缩小，这可以大大节约整个系统的成本。