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Synopsys 目前支持 Bluetooth? 5.4，这是蓝牙技术联盟 (SIG) 发布的最新规范。Bluetooth 5.4 的增强功能将开启更多市场和用例。这是本文将讨论的低功耗蓝牙市场的众多拐点之"一。
我的整个职业生涯都是在提供多种无线产物，而本人从中学到的一件事是，世界永远不会停滞不前。硅技术的持续进步、各种无线标准的增强以及技术提供商的不断跨越式发展，促使我们不断重新评估我们选择技术采购的方式和人选。
这些技术采购决策可以追溯到市场中出现的拐点或技术的进步与增强。本文将通过分析低功耗蓝牙 (BLE)(*)市场的以下三种类型的拐点，特别关注低功耗蓝牙（*） 或“BLE”：
- 通过发布新的蓝牙规范，继续增加 BLE 增强功能。
- 各种硅供应商在“制造”与“购买”决策上的转变。
- 即将到来的 BLE 增强功能的出现推动了供应商采购决策的变化。
(*) 最初，BLE 被称为“Bluetooth Smart”，但该名称的使用几乎完全消失了。
继续增加 BLE 增强功能
今年，蓝牙技术联盟 (Bluetooth SIG) 将迎来 25 周年庆，而蓝牙，特别是低功耗蓝牙，仍然生机勃勃，并在不断发展。如下图 1 所示，年出货量将继续以 9% 的复合年增长率增长，预计 2023 年出货量将超过 50 亿台，预计到 2027 年年出货量将远远超过 70 亿台。值得注意的是，在这 10 年期间，平台出货量基本保持不变。平台设备通常被我们称为“主机”设备，如个人电脑、平板电脑和手机。为了与市场中的传统蓝牙外围设备保持兼容，这些平台几乎总是既支持旧的蓝牙 BR/EDR，也就是我们所说的“经典蓝牙”，也支持较新的低功耗蓝牙协议。
最显著的趋势是，所有增长都发生在外围设备中。这些设备主要为“仅限 BLE”设备，并且主要由低功耗蓝牙针对电池供电设备的低功耗特性以及低功耗蓝牙功能集添加的新增强功能所驱动。
图 1：蓝牙平台和外围设备的出货量
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纵观历史数据，大约每 1.5 到 2 年发布一个新的蓝牙规范，每个规范发布通常包含三到四项新的增强功能。这些功能的范围可能涵盖从轻微改进到推动重大增长机会或“拐点”的主要功能。我们来看看蓝牙规范的更重大变化：
2010 年 - 蓝牙 4.0：这是自 1998 年蓝牙技术问世以来最重大的变化。这增加了我们现在所说的低功耗蓝牙，这是一种与原始经典蓝牙完全不同的协议。低功耗蓝牙基本上围绕着使用 3 伏纽扣电池为 IoT 设备和传感器供电而设计。如今，低功耗蓝牙已被广泛采用，以至于上一次对旧版经典蓝牙的规范更新要追溯到 2014 年的 BT4.2 版本。自那时起，所有对蓝牙规范的增强都是专门针对低功耗蓝牙进行的。
2016 年 - 蓝牙 5.0：这包括三项增强功能，其中最重要的是增加了 2Mbps 模式（正式限制为 1Mbps）和远程模式（高达 4 倍的范围），这是通过使用前向纠错实现的“编码 PHY”。
2020 年 - 蓝牙 5.2：它被称为“游戏规则改变者”，因为它新增了 LE 音频（BLE 音频），以前只有旧的点对点经典蓝牙协议支持此功能。这为耳机和耳塞等 BLE 音频设备提供了显著的功耗节省，提高了音频质量，并支持“广播”音频（一对多），BT SIG 最近将其命名为 Auracast?。
2023 年 - 蓝牙 5.4：这包括四项增强功能，其中最值得注意的是响应式周期性广告 (PAwR) 和较小程度的加密广告数据 (EAD)。这些功能主要由电子货架标签 (ESL) 驱动。笔者认为，与其他规范相比，这是一个转折点，因为随着 ESL 供应商从专有无线协议转向 BLE 标准化，这将为 BLE 创造一个全新的市场。PAwR 还有其他几个应用领域。有些人把 PAwR 称为新 BLE Mesh，因为 2017 年最初的 BT5.1 Mesh 规范并没有得到显著采用。PAwR 还用于汽车领域，如电动汽车电池管理系统 (BMS) 和轮胎压力监测系统 (TPMS)，这些系统将内置于实际轮胎本身中。
那么，低功耗蓝牙的下一个转折点是什么？ 我们期待着工作组目前正在确定的三项重大增强。
- 信道探测或高精度距离测量 (HADM)。该功能预计将于 2024 年发布，有助于打造能够提供更高精度/定位水平的定位系统。数字钥匙等汽车应用也产生了强烈的推动作用。
- 更高的数据吞吐量是另一个有吸引力的增强功能，它将出现在更远一些的未来。其目的是将当前的 2Mbps 吞吐量提高到 6-8 Mbps。这将满足需要更高性能/流式传输更大媒体、游戏甚至更高质量音频的应用。
- 更高的频带，这将发生在更远的未来，定义了 BLE 在额外的未授权中频带频谱中的操作，例如 5-6 GHz 频带。它将缓解目前 2.4GHz 频段中的一些无线拥塞，并改善延迟。
本文的最后一部分将讨论这些即将到来的增强功能将如何改变蓝牙采购决策的局面。
制造与购买
每个硅供应商都面临着在下列两方面的艰难抉择：内部设计其 SoC 的各种功能块，或者从第三方供应商处获得现有“IP”（知识产权）设计块的许可。大多数硅供应商都经许可使用多个 IP 模块来构建其 SoC。这包括 CPU 内核、互连系统、内存控制器、安全元件和各种有线接口。为什么 BLE 会有所不同？
在蓝牙 IP 方面，我们已经看到，过去几年中，硅供应商做出了重大举措，决定获得已经过验证的 BLE 解决方案的许可，而不是花费昂贵的内部工程资源在内部进行设计。这是将 BLE 设备推向市场的又一个转折点。
Synopsys 的 RFPHY（无线电）和链路层控制器的 BLE 设计赢得了多家从事 BLE 业务多年的一级硅供应商的青睐。为什么会这样？
有几个因素推动了“购买”或许可 BLE IP 趋势。
- BLE 变得无处不在。无论是用作主要无线接口，还是为设置、配置和维护设备提供无线接入，BLE 都已迅速成 SoC 上的另一个标准接口。
- 如前一节所讨论，新的 BLE 标准将继续发布，而维护内部设计团队以跟上所有新增强功能的步伐变得越来越昂贵。
- 摩尔定律肯定在起作用。将 RF/模拟设计移植到更小的几何形状上，以保持在模具面积（成本）和功耗方面的竞争优势是非常昂贵的。来自现有 BLE 供应商的许多内部解决方案都没有跟上这些拓扑结构的变化，并且仍然体积庞大、极其耗能。
- 与 Synopsys 解决方案一样，可用的 BLE Radio IP 在尺寸、功耗和接收灵敏度等性能指标上正在接近理论极限（即 -100dBm @1Mbps）。这使得很难证明花费内部资源只是为了满足已经能够以较低成本获得的规范是合理的。
- 另一方面是资金有限的初创公司。为模拟无线电、数字调制解调器和控制器以及主机软件堆栈建立一个有能力的 BLE 设计团队需要三年以上时间和 1000 个人月才能符合 BLE 协议规范。
- 还有一群硅供应商，他们可能已经从事非无线解决方案多年，但由于 BLE 的普遍性，他们第一次将其添加到他们的 SoC 中，并且在内部缺乏射频知识。
无论您在进行“制造与购买”分析时依据的原因或标准是什么，可以肯定的是，最近在采购 BLE 解决方案方面出现了拐点，即转向获取第三方 IP 解决方案的许可。
即将到来的 BLE 增强功能将推动供应商采购决策的变化
笔者在前文已经谈到近期的新 BLE 增强，首先是计划于 2024 年中期推出的新规范，它将为信道探测提供支持。要理解这一讨论，我们必须首先看一下“BLE 堆栈”中创建完整 BLE 解决方案的各个层。
完整的 BLE 堆栈可以分解成十几个单独的级别或功能，但就最简单的形式而言，有三个基本元素，如图 2 所示。这是通常由第三方 BLE IP 供应商许可的三个 IP 模块。
图 2：低功耗蓝牙堆栈
- 连接到外置天线的是堆栈的最低部分，即称为“PHY”的物理层（以橙色显示）。用 Bluetooth SIG 定义的 BLE 语言来描述的话，这称为 RFPHY。它由模拟无线电（或收发器）以及支持调制、解调、频率控制、校准等功能的 PHY 中的数字逻辑组成。
- 下一层称为链路层控制器。这类似于基于 OSI 的无线标准（如 WiFi、Thread、Zigbee 等）中使用的“MAC”。链路层是数字数据传输进出 RFPHY 的通道。链路层控制器管理无线电的链路状态，安排数据包接收和传输，保证在管理链路时数据和其他无线电控制程序的传递。
- 主机 SW 堆栈和配置文件与应用程序代码一起在 SoC 内的主机 CPU 上运行。它由多个传输和网络协议组成，允许应用程序与其他设备通信。您可能还会注意到，主机 SW 堆栈和链路层控制器之"间有一个接口，它被方便地称为主机/控制器接口或简称为“HCI”。这是一个不依赖于时间的物理和逻辑接口。蓝牙规范中定义了整个 HCI 的通信协议，该协议允许不同供应商的主机 SW 堆栈和链路层控制器之"间相当容易地集成和兼容。
在即将发布的蓝牙规范的细节中，可以找到改变供应商采购决策的拐点。图 3 显示了从 2016 年的 BT5.0 到未来 3-4 年计划增强功能的各种蓝牙标准。
图 3：蓝牙规范时间表
BT5.0 至 BT5.4 规范中增加的增强功能影响了数字链路层和/或主机 SW 堆栈。这需要更改数字逻辑或软件，但不会影响 RFPHY 设计。最终结果是，用于支持 BT5.0 的 RFPHY 在 BT5.4 中仍保持不变。
未来改变游戏规则的是，即将到来的每个主要增强都需要对 RFPHY 和控制它的链路层进行设计修改。
如图 2 所示，链路层控制器和 RFHY 共同创建了蓝牙技术联盟所定义的“控制器子系统”。这是因为 RFPHY 和控制器紧密耦合形成了这个子系统。控制器和 RFPHY 如何协同工作来支持这些新功能非常关键，并且可能依赖于时间。与 HCI 接口不同，对于 RFPHY 和链路层控制器如何相互交互没有已定义的标准。如果您从两家不同的第三方 IP 供应商处采购 RFPHY 和链路层控制器，这将导致一个相当耗时且迭代的集成过程，从而在支持这些新标准方面增加重大风险。如果两者不是来自单个供应商，供应商之"间肯定会有一些不兼容，造成暂停。
Synopsys 正在积极研究所有新的和即将推出的蓝牙规范，并将在其发布时限内提供支持。
我们的 RFPHY 和链路层控制器具有行业领先的功率、性能和面积 (PPA) 规格。从 Synopsys 采购 RFPHY 和链路层控制器将大大降低支持这些新蓝牙增强功能所面临的风险。要了解更多信息，请访问 或联系您当地的 Synopsys 销售代表。
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