物聯(lián)網(wǎng)正面臨無線復(fù)雜性的高墻。在大多數(shù)情況下，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備依賴于多種無線協(xié)議，每種協(xié)議都有其獨特的用途。Wi-Fi用于本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò);藍(lán)牙處理設(shè)備間的短距離、低延遲通信;Thread及其他802.11.4協(xié)議支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

因此，射頻設(shè)計變得越來越復(fù)雜。集成新功能或跟進新標(biāo)準(zhǔn)通常需要多塊芯片或頻繁的硬件重裝。

為了理清復(fù)雜性，公司正競相推出多協(xié)議無線SoC，解決物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一些最大的技術(shù)挑戰(zhàn)。這些芯片同時管理多個協(xié)議，用單一芯片取代系統(tǒng)和模塊級的無線集成。

物聯(lián)網(wǎng)正面臨無線復(fù)雜性的高墻。在大多數(shù)情況下，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備依賴于多種無線協(xié)議，每種協(xié)議都有其獨特的用途。Wi-Fi用于本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò);藍(lán)牙處理設(shè)備間的短距離、低延遲通信;Thread及其他802.11.4協(xié)議支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

因此，射頻設(shè)計變得越來越復(fù)雜。集成新功能或跟進新標(biāo)準(zhǔn)通常需要多塊芯片或頻繁的硬件重裝。

為了理清復(fù)雜性，公司正競相推出多協(xié)議無線SoC，解決物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一些最大的技術(shù)挑戰(zhàn)。這些芯片同時管理多個協(xié)議，用單一芯片取代系統(tǒng)和模塊級的無線集成。

這是通用無線物聯(lián)網(wǎng)SoC的典型框圖。

隨著對即插即用物聯(lián)網(wǎng)連接需求的增長，企業(yè)不斷向這些芯片添加更多設(shè)備，從無線電到內(nèi)存，正如一些最新短距離無線連接解決方案所示。

多無線無線SoC彌合了智能家居的空白

恩智浦正試圖通過其RW612x系列多協(xié)議SoC，支持Wi-Fi 6、藍(lán)牙LE 5.3和Thread，以及通過以太網(wǎng)的有線連接，彌合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的差距。Matter-ready的SoC將公司 i.MX RT系列MCU的性能結(jié)合起來，打造出適用于恒溫器、家庭顯示器、智能音箱和家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS）等應(yīng)用的單芯片連接解決方案。

據(jù)恩智浦稱，RW612x可用于作為Matter控制器的設(shè)備，Matter是Matter網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞暮诵臉?gòu)件之一。該芯片還可以將任何始終在線的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，包括小型智能插座和墻壁開關(guān)，轉(zhuǎn)變?yōu)門hread邊界路由器。這些設(shè)備作為Matter設(shè)備的總機，將Thread網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)與WiFi等無線網(wǎng)絡(luò)連接，進一步連接云端。Matter應(yīng)用層運行于Thread和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)層，并使用藍(lán)牙LE進行調(diào)試。

RW612x將Matter使用的三種無線技術(shù)整合到一塊芯片中，得益于公司內(nèi)部和外部無線電共存技術(shù)，以減少射頻干擾，能夠同時運行它們。

20 MHz Wi-Fi 6 無線電子系統(tǒng)使用 2.4 GHz 和 5 GHz 頻段，實現(xiàn)更高的吞吐量、更好的效率和更遠(yuǎn)的覆蓋范圍。窄帶（NB）無線電支持 Bluetooth LE 5.3 以及 Thread 和 Zigbee 等 802.14.5 無線協(xié)議。無線電配備專用的 CPU 核心和內(nèi)存以運行網(wǎng)絡(luò)堆棧。

無線MCU配備了功率放大器（PA），功率輸出最高可達+21 dBm，同時還包括射頻前端的其他部分。

NXP表示，它包含了所有其他構(gòu)建Matter就緒無線MCU的組件。其核心的Cortex-M33 CPU最高時長可達260 MHz，配備1.2 MB片上SRAM處理器和四個SPI接口，用于安全訪問片外的原地執(zhí)行（XIP）閃存。

無閃存MCU采用Arm的TrustZone-M技術(shù)，但它增加了一個安全子系統(tǒng)，作為系統(tǒng)的硬件信任根（RoT），運行安全啟動和硬件加密，并支持側(cè)信道保護和安全的OTA。

NXP解釋說，它可以在單個3.3伏電源上運行，集成的降壓調(diào)節(jié)器和LDO負(fù)責(zé)內(nèi)部電源域。它集成了多種先進的模擬外設(shè)，包括顯示驅(qū)動程序。

雖然RW61x專注于多無線連接，NXP則推出了MCX W71x作為單芯片無線解決方案，應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點，如溫度傳感器、智能插座和門鎖。該MCU由96 MHz Cortex-M33處理器供電，采用低功耗架構(gòu)和節(jié)能無線電，支持Matter、Thread、Zigbee和藍(lán)牙LE的安全連接，同時最大化電池續(xù)航。可升級的無線子系統(tǒng)使新的無線協(xié)議能夠在未來多年內(nèi)被添加到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中。

RW612x 將 Matter 使用的三種主要無線技術(shù)結(jié)合為單芯片解決方案。

無線SoC使智能家居實現(xiàn)并發(fā)連接

大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實現(xiàn)了多種無線協(xié)議，用于連接智能家居中的其他設(shè)備，每種協(xié)議都有不同的功能。但在日益密集的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)它們以最大化性能并最小化延遲可能會變得復(fù)雜。Qorvo試圖通過其名為QPG600的智能通信控制器系列核心的并發(fā)連接技術(shù)來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。

該系列的第一款芯片QPG6200L基于與許多其他多協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)SoC相同的三核CPU架構(gòu)——一個用于無線連接，一個用于安全子系統(tǒng)，另一個用于客戶應(yīng)用。這款多協(xié)議2.4 GHz無線電支持藍(lán)牙LE以及Thread和其他物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并配備獨立的接收路徑以實現(xiàn)并發(fā)監(jiān)聽。Cortex-M4 CPU核心可從2 MB非易失性內(nèi)存（NVM）或0.3 MB RAM執(zhí)行代碼，時鐘頻率最高可達192 MHz。

在大多數(shù)情況下，多協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用時分復(fù)用（TDM）通過將同一信道劃分為不同的時隙，發(fā)送多個信號。大多數(shù)無線SoC采用動態(tài)多協(xié)議（DMP）技術(shù)在藍(lán)牙和Thread等協(xié)議之間切換，因為一次只能有一個通過信道通信。雖然這對少數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備有效，但更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)可能會帶來問題，因為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備爭奪通信時間可能會干擾網(wǎng)絡(luò)活動。

除了明顯的低效措施外，不同協(xié)議之間的切換還有其他權(quán)衡，增加延遲，最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失，因為只有一個標(biāo)準(zhǔn)被傳達，另一個標(biāo)準(zhǔn)被阻斷。

Qorvo利用ConcurrentConnect，能夠同時持續(xù)監(jiān)聽和接收來自不同協(xié)議的數(shù)據(jù)包——無論是Zigbee和Thread，還是Zigbee和藍(lán)牙LE到智能手機，或Thread和藍(lán)牙LE網(wǎng)狀。“并發(fā)監(jiān)聽”使藍(lán)牙LE到Zigbee或Thread之間實現(xiàn)更智能、近乎即時的切換，延遲極低。公司表示，通過將 Concurrent Connect 直接集成到芯片中，該芯片能夠以更快、更穩(wěn)健的方式改變協(xié)議，以減少數(shù)據(jù)包丟失。

QPG6200L可以同時連接到藍(lán)牙網(wǎng)狀和Thread網(wǎng)絡(luò)，或者在Zigbee或Thread網(wǎng)絡(luò)中運行時，可以直接連接基于藍(lán)牙的智能手機。

Qorvo表示，它提供高達10 dBm的發(fā)射功率，帶有天線多樣性，通過使用一對天線而非單一天線，最大化了設(shè)備的可靠覆蓋范圍。SoC會監(jiān)控情況，確保藍(lán)牙和Thread使用最合適的天線。這最大限度地減少了密集物聯(lián)網(wǎng)部署中信號衰減的影響。

據(jù)公司稱，天線多樣性使鏈路預(yù)算增加8 dB，相比僅用一個天線的類似系統(tǒng)，覆蓋范圍增加了70%。這也減少了重播。

電源管理單元（PMU）使其能夠在標(biāo)準(zhǔn)投幣電池上運行。

該QPG6200L采用了與許多其他多協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)SoC相同的三核CPU架構(gòu)。

三合一射頻SoC推動緊湊型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

Synaptics通過其SYN461x為電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（如可穿戴設(shè)備、智能手表、智能音箱和家用電器）帶來了多協(xié)議無線連接。雖然它需要協(xié)處理器來運行應(yīng)用程序，但公司表示，射頻SoC作為無線連接的主要控制器，將協(xié)議從主機卸載以節(jié)省功耗。

這款三合一射頻SoC集成了Wi-Fi 6E、藍(lán)牙6.0、藍(lán)牙LE和802.15.4無線協(xié)議，如Thread和Zigbee，集成在一塊芯片中，優(yōu)化了節(jié)能性能。

Matter支持芯片支持2.4GHz、5GHz和6GHz頻段的三頻1×1 Wi-Fi。除了標(biāo)配藍(lán)牙6.0外，它還配備了最新的藍(lán)牙LE功能，包括用于定位的通道音效和用于無線音頻的Auracast。

無線SoC集成了Wi-Fi無線電的PHY和MAC，另一個無線電分別使用獨立的PHY和MAC，用于藍(lán)牙和Thread/Zigbee。它配備了一對 Cortex-M4 MCU，用于控制所有無線連接——一個用于 Wi-Fi 協(xié)議棧，另一個用于藍(lán)牙和 Thread/Zigbee 協(xié)議棧。還包括一個全集成的射頻前端，配備功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）和發(fā)射/接收開關(guān)，通過消除射頻前端（RFFE）的外部組件，節(jié)省了空間和系統(tǒng)成本。

無線物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議面臨的一個技術(shù)挑戰(zhàn)是它們運行在重疊的頻段中。Wi-Fi和藍(lán)牙使用與Thread、Zigbee及其他物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議相同的2.4 GHz頻段，這可能導(dǎo)致?lián)砣⒋當(dāng)_及其他干擾，阻斷或延遲射頻信號的傳輸和接收。包括SYN461x在內(nèi)的多種無線SoC，在硬件和軟件層面專門設(shè)計，旨在減少無線協(xié)議之間的干擾，確保一切能夠共存。

在許多情況下，無線SoC使無線電能夠?qū)崟r通信，共享傳輸優(yōu)先級，以防止重疊。精確的時序確保無線電之間的緊密同步，采用微秒級時隙以避免干擾。Wi-Fi無線電還可以切換到5GHz和6 GHz頻段，以避免2.4 GHz頻段的干擾，而像藍(lán)牙中的自適應(yīng)跳頻（AFH）等定時協(xié)議則通過動態(tài)切換到較少擁擠的頻道，進一步減少擁堵。

通過應(yīng)用智能調(diào)度和隔離來管理無線電間的通信，Synaptics表示可以確保多協(xié)議連接的可靠和高效。SYN461x還能夠與外部LTE和GNSS無線電協(xié)調(diào)運行。

多協(xié)議無線SoC在Matter智能家居標(biāo)準(zhǔn)的采用中發(fā)揮著核心作用。

整個Veros系列設(shè)計與Synaptics的Astra系列AI處理器緊密集成，而公司的Machina開發(fā)套件則作為Astra平臺與Veros SoC之間的紐帶。

多協(xié)議無線MCU將NPU推向最前沿

其他芯片則配備神經(jīng)處理單元（NPU），實現(xiàn)快速且節(jié)能的AI執(zhí)行。其中最新的之一是Alif Semiconductor旗下的Balletto系列多協(xié)議無線MCU，針對空間受限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

Balletto芯片憑借其硬件加速器和大型片內(nèi)存儲器，為機器學(xué)習(xí)和傳感器融合帶來了更高的性能。核心的Cortex-M55 CPU搭載Arm的Helium DSP技術(shù)，最高時脈可達160 MHz，并搭配Arm的Ethos-U55，實現(xiàn)AI加速。芯片配備最多2MB的SRAM（配置為緊耦合內(nèi)存，TCM）、最多2MB的MRAM作為NVM，以及八進制SPI接口用于附加閃存。

Balletto芯片還包含Cortex-M0+用于系統(tǒng)安全，以及RISC-V CPU用于運行網(wǎng)絡(luò)棧，實現(xiàn)了無需獨立MCU即可實現(xiàn)穩(wěn)健的連接。憑借專用處理器和內(nèi)存，Balletto 無線電支持同時運行藍(lán)牙 LE 5.3 和 802.15.4.2011 協(xié)議，如 Thread 和 Zigbee，使用單片上天線。

此外，該初創(chuàng)公司表示，Balletto可用于支持Matter標(biāo)準(zhǔn)的智能家居設(shè)備，并且支持藍(lán)牙LE音頻和Auracast廣播音頻。

雖然該芯片的接收靈敏度為–101 dBm，但Balletto采用了雙功率放大器架構(gòu)：高功率放大器輸出10 dBm以實現(xiàn)最大范圍和信號強度，低功率放大器輸出4 dBm以實現(xiàn)最佳功率。

當(dāng)多臺無線電同時運行時，能耗可能難以保持。每種無線協(xié)議的功耗需求都不同，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備如果在不同協(xié)議間動態(tài)切換或同時使用多個協(xié)議，電池會迅速耗盡。

為了在系統(tǒng)層面節(jié)約電力，Balletto 采用了初創(chuàng)公司的 aiPM 技術(shù)，該技術(shù)動態(tài)地只為當(dāng)前使用的邏輯和內(nèi)存供電。PMU支持四種系統(tǒng)級電源模式，包括耗電700 nA的停止模式。

為了省電，Balletto動態(tài)供電僅為當(dāng)時使用的邏輯和內(nèi)存供電。

這些芯片集成了許多與其他物聯(lián)網(wǎng)SoC相同的傳感器接口和外設(shè)。它們具備模擬前端（AFE），配備數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和24位西格瑪-德爾塔模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），并支持由圖形處理器支持的攝像頭和顯示接口。

IP為邊緣SoC帶來了多協(xié)議無線連接

盡管多協(xié)議無線連接是最新物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的基本需求，但將其集成到最新SoC中變得越來越復(fù)雜且成本高昂。為了消除技術(shù)障礙并加快聽覺設(shè)備、可穿戴設(shè)備及其他無線消費電子產(chǎn)品的上市時間，Ceva推出了其最新的多協(xié)議無線IP平臺Ceva-Waves Links 200，支持藍(lán)牙LE和802.15.4協(xié)議。

該IP是一種無線物聯(lián)網(wǎng)連接的直接解決方案，支持多協(xié)議并發(fā)通信，先進的共存技術(shù)直接內(nèi)置于硅片中。Ceva表示，它采用更先進的調(diào)制技術(shù)和為臺積電12納米工藝設(shè)計的2.4 GHz無線電，以推動低功耗解決方案中對藍(lán)色性能的極限。

據(jù)Ceva介紹，該方案可運行高數(shù)據(jù)吞吐量（HDT）模式，速度是標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙的兩倍多，數(shù)據(jù)速率最高可達7.5 Mb/s。

Waves Links 200 是繼 Links 100 之后的最新多協(xié)議無線 IP，Ceva-Waves Link 家族配備 Wi-Fi 6 1×1 40 MHz 解決方案、藍(lán)牙 5.4 雙模解決方案（支持藍(lán)牙和藍(lán)牙 LE），以及支持 Matter 的無線子系統(tǒng)支持 Thread 和 Zigbee。該IP設(shè)計為22納米制造，預(yù)先集成了多協(xié)議無線電，該無線電在三種無線協(xié)議使用的2.4 GHz頻段工作。

Ceva表示，其Waves Links 200系列還提供了與Wi-Fi或超寬帶（UWB）的進一步集成可能性。它還可與公司NeuPro-Nano系列NPU配合，利用12納米工藝實現(xiàn)高效的AI加速。