半導體

InnoPhase公司:射頻模擬器件數字化,超低功耗物聯網無線通信愿景正在實現

作者:陳炳欣來源:中國電子報、電子信息產業網發布時間:2019-06-17 10:42我要評論

射頻器件毫無疑問是無線連接的核心之一,從2G、3G、4G、WiFi、藍牙、NFC,以至未來的5G通信,凡是需要無線連接的地方,射頻器件都必不可少。然而,射頻器件包括放大器、濾波器、變頻器等均屬于模擬電路,它們很難象數字電路那樣可以快速追蹤最先進的摩爾定律,隨著工藝線寬的微縮,降低功耗、縮小尺寸。目前射頻器件已經成為物聯網設備中最大功耗源之一。

不過,記者近日采訪了位于美國圣地亞哥的初創型IC設計公司InnoPhase。該公司開發的單芯片無線物聯網平臺,可使無線電功能在數字域而不是模擬域中執行。“這意味著可以在高端處理節點上實現RF處理的重要部分,并且可以將功耗降低50%或者更多。”InnoPhase公司負責戰略合作及市場營銷的高級總監Jasper Jiang說。而以此為契機,傳統上的射頻模擬器件被以數字信號處理模塊取代的愿景正在逐漸實現。

射頻成為物聯設備最大功耗源之一

物聯網概念從21世紀初提出至今已經取得長足進步,越來越多的應用場景正在逐步落地,但是物聯網設備的大規模普及應用依然存在瓶頸。對此,Jasper Jiang認為,最大的問題之一在于物聯網設備的使用上仍不夠便利。目前市面上大部分的設備依然無法做到真正意義的低功耗上,這導致實際應用中出現了兩種現象:要么是物聯網設備依靠外接電源供電,限制了設備布署的方便性,要么是頻繁更換電池,讓用戶覺得費心費時。這兩種結果都會降低人們在日常生產生活中使用物聯網設備的意愿。

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那么,物聯網設備特別是位于邊緣側的移動設備中哪些部件是耗能大戶?“根據我們的分析,一個智能的物聯網終端設備要保證和云端隨時連接,有相當大一部分能耗用于建立和保持與物聯網網絡間的通信。以WiFi網絡為例,終端和無線路由器(AP)之間需要經過一系列的信令交互才能建立起可靠的連接。根據IEEE 802.11協議規定,即使是在睡眠狀態下,終端也必須定期接收來自AP的信標幀(Beacon Frame);如果終端需要發送信息的話,則需要動用包括接收機和發射機的整個射頻組件。通常AP每隔Beacon Interval(BI=100ms)發射一次信標幀,而終端則根據AP廣播的DTIM設置(一般為3),即每DTIM * BI (即300ms)需要退出睡眠狀態跟AP連接一次,以確保不遺漏云端通過AP發送的信息。在典型的物聯網應用中,這種DTIM模式占到設備運行總時長的98%以上。”Jasper Jiang說。

這就意味著射頻器件已經成為物聯網設備中最主要的耗能組件之一。因此,降低射頻器件的能耗對于邊緣側的終端而言至關重要。然而,問題在于無線射頻技術所采用的基本架構在過去的50年中基本沒有什么變化。“時至今日射頻信號都是在線性正交的笛卡爾坐標下分解,并以I (In-Phase)和Q(Quadrature)兩路分量的形式從基帶轉化為射頻,進入發射機或者從接收機中取出。而傳統發射機和接收機中大部分采用的是模擬的射頻元器件,諸如功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)、鎖相環(PLL)、晶振(LO)、自動增益放大器(AGC)、模數/數模轉換(ADC/DAC)等。這些模擬的元器件不但體積大,而且非常耗電。即便采用最新的RF CMOS技術,這些元器件所消耗的功率通常會占到整個射頻組件的60%-70%,甚至更高。”Jasper Jiang說。

從架構改進,使射頻與數字友好

正是基于這一困境,InnoPhase公司從架構層面進行了改進,開發了全新的PolaRFusionTM無線射頻架構。“它與傳統架構最大的不同之處在于采用非線性的極(Polar)坐標以及幅度(Amplitude)和相位(Phase)分量來描述射頻信號,并以一系列全新的數字信號處理模塊,例如Digital PA、flexLNA、AD-PLL、TDC,取代了傳統架構中的大部分龐大且耗能的模擬元器件。”Jasper Jiang告訴記者。

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這種全新的體系和架構最大的特點是可以讓電路設計變得數字友好起來,同時更加貼近摩爾定律。隨著工藝制程的進一步提升,可以達成更高的集成度、更低的功耗、更小的體積和更低的成本。另一方面,在基帶信號處理上,PolaRFusionTM也引入了全新的理念和方法,通過引入一系列協處理器陣列使得Control Path實現可編程,并且根據實際應用可以靈活配置成支持不同無線通信標準的數字基帶,比如WiFi、BLE、Zigbee等,同時實現了內置硬件加密。

也就是說,這種架構最大的優勢體現在兩個層面:首先,它的超低功耗(尤其是保持隨時連接的超低功耗)讓很多原先不可能實現的通過電池驅動的物聯網設備和應用變得完全可行;其次,它的靈活配置(包括應用廣泛的WiFi + BLE雙模運行)可以使物聯網設備的部署變得更加簡單方便。

下一代產品,更低功耗、更強性能

目前,InnoPhase公司基于PolaRFusionTM架構開發了Talaria TWOTM(T2)SoC產品。該產品除具備超低功耗和靈活配置兩大優點外,還具備強大高效的處理能力和豐富多樣的外設接口,可以直接連接驅動并靈活處理各種外接設備(從傳感器到控制器,從音頻視頻到輸入輸出),無需使用額外芯片,極大簡化了硬件設計,進一步降低物聯網設備的最終成本。

InnoPhase目前專注于Talaria TWOTM的大規模應用推廣。Talaria TWO TM(T2)SoC產品已經開始商用,即將大規模量產。這是一款非常適合物聯網應用的低功耗、低成本、多標準、高集成、高性能的芯片平臺。它非常適用于各種電池驅動(或者對低功耗要求較高)的物聯網設備,廣泛應用于智能家居、智能健康、智能樓宇、智能傳感、智能制造、智能工業、智能農業等行業。

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InnoPhase的下一步計劃是開發新一代的產品。“我們已經開始規劃下一代新產品的研發,在現有的Wi-Fi 802.11b/g/n + BLE 5.0的基礎上,增加各類無線通信標準(包括802.11ax、Zigbee、LoRa、Mesh等),并引入新功能,諸如更高的安全級別和人工智能,同時通過提升工藝制程(從現有的55nm升級到22nm),從而達到更低的功耗、更強的性能和更低的成本。”Jasper Jiang說。

就在不久前,InnoPhase被國際知名的行業市場分析咨詢公司ABI Research評為全球十家改寫無線連接的創新公司之一。“Talaria在希臘神話中是主管商業貿易旅行的天神赫爾墨斯所穿的飛翼涼鞋,讓他如風疾行,無遠弗屆。正如我們給產品取名為Talaria時希望的,我們的愿景是成為物聯網的信息使者,讓我們的解決方案伴隨我們客戶的產品進入千家萬戶,無處不在,無所不及。”Jasper Jiang說。



責任編輯:陳炳欣
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