射頻器件毫無疑問是無線連接的核心之一，從2G、3G、4G、WiFi、藍(lán)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(shù)字電路那樣可以快速追蹤最先進(jìn)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(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(chuàng)型IC設(shè)計公司InnoPhase。該公司開發(fā)的單芯片無線物聯(lián)網(wǎng)平臺，可使無線電功能在數(shù)字域而不是模擬域中執(zhí)行。“這意味著可以在高端處理節(jié)點上實現(xiàn)RF處理的重要部分，并且可以將功耗降低50％或者更多?！盜nnoPhase公司負(fù)責(zé)戰(zhàn)略合作及市場營銷的高級總監(jiān)Jasper Jiang說。而以此為契機，傳統(tǒng)上的射頻模擬器件被以數(shù)字信號處理模塊取代的愿景正在逐漸實現(xiàn)。
射頻成為物聯(lián)設(shè)備最大功耗源之一
物聯(lián)網(wǎng)概念從21世紀(jì)初提出至今已經(jīng)取得長足進(jìn)步，越來越多的應(yīng)用場景正在逐步落地，但是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的大規(guī)模普及應(yīng)用依然存在瓶頸。對此，Jasper Jiang認(rèn)為，最大的問題之一在于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的使用上仍不夠便利。目前市面上大部分的設(shè)備依然無法做到真正意義的低功耗上，這導(dǎo)致實際應(yīng)用中出現(xiàn)了兩種現(xiàn)象：要么是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備依靠外接電源供電，限制了設(shè)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(jié)果都會降低人們在日常生產(chǎn)生活中使用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的意愿。
那么，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備特別是位于邊緣側(cè)的移動設(shè)備中哪些部件是耗能大戶？“根據(jù)我們的分析，一個智能的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備要保證和云端隨時連接，有相當(dāng)大一部分能耗用于建立和保持與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)間的通信。以WiFi網(wǎng)絡(luò)為例，終端和無線路由器（AP）之間需要經(jīng)過一系列的信令交互才能建立起可靠的連接。根據(jù)IEEE 802.11協(xié)議規(guī)定，即使是在睡眠狀態(tài)下，終端也必須定期接收來自AP的信標(biāo)幀（Beacon Frame）；如果終端需要發(fā)送信息的話，則需要動用包括接收機和發(fā)射機的整個射頻組件。通常AP每隔Beacon Interval（BI=100ms）發(fā)射一次信標(biāo)幀，而終端則根據(jù)AP廣播的DTIM設(shè)置（一般為3)，即每DTIM * BI (即300ms）需要退出睡眠狀態(tài)跟AP連接一次，以確保不遺漏云端通過AP發(fā)送的信息。在典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，這種DTIM模式占到設(shè)備運行總時長的98%以上?！盝asper Jiang說。
這就意味著射頻器件已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(cè)的終端而言至關(guān)重要。然而，問題在于無線射頻技術(shù)所采用的基本架構(gòu)在過去的50年中基本沒有什么變化?！皶r至今日射頻信號都是在線性正交的笛卡爾坐標(biāo)下分解，并以I (In-Phase)和Q(Quadrature)兩路分量的形式從基帶轉(zhuǎn)化為射頻，進(jìn)入發(fā)射機或者從接收機中取出。而傳統(tǒng)發(fā)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(huán)（PLL）、晶振（LO）、自動增益放大器（AGC）、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)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(shù)，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?！盝asper Jiang說。
從架構(gòu)改進(jìn)，使射頻與數(shù)字友好
正是基于這一困境，InnoPhase公司從架構(gòu)層面進(jìn)行了改進(jìn)，開發(fā)了全新的PolaRFusionTM無線射頻架構(gòu)。“它與傳統(tǒng)架構(gòu)最大的不同之處在于采用非線性的極（Polar）坐標(biāo)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(shù)字信號處理模塊，例如Digital PA、flexLNA、AD-PLL、TDC，取代了傳統(tǒng)架構(gòu)中的大部分龐大且耗能的模擬元器件?！盝asper Jiang告訴記者。
這種全新的體系和架構(gòu)最大的特點是可以讓電路設(shè)計變得數(shù)字友好起來，同時更加貼近摩爾定律。隨著工藝制程的進(jìn)一步提升，可以達(dá)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(xié)處理器陣列使得Control Path實現(xiàn)可編程，并且根據(jù)實際應(yīng)用可以靈活配置成支持不同無線通信標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字基帶，比如WiFi、BLE、Zigbee等，同時實現(xiàn)了內(nèi)置硬件加密。
也就是說，這種架構(gòu)最大的優(yōu)勢體現(xiàn)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(xiàn)的通過電池驅(qū)動的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和應(yīng)用變得完全可行；其次，它的靈活配置（包括應(yīng)用廣泛的WiFi + BLE雙模運行）可以使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的部署變得更加簡單方便。
下一代產(chǎn)品，更低功耗、更強性能
目前，InnoPhase公司基于PolaRFusionTM架構(gòu)開發(fā)了Talaria TWOTM（T2）SoC產(chǎn)品。該產(chǎn)品除具備超低功耗和靈活配置兩大優(yōu)點外，還具備強大高效的處理能力和豐富多樣的外設(shè)接口，可以直接連接驅(qū)動并靈活處理各種外接設(shè)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(shè)計，進(jìn)一步降低物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的最終成本。
InnoPhase目前專注于Talaria TWOTM的大規(guī)模應(yīng)用推廣。Talaria TWO TM（T2）SoC產(chǎn)品已經(jīng)開始商用，即將大規(guī)模量產(chǎn)。這是一款非常適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的低功耗、低成本、多標(biāo)準(zhǔn)、高集成、高性能的芯片平臺。它非常適用于各種電池驅(qū)動（或者對低功耗要求較高）的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，廣泛應(yīng)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(yè)、智能農(nóng)業(yè)等行業(yè)。
InnoPhase的下一步計劃是開發(fā)新一代的產(chǎn)品?！拔覀円呀?jīng)開始規(guī)劃下一代新產(chǎn)品的研發(fā)，在現(xiàn)有的Wi-Fi 802.11b/g/n + BLE 5.0的基礎(chǔ)上，增加各類無線通信標(biāo)準(zhǔn)（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(xiàn)有的55nm升級到22nm），從而達(dá)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(yè)市場分析咨詢公司ABI Research評為全球十家改寫無線連接的創(chuàng)新公司之一?！癟alaria在希臘神話中是主管商業(yè)貿(mào)易旅行的天神赫爾墨斯所穿的飛翼涼鞋，讓他如風(fēng)疾行，無遠(yuǎn)弗屆。正如我們給產(chǎn)品取名為Talaria時希望的，我們的愿景是成為物聯(lián)網(wǎng)的信息使者，讓我們的解決方案伴隨我們客戶的產(chǎn)品進(jìn)入千家萬戶，無處不在，無所不及?！盝asper Jiang說。