近几年,Wi-Fi规格迭代很快。Wi-Fi 6标准于2019年发布,最高速率由Wi-Fi 5的3.5Gbps升至9.6Gbps,2020年Wi-Fi 6E标准公布,增加了对6GHz频谱的支持。Wi-Fi 7第一版标准草案已于2021年公布,而最近又有厂商现场展示Wi-Fi 7技术,并表示支持Wi-Fi 7的终端设备将于2023年上市。从已公布出的信息来看,Wi-Fi 7(相对应的国际标准为802.11be)将支持2.4GHz、5GHz、6GHz三个频段,在Wi-Fi 6的基础上,Wi-Fi 7将带宽从160MHz拓展到320MHz,并支持4096正交幅度调制(4096-QAM)、多资源单元(Multi-RU)、多链路操作、多用户多入多出增强(MU-MIMO)、多接入点协调(Multi-AP)等技术。Wi-Fi 7的最高速率至少是Wi-Fi 6(最高速率9.6Gbps)的三倍,有望达到46Gbps。
表1:Wi-Fi 5至Wi-Fi 7主要标准参数对比
Wi-Fi是室内无线通信性能之王
从参数来看,Wi-Fi 6/Wi-Fi 7已经是当前主流无线通信技术传输速率的天花板,尤其是规划中的Wi-Fi 7,既可以应对4K/8K视频传输,又能支持增强现实(AR)、虚拟现实(VR)和在线游戏等对数据吞吐量和延迟性能要求很高的应用。无论是蓝牙、Zigbee还是LoRa,速率都比Wi-Fi至少低2个数量级,UWB速率虽然比蓝牙和Zigbee高,但与Wi-Fi 6或Wi-Fi 7相比并无胜算,而且普及率低,目前还没有大规模应用,短时间内无法对Wi-Fi技术的市场地位造成冲击。在通信距离与配置难易程度上,Wi-Fi也不输上述技术。
就目前时间节点来说,Wi-Fi就是室内无线通信技术的性能之王,Wi-Fi在智能家电无线连接市场竞争中的优势非常突出。
首先,如今的手机和笔记本都标配Wi-Fi,用户随时随地可以用手机或电脑管理其他设备,这是Wi-Fi技术在智能家电市场的“群众基础”。Wi-Fi的“群众基础”好,用户学习成本低,配置简单,组网容易,这是除蓝牙外其他竞争技术难以比拟的优势。
其次,在电视、投影、AR、VR等视频设备中,其他竞争技术均难以有足够速率来满足4K影像等高质量视频数据的无线传输要求,高速率传输应用是Wi-Fi技术的根据地,稳固的大后方。
第三,传统家电新产品标配Wi-Fi的越来越多,没有配置Wi-Fi的冰箱、空调、洗衣机,很难被视作智能家电,而扫地机等新兴家电产品在发展时就已经进入无线联网时代,因而这些产品从基因中就支持Wi-Fi技术。
实现高性能Wi-Fi要攻克这几道难题
用户基础广泛,性能指标也越来越优异,Wi-Fi技术在智能家电市场隐隐透露出一统天下的趋势。不过,性能指标越高,往往意味着终端产品开发者需要应对的挑战也更大。
以射频部分实现为例,Wi-Fi 5支持256 QAM,而Wi-Fi 6则支持1024 QAM,QAM的增加对射频部分提出更高的线性度要求,有的场景下设备商对动态误差矢量幅度(EVM)的要求设置达到-47dB,这时候就要使用针对EVM做过专门优化的射频前端模块,才能确保其最终产品能够获得认证。例如贸泽电子在售的来自制造商Qorvo的5GHz Wi-Fi射频前端模块(FEM)QPF4588,就能满足这样严苛的要求。
图1:QPF4588电气参数表(图源:Qorvo)
从Wi-Fi 5升级到Wi-Fi 6,对接收端灵敏度要求也提高了,因而必须降低接收路径的噪声系数,而且,Wi-Fi标准演化对功耗要求也越来越高,要求在最低功耗水平下实现高性能,这都是射频部分设计所面临的难题。功耗增加意味着射频模块的热量增加,热量会降低整体系统性能,同时影响数据吞吐量、覆盖范围和抗干扰性。而且现在用以太网供电(PoE)的设备越来越多,以太网供电对设备功率限制较大,终端产品必须在PoE电源下实现射频输出功率最大化,射频前端性能最优化,因而低功耗设计非常重要。
与分立式射频前端模块相比,QPF4588这类集成式射频前端模块针对应用场景做了全面优化,可缩短线路长度,并减少使用额外的调谐组件,从而有助于减少插入损耗和系统热量。利用QPF4588,开发者可以轻松解决上述拦路虎,设计出高性能、低功耗的Wi-Fi 6产品。具体来看,QPF4588集成了5GHz功率放大器(PA)、稳压器、单刀双掷(SP2T)开关、可旁路低噪声放大器(LNA)以及耦合器。该模块还集成了射频功率检测器和直流功率检测器,可实现功率检测功能,并在5V工作电压下优化了PA,从而可降低功耗并保持高线性输出和高吞吐量。
QPF4588还集成了用于控制二次和三次谐波的滤波器,并具备双频双发(Dual Band Dual Concurrent,简称DBDC)时对2.4GHz的抑制能力。Wi-Fi 6同时支持2.4GHz频段,Qorvo也有多个2.4GHz频段射频前端模块产品可选,例如QPF4528或QPF7219,这些射频模块也均在贸泽电子有售。由于蓝牙设备、手机和微波炉等都可能会干扰到2.4GHz频段,所以Qorvo还提供专用滤波器以进一步提升射频部分抗干扰能力,保证通信质量,典型代表有贸泽电子在售的带缘滤波器885136和共存滤波器885128。
针对市场上Wi-Fi产品小型化的趋势,Qorvo还有升级大招。贸泽电子在售的集成射频前端模块QPF4800同时支持2.4GHz和5GHz双频,在一个尺寸仅4mmx3mm的封装中,集成了2.4GHz和5.0GHz功率放大器(PAS)、一个稳压器、两个SPDT开关、一个双工器和一个带旁路的低噪声放大器(LNA)。QPF4800射频前端的发射增益超过29dB,接收增益为14dB,噪声系数为2.6dB,工作电源电压为5.0V。
QPF4800非常适合住宅网关、机顶盒、智能音箱、语音辅助设备等对外观和尺寸有很高要求的设备,也可化解小尺寸路由器和接入点设备在于性能、尺寸与散热设计上难找平衡的窘境。
蓝牙及其他Wi-Fi竞争技术的市场生存空间
虽然Wi-Fi形势一片大好,但不代表其他通信制式就没有机会了,目前在智能家居领域能和Wi-Fi并驾齐驱的就是蓝牙。蓝牙的市场地位,很大一部分也得益于手机标配。当然,相比Wi-Fi或Zigbee、LoRa,蓝牙也有明显的特点,其最大优势就是功耗低。虽然数据吞吐量不如Wi-Fi,但在功耗表现上,蓝牙技术明显好于Wi-Fi,尤其是对于一些电池供电的便携设备,例如智能音箱、体脂秤、智能手表与TWS耳机等,在这类产品中,蓝牙技术居于主导地位。
蓝牙在4.0版本时推出了低功耗蓝牙(BLE)技术,这为蓝牙进入电池供电的便携设备奠定了基础。而智能音箱和TWS耳机市场的爆发式增长,让蓝牙成为当前非专业应用无线音频市场的不二之选,在蓝牙5.2标准中,还制定了低功耗音频技术标准(LE Audio),有望进一步巩固蓝牙技术在便携式音频设备中的地位。
蓝牙技术功耗优势,从贸泽电子在售的北欧厂商Nordic所开发的系统级芯片nRF52811可见一斑。Wi-Fi芯片发射/接收时电流一般在百毫安以上,而nRF52811的发射端功率在0dBm时电流为4.6毫安,接收端在1Mbps速率时电流也是4.6毫安,在2Mbps速率时为5.2毫安,而且可以看出这颗芯片集成的MCU也很省电,在系统唤醒状态电流也仅有1.1μA,超低功耗表现,无疑是电池供电便携设备的首选通信制式。
传统蓝牙信标产品通过信号强度来定位,精度一般在数米左右,蓝牙5.1标准中支持利用信号方位角来对设备位置进行定位,通过计算接收信号到达角(AoA)与发射信号出发角(AoD),可以将蓝牙设备定位精度提高到厘米级,nRF52811就支持信号方位角定位功能。
新蓝牙标准在室内定位和组网(MESH)方面的突破,将为蓝牙在智能家居应用上拓展更多想象空间。
其他适用于智能家居的主流无线连接协议标准还有Zigbee、LoRa等,也各有特色。以Zigbee为例,功耗低、覆盖广、容量大、自组网能力强、协议简单是其优点,Zigbee的协议比蓝牙更简单,功耗也低。不过,Zigbee等技术不被手机支持,配置相对复杂,而且需要独立网关才能连入互联网,因而用户学习成本高,这些缺点是阻碍其普及的关键。虽然Zigbee在智能家居领域布局较早,但其原有市场份额,正不断被Wi-Fi和蓝牙蚕食。在工业应用等专业领域,由于比较封闭,Zigbee的市场份额还比较稳固。
兼容并包
当然,不同制式之间并不是你死我活的关系,相互匹配则可能为用户提供更好的使用体验。比如,Wi-Fi配置还是比蓝牙要复杂一点,有些设备就同时集成了蓝牙和Wi-Fi功能,用蓝牙来配网以及负责低速率数据传输,既便捷又省电,用Wi-Fi负责高速率数据传输,则快捷高效。
蓝牙和Zigbee二合一的芯片也如此,蓝牙用于快速配置,Zigbee用于规模连接。nRF52811支持蓝牙协议和Zigbee,但是由于存储限制,nRF52811仅有192KB闪存,在应用时只能支持其中一种协议,不能同时支持蓝牙和Zigbee。要同时支持蓝牙和Zigbee,需要选用Nordic另外一款芯片nRF52840,这款芯片也可在贸泽电子官网购买。
图6:Nordic Semiconductor nRF52811不支持多协议同时工作(图源:Nordic)
nRF52840是一款超低功耗、高度灵活的单芯片解决方案。支持Bluetooth 5和Thread或Zigbee无线连接同时工作,由于这些协议都工作在2.4GHz频段,nRF52840的动态多协议特性实现了射频通道在不同协议间共享,使用一种协议发送和接收数据不会干扰并发支持期间的其他链路。
图7:Nordic Semiconductor nRF52840应用框图(图源:贸泽电子)
总结
无线连接是智能家居智能化的基础技术之一,也是很多芯片厂商非常重视的市场方向。Wi-Fi和蓝牙技术近年来迭代很快,不断改善性能或增加功能,再加上拥有巨大的用户基础,因而在智能家居市场的优势越来越明显,Zigbee等其他非运营商专有无线通信制式还有一定的市场空间,且不同制式之间并非完全竞争关系,多制式兼容的芯片在当前市场也颇受欢迎。
审核编辑:郭婷
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