无线通信中将射频器件进行模拟数字化

射频器件毫无疑问是无线连接的核心之一，从2G、3G、4G、WiFi、蓝牙、NFC，以至未来的5G通信，凡是需要无线连接的地方，射频器件都必不可少。然而，射频器件包括放大器、滤波器、变频器等均属于模拟电路，它们很难象数字电路那样可以快速追踪最先进的摩尔定律，随着工艺线宽的微缩，降低功耗、缩小尺寸。目前射频器件已经成为物联网设备中最大功耗源之一。

不过，记者近日采访了位于美国圣地亚哥的初创型IC设计公司InnoPhase。该公司开发的单芯片无线物联网平台，可使无线电功能在数字域而不是模拟域中执行。“这意味着可以在高端处理节点上实现RF处理的重要部分，并且可以将功耗降低50％或者更多。”InnoPhase公司负责战略合作及市场营销的高级总监Jasper Jiang说。而以此为契机，传统上的射频模拟器件被以数字信号处理模块取代的愿景正在逐渐实现。

物联网概念从21世纪初提出至今已经取得长足进步，越来越多的应用场景正在逐步落地，但是物联网设备的大规模普及应用依然存在瓶颈。对此，Jasper Jiang认为，最大的问题之一在于物联网设备的使用上仍不够便利。目前市面上大部分的设备依然无法做到真正意义的低功耗上，这导致实际应用中出现了两种现象：要么是物联网设备依靠外接电源供电，限制了设备布署的方便性，要么是频繁更换电池，让用户觉得费心费时。这两种结果都会降低人们在日常生产生活中使用物联网设备的意愿。

那么，物联网设备特别是位于边缘侧的移动设备中哪些部件是耗能大户？“根据我们的分析，一个智能的物联网终端设备要保证和云端随时连接，有相当大一部分能耗用于建立和保持与物联网网络间的通信。以WiFi网络为例，终端和无线路由器（AP）之间需要经过一系列的信令交互才能建立起可靠的连接。

根据IEEE 802.11协议规定，即使是在睡眠状态下，终端也必须定期接收来自AP的信标帧（Beacon Frame）；如果终端需要发送信息的话，则需要动用包括接收机和发射机的整个射频组件。通常AP每隔Beacon Interval（BI=100ms）发射一次信标帧，而终端则根据AP广播的DTIM设置（一般为3)，即每DTIM * BI (即300ms）需要退出睡眠状态跟AP连接一次，以确保不遗漏云端通过AP发送的信息。在典型的物联网应用中，这种DTIM模式占到设备运行总时长的98%以上。”Jasper Jiang说。

这就意味着射频器件已经成为物联网设备中最主要的耗能组件之一。因此，降低射频器件的能耗对于边缘侧的终端而言至关重要。然而，问题在于无线射频技术所采用的基本架构在过去的50年中基本没有什么变化。“时至今日射频信号都是在线性正交的笛卡尔坐标下分解，并以I (In-Phase)和Q(Quadrature)两路分量的形式从基带转化为射频，进入发射机或者从接收机中取出。

正是基于这一困境，InnoPhase公司从架构层面进行了改进，开发了全新的PolaRFusionTM无线射频架构。“它与传统架构最大的不同之处在于采用非线性的极（Polar）坐标以及幅度（Amplitude）和相位（Phase）分量来描述射频信号，并以一系列全新的数字信号处理模块，例如Digital PA、flexLNA、AD-PLL、TDC，取代了传统架构中的大部分庞大且耗能的模拟元器件。”Jasper Jiang告诉记者。

这种全新的体系和架构最大的特点是可以让电路设计变得数字友好起来，同时更加贴近摩尔定律。随着工艺制程的进一步提升，可以达成更高的集成度、更低的功耗、更小的体积和更低的成本。另一方面，在基带信号处理上，PolaRFusionTM也引入了全新的理念和方法，通过引入一系列协处理器阵列使得Control Path实现可编程，并且根据实际应用可以灵活配置成支持不同无线通信标准的数字基带，比如WiFi、BLE、Zigbee等，同时实现了内置硬件加密。

也就是说，这种架构最大的优势体现在两个层面：首先，它的超低功耗（尤其是保持随时连接的超低功耗）让很多原先不可能实现的通过电池驱动的物联网设备和应用变得完全可行；其次，它的灵活配置（包括应用广泛的WiFi + BLE双模运行）可以使物联网设备的部署变得更加简单方便。

目前，InnoPhase公司基于PolaRFusionTM架构开发了Talaria TWOTM（T2）SoC产品。该产品除具备超低功耗和灵活配置两大优点外，还具备强大高效的处理能力和丰富多样的外设接口，可以直接连接驱动并灵活处理各种外接设备（从传感器到控制器，从音频视频到输入输出），无需使用额外芯片，极大简化了硬件设计，进一步降低物联网设备的最终成本。

InnoPhase目前专注于Talaria TWOTM的大规模应用推广。Talaria TWO TM（T2）SoC产品已经开始商用，即将大规模量产。这是一款非常适合物联网应用的低功耗、低成本、多标准、高集成、高性能的芯片平台。它非常适用于各种电池驱动（或者对低功耗要求较高）的物联网设备，广泛应用于智能家居、智能健康、智能楼宇、智能传感、智能制造、智能工业、智能农业等行业。

InnoPhase的下一步计划是开发新一代的产品。“我们已经开始规划下一代新产品的研发，在现有的Wi-Fi 802.11b/g/n + BLE 5.0的基础上，增加各类无线通信标准（包括802.11ax、Zigbee、LoRa、Mesh等），并引入新功能，诸如更高的安全级别和人工智能，同时通过提升工艺制程（从现有的55nm升级到22nm），从而达到更低的功耗、更强的性能和更低的成本。”Jasper Jiang说。

就在不久前，InnoPhase被国际知名的行业市场分析咨询公司ABI Research评为全球十家改写无线连接的创新公司之一。“Talaria在希腊神话中是主管商业贸易旅行的天神赫尔墨斯所穿的飞翼凉鞋，让他如风疾行，无远弗届。正如我们给产品取名为Talaria时希望的，我们的愿景是成为物联网的信息使者，让我们的解决方案伴随我们客户的产品进入千家万户，无处不在，无所不及。”Jasper Jiang说。