本文来自微信公众号“半导体行业观察”，作者/杜芹。
在科技领域，有些创新震撼世界，而有些则悄无声息地成为我们日常生活的一部分。蓝牙技术正是后者的典范。作为一个普遍而又不起眼的技术，自1998年诞生以来，蓝牙凭借极低功耗、低成本和短距离的关键属性，在耳机、键盘、鼠标、智能家居、医疗健康等领域发挥着重要作用，为人们的生活和工作带来了便利。
尤其是2010年低功耗蓝牙（BLE）技术的出现，再次将蓝牙技术推向了新的发展阶段。BLE与经典蓝牙采用了不同的协议，其基本上是围绕着使用3V纽扣电池供电的物联网设备和传感器而设计的。2014年发布的BT4.2是经典蓝牙的最后一个版本，此后所有蓝牙规范增强功能都是针对BLE进行设计优化的。
根据ABI Research和蓝牙特别兴趣小组(SIG)的数据，2018~2027年BLE技术蓬勃发展，设备年出货量将以9%的年复合增长率增长，预计2023年出货量将超过50亿台，到2027年出货量将远超70亿台/年。需要注意的是，平台设备的出货量在这十年间基本持平（平台设备通常是指像PC、平板电脑和手机这样的“主机”设备）。为了兼容现有的蓝牙外设，这些平台设备几乎都同时支持传统的蓝牙BR/EDR和较新的BLE协议。推动BLE增长的主要动力是外围设备的需求，而且以“纯BLE”设备为主，主要是受其低功耗特性和不断增强的功能集所驱动。BLE设备大多由电池供电，电池寿命可能长达10年。
2018-2027年间蓝牙平台和外围设备出货量
BLE增长的新引擎
BLE设备的蓬勃发展，得益于不断发展的蓝牙标准。蓝牙社区的各个工作组一直致力于定义和开发新的BLE功能，他们每1.5至2年更新一版蓝牙标准，每次都会带来3至4项新功能。下图显示了从2016年的BT5.0到未来3-4年计划增强的各种蓝牙标准，其中一些已经被业界认为是非常重要的。例如，信道探测或高精度距离测量（HADM），该标准预计将于2024年发布，可提供更高精度/定位的定位系统；更高的数据吞吐量，最高可达8Mbps；更高的频段（5-6GHz）运作，这将缓解目前2.4GHz频段的无线拥塞情况并改善延迟。这些新功能将使BLE在诸多新兴领域释放潜力。
从2016年的BT5.0到未来3-4年计划增强的各种蓝牙标准
汽车是推动BLE增长的一大新兴市场。此前，蓝牙在汽车领域的应用已经非常广泛，包括免提电话、手机联系人同步、音乐传输、GPS导航、诊断、云连接、密钥卡等。然而，BLE在汽车领域的潜力还远不止这些。
随着汽车迈向电动化、智能化和网联化，所使用的电子设备数量激增，汽车内外部对无线通信的需求也随之增加。车载通信应用非常适合使用BLE，因为无线信号需要传输的距离较短，而BLE的传输距离大约10米到100米之间。举例来说，过去基于CAN接入的传感器或电磁阀/执行器所需的电缆和连接器，现在可以通过使用专用的BLE无线链来实现，这不仅减轻了重量，降低了成本，还消除了传统连接器的可靠性问题。
车辆中还有两个更受欢迎的监控系统——胎压监测系统（TPMS）和电源管理系统（BMS）——也正在向BLE迁移。
过去，TPMS采用低频专有无线协议，现在随着TPMS系统变得更加复杂，不仅要测量胎压，还要监测温度、振动甚至胎面磨损，以更好地指示何时需要维护或更换以防轮胎故障。2023年，蓝牙5.4规范中发布了带响应的周期性广播（PAwR）增强功能，这有助于提高TPMS系统的可靠性并延长电池寿命。
BMS是一个相对较新的BLE应用案例，但重要性日益提升。电动车的电池包中有5000至9000个单独的电池单元，这些单元组合在整个电动车电池包的几十个模块中。为了有效管理电池单元，必须单独监控每个模块，并配备各自的充电控制器，以确保电池单元的正确运行、最佳容量、寿命和电池保护/安全。要进行的监控工作包括：1）需要监测电流和电压，以确保电池单元在安全操作区域（SOA）内运行；2）需要测量温度和当前充电速率，以确定电池单元的健康状态（SOH）。3）因为电池单元的充放电速率不同，所以需要监控电池单元的充电状态（SOC），以确保充电电流流向最需要充电的电池单元，同时避免已充满的电池单元过度充电，这称为“电池均衡”。如果继续采用传统的电线来链接所有这些单独的充电控制器/传感器会变得非常繁琐。为了简化布线的难题，BMS供应商现在正在设计基于BLE的控制器来无线处理通信。
2020年蓝牙5.2规范中，新增了LE音频，汽车中信息娱乐系统的音频质量、电池寿命也随之有了大幅提升。蓝牙特别兴趣小组（Bluetooth SIG）将之称为“Auracast计划”，Auracast实质上是一个BLE无线电台，它可以被车内多个耳机或耳塞接收，提高了共享音频体验的便利性和灵活性。
车钥匙也逐步发展为使用移动设备来替代。由于智能手机都内置BLE，我们只需通过特定的应用程序，就能通过BLE无线连接操控汽车中的各种系统。汽车连接性联盟（Car Connectivity Consortium，CCC）和亚洲的其他标准组织已经发布了包括BLE在内的多项无线数字钥匙协议。BLE不仅可以单独使用，也可以与近场通信（NFC）或超宽带（UWB）无线协议结合使用。预计在2024年中期发布的信道探测功能，是一种用于高精度距离测量（HADM）的新BLE标准，将比仅测量无线电信号强度更为精确，也将增强访问数字钥匙相关的安全性。
此外，耳机市场，包括耳罩式、贴耳式和入耳式设备，也极大地受益于BLE音频低功耗技术。前文中提到的“Auracast计划”预计将引发耳戴式设备的重大变革。目前，无线扬声器和耳罩式设备普遍采用双模蓝牙技术，但由于入耳式设备（如助听器和耳塞）的电池寿命限制，预计纯BLE音频解决方案将先抢占这些小型设备市场，再逐渐扩展到耳罩式耳机等大型设备市场。
电子货架标签（ESL）也将是BLE极具潜力的增长点。与传统的手动更换纸质标签相比，ESL更加快速便捷。2023年蓝牙5.4标准中新增了四项增强功能，最受关注的是带响应的定期性广播(PAwR)和较小程度的加密广告数据(EAD)，这些功能非常适合电子货架标签（ESL），可以实现与数千个终端节点进行双向、节能的通信。
BLE不仅作为独立的无线协议蓬勃发展，而且越来越多地与其他无线协议结合使用。面对WiFi、Zigbee、LoRa、Thread、UWB等等不断涌现的新技术，蓝牙非但没有被边缘化，而且愈发展现出价值。例如，Zigbee Direct利用BLE简化了基于Zigbee的网状网络节点的设置；而Thread为BLE在Thread网状网络中的配置定义了一种方法；WiFi和BLE的双协议解决方案也日益受欢迎，它们通过分离的无线系统在SoC上协调使用。超宽带（UWB）作为一种精确测距的补充无线技术出现，并与BLE结合……
BLE IP授权、购买趋势兴起
BLE已经变得无处不在，无论是作为主要的无线接口，还是为设备提供无线访问以进行设置、配置和维护，BLE已迅速成为SoC上的另一个标准接口。近年来，越来越多的芯片厂商选择购买经过验证的BLE IP解决方案，而不是耗费昂贵的内部资源自行设计，就像很多厂商会采购CPU内核、互联系统、内存控制器、安全组件和分布接口等IP模块一样。
为什么BLE领域也出现了类似的IP授权和购买趋势呢？原因主要有几点：
1
蓝牙标准不断更新，内部设计团队维护更新所有新增功能变得越来越昂贵和不可实现。
2
受摩尔定律的影响，将RF/模拟设计移植到更小的晶体管以保持芯片PPA的做法非常昂贵，许多老牌BLE供应商的内部解决方案没有跟上这些拓扑转变，仍然体积庞大且耗电。
3
对于资金有限的初创公司，建立一支有能力的BLE设计团队，需要三年甚至更长的时间。
4
还有一部分芯片厂商可能已经在非无线解决方案领域拥有多年的经验，但由于BLE的普遍性，他们第一次将其添加到SoC中，缺乏内部的RF知识。
简而言之，BLE的普及和复杂性使得购买高质量的BLE IP解决方案比自行设计更具吸引力，经过硅验证的射频物理层和控制器IP可以支持无线连接的低功耗和安全性要求。使用符合标准的IP可以降低集成风险，并帮助加速无线设计SoC上市的时间。
EDA和IP领域的领先供应商——新思科技凭借对BLE市场机遇的敏锐洞察，提供支持多种规范的无线IP解决方案。其RF PHY和链路层控制器已通过蓝牙认证，有效优化了PPA。
新思科技的无线IP不仅支持最新的蓝牙BT5.4规范，同时还在积极关注所有即将推出的蓝牙规范，确保能够在规范发布后能第一时间推出市场所需的解决方案。
从市场应用的角度上，新思科技积极支持所有BLE汽车应用，包括为汽车级(AG)RFPHY提供适当的AEC-Q100、HTOL、Misson配置文件以及DRC/温度和老化要求。该IP也符合Zigbee、Thread和Matter规范，便于将BLE与其他无线协议进行结合。
新思科技适用于BLE、Thread、Zigbee IP解决方案
结语
新需求、新应用的不断涌现，为蓝牙技术的发展带来了新的机遇。蓝牙技术正在从传统的音频传输，向物联网、汽车、医疗等领域拓展。而且随着BLE IP的不断成熟，将进一步推动BLE技术的革新和发展。蓝牙技术作为一种成熟、可靠的无线技术，具有广阔的应用前景。
参考：
【1】Bluetooth Low Energy Is Everywhere—and Now BLE Is Teaming Up with Other Wireless Protocols，synopsys
【2】Three Major Inflection Points for Sourcing Bluetooth Intellectual Property，synopsys
【3】Bluetooth Use Cases for V2X Automotive Applications，synopsys
