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臺廠挑戰藍芽3.0開發 面臨多項技術難題與外商強敵壓境 | 新通訊

互聯網 2021-04-10 19:52:19
根據藍芽技術聯盟(Bluetooth Special Interest Group, Bluetooth SIG)與WiMedia聯盟(WiMedia Alliance)協議,雙方將共同推動超寬頻取得全球監管機構認可,並合作發展一個採用6GHz以上、毋須個別申請無線執照頻段(Unlicensed Band)之高速傳輸方案,以回應歐洲、日本、韓國等地區相關監管機構的訴求(圖1)。藍芽技術聯盟預計技術研發時程約需一年,預計在2007年第二季推出藍芽3.0(藍芽+超寬頻)方案整合晶片組原型。?

藍芽發展多年投入者眾?

藍芽技術源自易利信(Ericsson)於1994年進行開發,藍芽這個名詞是10世紀古挪威維京國王Harald Bluetooth的名字,這項命名的用意是期許藍芽技術能夠像Harald Bluetooth國王在位期間統一丹麥一樣,統一消費性電子商品。在1998年5月,英特爾、易利信、諾基亞、IBM及東芝共同成立藍芽技術聯盟,於1999年7月發表藍芽1.0規格,並成為IEEE802.15.1國際標準。易利信在2000年即推出全球第一支藍芽手機,重量輕、具WAP及三頻功能,搭配藍芽耳機的無線傳輸可讓手機與耳機不需電線即可聯繫,實現取代纜線(Cable Replacement)的理想。?

2004年藍芽技術聯盟發表藍芽2.0+EDR,並將最高傳輸速率提升為3Mbps。目前已有超過2,200家公司公成為藍芽技術聯盟成員,使其成為短距離無線通訊最具代表性的標準。臺灣先後投入藍芽相關產品開發的廠商計有和茂、矽成、威盛、揚智、義隆、瑞昱、旺宏、臺積電、聯電、致福、致伸、鴻海、華宇、旭麗、全友、光寶、大眾、大同、英業達、博達、明碁、廣達、臺揚、華邦等廠商。?

藍芽為短距離無線傳輸技術,使用2.4GHz ISM(Industrial/Scientific/Medical)毋須授權頻段,並將2.4GHz頻段因所在區域不同劃分為79個無線電頻率通道,每條藍芽通道頻寬為1MHz,並採用跳頻(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)技術,以每秒1,600次跳躍率避免此頻段電子裝置相互干擾,以及加密技術,有效傳輸速率在432~721kbps不等。發射功率分以下三種等級:?

.第一級:最高功率電平+20dBm,有效範圍100公尺?

.第二級:最高功率電平+4dBm,有效範圍20公尺?

.第三級:最高功率電平0dBm,有效範圍10公尺?

應用類別繁雜產品認證不易?

簡化版的藍芽協定堆疊(Protocol Stack)特別強調應用類別(Application Profiles)(圖2),藍芽技術聯盟針對不同的應用如耳機、車用免持裝置、撥接、檔案傳送、影像、物件傳送、序列埠、同步化等,訂定對應的應用類別。?

藍芽認證可以幫助不同廠商的產品實現互通並使其符合藍芽規範,通過藍芽認證的產品將可列入藍芽官方網站,並允許產品中使用藍芽商標。認證流程可分為以下四個步驟:?

.無線鏈路需求?

.協議需求?

.概要需求?

.訊息需求?

整個認證流程由藍芽品質認證委員會(Bluetooth Qualification Review Board, BQRB)監控和管理。認證基於一套參考測試系統的一致性測試(由BQP制訂)以及與其他符合標準的藍芽產品之間的互通性測試。測試由已得到BQRB授權的藍芽認證測試部門(BQTF)實施。除了測試,得到認證的生產商還須提交承諾聲明,藍芽認證組織(BQB)將審查該聲明。此外,除了獲得BQB的認證外,藍芽產品還須獲得其他一些認證,如FCC和CE認證。?

採用獲得預認證的完全整合模組可以免除射頻一致性測試或數據傳輸率測試,因為該產品已經通過BQB、CE和FCC的認證。藍芽認證包括射頻一致性測試和互通性測試。如果選擇需要額外元件(包括連接器和天線)的模組,那麼設計必須通過重新認證。重新認證將使產品的設計週期延長幾個星期。新設計認證的成本也各不相同,具體取決於產品在全球使用的範圍。例如,如果希望獲得全球認證,那麼成本將超過10萬美元。儘管BQTF最近大幅調低認證費用,使用獲得預認證的模組仍然能節省相當可觀的成本。?

藍芽成長過程波瀾不斷?

藍芽雖然早在1994年就由易利信進行技術開發,並在1998年成立藍芽技術聯盟,1999年公布1.0版規範。然而藍芽成長之路卻是非常艱辛,眾多投入的廠商尚未等到藍芽開花結果,就退出市場。在21世紀初,不只在臺灣,就連全世界都將藍芽開發之路視為不堪回首的夢魘。其中最主要的原因首推等同電信等級嚴謹的藍芽協定堆疊與多如牛毛的應用類別,不管是零組件(含晶片)製造商或是產品製造商,光要完成雛型可能就讓投入廠商精疲力竭。但可怕的還在後頭,等同電信等級的藍芽認證讓許多新興或財力不足的公司,在還沒有取得藍芽認證前就不支倒地。就算取得藍芽認證,還得在等待市場曙光前,面對CSR(Cambridge Silicon Radio)無情的攻擊。CSR為全球藍芽晶片龍頭,在藍芽晶片市場占有率從2003年的22%,爬升至2004年底的45%。即使其他廠商積極追趕,但是2005年CSR仍保有40%市場占有率,維持龍頭的地位(圖3)。?

然而就在全世界幾乎放棄藍芽市場之時,藍芽卻出乎意料的漸漸成為市場主流。從2000年起,藍芽產品出貨量年複合成長率均超過100%。根據市場研究機構In-Stat/MDR的統計,2005年藍芽產品出貨量高達3億1千6百萬,2006年預估出貨量將達5億,到2009年將達8億6千6百萬。在此同時,無線區域網路(WLAN)全年出貨量才剛超過1億。?

然而藍芽前景並不是從此樂觀,據其當初技術與市場定位,一方面有耗電低與成本低的優勢,而另一方面卻有通訊距離短與傳輸速度低的劣勢。相較現今其他技術,藍芽劣勢仍在,優勢卻已逐漸消失。從價格來看,WLAN晶片已可降到3美元以下,藍芽成本優勢不再。此外,許多業者積極開發的WLAN單晶片已可大幅降低功耗,甚至加州有家公司宣稱其產品耗電量可降至目前的十分之一,但傳輸距離與傳輸速率卻遠大於藍芽。從耗電來看,ZigBee的耗電量不到藍芽的百分之一,1顆電池便可用上2年,且價格較藍芽更便宜。目前包括手機、藍芽耳機、鍵盤、印表機等藍芽應用皆屬低傳輸率應用,處處面臨被ZigBee取代的危機。另一個威脅者就是超寬頻,超寬頻最高傳輸速率達480Mbps,為藍芽2.0+EDR的160倍,傳統藍芽無法入侵的短距離高品質無線影音傳輸的應用如數位家庭,幾乎已是超寬頻的囊中物。因此就在藍芽剛成為短距離無線通訊霸主之時,卻馬上面臨被取而代之的危機。這也是為什麼藍芽技術聯盟在藍芽掌握車用無線通訊、手機、無線耳機等應用領域的同時,急於與WiMedia聯盟結盟訂定藍芽3.0規範。根據藍芽技術聯盟的未來規畫,藍芽將憑藉在車用無線通訊、手機、無線耳機等應用領域的優勢,納入ZigBee、近距離無線通訊(NFC),甚至是WiFi的無線平臺。這也意味著假如藍芽與超寬頻結為姻親能幸福美滿,日後藍芽技術聯盟將可能不再推出自己定義的媒體存取層(MAC)與實體層(PHY)規範。?

臺灣晶片業者切入藍芽3.0困難重重?

在討論臺灣晶片業者切入藍芽+超寬頻市場的機會之前,首先要分析為何藍芽3.0不像無線USB1.0選擇3.1~4.8GHz頻段,而選擇6GHz以上頻段。美國FCC已經在2002年2月14日公布超寬頻頻譜規範(3.1~10.6GHz頻段,發射功率限制在-41.25dBm/MHz),MB-OFDM超寬頻規範將此7.5GHz頻帶切成14個528MHz的頻段,如3168~3696MHz為Band#1,3696~4224MHz為Band#2,4224~4752MHz為Band#3,依此類推。其中,Band#1~Band#3再組合成Band Group#1,Band#4~Band#6再組合成Band Group#2,依此類推(圖4)。MB-OFDM超寬頻實體層1.0規範規定Band Group#1為強制必備(Mandatory),其他為選項(Optional)。超寬頻裝置每次運作時均須在一個Band Group中的3個頻段依照規定方式,每312.5ns後跳到指定的下一個(也可能是同一個)頻段。?

歐盟、日本、南韓等國正規畫開放超寬頻頻譜規範,而歐盟與日本預計將在2006下半年公布超寬頻頻譜規範,然其規範卻比美國嚴格許多,為避免干擾現存的無線傳輸服務與未來WiMAX甚至4G行動通訊服務,在許多頻帶中強制規定除非採用偵測與避免(Detect and Avoid, DAA)技術,否則發射功率限制在-70dBm/MHz(圖5)。?

DAA技術在現階段有相當的困難度,因此超寬頻晶片廠商都希望世界各國盡可能在DAA技術成熟前,避免要求超寬頻產品採用DAA技術。由圖4中可知,歐盟要求超寬頻裝置若運作於Band Group#1,在2010年後必須採用DAA技術,而2010年前尚可利用Band#3這個DAA豁免(DAA-Exempt)頻段傳送。然而無線USB1.0選擇Band Group#1為唯一操作頻帶,若藍芽3.0再選擇Band Group#1作為主操作頻帶,相互干擾的情況勢必提高。在歐盟個規畫中,6~8.5GHz頻帶毋須採用DAA技術,因此藍芽3.0裝置除了在訓令(Signaling)溝通期間必須利用Band Group#1之外,真正高速傳輸時就利用Band Group#3,在日本可能就換成Band Group#4。?

換句話說,藍芽3.0裝置必須要能低速在Band Group#1工作之外,還須能在Band Group#3(或Band Group#4)高速傳輸。這意味著符合藍芽3.0規範的射頻晶片困難度遠高於無線USB1.0,在製程上究竟要採用較高價的SiGe還是較低價的CMOS,就要看各公司在射頻晶片的能力與決策者的智慧。目前超寬頻龍頭晶片廠商Alereon就選擇前者,另一家龍頭晶片廠商Staccato Communications先前則選擇以CMOS製程開發射頻,目前尚未看到轉向的跡象。?

搞定藍芽3.0射頻之後,接下來還有一連串的硬仗要打。首先是必須同時精通藍芽2.0(因為要能向後相容)與MB-OFDM超寬頻的晶片設計。對於碩果僅存的臺灣藍芽晶片廠商而言,精通藍芽2.0應該不是難事,當然開發等同電信等級嚴謹的藍芽協定堆疊與繁多的應用類別,以及應付等同電信等級的藍芽認證是投身戰場的基本配備。但是精通MB-OFDM超寬頻的設計則不可同日而語,其中的困難度只有投身超寬頻晶片開發的業者才能體會。目前唯一活躍於超寬頻晶片戰場的臺灣晶片設計公司只有瑞昱,瑞昱除了是國內最早投入超寬頻晶片設計的公司之外,在射頻部分借助國際射頻大師UCLA Razavi教授的指導,並且在美國成立Wionics子公司吸引超寬頻晶片設計好手相繼投入壯大研發陣容,在2005年秋季成功完成第一顆480Mbps All-CMOS實體層單晶片(Single-Chip)。?

就算是搞定了藍芽3.0晶片組的開發設計,接下來就要直接挑戰藍芽晶片大廠CSR、博通與系統廠商穩固的合作關係。?

藍芽技術聯盟預計在2007年第二季推出藍芽3.0方案整合晶片組原型,市場研究機構In-Stat/MDR預估到2009年藍芽的出貨量將達8億6千6百萬,龐大的藍芽3.0晶片市場正等待有志之士逐鹿中原,然而必須具備過五關斬六將的本事,艱辛的過程在所難免。?

建議國內有意投入藍芽3.0晶片市場的晶片設計業者,若不採取結盟方式合力突破難關,否則就應考慮仿效瑞昱的成功模式,聘請國外超寬頻晶片設計專家加入研發團隊指導後進,甚至不排除購併深具潛力的新興公司,以迅速壯大陣容與研發實力。?

(本文作者為中山科學研究院超寬頻基頻晶片計畫專案經理)?

(詳細圖表請見新通訊64期6月號)?

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