功耗降低70% 面积缩小一半,高通最新蜂窝物联网调制解调器芯片详解

2018-12-24 13:33:30 来源:EETOP

高通公司的物联网芯片 MDM9206调制解调器大家应该很很熟悉了。这是一款可支持Cat-M1、Cat-NB1和E-GPRS的LTEIoT芯片组,目前在美国、澳大利亚和欧洲市场都有应用,并且受到了众多国内外模组厂商的认可和青睐。

近日,高通公司推出了全新的Qualcomm® 9205 LTE调制解调器。用于取代上一代MDM9206。

在高通公司的媒体见面会上 ,高通产品市场总监马进武先生向EETOP等媒体记者透露关于9205的更多信息。

高通产品市场总监马进武

 

9205 LTE调制解调器技术亮点

先看一下9205与9206的功能对比

速率方面,9205支持Rel-14Cat-M1和NB2,Cat-M1的速率从之前的300kbps提升到了1Mbps,NB2也从30kbps提高到了超过100kbps。同时,9205芯片还集成了RAM和闪存,还集成了RF前端以及电阻电容等无源器件。9205芯片还支持更大的电压范围,可以更充分地利用电池中的电量。整体来说,9205芯片是Qualcomm针对低功耗广域物联网专门设计的芯片,所以针对这个领域做了很多优化。

相比前一代 功耗和芯片尺寸大大降低

高通的上一代LTE物联网调制解调器9206采用的是28纳米工艺,而最新发布的9205依然采用上一代相同的28纳米工艺,但是通过设计优化大大降低了功耗缩小芯片尺寸。

具体来说9205与前代产品相比,在空闲模式可实现高达70%的功耗降低,这对于需在实地运行10年或更长时间且由电池供电的物联网终端而言是一个至关重要的考虑因素。此外比前代产品在大大提高集成度的基础上,还显著降低了芯片尺寸,仅有之前的50%大小,这些因素使其适用于需在外形尺寸较小的终端中支持低功耗广域连接的众多物联网应用。该全新的调制解调器还与公司之前推出的LTE IoT解决方案软件兼容,从而让模组制造商在新模组解决方案的开发中可以复用以往的软件投入。

同类产品集成度最高

9205芯片的集成度也是高通一直引以为豪的,在业界来看,这款芯片是同类产品中集成度最高的产品。在保证小尺寸的同时将功能集中在里面,包括硬件、模块、射频器件等。 对比9205和9206两代产品,Qualcomm9206参考模组中包括了9206芯片,此外还有无线收发器(WTR2965)和电源管理芯片(PMD),也包括外置的射频前端(包括射频功率放大器PA和相关器件)、闪存和RAM。而在9205参考模组中客户看到,将闪存集成到了9205主芯片,将射频前端集成到了SDR105里面去。集成PA有下面几个优势。

第一,初期做硬件设计的一大难点在于射频前端的设计。因为射频频段繁多,每个频段都要一一调测,通过外加不同的电阻、电容把性能调节到最好。当一个频段调好了,再调另一频段,调好的频段可能会受到影响,这就需要去综合考虑各个频段。Qualcomm在集成射频前端的时候,把这些频段都综合调好了。 

第二,模组认证很重要的工作是,要针对运营商的不同频段去做射频的设计和测试。举个例子,Qualcomm在做芯片认证和模组认证的时候会跟运营商去对接,比如中国移动要求FDD-LTE产品模式必选支持Band8,高通完成了Band 8的认证测试后,由于PA已经集成到芯片当中,射频前端不会有任何的变化,所以模组认证这部分不用再做了,免去了重复性的工作,这对模组厂商来说是非常有利的。举个例子,之前美国一家运营商在做测试的时候,模组厂商要排队约实验室的时间。一个认证测试的花费可能高达一两百万美金,成本是非常大。 

第三,模组厂商自己采购PA的话,订单只有50万的模组厂商在价格上自然没有订单有100万的厂商占优势。针对这个问题,Qualcomm可凭借在业界的影响力,和PA制造商谈一个更好的价格,拉低整个模组价格,从而对整个产业以及生态提供更多的支持。

工作截止电压进一步降低

值得注意的是,9205芯片的截止电压也非常低。截止电压就是电池停止工作的最低压值。举个例子,模组的工作电压是3V,电池的标称电压是3.7V或3.8V,电池用了一段时间后,电压逐渐降低,可能变成3.5V或3.0V甚至更低,这时候模组是没有办法工作的。而9205将截止电压降到了2.4V,这意味着电池电压降到2.4V才停止工作。我们知道,电池从3V降到2.4V这段期间不能工作不是因为完全没有电量,而是因为电压低于模组的电压需求。因此,如果将截止电压从3V降到2.4V,这意味着电池中至少30%的电量可以重新利用起来,相当于更充分地利用电池电量,从而降低成本。

多种模式组合 

Qualcomm 9205LTE调制解调器是Qualcomm为物联网市场量身定做的,具有多项领先特性。

第一,这是全球多模多频解决方案,多模指的是这一个芯片同时支持eMTC、NB-IoT和EGPRS等多种制式。Cat-M1制式还可支持安防监控面板等应用中的语音功能以及资产追踪器等应用中的移动性。

第二,将定位功能集成到了9205芯片中,支持GPS、格洛纳斯、北斗和伽利略卫星导航系统,只需加上GPS天线就可以进行GPS定位。目前市场上,很多友商需要在物联网芯片之外再加一个GPS芯片才能支持定位功能,而高通已经将GNSS集成于芯片之中。 

强大的应用处理器和软件套件支持应用和服务

9205集成一颗CortexA7处理器,主频最高达800MHz。在软件方面,还预集成了对阿里云Link物联网套件、中国移动OneNET以及对国外运营商像VerizonThingSpace等云平台的支持。此外,如果开发者想接入这些预集成云平台之外的其他平台,这也是没有问题的,9205芯片中有足够的运行空间和能力,可以开发对其他云平台的支持。比如说,开发者可以把腾讯云的SDK集成在里面来跟腾讯云连接,并在里面加载他们想要的成分。与此同时,还提供了完整的软件开发包,里面提供了很多的接口,开发者不需要太多了解底层,就可以直接利用这些接口去调用比如调制解调器和AP的功能,来开发他们需要的应用。

芯片级硬件安全设计

基于硬件的安全基础,安全问题最近在国外备受关注,因为出现了多次物联网设备在遭受黑客攻击后成为“肉鸡”的情况,所以国外常常要求通过各种安全认证来为客户提供安全运行的环境,现在欧洲、美国对安全的要求非常高。Qualcomm9205从芯片的设计层面、硬件层面上增加了安全上的考虑。

首先,芯片提供了一次性可编程e-fuse。e-fuse是一种熔断器,在出厂的时候把熔断器烧断,就可以把所有的调试(debug)端口关掉,防止通过调试接口和调试工具篡改产品中的软件。


第二,芯片支持安全启动(securityboot)。最开始的时候先把少量代码放在ROM里,代码大概只有几十K的大小,因为是在ROM里面的,所有不可能改变,当ROM启动起来后,会从Nand Flash里读取下一步执行的代码。在每一步代码执行的过程当中,都会去做交叉验证,去检查这个代码有没有被篡改,如果一旦发现被篡改,整个执行就停下来。现在很多黑客都想方设法篡改NandFlash代码,但如果未经授权的代码被加载进来,就会被安全启动所拦截。 

第三,提供可信的执行环境。会把一些很重要的信息、数据以及运算放在可信执行环境中。可信执行环境在芯片里面是一个硬件隔离区域,外面任何软件想要读取这块区域,都会被一道防火墙阻隔,从而无法进行读取。 

为什高通要走多模路线?

物联网芯片对成本要求很高,一般思路都是尽最大话的优化芯片功能,降低芯片成本。但是几年来高通始终在走多模路线,相对来说会增加一些芯片成本,那么高通公司是如何考虑的?

高通产品市场总监马进武解释道:9205支持多模的特性可以为客户创造很大价值,比如终端厂商可以面向全球市场使用同一个硬件设计。各个区域或国家有不同的制式要求,这也造成了多种制式组合的需求,比如说中国是NB-IoT,美国是Cat-M1,印度和欧洲是NB-IoT+GSM,澳大利亚则是Cat-M1+GSM。如果终端厂商使用的芯片只支持Cat-M1,或只支持NB-IoT,它就需要不同的硬件设计和不同的模组来应对不同的市场。而使用Qualcomm9205可以完美解决这个问题,厂商完成硬件设计以后,产品可以适用于全球市场,只要在软件设置中选择相应制式即可。 

为什么这可以为终端厂商带来巨大的好处?因为模组研发完成以后,生产只是第一步,后面有大量的认证工作,针对每个市场、每个运营商要做认证,包括FCC认证、CE认证、中国的CTA认证,大量时间和金钱都要花费在认证上,每一个模组的型号都要进行这样的认证流程。有时对于一个模组的型号进行认证可能就要花费上百万美元,如果有多个模组的型号需要认证的话,成本将非常惊人。通过使用Qualcomm9205 LTE调制解调器,客户可以大量节省这样的认证成本。此外,在生产物料管理方面,不同模组需要配置不同的生产物料管理以及库存管理,都是比较麻烦的。 

同时,在网络建设的初期,网络覆盖可能不是特别完善。比如说在中国,GSM网络覆盖非常好,而NB-IoT在发展初期难免会有未覆盖的区域。如果使用可支持NB-IoT和GSM的芯片物联网终端就可以在NB-IoT区域使用性能更佳的NB-IoT,并在NB-IoT未覆盖的区域使用GSM,也就是说,一个产品适用于不同的场景。此外,Qualcomm 9205还支持从450MHz拓展至2.1GHz的更大射频,因此一个射频前端就可覆盖全球物联网所使用的所有中低频段,这样厂商就不需要面向像美国和欧洲这样的单独市场来新增其他频段支持。我们看到市场很多竞品目前都只支持国内的物联网频段,如Band3、Band5、Band8等,如果要支持海外的物联网频段,就需要额外增加其他型号的芯片来支持,也就是刚才我说的一个模组不同型号的问题。简言之,全球多模多频就是让一款硬件支持全球多个射频频段,让产品面向全球。

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