Chirp技术再突破，网络功耗降7成！低功耗窄带玩家的“上分”潮

电子发烧友网报道（文/莫婷婷）物联网产业链的成熟，让各类通信技术之间的融合逐渐成为趋势，包括LoRa、Chirp等领域的细分玩家都在寻找各个技术之间的融合解决方案。其中，低功耗窄带Chirp物联技术在国内玩家的持续研发投入中也迎来了新的进展。
 
磐启微电子作为低功耗窄带Chirp物联技术领域的知名企业，通过不断的技术迭代，推出了新一代性能更强的ChirpIoT™终端芯片，以更高的灵敏度、更高的速率、更低的功耗，实现国内厂商在Chirp技术上的又一突破。
 
Chirp窄带扩频技术应用场景扩大，生态链玩家加速推进

常见的扩频系统分为直接扩频（DSSS）、跳频扩频（FHSS）和时间跳变扩频（也叫时间跳频扩频THSS）三种。其中直接扩频又分为宽带扩频和窄带扩频；跳频扩频分为快速跳频扩频和慢速跳频扩频。宽带线性调频扩频（Chirp，CSS）和混合扩频也属于扩频技术，它们综合了这三种常见扩频的特点。
 
Chirp信号有着以下五大显著优点：一是芯片实现复杂度低，功耗低。二是扩频增益大，灵敏度高。三是抵抗窄带干扰能力好。四是容忍频偏能力大，频率分辨率强。五是对抗多径能力强。
 
磐启微电子研发副总经理吴川在近期的“2023低功耗窄带物联创新应用生态大会”上介绍，Chirp不仅广泛应用于军事的雷达系统上，车载测距所用到的79G毫米波雷达、智能家居所用到的zigbee、手机定位用到的UWB以及物联网通信中的LoRa都采用了Chirp技术。
 
面对Chirp广阔的民用场景，磐启微自2010年成立至今就一直在研究Chirp技术。13年的技术沉淀，磐启微积累了在Chirp领域的技术优势，推出了Chirp技术平台，包括射频技术平台、调制技术平台、数字MCU平台、通信协议平台，并且对Chirp进行创新改进，推出了全新调制解调技术——ChirpIoT™，以及ChirpIoT™终端芯片、网关和模组等产品。
 
ChirpIoT™作为全新的调制解调技术，让磐启微的ChirpIoT™终端芯片有着天然的低功耗、高性能、远距离、高灵敏度等特色。例如，磐启微新推出的第二代低功耗远距离无线收发芯片PAN3029，工作频段为130MHz到1080MHz，灵敏度可达到-143dBm，输出功率可达20dBm，支持半双工无线通信。相比上一代，PAN3029在速率上提升至最高59kbps，上一代为21kbps。
 

图：磐启微PAN3029

 
PAN3029的性能得益于磐启微电子对Chirp线性扩频信号进行信号时域和频域上的变化改进，因此ChirpIoT™信号能够用于需要更远距离传输的应用领域，其应用领域包括电力、表计、传感器、石油化工、光伏、农业、畜牧业、安防、消防场景的火警报警器、紧急呼叫系统等。
 
当前，在国内低功耗窄带产业链企业的共同努力下，Chirp的应用场景不断扩大。北京智芯微电子推出的低功耗系列微控制器中，SCM326正是基于ChirpIoT™技术，工作频段为400~510MHz，最低功耗为1.6uA，最大发射功率为20dBm，接收电流为12.5mA，面向无源柱头监测单元、无线温湿度传感器等应用领域。
 
北京智芯微电子主控芯片研发部经理杨立新表示，“我们现在ChirpIoT™技术核心应用主要是两类，一种是周界智能预警，另一类是信息传输。”
 
在周界智能预警的应用上，他举了个例子，当有大型工程车辆进入时触发声光报警，可以通过SCM326窄带物联网网络上传至管控平台，通知现场监护人员进行查证，如果非登记车辆，给予驱逐，如果是登记车辆，则准许进入。除此之外，北京智芯微电子还将Chirp窄带物联网技术应用在智能路灯上，实现数据监测、远程控制、智能节电等功能。
 

图：周界智能预警装置（智芯微电子）

 
 
在技术融合的趋势下，Chirp窄带物联网技术的拓展出更多创新应用场景。除了上述提到的周界智能预警、智能路灯，还能够应用于光伏、电力、智慧园区等多个领域。
 
联通(上海)产业互联网市场总监顾超介绍，在智慧园区领域，公司与磐启微展开合作，将ChirpIoT™成功应用在上海市崇明融媒体中心，提供数据自动采集和分析平台，在很大程度上提升运营效率。该项目的价值在于通过园区物联基座，集成大网+ChirpLAN™+其他智慧园区软硬件系统和应用，形成园区生态基座；且定制开发了5G+ChirpLAN™网关+感知终端，具备了可复制5G+ChirpLAN™快速部署交付能力。
 
可以看到，LPWAN生态企业正在加速推动整个产业在技术融合以及技术落地等方面的进展，而ChirpIoT™将成为重要且关键的一环。
 
 
低功耗、高性能，Chirp技术持续演进

Chirp扩频技术诞生于上世纪40年代，直至今年该技术还在不断演进，磐启微电子作为业内低功耗窄带Chirp物联技术的知名企业，一直在探索Chirp的技术迭代。
 
磐启微电子研发副总经理吴川表示，“在研究过程中，其实我们一直在深入探究为什么Chirp调制波形能够实现这么优的特性，我们也希望能够发现更多这样的调制技术来保证我们在低功耗广域网更多的一些创新。”
 
在相位调制技术方面，磐启微研究出PSK-Chirp技术，相比原来的Chirp技术，在性能不损失情况下，PSK-Chirp可实现大约33%的传输速率提升。在信号方面，混沌技术具备非周期、随机性、不可预测的特点，Chirp技术具备低功耗、高性能、抗干扰的特点，磐启微将两种信号的优势结合，推出混沌Chirp技术，具备接收复杂度低，功耗低，灵敏度高等优势。
 
Chirp技术最重要的性能是灵敏度、传输速率、功耗以及组网性能等， 这些也是磐启微在研究的迭代方向。
 
传输速率方面，当前采用Chirp技术的产品大部分都是小数据量的，但未来也会面对图片、音频、视频等高性能终端应用带来的大数据量压力，因此需要进行更多的创新提升传输速率。吴川博士表示，磐启微的多速率技术融合Chirp调频、PSK调相，增加多天线STBC编码技术，能够将传输速率提升2-4倍。
 
在灵敏度方面，面对未来的卫星物联网天地一体化，即使现在的LoRa低轨卫星通信的链路预算可以达到160dB，但还是不够的。“因为低轨道卫星的数量有限，要实现卫星物联网天地一体化的窄带物联网在低轨道资源不够的情况下，我们需要考虑中高轨卫星，这时候它的链路预算要求比较高（约为160dB到180dB），接收灵敏度要更高。”在这方面，可以通过射频通道堆积的方式，将单天线网关升级为多天线MIMO网关，提升接收性能，吴川博士提到。
 
在功耗方面，磐启微当前的产品能够做到Rx接收电流(mA)功耗4.1mA，为了让下一代产品实现功耗下降，工艺提升、射频电路架构提升、数字电路功耗优化都是重要的方式。
 
值得一提的是，磐启微通过优化设计MAPM帧结构，降低载波监听功耗，实现网络功耗的优化。
 
前文提到的第二代ChirpIoT™系列芯片PAN3029正是磐启微的最新技术成果，最大的创新之一是硬件唤醒点名功能，也就是MAPM。据了解，MAPM模式可以缩减长Preamble期间开启RX时间，大大降低芯片的平均功耗。

图：磐启微的硬件点名功能

 
通过磐启微展示的测试数据可以看到，非MAPM模式下，平均功耗约为3.25mA，MAPM匹配的情况下，平均功耗为0.37mA，MAPM不匹配时，平均功耗0.087mA，能够节约97.3%的功耗。
 
磐启微电子市场副总经理杨岳明表示，MAPM在表计、传感器、标签等电池供电类物联网应用中，有效节约网络功耗可以达到70%以上。
 
通信技术庞杂多样，各种技术之间取长补短，共同编织出庞大的物联网市场。在物联网产业，Chirp被认为是LoRaWAN发展的重要引擎。磐启微作为Chirp的技术玩家，与产业链上的合作伙伴一起探索ChirpIoT在更多创新领域的落地场景。
 
谈及对Chirp技术的持续探索，吴川博士表示，我们希望通过对Chirp技术的思考和创新，持续推动窄带物联网的发展，并且推出性能更强的下一代芯片来保证Chirp技术在窄带物联网的发展。