如何使用射頻模塊快速實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接

Cliff Ortmeyer

摘要：當(dāng)前，許多應(yīng)用都依賴于無(wú)線通信，尤其是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。然而，射頻開(kāi)發(fā)卻較為復(fù)雜，且認(rèn)證成本高。本文探討了射頻電路設(shè)計(jì)面臨的多項(xiàng)挑戰(zhàn)，并介紹了ST Microelectronics、Silicon Labs、Murata、Wurth Electronics和Microchip等模塊制造商極具代表性且經(jīng)認(rèn)證的整體解決方案，探討了如何利用這些即用型解決方案更便捷、更高效地開(kāi)發(fā)各種系統(tǒng)集成WLAN、LPWAN及其他無(wú)線通信功能，從而減少射頻通信集成工程的工作量及風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：射頻;模塊;連接

無(wú)線連接已迅速?gòu)碾娮赢a(chǎn)品的高配選項(xiàng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有袠I(yè)全品類(lèi)的必備功能。盡管有時(shí)可以使用有線連接接入網(wǎng)絡(luò)上的其他系統(tǒng)，但無(wú)線連接現(xiàn)在已被視為傳感器接入工業(yè)控制系統(tǒng)，以及網(wǎng)關(guān)連接互聯(lián)網(wǎng)的主要機(jī)制。

藍(lán)牙低功耗模式和LoRaWAN等協(xié)議能夠讓部署于任何地點(diǎn)，包括以往難以到達(dá)場(chǎng)所的電池供電設(shè)備保持長(zhǎng)期連接。例如，Sigfox和LoRaWAN兩種低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）標(biāo)準(zhǔn)可將傳感器節(jié)點(diǎn)部署在距離網(wǎng)關(guān)設(shè)備達(dá)50km的位置，使得傳感器設(shè)備能夠用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、野生動(dòng)植物調(diào)查和管道監(jiān)測(cè)等偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用。也就是說(shuō)，通過(guò)結(jié)合使用高效的微控制器，這些低功耗無(wú)線協(xié)議能夠讓設(shè)備在幾個(gè)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)需充電或更換電池，即便這些應(yīng)用涉及長(zhǎng)距離通信。

目前，面向遠(yuǎn)程及本地網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線連接技術(shù)協(xié)議種類(lèi)持續(xù)增多，如適用于樓宇和家庭監(jiān)控及工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的藍(lán)牙、Thread、Zigbee和Z-Wave等協(xié)議，以及適用于本地和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腤irepas。Wirepas使用與藍(lán)牙和WiFi相同的2.4GHz頻譜，或1.9 GHz DECT-2020 NR標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。

1射頻設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

如何選擇合適的無(wú)線連接技術(shù)并解決各種復(fù)雜性問(wèn)題是原始設(shè)備制造商（OEM）和集成商面臨的難題之一。開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)需要在更大板卡或模塊設(shè)計(jì)環(huán)境下衡量各無(wú)線連接協(xié)議的獨(dú)特特性。以Sigfox和LoRaWAN為例，一方面，LoRaWAN采用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)來(lái)避免干擾，并能支持300bit/s到50kbit/s的數(shù)據(jù)速率;Sigfox則使用超窄帶技術(shù)傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)較低的數(shù)據(jù)速率。另一方面，LoRaWAN旨在支持雙向通信，而Sigfox則進(jìn)一步優(yōu)化了傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)的傳輸，且功耗非常低。因此，這兩種無(wú)線連接協(xié)議適用于不同應(yīng)用架構(gòu)。

許多局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)擴(kuò)展無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施的覆蓋范圍和容量，而不會(huì)增加能耗。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，不能直接發(fā)送到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)包，而可以在臨近節(jié)點(diǎn)之間使用短跳方式定向傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。然而，對(duì)于一些尤其注重延遲或安全問(wèn)題的應(yīng)用場(chǎng)景，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接傳輸模式則更為適合。

為了確定產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中的運(yùn)行情況，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)需要測(cè)試不同的網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)，以便驗(yàn)證并找到最優(yōu)無(wú)線連接解決方案。如果他們選擇定制電路和天線設(shè)計(jì)，那么原型設(shè)計(jì)工作可能會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間。若進(jìn)行射頻設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)工作量可能還會(huì)更大，因?yàn)榇蠖鄶?shù)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)需要集成多種設(shè)計(jì)技能。這就要求開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)掌握相關(guān)知識(shí)，包括天線結(jié)構(gòu)及其對(duì)信噪比的影響，以及低噪聲放大器和模擬混頻器的設(shè)計(jì)。此外，他們還需要確定主機(jī)微控制器所需固件，以便控制通道訪問(wèn)和網(wǎng)狀路由等高級(jí)功能。

如果設(shè)計(jì)人員的最佳實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有限，天線和前端模擬設(shè)計(jì)可能會(huì)極難處理。即便是微小的路由和布局變化都會(huì)對(duì)無(wú)線電性能產(chǎn)生巨大影響，這可能會(huì)導(dǎo)致有效傳輸距離縮短及功耗的大量增加。

對(duì)于那些追求定制設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，射頻電路還會(huì)帶來(lái)測(cè)試和認(rèn)證問(wèn)題。盡管所有電子產(chǎn)品都會(huì)要求電磁兼容性（EMC）測(cè)試，但射頻接口卻使得這一過(guò)程變得更加復(fù)雜。大多數(shù)涉及射頻傳輸?shù)姆ㄒ?guī)對(duì)設(shè)備使用的頻帶內(nèi)外的功率都有嚴(yán)格的限制。系統(tǒng)電路之間若發(fā)生意外交互，可能導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法通過(guò)這些測(cè)試。另一復(fù)雜因素在于特定協(xié)議（如藍(lán)牙）所需的認(rèn)證過(guò)程。若要認(rèn)證兼容性，就需要驗(yàn)證設(shè)備的合規(guī)性及與其他制造商產(chǎn)品的互操作性。

2即用型射頻模塊快速實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接

定制射頻設(shè)計(jì)所帶來(lái)的更大復(fù)雜性顯著推動(dòng)了即用型模塊的使用。射頻模塊的主要優(yōu)勢(shì)在于，它們經(jīng)過(guò)全面測(cè)試和認(rèn)證，且支持低功耗協(xié)議的模塊通常配有板載天線。這樣一來(lái)，設(shè)計(jì)人員就能組裝一個(gè)真正獨(dú)立的電路板或封裝，有些甚至可以配置用于調(diào)度傳輸?shù)奈⒖刂破骱凸碳鼈冎恍柰ㄟ^(guò)主機(jī)處理器的簡(jiǎn)單命令即可觸發(fā)。這就意味著解決方案與主機(jī)系統(tǒng)的集成不會(huì)影響射頻模塊的性能或其認(rèn)證狀態(tài)。

市面上存在各種射頻模塊產(chǎn)品選擇，既有專為尺寸受限的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的小型集成封裝，也有高帶寬板級(jí)模塊，這就為模塊用戶提供了多種集成方案選擇。一些模塊使用簡(jiǎn)單的并行或串行接口，其工作方式與串行通信通道相同，且符合常見(jiàn)的擴(kuò)展板格式，例如：意法半導(dǎo)體的STEVAL-IDB008V2。該模塊兼容Arduino擴(kuò)展板外形尺寸，并提供完整的藍(lán)牙無(wú)線電接口。一些模塊，如STEVAL-IDB 0007V1M等則具有集成加速度計(jì)和壓力傳感器等附加功能。另有一些模塊則部署了USB等協(xié)議，例如：Silicon Labs的BLED112-V1C模塊可在USB-A連接器內(nèi)構(gòu)建一個(gè)藍(lán)牙4.0控制器，進(jìn)而輕松連接評(píng)估板。有些模塊可以直接焊接到載板上，專為滿足最小批量生產(chǎn)或連接器成本最小化需求而設(shè)計(jì)。例如，Murata推出了采用芯片級(jí)封裝的最小型LPWAN模塊以及面向藍(lán)牙和WiFi網(wǎng)絡(luò)的LBEE59B1LV-278模塊。Würth Elektronik則為其產(chǎn)品組合增加了Wirepas支持功能，并開(kāi)發(fā)了多款可焊接到載板的模塊，其中包括具有藍(lán)牙功能的Proteus-III和兼容WiFi的Calypso等型號(hào)。TaiyoYuden也是一家專注于藍(lán)牙和WiFi領(lǐng)域的芯片級(jí)模塊制造商。

此外，一些模塊還提供更多附加功能，以簡(jiǎn)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備固件的集成。例如，Microchip的WFI32E01集成了經(jīng)認(rèn)證的WiFi收發(fā)器設(shè)計(jì)及Trust&Go預(yù)配置安全元件。這為WFI32E01模塊提供了安全密鑰，能夠讓設(shè)備插入后立即使用秘鑰憑證訪問(wèn)云計(jì)算服務(wù)。Trust&Go無(wú)需安裝工程師進(jìn)行產(chǎn)品配置即可構(gòu)建安全連接，最大限度地減少了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能遭受的攻擊風(fēng)險(xiǎn)。

一些制造商致力于簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)流程。例如，Pycom專注于開(kāi)發(fā)可以運(yùn)行MicroPython解釋器的模塊，包括綜合開(kāi)發(fā)工具和庫(kù)，進(jìn)而加快包括局域網(wǎng)和LPWAN協(xié)議在內(nèi)的各種無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的原型設(shè)計(jì)。

Laird除了提供局域網(wǎng)、LPWAN產(chǎn)品以及蜂窩網(wǎng)絡(luò)解決方案等廣泛產(chǎn)品之外，還提供具有集成無(wú)線連接的無(wú)線網(wǎng)關(guān)和傳感器用于創(chuàng)建測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。此外，Laird等供應(yīng)商還可以為大批量產(chǎn)品需求提供定制服務(wù)，并為在板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)集成其無(wú)線電路的客戶提供測(cè)試服務(wù)。

總之，通過(guò)使用射頻模塊產(chǎn)品，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以對(duì)支持物聯(lián)網(wǎng)和其他分布式計(jì)算應(yīng)用的關(guān)鍵無(wú)線協(xié)議進(jìn)行深入評(píng)估。一旦設(shè)計(jì)工程師找到了適合其開(kāi)發(fā)工作的數(shù)據(jù)處理和通信組合方案，就能實(shí)現(xiàn)較低成本的批量生產(chǎn)。借助e絡(luò)盟等經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)服務(wù)分銷(xiāo)商，眾多OEM廠商將能快速找到最合適的組件和產(chǎn)品，進(jìn)而輕松集成到最終系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接。