解決設計多無線電硬件挑戰(zhàn)的方法

如今，市場被推動在一個盒子中設計具有多種射頻協(xié)議的產(chǎn)品，稱為網(wǎng)關。無線連接有許多不同的好處，可以提供更好的用戶體驗，不同的協(xié)議可以提供互補的優(yōu)勢。每個物聯(lián)網(wǎng)設備都可以通過不同的協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)通信，無論是 Zigbee、藍牙、Z-Wave 或 Sub-1 GHz，還是一些專有協(xié)議。多協(xié)議（無線電）網(wǎng)關在物聯(lián)網(wǎng)基礎設施中發(fā)揮著重要作用，因為它們從傳感器場收集數(shù)據(jù)并通過 Wi-Fi、蜂窩或其他有線和無線網(wǎng)絡將其推送到互聯(lián)網(wǎng)上。

多無線電和多協(xié)議解決方案的組合適用于同時在相同或不同頻譜上運行不同多種協(xié)議的兩個或多個無線電。這種方法通過利用不同的協(xié)議來獲得更有效和更可靠的數(shù)據(jù)流。正因為如此，最終用戶可以充分利用這一優(yōu)勢，因為他們能夠通過一個單元連接在不同射頻頻段和協(xié)議上運行的多個設備。

設計多協(xié)議緊湊型射頻硬件的主要挑戰(zhàn)

多協(xié)議硬件的出現(xiàn)是對最近流行的多種不同通信協(xié)議的回應。因此，OEM 在設計多無線電硬件時面臨一些關鍵挑戰(zhàn)：

多無線電硬件在天線選擇、放置、仿真、內存估計、外殼設計、材料和現(xiàn)場測試方面需要大量時間

控制精確的阻抗以減少共址無線電之間的干擾、回波損耗和共存，使其符合 FCC 和 CE 等監(jiān)管機構的要求

如果有兩個或多個無線電同時運行并共享相同的頻譜，則將存在共存，這可能會導致相互干擾

測量多無線電硬件的通信延遲、范圍、效率和可靠性等性能參數(shù)

共存往往會影響設備的性能，這可能會導致數(shù)據(jù)包丟失或數(shù)據(jù)損壞、音頻中的爆裂聲和噼啪聲、工作范圍和覆蓋范圍縮小

由于不同的標準適用性，當涉及多無線電硬件時，對不同地理區(qū)域的監(jiān)管合規(guī)性也將面臨挑戰(zhàn)

為多無線電硬件開發(fā)固件時需要考慮的事項

今天的物聯(lián)網(wǎng)應用變得越來越復雜，它增加了對內存容量的需求。讓我們了解內存和固件附帶的硬件工程解決方案中的挑戰(zhàn)：

開發(fā)用戶友好且靈活的嵌入式應用程序需要復雜的狀態(tài)機、強大的功率優(yōu)化、內存密度和 CPU 性能。RF SoC 或模塊需要更多閃存和 RAM 優(yōu)化以獲得最佳性能

提供無線 （OTA） 固件更新功能需要足夠的閃存來存儲引導加載程序和兩倍大小的應用程序固件，以便在緩沖新固件的同時保存舊固件，如果產(chǎn)品要在當今蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)市場中具有競爭力的話

在不損失性能的情況下同時實時管理具有各種網(wǎng)絡架構的多個無線電

在沒有電源的情況下，閃存還可以保留用戶配置和安全密鑰內容多年，因為來自閃存的信息在產(chǎn)品的生命周期中可以被讀取和寫入數(shù)千次。在這種情況下，利用RAM信息可以快速寫入讀取，從而使處理器能夠以如此高的速度工作并實現(xiàn)邊緣處理

基于上述挑戰(zhàn)，讓我們舉一個小例子，一個復雜的可穿戴/傳感器/自動化應用可能需要射頻模塊提供的 128 kB RAM 和 512 kB 閃存。一個相對簡單的信標應用程序可能只需要 24 kB RAM 和 192 kB 閃存。

最佳實踐是否有助于克服硬件和固件挑戰(zhàn)？

為了解決上述多射頻硬件、內存和固件的挑戰(zhàn)，讓我們了解如何用他們的硬件專業(yè)知識覆蓋 OEM 的痛點，從而幫助提高產(chǎn)品的整體性能。

標準方法從了解所有 RF 要求和其他外圍設備的產(chǎn)品開始，列出所有 RF 接口協(xié)議頻率，然后執(zhí)行諸如模塊/SoC 選擇、相對天線選擇、識別外殼及其材料、模塊放置、及其天線。PCB設計的早期階段會進行2D平面規(guī)劃，這有助于詳細了解所有RF模塊的實際放置和參數(shù)：

模塊/SoC 選擇：選擇標準包括 RF 協(xié)議、調制技術、制造商、基于驅動程序代碼可用性的 MCU/處理器要求、RAM、閃存、操作系統(tǒng)、監(jiān)管批準、最大 Tx 輸出功率、接收器靈敏度、電源和數(shù)據(jù)速率提供顯著的性能

內存預算：內存預算對于任何射頻模塊來說都是一個非常重要的參數(shù)，它純粹根據(jù)射頻堆棧大小、對設備數(shù)量的支持以及應用業(yè)務邏輯來定義或計算。在最終確定模塊/ SoC之前，應該很好地計算和明確與內存相關的要求

天線選擇和放置：天線選擇是多無線電硬件中最重要的因素，因為選擇取決于頻率范圍、極化、輻射方向圖、增益、饋電點阻抗、VSWR 和功率處理能力用例，如范圍覆蓋和空間。 例如，芯片天線 vs PCB 走線天線 vs 外部天線

為了減少兩個同頻模塊之間的共存和干擾，天線的放置起著至關重要的作用。在這種情況下，天線應相互垂直放置。我們正在嘗試按照法規(guī)要求在 2 個 RF 之間進行適當?shù)母綦x，2 個天線之間的隔離應等于或大于 30 dB。有時，由于空間限制，無法實現(xiàn)這樣的隔離，在這個框架下，我們需要處理所有射頻天線和輻射方向圖的干擾。我們還需要根據(jù)應用需求和性能來調整 RF 模塊/SoC 的發(fā)射功率

射頻模擬：模擬是在產(chǎn)品開發(fā)早期預測無線電問題的有效策略。有多種模擬器軟件，如 HFSS、CST、ADS 等，應根據(jù)問題類型明智地使用。Volansys 等公司幫助執(zhí)行早期天線仿真，如果由于外殼材料而導致任何頻率偏移，則可以對天線放置位置、范圍改進和 RF 路徑調諧提供結果和信心

外殼設計及其材料：為了達到最佳效果，請嘗試使用能夠平衡環(huán)境、可靠性和射頻性能需求的材料來最終確定塑料外殼。有時，由于已經(jīng)預定義的尺寸和結構，COTS 外殼可能會導致放置挑戰(zhàn)，而在定制設計中，我們具有 PCB 放置的靈活性，可以獲得更好的隔離和天線放置選項。外殼材料的介電常數(shù)/介電常數(shù)選擇在射頻性能中起著至關重要的作用。PC、ABS、PC+ABS、PVC 等一些好的塑料材料在 2.4GHz 上表現(xiàn)出色。有時我們需要為戶外和工業(yè)應用選擇金屬外殼，在這種情況下，外部天線的選擇將是關鍵點

設計驗證測試：射頻接口的設計驗證非常重要。需要定義一組驗證測試用例，如天線匹配阻抗和回波損耗、RF 輸出功率測量、接收靈敏度、室內和室外范圍測試、交通繁忙的最壞情況 RF 環(huán)境，并使用分析儀進行監(jiān)控。要執(zhí)行某些驗證測試，需要 VNA、頻譜分析儀、DSO 和射頻室等實驗室儀器。

審核編輯：郭婷