多無線電和多協(xié)議硬件的設(shè)計方案

多無線電和多協(xié)議解決方案的組合可容納同時在相同或不同頻譜上運(yùn)行不同多協(xié)議的兩個或多個無線電。

如今，市場被驅(qū)使在一個稱為網(wǎng)關(guān)的盒子中設(shè)計具有多個射頻協(xié)議的產(chǎn)品。無線連接帶來了許多不同的好處，提供了更好的用戶體驗，不同的協(xié)議提供了互補(bǔ)的優(yōu)勢。每個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都可以通過不同的協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信，無論是Zigbee、藍(lán)牙、Z-Wave或Sub-1ghz，還是一些專有協(xié)議。多協(xié)議（無線）網(wǎng)關(guān)在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中起著至關(guān)重要的作用，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(luò)將數(shù)據(jù)推送到互聯(lián)網(wǎng)上。

多無線電和多協(xié)議解決方案的組合可容納同時在相同或不同頻譜上運(yùn)行不同多協(xié)議的兩個或多個無線電。這種方法通過利用不同的協(xié)議提供更有效和可靠的數(shù)據(jù)流。因此，終端用戶可以充分利用這一點(diǎn)，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(yùn)行的多個設(shè)備。

設(shè)計多協(xié)議緊湊型射頻硬件的關(guān)鍵挑戰(zhàn)

• 多協(xié)議硬件的出現(xiàn)是對最近多種不同通信協(xié)議的普及的一種回應(yīng)。因此，原始設(shè)備制造商在設(shè)計多無線電硬件時面臨一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)：
• 多無線電硬件在天線選擇、布局、模擬、內(nèi)存估計、外殼設(shè)計、材料和現(xiàn)場測試方面需要大量的時間
• 控制精確的阻抗，以減少干擾，回波損耗，共存于同一位置的無線電之間，因此它可以符合FCC和CE等管理機(jī)構(gòu)的要求
• 如果有兩個或兩個以上的無線電同時運(yùn)行并且共享同一頻譜，那么就會存在共存，這會導(dǎo)致相互干擾
• 測量多無線電硬件的通信延遲、距離、效率和可靠性等性能參數(shù)
• 共存往往會影響設(shè)備的性能，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失或數(shù)據(jù)損壞、音頻中的爆裂和爆裂噪聲、工作范圍和覆蓋范圍減小
• 由于不同的標(biāo)準(zhǔn)適用性，當(dāng)多無線電硬件出現(xiàn)時，對不同地理區(qū)域的法規(guī)遵從性也將是一個挑戰(zhàn)。

為多無線電硬件開發(fā)固件時要考慮的事項

當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用越來越復(fù)雜，對存儲容量的需求也越來越大。讓我們了解內(nèi)存和固件帶來的硬件工程解決方案的挑戰(zhàn)：

• 開發(fā)用戶友好且靈活的嵌入式應(yīng)用程序需要復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)、強(qiáng)大的功耗優(yōu)化、內(nèi)存密度和CPU性能。射頻SoC或模塊需要更多的閃存和RAM優(yōu)化以獲得最佳性能
• 提供空中傳送（OTA）固件更新功能需要足夠的閃存來存儲引導(dǎo)加載程序和兩倍于應(yīng)用程序固件的大小，以便在保留舊固件的同時緩沖新固件，從而使產(chǎn)品在當(dāng)今蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)市場上具有競爭力
• 在不損失性能的情況下，實時管理具有各種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的多個無線電
• 在沒有電源的情況下，閃存還可以將用戶配置和安全密鑰內(nèi)容保留多年，因為在產(chǎn)品的生命周期中，閃存中的信息可以被讀寫數(shù)千次。在這種情況下，利用RAM信息可以快速地被寫入到讀取，這使得處理器能夠以如此高的速度工作并且能夠進(jìn)行邊緣處理

基于上述挑戰(zhàn)，讓我們舉一個小例子，一個復(fù)雜的可穿戴/傳感器/自動化應(yīng)用程序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(biāo)應(yīng)用程序可能只需要24kbram和192kbflash。

為了解決上述多無線電硬件、內(nèi)存和固件方面的挑戰(zhàn)，讓我們了解一下如何利用原始設(shè)備制造商的硬件專業(yè)知識來解決這些難題，從而幫助提高產(chǎn)品的整體性能。

標(biāo)準(zhǔn)方法從對所有射頻要求和其他外圍設(shè)備的產(chǎn)品理解開始，列出所有射頻接口協(xié)議頻率，然后執(zhí)行一項任務(wù)，如模塊或SoC選擇、相對天線選擇、用材料標(biāo)識外殼、模塊放置和天線。PCB設(shè)計的早期階段將進(jìn)行2D地板規(guī)劃，這有助于詳細(xì)了解所有RF模塊的實際位置和參數(shù)：

模塊或SoC選擇：選擇標(biāo)準(zhǔn)包括RF協(xié)議、調(diào)制技術(shù)、制造商、基于驅(qū)動程序代碼可用性的MCU/處理器要求、RAM、閃存、OS、監(jiān)管批準(zhǔn)、最大Tx輸出功率、接收器靈敏度、電源和數(shù)據(jù)速率，以提供顯著的性能

內(nèi)存預(yù)算：對于任何射頻模塊來說，內(nèi)存預(yù)算都是一個非常重要的參數(shù)，它的定義或計算完全基于射頻堆棧大小、對設(shè)備數(shù)量的支持以及應(yīng)用程序業(yè)務(wù)邏輯。在最終確定模塊/SoC之前，應(yīng)該很好地計算和明確與內(nèi)存相關(guān)的需求

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(diǎn)阻抗、駐波比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跟蹤天線vs外部天線

為了減少兩個同頻模塊之間的共存和干擾，天線布置起著至關(guān)重要的作用。在這種情況下，天線應(yīng)相互垂直放置。我們正努力按照監(jiān)管要求在兩個射頻之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)母綦x，兩個天線之間的隔離應(yīng)等于或大于30分貝。有時，由于空間的限制，不可能實現(xiàn)這樣的隔離，在這種框架下，需要考慮所有射頻天線的干擾和輻射方向圖。我們還需要根據(jù)應(yīng)用需求和性能來研究射頻模塊或SoC的發(fā)射功率。

射頻模擬：在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段，模擬是預(yù)測無線電問題的有效策略。有多種模擬軟件，如HFSS、CST、ADS等，應(yīng)根據(jù)問題類型合理使用。

外殼設(shè)計和材料：為了達(dá)到最佳效果，試著用能夠平衡環(huán)境、可靠性和射頻性能需求的材料最終確定一個塑料外殼。有時，COTS外殼可能會由于已經(jīng)預(yù)定義的尺寸和結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致放置挑戰(zhàn)，而在定制設(shè)計中，我們具有PCB放置的靈活性，并且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)的選擇對射頻性能起著至關(guān)重要的作用。在2.4GHz的頻率下，好的塑料材料有PC、ABS、PC+ABS、PVC。有時我們也需要為室外和工業(yè)應(yīng)用選擇金屬外殼，在這種情況下，外部天線的選擇將是關(guān)鍵。

設(shè)計驗證測試：射頻接口的設(shè)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、射頻輸出功率測量、接收靈敏度、室內(nèi)和室外距離測試、重交通場景下最壞情況下的射頻環(huán)境，并使用分析儀進(jìn)行監(jiān)控。
責(zé)編AJX