如何使用射頻模塊快速實(shí)現無(wú)線(xiàn)連接

無(wú)線(xiàn)連接已迅速從電子產(chǎn)品的高配選項轉變?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(xiàn)連接接入網(wǎng)絡(luò )上的其他系統，但無(wú)線(xiàn)連接現在已被視為傳感器接入工業(yè)控制系統，以及網(wǎng)關(guān)連接互聯(lián)網(wǎng)的主要機制。

藍牙低功耗模式和LoRaWAN 等協(xié)議能夠讓部署于任何地點(diǎn)，包括以往難以到達場(chǎng)所的電池供電設備保持長(cháng)期連接。例如，Sigfox 和LoRaWAN 兩種低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）標準可將傳感器節點(diǎn)部署在距離網(wǎng)關(guān)設備達50 km 的位置，使得傳感器設備能夠用于農業(yè)生產(chǎn)、野生動(dòng)植物調查和管道監測等偏遠地區應用。也就是說(shuō)，通過(guò)結合使用高效的微控制器，這些低功耗無(wú)線(xiàn)協(xié)議能夠讓設備在幾個(gè)月甚至更長(cháng)時(shí)間內無(wú)需充電或更換電池，即便這些應用涉及長(cháng)距離通信。

目前，面向遠程及本地網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)協(xié)議種類(lèi)持續增多，如適用于樓宇和家庭監控及工業(yè)自動(dòng)化應用的藍牙、Thread、Zigbee 和Z-Wave 等協(xié)議，以及適用于本地和遠距離傳輸的Wirepas。Wirepas 使用與藍牙和WiFi 相同的2.4 GHz 頻譜，或1.9 GHzDECT-2020 NR 標準實(shí)現遠程傳輸。

1   射頻設計挑戰

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

許多局域網(wǎng)標準使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )技術(shù)來(lái)擴展無(wú)線(xiàn)基礎設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)的數據包，而可以在臨近節點(diǎn)之間使用短跳方式定向傳輸到網(wǎng)關(guān)。然而，對于一些尤其注重延遲或安全問(wèn)題的應用場(chǎng)景，點(diǎn)對點(diǎn)直接傳輸模式則更為適合。

為了確定產(chǎn)品在實(shí)際應用中的運行情況，開(kāi)發(fā)團隊需要測試不同的網(wǎng)絡(luò )選項，以便驗證并找到最優(yōu)無(wú)線(xiàn)連接解決方案。如果他們選擇定制電路和天線(xiàn)設計，那么原型設計工作可能會(huì )耗費大量時(shí)間。若進(jìn)行射頻設計，開(kāi)發(fā)工作量可能還會(huì )更大，因為大多數無(wú)線(xiàn)標準需要集成多種設計技能。這就要求開(kāi)發(fā)團隊掌握相關(guān)知識，包括天線(xiàn)結構及其對信噪比的影響，以及低噪聲放大器和模擬混頻器的設計。此外，他們還需要確定主機微控制器所需固件，以便控制通道訪(fǎng)問(wèn)和網(wǎng)狀路由等高級功能。

如果設計人員的最佳實(shí)踐經(jīng)驗有限，天線(xiàn)和前端模擬設計可能會(huì )極難處理。即便是微小的路由和布局變化都會(huì )對無(wú)線(xiàn)電性能產(chǎn)生巨大影響，這可能會(huì )導致有效傳輸距離縮短及功耗的大量增加。

對于那些追求定制設計的設計人員來(lái)說(shuō)，射頻電路還會(huì )帶來(lái)測試和認證問(wèn)題。盡管所有電子產(chǎn)品都會(huì )要求電磁兼容性（EMC）測試，但射頻接口卻使得這一過(guò)程變得更加復雜。大多數涉及射頻傳輸的法規對設備使用的頻帶內外的功率都有嚴格的限制。系統電路之間若發(fā)生意外交互，可能導致設備無(wú)法通過(guò)這些測試。另一復雜因素在于特定協(xié)議（如藍牙）所需的認證過(guò)程。若要認證兼容性，就需要驗證設備的合規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)現無(wú)線(xiàn)連接

定制射頻設計所帶來(lái)的更大復雜性顯著(zhù)推動(dòng)了即用型模塊的使用。射頻模塊的主要優(yōu)勢在于，它們經(jīng)過(guò)全面測試和認證，且支持低功耗協(xié)議的模塊通常配有板載天線(xiàn)。這樣一來(lái)，設計人員就能組裝一個(gè)真正獨立的電路板或封裝，有些甚至可以配置用于調度傳輸的微控制器和固件，它們只需通過(guò)主機處理器的簡(jiǎn)單命令即可觸發(fā)。這就意味著(zhù)解決方案與主機系統的集成不會(huì )影響射頻模塊的性能或其認證狀態(tài)。

市面上存在各種射頻模塊產(chǎn)品選擇，既有專(zhuān)為尺寸受限的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節點(diǎn)設計的小型集成封裝，也有高帶寬板級模塊，這就為模塊用戶(hù)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)的擴展板格式，例如：意法半導體的STEVAL-IDB 008V2。該模塊兼容Arduino 擴展板外形尺寸，并提供完整的藍牙無(wú)線(xiàn)電接口。一些模塊， 如STEVAL-IDB0007V1M 等則具有集成加速度計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 連接器內構建一個(gè)藍牙4.0 控制器，進(jìn)而輕松連接評估板。有些模塊可以直接焊接到載板上，專(zhuān)為滿(mǎn)足最小批量生產(chǎn)或連接器成本最小化需求而設計。例如，Murata 推出了采用芯片級封裝的最小型LPWAN 模塊以及面向藍牙和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，其中包括具有藍牙功能的Proteus-III 和兼容WiFi 的Calypso 等型號。Taiyo Yuden 也是一家專(zhuān)注于藍牙和WiFi 領(lǐng)域的芯片級模塊制造商。

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

一些制造商致力于簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)流程。例如，Pycom 專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)可以運行MicroPython 解釋器的模塊，包括綜合開(kāi)發(fā)工具和庫，進(jìn)而加快包括局域網(wǎng)和LPWAN 協(xié)議在內的各種無(wú)線(xiàn)通信標準應用的原型設計。

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(xiàn)連接的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)和傳感器用于創(chuàng )建測試網(wǎng)絡(luò )。此外，Laird 等供應商還可以為大批量產(chǎn)品需求提供定制服務(wù)，并為在板級和系統級集成其無(wú)線(xiàn)電路的客戶(hù)提供測試服務(wù)。

總之，通過(guò)使用射頻模塊產(chǎn)品，設計團隊可以對支持物聯(lián)網(wǎng)和其他分布式計算應用的關(guān)鍵無(wú)線(xiàn)協(xié)議進(jìn)行深入評估。一旦設計工程師找到了適合其開(kāi)發(fā)工作的數據處理和通信組合方案，就能實(shí)現較低成本的批量生產(chǎn)。借助e 絡(luò )盟等經(jīng)驗豐富的技術(shù)服務(wù)分銷(xiāo)商，眾多OEM 廠(chǎng)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中，實(shí)現無(wú)線(xiàn)連接。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）