無(wú)線(xiàn)系統設計的關(guān)鍵步驟

要使一種方案具有秘密武器或使其有別于競爭者，無(wú)線(xiàn)可能是一種非常好的選擇。只要遵照幾個(gè)關(guān)鍵指南，你就能達到無(wú)線(xiàn)工程師的水平。

　　作為參考，此處的“短距離無(wú)線(xiàn)”不是指手機或WiMAX，而是包括你聽(tīng)說(shuō)過(guò)的所有技術(shù)，如藍牙、IrDA、ISM、 Wi-Fi和 ZigBee，以及其他一些值得提及的專(zhuān)業(yè)設計。本文可以作為你未來(lái)方案的經(jīng)典。特別是，看看覆蓋260～470MHz頻帶的15.231，以及覆蓋常用的902～928MHz 頻帶的15.249。

　　設計步驟

　　第一步：明確應用和特點(diǎn)

　　像任何設計冒險一樣，無(wú)線(xiàn)設計的第一步是明確應用并定義參數。究竟想要做什么？將它寫(xiě)出來(lái)。

　　遙感勘測包括住宅/建筑物環(huán)境檢測、自動(dòng)讀表、醫學(xué)、汽車(chē)（溫度、輪胎壓力），以及工業(yè)傳感器監測，是更流行的應用之一。另外很受歡迎的應用場(chǎng)合是遠程控制車(chē)庫門(mén)、玩具、遠程無(wú)鑰匙進(jìn)入、HVAC、安全/報警以及工業(yè)控制。

　　第二步：定義關(guān)鍵特性

　　定義項目的重要特性很關(guān)鍵，這些特性包括理想距離、環(huán)境、功耗限制、是固定還是便攜？調制信號（是模擬還是數字？）、需要收發(fā)器而不是只要發(fā)射器或接收器、輸入、輸出、接口、以及其它相關(guān)技術(shù)指標。某些性能測量，如位差錯率或可靠性，如果使用，也應包含在內。需要特別關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)指標包括：

　　距離：短距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)覆蓋的距離范圍很大，從數英寸直到很多英里范圍。需要具體確定距離范圍，或者至少定出盡可能接近的距離范圍，因為這些信息決定了所選的技術(shù)。

　　環(huán)境：是室內還是室外？發(fā)射器和接收器之間的視線(xiàn)是否很好，或者還是穿過(guò)墻、地板或樹(shù)木？環(huán)境是否充滿(mǎn)了來(lái)自電器系統和設備（如馬達或者附近工作的其它無(wú)線(xiàn)設備）的噪音？一般情況下，頻率越高，距離越短。

　　連接：是點(diǎn)對點(diǎn)通訊（P2P）、點(diǎn)到多點(diǎn)（P2M）還是多點(diǎn)到點(diǎn)（M2P）通訊？當然，單個(gè)P2P連接用起來(lái)最簡(jiǎn)單。但是，應用可能需要多個(gè)監測點(diǎn)，如在遙感勘測中就要采用M2P?；蛘?，如果必須從一個(gè)地點(diǎn)控制多個(gè)設備，就要采用P2M。此外，要考慮連接是單工（單向，播放）還是雙工（雙向），是半雙工還是全雙工？

　　信息類(lèi)型：信息源是模擬的還是數字的？目前，大多數信息源都是數字碼或稱(chēng)數據，但如果本質(zhì)是模擬的話(huà)，也可以處理。需要模數轉換和數模轉換。在15.231節，在260MHz～470 MHz頻段，只能發(fā)送短數據脈沖。此外，不允許發(fā)送聲音或視頻信息。但可以以模擬或數字形式在902～928 MHz頻段傳送聲音、視頻或任何其它信息。

　　數據率：需要的最大數據率是多少？大多數遙感勘測和控制的數據率都非常低，小于100 kbps。不過(guò)，也可以達到幾百兆位每秒的數據率。

　　網(wǎng)絡(luò )：項目是一個(gè)簡(jiǎn)單的P2P連接還是網(wǎng)絡(luò )的組成部分？聯(lián)網(wǎng)就要與某一主機或者一個(gè)或多個(gè)其它節點(diǎn)會(huì )話(huà)。需要mesh網(wǎng)絡(luò )嗎？

　　安全：無(wú)線(xiàn)連接要涉及關(guān)鍵數據的保護嗎？這些要求會(huì )影響到協(xié)議和技術(shù)的選擇。

　　協(xié)議：需要兼容特定協(xié)議和標準，如藍牙、Wi-Fi或 ZigBee嗎？或者還是自己設計協(xié)議來(lái)滿(mǎn)足應用要求嗎？

　　接口：需要哪種數據接口（RS-232、SPI、USB 等）？對于簡(jiǎn)單應用，可能只需要微控制器上的一個(gè)總線(xiàn)。

　　功耗：如果設備為遠程或便攜式，電池使用壽命是一個(gè)關(guān)鍵因素。需要選擇具有休眠模式和低占空比工作的芯片或模塊和協(xié)議，以最大限度延長(cháng)電池壽命。

　第3步：選擇技術(shù)

　　根據上面列出的技術(shù)指標，使用這個(gè)表選擇要采用的技術(shù)。你可能會(huì )發(fā)現只有一種適合，或者可以使用兩種或更多。該表可幫助你找到特定選擇，選擇時(shí)還需要考慮其它另外幾個(gè)因素。

　　藍牙是應用最為廣泛的無(wú)線(xiàn)標準，比Wi-Fi廣泛10倍或者更多。藍牙技術(shù)的成功主要與手機和手機耳機應用有關(guān)，而在多種其它應用（如計算機外設）中也有藍牙技術(shù)。最主要的是，藍牙是遠程耳機和揚聲器及其它音頻應用中首屈一指的音頻無(wú)線(xiàn)技術(shù)。

　　藍牙具有廣泛的速度選項?；緮祿蕿? Mbps，但也可以選3 Mbps增強型數據率（EDR）。2008年之后，對視頻和其它非常高的數據率需求，將會(huì )出現一種數據率達480 Mbps的超寬帶版本。

　　最后，藍牙能夠滿(mǎn)足基本聯(lián)網(wǎng)?？梢耘c稱(chēng)作微微網(wǎng)（piconet）中的其它7個(gè)藍牙節點(diǎn)會(huì )話(huà)。這些節點(diǎn)依次在更多的擴展分散網(wǎng)中互相會(huì )話(huà)。

　　雖然藍牙在許多應用中都具有巨大潛力，但不是對所有應用都適合。由于藍牙協(xié)議及相關(guān)堆棧都很復雜，對某些簡(jiǎn)單應用就是多余的。然而，對某些預先確定的應用，如音頻，其正式化的概圖和認證是其它技術(shù)所無(wú)法比擬的。

　　紅外（IR）無(wú)線(xiàn)技術(shù)，跟藍牙一樣，它們的應用比你能想象到的要更廣泛。事實(shí)上，世界上每種遠程控制都采用IR。IR工作很出色，并且成本很低。最大問(wèn)題是范圍很有限，另外，視線(xiàn)路徑也必須暢通無(wú)阻。理想范圍是±15°錐型1米范圍，不過(guò)也可以達到更長(cháng)距離。IrDA標準提供的數據率可以達到16 Mbps，并且模塊非常廉價(jià)。

　　ISM頻帶是可以使用的最簡(jiǎn)單的標準之一。ISM最適合超簡(jiǎn)單控制或監測應用。其數據率很少超過(guò)100 kbps，并且一般都比此值小許多?？梢赃x的頻率很多，但大多數應用采用315～938 MHz、433.92～938 MHz， 及902 ～938-MHz （915MHz最普遍）及2.4 GHz 頻帶。

　　沒(méi)有正式協(xié)議。所以，如果打算采用這些簡(jiǎn)單而成本低廉的設備，就需要制定自己的協(xié)議。ADI的ADF70xx ISM系列芯片包括有一個(gè)軟件包，有助于使用該公司的芯片，建立一個(gè)簡(jiǎn)單的協(xié)議來(lái)解決自己的問(wèn)題。

　　賽普拉斯半導體公司的WirelessUSB系列使用2.4GHz直接序列擴頻（DSSS），給人機接口設備（HID）提供低速無(wú)線(xiàn)通信（如鍵盤(pán)和鼠標）。其基本數據率只有62.5 kbps，不過(guò)也可以采用一種1Mbps版本。對多點(diǎn)到單點(diǎn)應用也不錯?？梢圆捎靡环N簡(jiǎn)單協(xié)議，使設計人員可以把精力集中到設計的其它方面。

　　在過(guò)去的10年間，Wi-Fi得到了不斷發(fā)展。Wi-Fi主要用在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（LAN）中。偶而也用在短距離監測和控制中。

　　Wi-Fi是一種復雜的標準，但是如采用一個(gè)功放和定向天線(xiàn)，則能擴展到100 米甚至更遠的距離。新的802.11n標準的數據率從11 Mbps到遠大于100 Mbps，這對大多數短距離應用都過(guò)度了。功耗相應較高。

　　超寬帶（UWB）是另一種針對速率非常高的應用的技術(shù)，可以達到53 ～480 Mbps的數據，但距離小于10米。其標準專(zhuān)注于實(shí)現USB接口標準的無(wú)線(xiàn)版，USB接口標準在計算機外設和其它設備中非常普及。其他潛在的應用包括視頻。

　　ZigBee是為短距離監測和控制設計的，具有在所有這些技術(shù)中 功耗最低的特點(diǎn)。在其基于IEEE 802.15.4標準的最簡(jiǎn)單形式中，對P2P、M2P或P2M應用很適合。通過(guò)增加ZigBee聯(lián)盟堆棧，mesh聯(lián)網(wǎng)成為可能，因此擴展了所有節點(diǎn)的范圍和可靠性。有多種芯片和模塊可供使用。只是要注意，如果采用ZigBee堆棧，則不僅要面臨認證標準的問(wèn)題，而且要面臨專(zhuān)利付費問(wèn)題。

　　如果在高噪聲環(huán)境下工作，就選擇能降低噪聲的調制方法。所有FSK相關(guān)（頻移鍵控）調制都不錯。DSSS因其基于BPSK（二進(jìn)制相移鍵控）調制，效果更好，但要更復雜，并且成本更高。幅移鍵控/開(kāi)-關(guān)鍵控（ASK/OOK）是到目前為止最簡(jiǎn)單的方法，但要使性能達到最佳，要求距離更短，并且環(huán)境噪聲要更低。

　　應用也可能影響工作頻率。根據Friis自由空間功率公式，頻率越低（波長(cháng)越大），則給定功率下總距離越長(cháng)。就是說(shuō)，如果最大距離很關(guān)鍵，就要使用較低的260～470 MHz非認證頻帶，而不是更高的900MHz和 2.4 GHz頻帶。另一方面，頻率越低，天線(xiàn)尺寸越大。對某些便攜式應用或移動(dòng)應用，這可能成為一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，是需要權衡考慮的一項關(guān)鍵因素。

　　最后，可能影響選擇的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是安全性。Bluetooth、IrDA和ISM頻帶中不具備安全性，而UWB、Wi-Fi及ZigBee則具有。

　第4步：制造還是購買(mǎi)？

　　在本步驟中，必須確定制造和購買(mǎi)哪個(gè)更好。如果項目需要盡可能低成本的嵌入式方案，或許就要選擇芯片并設計自己的方案。如果應用允許，可以合并現有模塊而加快設計的完成。

　　這些模塊有無(wú)線(xiàn)連接需要的所有東西，有時(shí)還包括有天線(xiàn)。費用要高一些，而且模塊一般體積要大一些，并且價(jià)格更高。不過(guò)，對某些小批量且體積/成本要求靈活的應用，選擇這些模塊相當好。如果對無(wú)線(xiàn)了解越少，則選擇模塊方法更佳。

　　第5步：天線(xiàn)

　　不要忘記還有天線(xiàn)，天線(xiàn)是所有無(wú)線(xiàn)設備中的關(guān)鍵機械部件。實(shí)際上，一開(kāi)始就要把天線(xiàn)考慮在內，因為應用能否成功取決于它。

　　第六步：符合FCC

　　要為“聯(lián)邦通訊委員會(huì )（FCC）”測試作準備。無(wú)線(xiàn)設備已經(jīng)設計好之后，需要得到FCC的使用和銷(xiāo)售認可。FCC要求產(chǎn)品能達到設備所屬分類(lèi)已有輻射限值的認證。此外，所有有意輻射體都必須有完整FCC證書(shū)。

　　自己可以對設備進(jìn)行測試，但大多數公司將此分包給專(zhuān)門(mén)進(jìn)行此類(lèi)業(yè)務(wù)的機構來(lái)完成。在Yahoo或Google里輸入“FCC testing”就能找到幾十家。要確認預算中包括了這項服務(wù)費用。

　　估算信號強度和路徑損耗

　　可以采用一些基本公式，對距離、功率及其它一些鏈路性能作初步估算?；竟綖椋?/p>

　　Pr=（PtGtGrλ2） / （16π2d2）

　　其中Pr為接收功率；Pt為發(fā)射功率；Gt為發(fā)射天線(xiàn)功率增益；Gr為接收天線(xiàn)功率增益；d為發(fā)射器和接收器之間的距離，單位為米，是以米為單位的波長(cháng)，等于300/fMHz。要確認兩個(gè)關(guān)鍵因素：

　??？接收功率是波長(cháng)平方的函數。因此，頻率越低，接收功率則越大。頻率越高越好，這是由于頻率越高，天線(xiàn)尺寸要小許多。不過(guò)，功率一定的話(huà)，則距離要小。

　??？接收功率是發(fā)射器和接收器之間距離的平方的函數。設計目標是對距離與功率和頻率的關(guān)系進(jìn)行平衡。

　　在這一公式中，假設發(fā)射和接收天線(xiàn)之間的視線(xiàn)（LOS）路徑清晰，因此沒(méi)有考慮穿墻、樹(shù)木或其它障礙物。此外，本公式僅僅在發(fā)射和接收天線(xiàn)的間隔足夠達到遠場(chǎng)才有效。

　　所有電磁波都有近場(chǎng)和遠場(chǎng)。近場(chǎng)主要是磁場(chǎng)，因此發(fā)射和接收天線(xiàn)更像變壓器的初級和次極。遠場(chǎng)是實(shí)際混合電磁場(chǎng)或無(wú)線(xiàn)電波。其距離約大于D2/λ，其中 D為天線(xiàn)最大尺寸（一般為工作頻率處的半波長(cháng)，即468/fMHz）。要使估計最佳，為保險起見(jiàn)，可假設遠場(chǎng)大于10倍波長(cháng)。

　　公式中的天線(xiàn)增益是相對于各向同性（球體）源的。該源增益為1。大多數實(shí)際應用的天線(xiàn)，如半波偶極子天線(xiàn)或四分之一波地平面，都是定向的。因此，天線(xiàn)增益表示功率增益為1.6？倍或者2.15 dB。

　　使用該公式的關(guān)鍵是估計以dB為單位的路徑損耗。其根源是發(fā)射和接收天線(xiàn)之間距離引起了路徑衰減?？梢杂孟率焦烙嬄窂綋p耗：

　　dB loss=37 dB + 20log（fMHz） + 20log（d）

　　其中，d為距離或范圍，單位為英里，1英里約等于1610米。得到了給定天線(xiàn)組的路徑損耗和發(fā)射功率之后，就可以用下式確定所需要的接收器靈敏度：

　　Pr=Pt–PL

　　假設路徑損耗為90 dB，發(fā)射功率為10dBm （10 mW），則需要的接收器靈敏度為：

　　Pr=10–90=–80dBm

　　接收器靈敏度是增大距離的關(guān)鍵，也是給定發(fā)射功率和天線(xiàn)增益下得到更高鏈路可靠性的關(guān)鍵。要盡可能使接收器靈敏度達到最大。某些新型設計的接收器靈敏度可以達到–120dBm～–130dBm。