作者：Gulrej Ansari，Punit Patel

如今，市場(chǎng)被驅(qū)動(dòng)在一個(gè)盒子中設(shè)計(jì)具有多種RF協(xié)議的產(chǎn)品，稱為網(wǎng)關(guān)。無線連接有許多不同的好處，可以提供更好的用戶體驗(yàn)，而不同的協(xié)議則提供了互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)。每個(gè)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)通信，無論是Zigbee，藍(lán)牙，Z-Wave和Sub-1 GHz還是某些專有協(xié)議。多協(xié)議（無線電）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?yàn)樗鼈儚?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器場(chǎng)收集數(shù)據(jù)，并通過Wi-Fi、蜂窩或其他有線或無線網(wǎng)絡(luò)將其推送到互聯(lián)網(wǎng)上。

多無線電和多協(xié)議解決方案的組合可容納兩個(gè)或多個(gè)無線電同時(shí)以相同或不同的頻譜運(yùn)行不同的多個(gè)協(xié)議。這種方法通過利用不同的協(xié)議來利用更高效、更可靠的數(shù)據(jù)流。因此，最終用戶可以充分利用，因?yàn)樗麄兡軌蛲ㄟ^單個(gè)單元連接在不同RF頻段和協(xié)議上運(yùn)行的多個(gè)設(shè)備。

設(shè)計(jì)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(duì)最近多種不同通信協(xié)議的普及的回應(yīng)。因此，OEM在設(shè)計(jì)多射頻硬件時(shí)面臨著一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

多無線電硬件在天線選擇、放置、仿真、內(nèi)存估計(jì)、外殼設(shè)計(jì)、材料和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方面需要大量時(shí)間。

控制精確的阻抗，以減少干擾、回波損耗、同地?zé)o線電之間的共存，使其符合 FCC 和 CE 等管理機(jī)構(gòu)的要求

如果有兩個(gè)或多個(gè)無線電并發(fā)運(yùn)行并共享相同的頻譜，那么就會(huì)共存，這可能會(huì)導(dǎo)致相互干擾

測(cè)量多無線電硬件的性能參數(shù)，如通信延遲、范圍、效率和可靠性

共存往往會(huì)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、音頻中的爆裂和噼啪聲、工作范圍和覆蓋范圍減小

當(dāng)多無線電硬件由于不同的標(biāo)準(zhǔn)適用性而出現(xiàn)時(shí)，對(duì)不同地理區(qū)域的法規(guī)遵從性也將具有挑戰(zhàn)性

開發(fā)多射頻硬件固件時(shí)要考慮的事項(xiàng)

當(dāng)今的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用變得越來越復(fù)雜，它增加了對(duì)內(nèi)存容量的需求。讓我們了解內(nèi)存和固件帶來的硬件挑戰(zhàn)：

開發(fā)用戶友好且靈活的嵌入式應(yīng)用需要復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)、出色的功耗優(yōu)化、內(nèi)存密度和 CPU 性能。RF SoC 或模塊需要更多的閃存和 RAM 優(yōu)化才能獲得最佳性能

提供無線 （OTA） 固件更新功能需要足夠的閃存來存儲(chǔ)引導(dǎo)加載程序和兩倍的應(yīng)用程序固件大小，以便在緩沖新固件的同時(shí)容納舊固件，如果產(chǎn)品要在當(dāng)今蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)中具有競(jìng)爭(zhēng)力

在不損失性能的情況下同時(shí)管理具有各種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的多個(gè)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?yàn)殚W存中的信息可以在產(chǎn)品的生命周期內(nèi)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(shí)現(xiàn)邊緣處理。

基于上述挑戰(zhàn)，讓我們舉一個(gè)小例子，復(fù)雜的可穿戴設(shè)備/傳感器/自動(dòng)化應(yīng)用可能需要RF模塊提供的128 kB RAM和512 kB閃存。相對(duì)簡(jiǎn)單的信標(biāo)應(yīng)用可能只需要 24 kB RAM 和 192 kB 閃存。

VOLANSYS 最佳實(shí)踐如何幫助克服硬件和固件挑戰(zhàn)？

為了解決上述多射頻硬件、內(nèi)存和固件挑戰(zhàn)，讓我們了解 VOLANSYS 如何通過其硬件專業(yè)知識(shí)幫助提高產(chǎn)品的整體性能來覆蓋 OEM 的痛點(diǎn)領(lǐng)域。

VOLANSYS遵循一種標(biāo)準(zhǔn)方法，該方法從了解所有RF要求和其他外設(shè)的產(chǎn)品開始，列出所有RF接口協(xié)議頻率，然后執(zhí)行模塊/ SoC選擇，相對(duì)天線選擇等任務(wù)，識(shí)別外殼及其材料，模塊的位置和天線。PCB設(shè)計(jì)的早期階段將進(jìn)行2D布局規(guī)劃，這有助于詳細(xì)了解RF模塊的實(shí)際放置和參數(shù)：

模塊/SoC 選擇：選擇標(biāo)準(zhǔn)包括射頻協(xié)議、調(diào)制技術(shù)、制造商、基于驅(qū)動(dòng)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(zhǔn)、最大發(fā)射功率、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：內(nèi)存預(yù)算對(duì)于任何RF模塊來說都是一個(gè)非常重要的參數(shù)，它純粹是根據(jù)RF堆棧大小、對(duì)設(shè)備數(shù)量的支持和應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯來定義或計(jì)算的。在最終確定模塊/ SoC之前，應(yīng)充分計(jì)算并明確與內(nèi)存相關(guān)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?yàn)檫x擇取決于頻率范圍、極化、輻射方向圖、增益、饋電點(diǎn)阻抗、VSWR 和功率處理能力用例，如范圍覆蓋范圍和空間。例如，芯片天線 vs PCB 走線天線 vs 外部天線 為了減少 2 個(gè)相同頻率模塊之間的共存和干擾，天線放置起著至關(guān)重要的作用。在這種情況下，天線應(yīng)彼此垂直放置。我們正嘗試根據(jù)法規(guī)要求在 2 個(gè) RF 之間建立適當(dāng)?shù)母綦x，2 個(gè)天線之間的隔離應(yīng)等于或大于 30 dB。有時(shí)，由于空間限制，不可能實(shí)現(xiàn)這種隔離，在此框架中，我們需要注意所有RF天線和輻射方向圖的干擾。我們還需要根據(jù)應(yīng)用需求和性能來調(diào)整射頻模塊/SoC的發(fā)射功率

射頻仿真：仿真是在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段預(yù)測(cè)無線電問題的有效策略。有多個(gè)模擬器軟件，如HFSS，CST，AD等，應(yīng)根據(jù)問題類型明智地使用。VOLANSYS 可以幫助進(jìn)行早期天線仿真，如果由于外殼材料導(dǎo)致任何頻率偏移，它可以在天線放置位置、范圍改進(jìn)和射頻路徑調(diào)整方面提供結(jié)果和信心

外殼設(shè)計(jì)及其材料：為了達(dá)到最佳效果，請(qǐng)嘗試使用可以平衡環(huán)境、可靠性和射頻性能需求的材料最終確定塑料外殼。有時(shí)，由于已經(jīng)預(yù)定義的尺寸和結(jié)構(gòu)，COTS 外殼可能會(huì)導(dǎo)致放置挑戰(zhàn)，而在定制設(shè)計(jì)中，我們?cè)?PCB 放置方面具有靈活性，可以獲得更好的隔離和天線放置選項(xiàng)。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(guān)重要的作用。一些在2.4GHz下表現(xiàn)良好的好塑料材料是PC，ABS，PC + ABS，PVC。有時(shí)我們也需要為戶外和工業(yè)應(yīng)用選擇金屬外殼，在這種情況下，外部天線選擇將是關(guān)鍵點(diǎn)

設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試：RF接口的設(shè)計(jì)驗(yàn)證非常重要。需要定義一組驗(yàn)證測(cè)試用例，如天線匹配阻抗和回波損耗、射頻輸出功率測(cè)量、接收靈敏度、室內(nèi)和室外范圍測(cè)試、交通繁忙場(chǎng)景的最壞情況射頻環(huán)境，并使用分析儀進(jìn)行監(jiān)控。要執(zhí)行一些驗(yàn)證測(cè)試，需要VNA，頻譜分析儀，DSO和RF室類型的實(shí)驗(yàn)室儀器。

審核編輯：郭婷