如何使用射頻模塊快速實(shí)現(xiàn)無線連接

無線連接已迅速從電子產(chǎn)品的高配選項(xiàng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有袠I(yè)全品類的必備功能。盡管有時(shí)可以使用有線連接接入網(wǎng)絡(luò)上的其他系統(tǒng)，但無線連接現(xiàn)在已被視為傳感器接入工業(yè)控制系統(tǒng)，以及網(wǎng)關(guān)連接互聯(lián)網(wǎng)的主要機(jī)制。

藍(lán)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(dá)場所的電池供電設(shè)備保持長期連接。例如，Sigfox 和LoRaWAN 兩種低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）標(biāo)準(zhǔn)可將傳感器節(jié)點(diǎn)部署在距離網(wǎng)關(guān)設(shè)備達(dá)50 km 的位置，使得傳感器設(shè)備能夠用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、野生動植物調(diào)查和管道監(jiān)測等偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用。也就是說，通過結(jié)合使用高效的微控制器，這些低功耗無線協(xié)議能夠讓設(shè)備在幾個(gè)月甚至更長時(shí)間內(nèi)無需充電或更換電池，即便這些應(yīng)用涉及長距離通信。

目前，面向遠(yuǎn)程及本地網(wǎng)絡(luò)的無線連接技術(shù)協(xié)議種類持續(xù)增多，如適用于樓宇和家庭監(jiān)控及工業(yè)自動化應(yīng)用的藍(lán)牙、Thread、Zigbee 和Z-Wave 等協(xié)議，以及適用于本地和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腤irepas。Wirepas 使用與藍(lán)牙和WiFi 相同的2.4 GHz 頻譜，或1.9 GHzDECT-2020 NR 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。

1   射頻設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

如何選擇合適的無線連接技術(shù)并解決各種復(fù)雜性問題是原始設(shè)備制造商（OEM）和集成商面臨的難題之一。開發(fā)團(tuán)隊(duì)需要在更大板卡或模塊設(shè)計(jì)環(huán)境下衡量各無線連接協(xié)議的獨(dú)特特性。以Sigfox 和LoRaWAN 為例，一方面，LoRaWAN 采用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)來避免干擾，并能支持300 bit/s 到50 kbit/s 的數(shù)據(jù)速率；Sigfox 則使用超窄帶技術(shù)傳輸來實(shí)現(xiàn)較低的數(shù)據(jù)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(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)的傳輸，且功耗非常低。因此，這兩種無線連接協(xié)議適用于不同應(yīng)用架構(gòu)。

許多局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來擴(kuò)展無線基礎(chǔ)設(shè)施的覆蓋范圍和容量，而不會增加能耗。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(shù)據(jù)包，而可以在臨近節(jié)點(diǎn)之間使用短跳方式定向傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。然而，對于一些尤其注重延遲或安全問題的應(yīng)用場景，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(yīng)用中的運(yùn)行情況，開發(fā)團(tuán)隊(duì)需要測試不同的網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)，以便驗(yàn)證并找到最優(yōu)無線連接解決方案。如果他們選擇定制電路和天線設(shè)計(jì)，那么原型設(shè)計(jì)工作可能會耗費(fèi)大量時(shí)間。若進(jìn)行射頻設(shè)計(jì)，開發(fā)工作量可能還會更大，因?yàn)榇蠖鄶?shù)無線標(biāo)準(zhǔn)需要集成多種設(shè)計(jì)技能。這就要求開發(fā)團(tuán)隊(duì)掌握相關(guān)知識，包括天線結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)。此外，他們還需要確定主機(jī)微控制器所需固件，以便控制通道訪問和網(wǎng)狀路由等高級功能。

如果設(shè)計(jì)人員的最佳實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有限，天線和前端模擬設(shè)計(jì)可能會極難處理。即便是微小的路由和布局變化都會對無線電性能產(chǎn)生巨大影響，這可能會導(dǎo)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(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)人員來說，射頻電路還會帶來測試和認(rèn)證問題。盡管所有電子產(chǎn)品都會要求電磁兼容性（EMC）測試，但射頻接口卻使得這一過程變得更加復(fù)雜。大多數(shù)涉及射頻傳輸?shù)姆ㄒ?guī)對設(shè)備使用的頻帶內(nèi)外的功率都有嚴(yán)格的限制。系統(tǒng)電路之間若發(fā)生意外交互，可能導(dǎo)致設(shè)備無法通過這些測試。另一復(fù)雜因素在于特定協(xié)議（如藍(lán)牙）所需的認(rèn)證過程。若要認(rèn)證兼容性，就需要驗(yàn)證設(shè)備的合規(guī)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(xiàn)無線連接

定制射頻設(shè)計(jì)所帶來的更大復(fù)雜性顯著推動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)過全面測試和認(rèn)證，且支持低功耗協(xié)議的模塊通常配有板載天線。這樣一來，設(shè)計(jì)人員就能組裝一個(gè)真正獨(dú)立的電路板或封裝，有些甚至可以配置用于調(diào)度傳輸?shù)奈⒖刂破骱凸碳?，它們只需通過主機(jī)處理器的簡單命令即可觸發(fā)。這就意味著解決方案與主機(jī)系統(tǒng)的集成不會影響射頻模塊的性能或其認(rèn)證狀態(tài)。

市面上存在各種射頻模塊產(chǎn)品選擇，既有專為尺寸受限的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的小型集成封裝，也有高帶寬板級模塊，這就為模塊用戶提供了多種集成方案選擇。一些模塊使用簡單的并行或串行接口，其工作方式與串行通信通道相同，且符合常見的擴(kuò)展板格式，例如：意法半導(dǎo)體的STEVAL-IDB 008V2。該模塊兼容Arduino 擴(kuò)展板外形尺寸，并提供完整的藍(lán)牙無線電接口。一些模塊， 如STEVAL-IDB0007V1M 等則具有集成加速度計(jì)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(nèi)構(gòu)建一個(gè)藍(lán)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，專為滿足最小批量生產(chǎn)或連接器成本最小化需求而設(shè)計(jì)。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(lán)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，并開發(fā)了多款可焊接到載板的模塊，其中包括具有藍(lán)牙功能的Proteus-III 和兼容WiFi 的Calypso 等型號。Taiyo Yuden 也是一家專注于藍(lán)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， 以簡化無線網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備固件的集成。例如，Microchip的WFI32E01 集成了經(jīng)認(rèn)證的WiFi 收發(fā)器設(shè)計(jì)及Trust&Go 預(yù)配置安全元件。這為WFI32E01 模塊提供了安全密鑰，能夠讓設(shè)備插入后立即使用秘鑰憑證訪問云計(jì)算服務(wù)。Trust&Go 無需安裝工程師進(jìn)行產(chǎn)品配置即可構(gòu)建安全連接，最大限度地減少了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能遭受的攻擊風(fēng)險(xiǎn)。

一些制造商致力于簡化軟件開發(fā)流程。例如，Pycom 專注于開發(fā)可以運(yùn)行MicroPython 解釋器的模塊，包括綜合開發(fā)工具和庫，進(jìn)而加快包括局域網(wǎng)和LPWAN 協(xié)議在內(nèi)的各種無線通信標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的原型設(shè)計(jì)。

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，還提供具有集成無線連接的無線網(wǎng)關(guān)和傳感器用于創(chuàng)建測試網(wǎng)絡(luò)。此外，Laird 等供應(yīng)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(tǒng)級集成其無線電路的客戶提供測試服務(wù)。

總之，通過使用射頻模塊產(chǎn)品，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以對支持物聯(lián)網(wǎng)和其他分布式計(jì)算應(yīng)用的關(guān)鍵無線協(xié)議進(jìn)行深入評估。一旦設(shè)計(jì)工程師找到了適合其開發(fā)工作的數(shù)據(jù)處理和通信組合方案，就能實(shí)現(xiàn)較低成本的批量生產(chǎn)。借助e 絡(luò)盟等經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)服務(wù)分銷商，眾多OEM 廠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(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)無線連接。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）