無線設計的關鍵指南 （無線工程師）

　　作為參考，此處的“短距離無線”不是指手機或WiMAX，而是包括你聽說過的所有技術，如藍牙、IrDA、ISM、 Wi-Fi和 ZigBee，以及其他一些值得提及的專業(yè)設計。本文可以作為你未來方案的經典。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

　　像任何設計冒險一樣，無線設計的第一步是明確應用并定義參數(shù)。究竟想要做什么?將它寫出來。

　　遙感勘測包括住宅/建筑物環(huán)境檢測、自動讀表、醫(yī)學、汽車(溫度、輪胎壓力)，以及工業(yè)傳感器監(jiān)測，是更流行的應用之一。另外很受歡迎的應用場合是遠程控制車庫門、玩具、遠程無鑰匙進入、HVAC、安全/報警以及工業(yè)控制。

　　第二步：定義關鍵特性

　　定義項目的重要特性很關鍵，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(shù)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、以及其它相關技術指標。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。需要特別關注的關鍵技術指標包括：欲了解更多信息請登錄電子發(fā)燒友網(http://www.elecfans.com)

　　距離：短距離無線技術覆蓋的距離范圍很大，從數(shù)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。

　　環(huán)境：是室內還是室外?發(fā)射器和接收器之間的視線是否很好，或者還是穿過墻、地板或樹木?環(huán)境是否充滿了來自電器系統(tǒng)和設備(如馬達或者附近工作的其它無線設備)的噪音?一般情況下，頻率越高，距離越短。

　　連接：是點對點通訊(P2P)、點到多點(P2M)還是多點到點(M2P)通訊?當然，單個P2P連接用起來最簡單。但是，應用可能需要多個監(jiān)測點，如在遙感勘測中就要采用M2P?；蛘?，如果必須從一個地點控制多個設備，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?

　　信息類型：信息源是模擬的還是數(shù)字的?目前，大多數(shù)信息源都是數(shù)字碼或稱數(shù)據(jù)，但如果本質是模擬的話，也可以處理。需要模數(shù)轉換和數(shù)模轉換。在15.231節(jié)，在260MHz～470 MHz頻段，只能發(fā)送短數(shù)據(jù)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(shù)字形式在902～928 MHz頻段傳送聲音、視頻或任何其它信息。

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

　　網絡：項目是一個簡單的P2P連接還是網絡的組成部分?聯(lián)網就要與某一主機或者一個或多個其它節(jié)點會話。需要mesh網絡嗎?

　　安全：無線連接要涉及關鍵數(shù)據(jù)的保護嗎?這些要求會影響到協(xié)議和技術的選擇。

　　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)議來滿足應用要求嗎?

　　接口：需要哪種數(shù)據(jù)接口(RS-232、SPI、USB 等)?對于簡單應用，可能只需要微控制器上的一個總線。

　　功耗：如果設備為遠程或便攜式，電池使用壽命是一個關鍵因素。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，以最大限度延長電池壽命。

　　第3步：選擇技術

　　根據(jù)上面列出的技術指標，使用這個表選擇要采用的技術。你可能會發(fā)現(xiàn)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，選擇時還需要考慮其它另外幾個因素。

　　藍牙是應用最為廣泛的無線標準，比Wi-Fi廣泛10倍或者更多。藍牙技術的成功主要與手機和手機耳機應用有關，而在多種其它應用(如計算機外設)中也有藍牙技術。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線技術。

　　藍牙具有廣泛的速度選項?；緮?shù)據(jù)率為1 Mbps，但也可以選3 Mbps增強型數(shù)據(jù)率(EDR)。2008年之后，對視頻和其它非常高的數(shù)據(jù)率需求，將會出現(xiàn)一種數(shù)據(jù)率達480 Mbps的超寬帶版本。

　　最后，藍牙能夠滿足基本聯(lián)網?？梢耘c稱作微微網(piconet)中的其它7個藍牙節(jié)點會話。這些節(jié)點依次在更多的擴展分散網中互相會話。

　　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)議及相關堆棧都很復雜，對某些簡單應用就是多余的。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所無法比擬的。

　　紅外(IR)無線技術，跟藍牙一樣，它們的應用比你能想象到的要更廣泛。事實上，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。最大問題是范圍很有限，另外，視線路徑也必須暢通無阻。理想范圍是±15°錐型1米范圍，不過也可以達到更長距離。IrDA標準提供的數(shù)據(jù)率可以達到16 Mbps，并且模塊非常廉價。

　　ISM頻帶是可以使用的最簡單的標準之一。ISM最適合超簡單控制或監(jiān)測應用。其數(shù)據(jù)率很少超過100 kbps，并且一般都比此值小許多。可以選的頻率很多，但大多數(shù)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。

　　沒有正式協(xié)議。所以，如果打算采用這些簡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軟件包，有助于使用該公司的芯片，建立一個簡單的協(xié)議來解決自己的問題。

　　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)提供低速無線通信(如鍵盤和鼠標)。其基本數(shù)據(jù)率只有62.5 kbps，不過也可以采用一種1Mbps版本。對多點到單點應用也不錯?？梢圆捎靡环N簡單協(xié)議，使設計人員可以把精力集中到設計的其它方面。

　　在過去的10年間，Wi-Fi得到了不斷發(fā)展。Wi-Fi主要用在無線局域網(LAN)中。偶而也用在短距離監(jiān)測和控制中。

　　Wi-Fi是一種復雜的標準，但是如采用一個功放和定向天線，則能擴展到100 米甚至更遠的距離。新的802.11n標準的數(shù)據(jù)率從11 Mbps到遠大于100 Mbps，這對大多數(shù)短距離應用都過度了。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，可以達到53 ～480 Mbps的數(shù)據(jù)，但距離小于10米。其標準專注于實現(xiàn)USB接口標準的無線版，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(jiān)測和控制設計的，具有在所有這些技術中 功耗最低的特點。在其基于IEEE 802.15.4標準的最簡單形式中，對P2P、M2P或P2M應用很適合。通過增加ZigBee聯(lián)盟堆棧，mesh聯(lián)網成為可能，因此擴展了所有節(jié)點的范圍和可靠性。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題，而且要面臨專利付費問題。

　　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(頻移鍵控)調制都不錯。DSSS因其基于BPSK(二進制相移鍵控)調制，效果更好，但要更復雜，并且成本更高。幅移鍵控/開-關鍵控(ASK/OOK)是到目前為止最簡單的方法，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(jù)Friis自由空間功率公式，頻率越低(波長越大)，則給定功率下總距離越長。就是說，如果最大距離很關鍵，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，天線尺寸越大。對某些便攜式應用或移動應用，這可能成為一個實際問題，是需要權衡考慮的一項關鍵因素。

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

　　第四步：制造還是購買?

　　在本步驟中，必須確定制造和購買哪個更好。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(xiàn)有模塊而加快設計的完成。

　　這些模塊有無線連接需要的所有東西，有時還包括有天線。費用要高一些，而且模塊一般體積要大一些，并且價格更高。不過，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。如果對無線了解越少，則選擇模塊方