如今，市場被推動在一個盒子中設(shè)計具有多種射頻協(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，不同的協(xié)議可以提供互補的優(yōu)勢。每個物聯(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、藍牙、Z-Wave 或 Sub-1 GHz，還是一些專有協(xié)議。多協(xié)議（無線電）網(wǎng)關(guān)在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)揮著重要作用，因為它們從傳感器場收集數(shù)據(jù)并通過 Wi-Fi、蜂窩或其他有線和無線網(wǎng)絡(luò)將其推送到互聯(lián)網(wǎng)上。

多無線電和多協(xié)議解決方案的組合適用于同時在相同或不同頻譜上運行不同多種協(xié)議的兩個或多個無線電。這種方法通過利用不同的協(xié)議來獲得更有效和更可靠的數(shù)據(jù)流。正因為如此，最終用戶可以充分利用這一優(yōu)勢，因為他們能夠通過一個單元連接在不同射頻頻段和協(xié)議上運行的多個設(shè)備。

設(shè)計多協(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)是對最近流行的多種不同通信協(xié)議的回應(yīng)。因此，OEM 在設(shè)計多無線電硬件時面臨一些關(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、外殼設(shè)計、材料和現(xiàn)場測試方面需要大量時間

控制精確的阻抗以減少共址無線電之間的干擾、回波損耗和共存，使其符合 FCC 和 CE 等監(jiān)管機構(gòu)的要求

如果有兩個或多個無線電同時運行并共享相同的頻譜，則將存在共存，這可能會導(dǎo)致相互干擾

測量多無線電硬件的通信延遲、范圍、效率和可靠性等性能參數(shù)

共存往往會影響設(shè)備的性能，這可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失或數(shù)據(jù)損壞、音頻中的爆裂聲和噼啪聲、工作范圍和覆蓋范圍縮小

由于不同的標(biāo)準(zhǔn)適用性，當(dāng)涉及多無線電硬件時，對不同地理區(qū)域的監(jiān)管合規(guī)性也將面臨挑戰(zhàn)

為多無線電硬件開發(fā)固件時需要考慮的事項

今天的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用變得越來越復(fù)雜，它增加了對內(nèi)存容量的需求。讓我們了解內(nèi)存和固件附帶的硬件工程解決方案中的挑戰(zhàn)：

開發(fā)用戶友好且靈活的嵌入式應(yīng)用程序需要復(fù)雜的狀態(tài)機、強大的功率優(yōu)化、內(nèi)存密度和 CPU 性能。RF SoC 或模塊需要更多閃存和 RAM 優(yōu)化以獲得最佳性能

提供無線 （OTA） 固件更新功能需要足夠的閃存來存儲引導(dǎo)加載程序和兩倍大小的應(yīng)用程序固件，以便在緩沖新固件的同時保存舊固件，如果產(chǎn)品要在當(dāng)今蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)市場中具有競爭力的話

在不損失性能的情況下同時實時管理具有各種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的多個無線電

在沒有電源的情況下，閃存還可以保留用戶配置和安全密鑰內(nèi)容多年，因為來自閃存的信息在產(chǎn)品的生命周期中可以被讀取和寫入數(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現(xiàn)邊緣處理

基于上述挑戰(zhàn)，讓我們舉一個小例子，一個復(fù)雜的可穿戴/傳感器/自動化應(yīng)用可能需要射頻模塊提供的 128 kB RAM 和 512 kB 閃存。一個相對簡單的信標(biāo)應(yīng)用程序可能只需要 24 kB RAM 和 192 kB 閃存。

最佳實踐是否有助于克服硬件和固件挑戰(zhàn)？

為了解決上述多射頻硬件、內(nèi)存和固件的挑戰(zhàn)，讓我們了解如何用他們的硬件專業(yè)知識覆蓋 OEM 的痛點，從而幫助提高產(chǎn)品的整體性能。

標(biāo)準(zhǔn)方法從了解所有 RF 要求和其他外圍設(shè)備的產(chǎn)品開始，列出所有 RF 接口協(xié)議頻率，然后執(zhí)行諸如模塊/SoC 選擇、相對天線選擇、識別外殼及其材料、模塊放置、及其天線。PCB設(shè)計的早期階段會進行2D平面規(guī)劃，這有助于詳細(xì)了解所有RF模塊的實際放置和參數(shù)：

模塊/SoC 選擇：選擇標(biāo)準(zhǔn)包括 RF 協(xié)議、調(diào)制技術(shù)、制造商、基于驅(qū)動程序代碼可用性的 MCU/處理器要求、RAM、閃存、操作系統(tǒng)、監(jiān)管批準(zhǔn)、最大 Tx 輸出功率、接收器靈敏度、電源和數(shù)據(jù)速率提供顯著的性能

內(nèi)存預(yù)算：內(nèi)存預(yù)算對于任何射頻模塊來說都是一個非常重要的參數(shù)，它純粹根據(jù)射頻堆棧大小、對設(shè)備數(shù)量的支持以及應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯來定義或計算。在最終確定模塊/ SoC之前，應(yīng)該很好地計算和明確與內(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，因為選擇取決于頻率范圍、極化、輻射方向圖、增益、饋電點阻抗、VSWR 和功率處理能力用例，如范圍覆蓋和空間。 例如，芯片天線 vs PCB 走線天線 vs 外部天線

為了減少兩個同頻模塊之間的共存和干擾，天線的放置起著至關(guān)重要的作用。在這種情況下，天線應(yīng)相互垂直放置。我們正在嘗試按照法規(guī)要求在 2 個 RF 之間進行適當(dāng)?shù)母綦x，2 個天線之間的隔離應(yīng)等于或大于 30 dB。有時，由于空間限制，無法實現(xiàn)這樣的隔離，在這個框架下，我們需要處理所有射頻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 RF 模塊/SoC 的發(fā)射功率

射頻模擬：模擬是在產(chǎn)品開發(fā)早期預(yù)測無線電問題的有效策略。有多種模擬器軟件，如 HFSS、CST、ADS 等，應(yīng)根據(jù)問題類型明智地使用。Volansys 等公司幫助執(zhí)行早期天線仿真，如果由于外殼材料而導(dǎo)致任何頻率偏移，則可以對天線放置位置、范圍改進和 RF 路徑調(diào)諧提供結(jié)果和信心

外殼設(shè)計及其材料：為了達到最佳效果，請嘗試使用能夠平衡環(huán)境、可靠性和射頻性能需求的材料來最終確定塑料外殼。有時，由于已經(jīng)預(yù)定義的尺寸和結(jié)構(gòu)，COTS 外殼可能會導(dǎo)致放置挑戰(zhàn)，而在定制設(shè)計中，我們具有 PCB 放置的靈活性，可以獲得更好的隔離和天線放置選項。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。PC、ABS、PC+ABS、PVC 等一些好的塑料材料在 2.4GHz 上表現(xiàn)出色。有時我們需要為戶外和工業(yè)應(yīng)用選擇金屬外殼，在這種情況下，外部天線的選擇將是關(guān)鍵點

設(shè)計驗證測試：射頻接口的設(shè)計驗證非常重要。需要定義一組驗證測試用例，如天線匹配阻抗和回波損耗、RF 輸出功率測量、接收靈敏度、室內(nèi)和室外范圍測試、交通繁忙的最壞情況 RF 環(huán)境，并使用分析儀進行監(jiān)控。要執(zhí)行某些驗證測試，需要 VNA、頻譜分析儀、DSO 和射頻室等實驗室儀器。

審核編輯：郭婷