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解决多无线电硬件设计挑战的方法


如今,市场驱动着在一个盒子中设计具有多个RF协议的产品,它被称为网关。无线连接具有许多不同的好处,可以提供更好的用户体验,而不同的协议则可以提供互补的优势。每个物联网设备都可以通过不同的协议与Internet通信,无论它是Zigbee,蓝牙,Z-WaveSub-1 GHz,还是某些专有协议。多协议(无线电)网关物联网基础结构中起着至关重要的作用,因为它们从传感器场收集数据并通过Wi-Fi,蜂窝或其他有线和无线网络将其推送到互联网

多无线电和多协议解决方案的组合可容纳两个或多个同时在相同或不同频谱上运行不同多种协议的无线电。通过利用不同的协议,此方法可提供更有效和可靠的数据流。因此,最终用户可以充分利用自己的优势,因为他们能够通过一个单元连接运行在不同RF频段和协议上的多个设备。

设计多协议紧凑型RF硬件的主要挑战

多协议硬件已经出现,作为对最近多种不同通信协议的普及的回应。因此,OEM在设计多无线电硬件时面临着一些关键的挑战:

多无线电硬件在天线选择,放置,仿真,内存估计,外壳设计,材料和现场测试方面需要大量时间

  控制精确的阻抗以减少干扰,回波损耗,同位置无线电之间的共存,使其可以符合FCCCE等管理机构的要求

  如果有两个或两个以上的无线电同时运行并共享相同的频谱,则将共存,这会导致相互干扰

测量性能参数,例如多无线电硬件的通信延迟,范围,效率和可靠性

共存会影响设备的性能,从而可能导致数据包丢失或数据损坏,音频中的爆裂声和爆裂声,缩小的工作范围和覆盖范围

当多无线电硬件出现时,由于不同的标准适用性,与不同地理区域的法规遵从性也将具有挑战性

为多无线电硬件开发固件时要考虑的事项

如今的物联网应用变得越来越复杂,并且对存储容量的需求也不断增加。让我们了解一下内存和固件随附的硬件工程解决方案中的挑战:

开发用户友好且灵活的嵌入式应用程序需要复杂的状态机,出色的功耗优化,内存密度和CPU性能。RF SoC或模块需要更多的闪存和RAM优化以实现最佳性能。

提供空中(OTA)固件更新功能需要足够的闪存来存储Bootloader以及两倍于应用程序固件的大小,以便在某个新产品在当今蓬勃发展的物联网市场中具有竞争力的情况下保持旧固件并缓冲新固件

实时同时管理具有各种网络体系结构的多个无线电,而不会损失性能

在没有电源的情况下,闪存还可以保留用户配置和安全密钥内容多年,因为在产品的生命周期中,闪存中的信息可以被读取和写入数千次。在这种情况下,可以快速写入利用RAM信息以进行读取,从而使处理器能够以如此高的速度工作并进行边缘处理

基于上述挑战,让我们举一个小例子,一个复杂的可穿戴自动化应用程序可能需要RF模块提供的128 kB RAM512 kB闪存。相对简单的信标应用程序可能只需要24 kB RAM192 kB Flash  

要怎么克服硬件和固件挑战

那么为了解决上述多无线电硬件,内存和固件难题,我们要怎么改善产品的整体性能。

标准方法从了解所有RF要求和其他外围设备的产品入手,列出所有RF接口协议频率,然后执行诸如模块选择,相对天线选择,使用其材料标识外壳,模块放置,和它的天线。PCB设计的早期阶段将进行2D平面规划,这有助于详细了解所有RF模块和参数的实际位置:

模块选择:选择标准是RF协议,调制技术,制造商,基于驱动程序代码可用性,RAM,闪存,OS,法规认可,最大Tx输出功率,接收器灵敏度,电源和数据速率的MCU 处理器要求提供出色的性能

内存预算:内存预算对于任何RF模块都是非常重要的参数,它完全基于RF堆栈大小,对设备数量的支持以及应用程序业务逻辑来定义或计算。在最终确定模块之前,应正确计算并明确与内存相关的要求

天线选择和放置:天线选择是多无线电硬件中最重要的因素,因为选择取决于频率范围,极化,辐射图,增益,馈电点阻抗,VSWR和功率处理能力用例,例如范围覆盖范围和空间。例如,芯片天线vs PCB走线天线vs外部天线

为了减少两个相同频率模块之间的共存和干扰,天线放置起着至关重要的作用。在这种情况下,天线应相互垂直放置。我们正在根据法规要求在2RF之间进行适当的隔离,2个天线之间的隔离应等于或大于30 dB。有时,由于空间限制,无法实现这种隔离,在此框架中,我们需要注意所有RF天线和辐射方向图的干扰。我们还需要根据应用需求和性能来评估RF模块的发射功率

射频仿真:仿真是在产品开发的早期阶段预测无线电问题的有效策略。有多种模拟器软件,例如HFSSCSTADS等,应根据问题类型明智使用。

外壳设计及其材料:外壳材料的介电常数/介电常数选择在RF性能中起着至关重要的作用。在PCABSPC + ABSPVC方面,一些能在2.4GHz处工作的良好塑料材料。我们还需要为户外和工业应用选择金属外壳,在这种情况下,选择外部天线将是关键

    设计验证测试: RF接口的设计验证非常重要。需要定义一组验证测试用例,例如天线匹配阻抗和回波损耗,RF输出功率测量,接收灵敏度,室内和室外测距测试,以及在交通繁忙的情况下最恶劣的RF环境,并使用分析仪进行监控。要执行某些验证测试,需要使用VNA,频谱分析仪,DSORF室等实验室仪器。




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