如今，市場(chǎng)被推動(dòng)在一個(gè)盒子中設(shè)計(jì)具有多種射頻協(xié)議的產(chǎn)品，稱(chēng)為網(wǎng)關(guān)。無(wú)線(xiàn)連接有許多不同的好處，可以提供更好的用戶(hù)體驗(yàn)，不同的協(xié)議可以提供互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)。每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都可以通過(guò)不同的協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)通信，無(wú)論是 Zigbee、藍(lán)牙、Z-Wave 或 Sub-1 GHz，還是一些專(zhuān)有協(xié)議。多協(xié)議（無(wú)線(xiàn)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?yàn)樗鼈儚?a target="_blank">傳感器場(chǎng)收集數(shù)據(jù)并通過(guò) Wi-Fi、蜂窩或其他有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將其推送到互聯(lián)網(wǎng)上。

多無(wú)線(xiàn)電和多協(xié)議解決方案的組合適用于同時(shí)在相同或不同頻譜上運(yùn)行不同多種協(xié)議的兩個(gè)或多個(gè)無(wú)線(xiàn)電。這種方法通過(guò)利用不同的協(xié)議來(lái)獲得更有效和更可靠的數(shù)據(jù)流。正因?yàn)槿绱?，最終用戶(hù)可以充分利用這一優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗麄兡軌蛲ㄟ^(guò)一個(gè)單元連接在不同射頻頻段和協(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)最近流行的多種不同通信協(xié)議的回應(yīng)。因此，OEM 在設(shè)計(jì)多無(wú)線(xiàn)電硬件時(shí)面臨一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

多無(wú)線(xiàn)電硬件在天線(xiàn)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共址無(wú)線(xiàn)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(jī)構(gòu)的要求

如果有兩個(gè)或多個(gè)無(wú)線(xiàn)電同時(shí)運(yùn)行并共享相同的頻譜，則將存在共存，這可能會(huì)導(dǎo)致相互干擾

測(cè)量多無(wú)線(xiàn)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(huì)影響設(shè)備的性能，這可能會(huì)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(wú)線(xiàn)電硬件時(shí)，對(duì)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(wú)線(xiàn)電硬件開(kāi)發(fā)固件時(shí)需要考慮的事項(xiàng)

今天的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用變得越來(lái)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)存和固件附帶的硬件工程解決方案中的挑戰(zhàn)：

開(kāi)發(fā)用戶(hù)友好且靈活的嵌入式應(yīng)用程序需要復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)、強(qiáng)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(wú)線(xiàn) （OTA） 固件更新功能需要足夠的閃存來(lái)存儲(chǔ)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(shí)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(chǎng)中具有競(jìng)爭(zhēng)力的話(huà)

在不損失性能的情況下同時(shí)實(shí)時(shí)管理具有各種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的多個(gè)無(wú)線(xiàn)電

在沒(méi)有電源的情況下，閃存還可以保留用戶(hù)配置和安全密鑰內(nèi)容多年，因?yàn)閬?lái)自閃存的信息在產(chǎn)品的生命周期中可以被讀取和寫(xiě)入數(shù)千次。在這種情況下，利用RAM信息可以快速寫(xiě)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，一個(gè)復(fù)雜的可穿戴/傳感器/自動(dòng)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(gè)相對(duì)簡(jiǎn)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(shí)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(zhuān)業(yè)知識(shí)覆蓋 OEM 的痛點(diǎn)，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(kāi)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(duì)天線(xiàn)選擇、識(shí)別外殼及其材料、模塊放置、及其天線(xiàn)。PCB設(shè)計(jì)的早期階段會(huì)進(jìn)行2D平面規(guī)劃，這有助于詳細(xì)了解所有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 RF 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 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(duì)于任何射頻模塊來(lái)說(shuō)都是一個(gè)非常重要的參數(shù)，它純粹根據(jù)射頻堆棧大小、對(duì)設(shè)備數(shù)量的支持以及應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯來(lái)定義或計(jì)算。在最終確定模塊/ SoC之前，應(yīng)該很好地計(jì)算和明確與內(nèi)存相關(guān)的要求

天線(xiàn)選擇和放置：天線(xiàn)選擇是多無(wú)線(xiàn)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，如范圍覆蓋和空間。 例如，芯片天線(xiàn) vs PCB 走線(xiàn)天線(xiàn) vs 外部天線(xiàn)

為了減少兩個(gè)同頻模塊之間的共存和干擾，天線(xiàn)的放置起著至關(guān)重要的作用。在這種情況下，天線(xiàn)應(yīng)相互垂直放置。我們正在嘗試按照法規(guī)要求在 2 個(gè) RF 之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)母綦x，2 個(gè)天線(xiàn)之間的隔離應(yīng)等于或大于 30 dB。有時(shí)，由于空間限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)這樣的隔離，在這個(gè)框架下，我們需要處理所有射頻天線(xiàn)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(lái)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(kāi)發(fā)早期預(yù)測(cè)無(wú)線(xiàn)電問(wèn)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(wèn)題類(lèi)型明智地使用。Volansys 等公司幫助執(zhí)行早期天線(xiàn)仿真，如果由于外殼材料而導(dǎo)致任何頻率偏移，則可以對(duì)天線(xiàn)放置位置、范圍改進(jìn)和 RF 路徑調(diào)諧提供結(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)嘗試使用能夠平衡環(huán)境、可靠性和射頻性能需求的材料來(lái)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，我們具有 PCB 放置的靈活性，可以獲得更好的隔離和天線(xiàn)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。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(shí)我們需要為戶(hù)外和工業(yè)應(yīng)用選擇金屬外殼，在這種情況下，外部天線(xiàn)的選擇將是關(guān)鍵點(diǎn)

設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試：射頻接口的設(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(xiàn)匹配阻抗和回波損耗、RF 輸出功率測(cè)量、接收靈敏度、室內(nèi)和室外范圍測(cè)試、交通繁忙的最壞情況 RF 環(huán)境，并使用分析儀進(jìn)行監(jiān)控。要執(zhí)行某些驗(yàn)證測(cè)試，需要 VNA、頻譜分析儀、DSO 和射頻室等實(shí)驗(yàn)室儀器。

審核編輯：郭婷