解决设计多无线电硬件挑战的方法

如今，市场被推动在一个盒子中设计具有多种射频协议的产品，称为网关。无线连接有许多不同的好处，可以提供更好的用户体验，不同的协议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互联网通信，无论是 Zigbee、蓝牙、Z-Wave 或 Sub-1 GHz，还是一些专有协议。多协议（无线电）网关在物联网基础设施中发挥着重要作用，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上。

多无线电和多协议解决方案的组合适用于同时在相同或不同频谱上运行不同多种协议的两个或多个无线电。这种方法通过利用不同的协议来获得更有效和更可靠的数据流。正因为如此，最终用户可以充分利用这一优势，因为他们能够通过一个单元连接在不同射频频段和协议上运行的多个设备。

设计多协议紧凑型射频硬件的主要挑战

多协议硬件的出现是对最近流行的多种不同通信协议的回应。因此，OEM 在设计多无线电硬件时面临一些关键挑战：

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共址无线电之间的干扰、回波损耗和共存，使其符合 FCC 和 CE 等监管机构的要求

如果有两个或多个无线电同时运行并共享相同的频谱，则将存在共存，这可能会导致相互干扰

测量多无线电硬件的通信延迟、范围、效率和可靠性等性能参数

共存往往会影响设备的性能，这可能会导致数据包丢失或数据损坏、音频中的爆裂声和噼啪声、工作范围和覆盖范围缩小

由于不同的标准适用性，当涉及多无线电硬件时，对不同地理区域的监管合规性也将面临挑战

为多无线电硬件开发固件时需要考虑的事项

今天的物联网应用变得越来越复杂，它增加了对内存容量的需求。让我们了解内存和固件附带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、强大的功率优化、内存密度和 CPU 性能。RF SoC 或模块需要更多闪存和 RAM 优化以获得最佳性能

提供无线 （OTA） 固件更新功能需要足够的闪存来存储引导加载程序和两倍大小的应用程序固件，以便在缓冲新固件的同时保存旧固件，如果产品要在当今蓬勃发展的物联网市场中具有竞争力的话

在不损失性能的情况下同时实时管理具有各种网络架构的多个无线电

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，因为来自闪存的信息在产品的生命周期中可以被读取和写入数千次。在这种情况下，利用RAM信息可以快速写入读取，从而使处理器能够以如此高的速度工作并实现边缘处理

基于上述挑战，让我们举一个小例子，一个复杂的可穿戴/传感器/自动化应用可能需要射频模块提供的 128 kB RAM 和 512 kB 闪存。一个相对简单的信标应用程序可能只需要 24 kB RAM 和 192 kB 闪存。

最佳实践是否有助于克服硬件和固件挑战？

为了解决上述多射频硬件、内存和固件的挑战，让我们了解如何用他们的硬件专业知识覆盖 OEM 的痛点，从而帮助提高产品的整体性能。

标准方法从了解所有 RF 要求和其他外围设备的产品开始，列出所有 RF 接口协议频率，然后执行诸如模块/SoC 选择、相对天线选择、识别外壳及其材料、模块放置、及其天线。PCB设计的早期阶段会进行2D平面规划，这有助于详细了解所有RF模块的实际放置和参数：

模块/SoC 选择：选择标准包括 RF 协议、调制技术、制造商、基于驱动程序代码可用性的 MCU/处理器要求、RAM、闪存、操作系统、监管批准、最大 Tx 输出功率、接收器灵敏度、电源和数据速率提供显着的性能

内存预算：内存预算对于任何射频模块来说都是一个非常重要的参数，它纯粹根据射频堆栈大小、对设备数量的支持以及应用业务逻辑来定义或计算。在最终确定模块/ SoC之前，应该很好地计算和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、辐射方向图、增益、馈电点阻抗、VSWR 和功率处理能力用例，如范围覆盖和空间。 例如，芯片天线 vs PCB 走线天线 vs 外部天线

为了减少两个同频模块之间的共存和干扰，天线的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。我们正在尝试按照法规要求在 2 个 RF 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，无法实现这样的隔离，在这个框架下，我们需要处理所有射频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调整 RF 模块/SoC 的发射功率

射频模拟：模拟是在产品开发早期预测无线电问题的有效策略。有多种模拟器软件，如 HFSS、CST、ADS 等，应根据问题类型明智地使用。Volansys 等公司帮助执行早期天线仿真，如果由于外壳材料而导致任何频率偏移，则可以对天线放置位置、范围改进和 RF 路径调谐提供结果和信心

外壳设计及其材料：为了达到最佳效果，请尝试使用能够平衡环境、可靠性和射频性能需求的材料来最终确定塑料外壳。有时，由于已经预定义的尺寸和结构，COTS 外壳可能会导致放置挑战，而在定制设计中，我们具有 PCB 放置的灵活性，可以获得更好的隔离和天线放置选项。外壳材料的介电常数/介电常数选择在射频性能中起着至关重要的作用。PC、ABS、PC+ABS、PVC 等一些好的塑料材料在 2.4GHz 上表现出色。有时我们需要为户外和工业应用选择金属外壳，在这种情况下，外部天线的选择将是关键点

设计验证测试：射频接口的设计验证非常重要。需要定义一组验证测试用例，如天线匹配阻抗和回波损耗、RF 输出功率测量、接收灵敏度、室内和室外范围测试、交通繁忙的最坏情况 RF 环境，并使用分析仪进行监控。要执行某些验证测试，需要 VNA、频谱分析仪、DSO 和射频室等实验室仪器。

审核编辑：郭婷