设计多射频硬件以克服主要挑战的最佳实践

作者：Gulrej Ansari，Punit Patel

如今，市场被驱动在一个盒子中设计具有多种RF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，而不同的协议则提供了互补的优势。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和Sub-1 GHz还是某些专有协议。多协议（无线电）网关在物联网基础设施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、蜂窝或其他有线或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可容纳两个或多个无线电同时以相同或不同的频谱运行不同的多个协议。这种方法通过利用不同的协议来利用更高效、更可靠的数据流。因此，最终用户可以充分利用，因为他们能够通过单个单元连接在不同RF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多种不同通信协议的普及的回应。因此，OEM在设计多射频硬件时面临着一些关键挑战：

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，以减少干扰、回波损耗、同地无线电之间的共存，使其符合 FCC 和 CE 等管理机构的要求

如果有两个或多个无线电并发运行并共享相同的频谱，那么就会共存，这可能会导致相互干扰

测量多无线电硬件的性能参数，如通信延迟、范围、效率和可靠性

共存往往会影响设备的性能，从而导致数据包丢失或数据损坏、音频中的爆裂和噼啪声、工作范围和覆盖范围减小

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

开发多射频硬件固件时要考虑的事项

当今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带来的硬件挑战：

开发用户友好且灵活的嵌入式应用需要复杂的状态机、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 优化才能获得最佳性能

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的应用程序固件大小，以便在缓冲新固件的同时容纳旧固件，如果产品要在当今蓬勃发展的物联网市场中具有竞争力

在不损失性能的情况下同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，闪存还可以将用户配置和安全密钥内容保留多年，因为闪存中的信息可以在产品的生命周期内读取和写入数千次。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，复杂的可穿戴设备/传感器/自动化应用可能需要RF模块提供的128 kB RAM和512 kB闪存。相对简单的信标应用可能只需要 24 kB RAM 和 192 kB 闪存。

VOLANSYS 最佳实践如何帮助克服硬件和固件挑战？

为了解决上述多射频硬件、内存和固件挑战，让我们了解 VOLANSYS 如何通过其硬件专业知识帮助提高产品的整体性能来覆盖 OEM 的痛点领域。

VOLANSYS遵循一种标准方法，该方法从了解所有RF要求和其他外设的产品开始，列出所有RF接口协议频率，然后执行模块/ SoC选择，相对天线选择等任务，识别外壳及其材料，模块的位置和天线。PCB设计的早期阶段将进行2D布局规划，这有助于详细了解RF模块的实际放置和参数：

模块/SoC 选择：选择标准包括射频协议、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、最大发射功率、接收器灵敏度、电源和数据速率，以提供显著的性能

内存预算：内存预算对于任何RF模块来说都是一个非常重要的参数，它纯粹是根据RF堆栈大小、对设备数量的支持和应用业务逻辑来定义或计算的。在最终确定模块/ SoC之前，应充分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 2 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，天线应彼此垂直放置。我们正尝试根据法规要求在 2 个 RF 之间建立适当的隔离，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，不可能实现这种隔离，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调整射频模块/SoC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。有多个模拟器软件，如HFSS，CST，AD等，应根据问题类型明智地使用。VOLANSYS 可以帮助进行早期天线仿真，如果由于外壳材料导致任何频率偏移，它可以在天线放置位置、范围改进和射频路径调整方面提供结果和信心

外壳设计及其材料：为了达到最佳效果，请尝试使用可以平衡环境、可靠性和射频性能需求的材料最终确定塑料外壳。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，我们在 PCB 放置方面具有灵活性，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。一些在2.4GHz下表现良好的好塑料材料是PC，ABS，PC + ABS，PVC。有时我们也需要为户外和工业应用选择金属外壳，在这种情况下，外部天线选择将是关键点

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，如天线匹配阻抗和回波损耗、射频输出功率测量、接收灵敏度、室内和室外范围测试、交通繁忙场景的最坏情况射频环境，并使用分析仪进行监控。要执行一些验证测试，需要VNA，频谱分析仪，DSO和RF室类型的实验室仪器。

审核编辑：郭婷