解決多無線電硬件設計挑戰的方法

多無線電和多協議解決方案的組合可容納同時在相同或不同頻譜上運行不同多協議的兩個或多個無線電。

如今，市場被驅使在一個稱為網關的盒子中設計具有多個射頻協議的產品。無線連接帶來了許多不同的好處，提供了更好的用戶體驗，不同的協議提供了互補的優勢。每個物聯網設備都可以通過不同的協議與互聯網進行通信，無論是Zigbee、藍牙、Z-Wave或Sub-1ghz，還是一些專有協議。多協議（無線）網關在物聯網基礎設施中起著至關重要的作用，因為它們從傳感器場收集數據，并通過Wi-Fi、蜂窩或其他有線和無線網絡將數據推送到互聯網上。

多無線電和多協議解決方案的組合可容納同時在相同或不同頻譜上運行不同多協議的兩個或多個無線電。這種方法通過利用不同的協議提供更有效和可靠的數據流。因此，終端用戶可以充分利用這一點，因為他們能夠通過一個單元連接在不同射頻頻段和協議上運行的多個設備。

設計多協議緊湊型射頻硬件的關鍵挑戰

多協議硬件的出現是對最近多種不同通信協議的普及的一種回應。因此，原始設備制造商在設計多無線電硬件時面臨一些關鍵挑戰：

多無線電硬件在天線選擇、布局、模擬、內存估計、外殼設計、材料和現場測試方面需要大量的時間

控制精確的阻抗，以減少干擾，回波損耗，共存于同一位置的無線電之間，因此它可以符合FCC和CE等管理機構的要求

如果有兩個或兩個以上的無線電同時運行并且共享同一頻譜，那么就會存在共存，這會導致相互干擾

測量多無線電硬件的通信延遲、距離、效率和可靠性等性能參數

共存往往會影響設備的性能，從而導致數據包丟失或數據損壞、音頻中的爆裂和爆裂噪聲、工作范圍和覆蓋范圍減小

由于不同的標準適用性，當多無線電硬件出現時，對不同地理區域的法規遵從性也將是一個挑戰

為多無線電硬件開發固件時要考慮的事項

當今物聯網的應用越來越復雜，對存儲容量的需求也越來越大。讓我們了解內存和固件帶來的硬件工程解決方案的挑戰：

開發用戶友好且靈活的嵌入式應用程序需要復雜的狀態機、強大的功耗優化、內存密度和CPU性能。射頻SoC或模塊需要更多的閃存和RAM優化以獲得最佳性能

提供空中傳送（OTA）固件更新功能需要足夠的閃存來存儲引導加載程序和兩倍于應用程序固件的大小，以便在保留舊固件的同時緩沖新固件，從而使產品在當今蓬勃發展的物聯網市場上具有競爭力

在不損失性能的情況下，實時管理具有各種網絡架構的多個無線電

在沒有電源的情況下，閃存還可以將用戶配置和安全密鑰內容保留多年，因為在產品的生命周期中，閃存中的信息可以被讀寫數千次。在這種情況下，利用RAM信息可以快速地被寫入到讀取，這使得處理器能夠以如此高的速度工作并且能夠進行邊緣處理

基于上述挑戰，讓我們舉一個小例子，一個復雜的可穿戴/傳感器/自動化應用程序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應用程序可能只需要24kbram和192kbflash。

為了解決上述多無線電硬件、內存和固件方面的挑戰，讓我們了解一下如何利用原始設備制造商的硬件專業知識來解決這些難題，從而幫助提高產品的整體性能。

標準方法從對所有射頻要求和其他外圍設備的產品理解開始，列出所有射頻接口協議頻率，然后執行一項任務，如模塊或SoC選擇、相對天線選擇、用材料標識外殼、模塊放置和天線。PCB設計的早期階段將進行2D地板規劃，這有助于詳細了解所有RF模塊的實際位置和參數：

模塊或SoC選擇：選擇標準包括RF協議、調制技術、制造商、基于驅動程序代碼可用性的MCU/處理器要求、RAM、閃存、OS、監管批準、最大Tx輸出功率、接收器靈敏度、電源和數據速率，以提供顯著的性能

內存預算：對于任何射頻模塊來說，內存預算都是一個非常重要的參數，它的定義或計算完全基于射頻堆棧大小、對設備數量的支持以及應用程序業務邏輯。在最終確定模塊/SoC之前，應該很好地計算和明確與內存相關的需求

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、駐波比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跟蹤天線vs外部天線

為了減少兩個同頻模塊之間的共存和干擾，天線布置起著至關重要的作用。在這種情況下，天線應相互垂直放置。我們正努力按照監管要求在兩個射頻之間進行適當的隔離，兩個天線之間的隔離應等于或大于30分貝。有時，由于空間的限制，不可能實現這樣的隔離，在這種框架下，需要考慮所有射頻天線的干擾和輻射方向圖。我們還需要根據應用需求和性能來研究射頻模塊或SoC的發射功率。

射頻模擬：在產品開發的早期階段，模擬是預測無線電問題的有效策略。有多種模擬軟件，如HFSS、CST、ADS等，應根據問題類型合理使用。

外殼設計和材料：為了達到最佳效果，試著用能夠平衡環境、可靠性和射頻性能需求的材料最終確定一個塑料外殼。有時，COTS外殼可能會由于已經預定義的尺寸和結構而導致放置挑戰，而在定制設計中，我們具有PCB放置的靈活性，并且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/介電常數的選擇對射頻性能起著至關重要的作用。在2.4GHz的頻率下，好的塑料材料有PC、ABS、PC+ABS、PVC。有時我們也需要為室外和工業應用選擇金屬外殼，在這種情況下，外部天線的選擇將是關鍵。

設計驗證測試：射頻接口的設計驗證非常重要。需要定義一組驗證測試用例，如天線匹配阻抗和回波損耗、射頻輸出功率測量、接收靈敏度、室內和室外距離測試、重交通場景下最壞情況下的射頻環境，并使用分析儀進行監控。