解決多無線電硬件設計挑戰的方法

如今，市場驅動著在一個盒子中設計具有多個RF協議的產品，它被稱為網關。無線連接具有許多不同的好處，可以提供更好的用戶體驗，而不同的協議則可以提供互補的優勢。每個物聯網設備都可以通過不同的協議與Internet通信，無論它是Zigbee，藍牙，Z-Wave或Sub-1 GHz，還是某些專有協議。多協議（無線電）網關在物聯網基礎結構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其推送到互聯網。

多無線電和多協議解決方案的組合可容納兩個或多個同時在相同或不同頻譜上運行不同多種協議的無線電。通過利用不同的協議，此方法可提供更有效和可靠的數據流。因此，最終用戶可以充分利用自己的優勢，因為他們能夠通過一個單元連接運行在不同RF頻段和協議上的多個設備。

設計多協議緊湊型RF硬件的主要挑戰

多協議硬件已經出現，作為對最近多種不同通信協議的普及的回應。因此，OEM在設計多無線電硬件時面臨著一些關鍵的挑戰：

多無線電硬件在天線選擇，放置，仿真，內存估計，外殼設計，材料和現場測試方面需要大量時間

  控制精確的阻抗以減少干擾，回波損耗，同位置無線電之間的共存，使其可以符合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共享相同的頻譜，則將共存，這會導致相互干擾。

測量性能參數，例如多無線電硬件的通信延遲，范圍，效率和可靠性。

共存會影響設備的性能，從而可能導致數據包丟失或數據損壞，音頻中的爆裂聲和爆裂聲，縮小的工作范圍和覆蓋范圍。

當多無線電硬件出現時，由于不同的標準適用性，與不同地理區域的法規遵從性也將具有挑戰性

為多無線電硬件開發固件時要考慮的事項

如今的物聯網應用變得越來越復雜，并且對存儲容量的需求也不斷增加。讓我們了解一下內存和固件隨附的硬件工程解決方案中的挑戰：

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，出色的功耗優化，內存密度和CPU性能。RF SoC或模塊需要更多的閃存和RAM優化以實現最佳性能。

提供空中（OTA）固件更新功能需要足夠的閃存來存儲Bootloader以及兩倍于應用程序固件的大小，以便在某個新產品在當今蓬勃發展的物聯網市場中具有競爭力的情況下保持舊固件并緩沖新固件

實時同時管理具有各種網絡體系結構的多個無線電，而不會損失性能。

在沒有電源的情況下，閃存還可以保留用戶配置和安全密鑰內容多年，因為在產品的生命周期中，閃存中的信息可以被讀取和寫入數千次。在這種情況下，可以快速寫入利用RAM信息以進行讀取，從而使處理器能夠以如此高的速度工作并進行邊緣處理

基于上述挑戰，讓我們舉一個小例子，一個復雜的可穿戴自動化應用程序可能需要RF模塊提供的128 kB RAM和512 kB閃存。相對簡單的信標應用程序可能只需要24 kB RAM和192 kB Flash。  

要怎么克服硬件和固件的挑戰呢？

那么為了解決上述多無線電硬件，內存和固件難題，我們要怎么改善產品的整體性能。

標準方法從了解所有RF要求和其他外圍設備的產品入手，列出所有RF接口協議頻率，然后執行諸如模塊選擇，相對天線選擇，使用其材料標識外殼，模塊放置，和它的天線。PCB設計的早期階段將進行2D平面規劃，這有助于詳細了解所有RF模塊和參數的實際位置：

模塊選擇：選擇標準是RF協議，調制技術，制造商，基于驅動程序代碼可用性，RAM，閃存，OS，法規認可，最大Tx輸出功率，接收器靈敏度，電源和數據速率的MCU 或處理器要求提供出色的性能

內存預算：內存預算對于任何RF模塊都是非常重要的參數，它完全基于RF堆棧大小，對設備數量的支持以及應用程序業務邏輯來定義或計算。在最終確定模塊之前，應正確計算并明確與內存相關的要求

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，輻射圖，增益，饋電點阻抗，VSWR和功率處理能力用例，例如范圍覆蓋范圍和空間。例如，芯片天線vs PCB走線天線vs外部天線

為了減少兩個相同頻率模塊之間的共存和干擾，天線放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。我們正在根據法規要求在2個RF之間進行適當的隔離，2個天線之間的隔離應等于或大于30 dB。有時，由于空間限制，無法實現這種隔離，在此框架中，我們需要注意所有RF天線和輻射方向圖的干擾。我們還需要根據應用需求和性能來評估RF模塊的發射功率

射頻仿真：仿真是在產品開發的早期階段預測無線電問題的有效策略。有多種模擬器軟件，例如HFSS，CST，ADS等，應根據問題類型明智使用。

外殼設計及其材料：外殼材料的介電常數/介電常數選擇在RF性能中起著至關重要的作用。在PC，ABS，PC + ABS，PVC方面，一些能在2.4GHz處工作的良好塑料材料。當我們還需要為戶外和工業應用選擇金屬外殼，在這種情況下，選擇外部天線將是關鍵。

    設計驗證測試： RF接口的設計驗證非常重要。需要定義一組驗證測試用例，例如天線匹配阻抗和回波損耗，RF輸出功率測量，接收靈敏度，室內和室外測距測試，以及在交通繁忙的情況下最惡劣的RF環境，并使用分析儀進行監控。要執行某些驗證測試，需要使用VNA，頻譜分析儀，DSO和RF室等實驗室儀器。