無(wú)線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指南 （無(wú)線工程師）

　　作為參考，此處的“短距離無(wú)線”不是指手機(jī)或WiMAX，而是包括你聽(tīng)說(shuō)過(guò)的所有技術(shù)，如藍(lán)牙、IrDA、ISM、 Wi-Fi和 ZigBee，以及其他一些值得提及的專業(yè)設(shè)計(jì)。本文可以作為你未來(lái)方案的經(jīng)典。特別是，看看覆蓋260～470MHz頻帶的15.231，以及覆蓋常用的902～928MHz 頻帶的15.249。

　　設(shè)計(jì)步驟

　　第一步：明確應(yīng)用和特點(diǎn)

　　像任何設(shè)計(jì)冒險(xiǎn)一樣，無(wú)線設(shè)計(jì)的第一步是明確應(yīng)用并定義參數(shù)。究竟想要做什么?將它寫(xiě)出來(lái)。

　　遙感勘測(cè)包括住宅/建筑物環(huán)境檢測(cè)、自動(dòng)讀表、醫(yī)學(xué)、汽車(溫度、輪胎壓力)，以及工業(yè)傳感器監(jiān)測(cè)，是更流行的應(yīng)用之一。另外很受歡迎的應(yīng)用場(chǎng)合是遠(yuǎn)程控制車庫(kù)門(mén)、玩具、遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入、HVAC、安全/報(bào)警以及工業(yè)控制。

　　第二步：定義關(guān)鍵特性

　　定義項(xiàng)目的重要特性很關(guān)鍵，這些特性包括理想距離、環(huán)境、功耗限制、是固定還是便攜?調(diào)制信號(hào)(是模擬還是數(shù)字?)、需要收發(fā)器而不是只要發(fā)射器或接收器、輸入、輸出、接口、以及其它相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。某些性能測(cè)量，如位差錯(cuò)率或可靠性，如果使用，也應(yīng)包含在內(nèi)。需要特別關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)包括：欲了解更多信息請(qǐng)登錄電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.elecfans.com)

　　距離：短距離無(wú)線技術(shù)覆蓋的距離范圍很大，從數(shù)英寸直到很多英里范圍。需要具體確定距離范圍，或者至少定出盡可能接近的距離范圍，因?yàn)檫@些信息決定了所選的技術(shù)。

　　環(huán)境：是室內(nèi)還是室外?發(fā)射器和接收器之間的視線是否很好，或者還是穿過(guò)墻、地板或樹(shù)木?環(huán)境是否充滿了來(lái)自電器系統(tǒng)和設(shè)備(如馬達(dá)或者附近工作的其它無(wú)線設(shè)備)的噪音?一般情況下，頻率越高，距離越短。

　　連接：是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊(P2P)、點(diǎn)到多點(diǎn)(P2M)還是多點(diǎn)到點(diǎn)(M2P)通訊?當(dāng)然，單個(gè)P2P連接用起來(lái)最簡(jiǎn)單。但是，應(yīng)用可能需要多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如在遙感勘測(cè)中就要采用M2P?；蛘撸绻仨殢囊粋€(gè)地點(diǎn)控制多個(gè)設(shè)備，就要采用P2M。此外，要考慮連接是單工(單向，播放)還是雙工(雙向)，是半雙工還是全雙工?

　　信息類型：信息源是模擬的還是數(shù)字的?目前，大多數(shù)信息源都是數(shù)字碼或稱數(shù)據(jù)，但如果本質(zhì)是模擬的話，也可以處理。需要模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換。在15.231節(jié)，在260MHz～470 MHz頻段，只能發(fā)送短數(shù)據(jù)脈沖。此外，不允許發(fā)送聲音或視頻信息。但可以以模擬或數(shù)字形式在902～928 MHz頻段傳送聲音、視頻或任何其它信息。

　　數(shù)據(jù)率：需要的最大數(shù)據(jù)率是多少?大多數(shù)遙感勘測(cè)和控制的數(shù)據(jù)率都非常低，小于100 kbps。不過(guò)，也可以達(dá)到幾百兆位每秒的數(shù)據(jù)率。

　　網(wǎng)絡(luò)：項(xiàng)目是一個(gè)簡(jiǎn)單的P2P連接還是網(wǎng)絡(luò)的組成部分?聯(lián)網(wǎng)就要與某一主機(jī)或者一個(gè)或多個(gè)其它節(jié)點(diǎn)會(huì)話。需要mesh網(wǎng)絡(luò)嗎?

　　安全：無(wú)線連接要涉及關(guān)鍵數(shù)據(jù)的保護(hù)嗎?這些要求會(huì)影響到協(xié)議和技術(shù)的選擇。

　　協(xié)議：需要兼容特定協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，如藍(lán)牙、Wi-Fi或 ZigBee嗎?或者還是自己設(shè)計(jì)協(xié)議來(lái)滿足應(yīng)用要求嗎?

　　接口：需要哪種數(shù)據(jù)接口(RS-232、SPI、USB 等)?對(duì)于簡(jiǎn)單應(yīng)用，可能只需要微控制器上的一個(gè)總線。

　　功耗：如果設(shè)備為遠(yuǎn)程或便攜式，電池使用壽命是一個(gè)關(guān)鍵因素。需要選擇具有休眠模式和低占空比工作的芯片或模塊和協(xié)議，以最大限度延長(zhǎng)電池壽命。

　　第3步：選擇技術(shù)

　　根據(jù)上面列出的技術(shù)指標(biāo)，使用這個(gè)表選擇要采用的技術(shù)。你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)只有一種適合，或者可以使用兩種或更多。該表可幫助你找到特定選擇，選擇時(shí)還需要考慮其它另外幾個(gè)因素。

　　藍(lán)牙是應(yīng)用最為廣泛的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，比Wi-Fi廣泛10倍或者更多。藍(lán)牙技術(shù)的成功主要與手機(jī)和手機(jī)耳機(jī)應(yīng)用有關(guān)，而在多種其它應(yīng)用(如計(jì)算機(jī)外設(shè))中也有藍(lán)牙技術(shù)。最主要的是，藍(lán)牙是遠(yuǎn)程耳機(jī)和揚(yáng)聲器及其它音頻應(yīng)用中首屈一指的音頻無(wú)線技術(shù)。

　　藍(lán)牙具有廣泛的速度選項(xiàng)?；緮?shù)據(jù)率為1 Mbps，但也可以選3 Mbps增強(qiáng)型數(shù)據(jù)率(EDR)。2008年之后，對(duì)視頻和其它非常高的數(shù)據(jù)率需求，將會(huì)出現(xiàn)一種數(shù)據(jù)率達(dá)480 Mbps的超寬帶版本。

　　最后，藍(lán)牙能夠滿足基本聯(lián)網(wǎng)?？梢耘c稱作微微網(wǎng)(piconet)中的其它7個(gè)藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)會(huì)話。這些節(jié)點(diǎn)依次在更多的擴(kuò)展分散網(wǎng)中互相會(huì)話。

　　雖然藍(lán)牙在許多應(yīng)用中都具有巨大潛力，但不是對(duì)所有應(yīng)用都適合。由于藍(lán)牙協(xié)議及相關(guān)堆棧都很復(fù)雜，對(duì)某些簡(jiǎn)單應(yīng)用就是多余的。然而，對(duì)某些預(yù)先確定的應(yīng)用，如音頻，其正式化的概圖和認(rèn)證是其它技術(shù)所無(wú)法比擬的。

　　紅外(IR)無(wú)線技術(shù)，跟藍(lán)牙一樣，它們的應(yīng)用比你能想象到的要更廣泛。事實(shí)上，世界上每種遠(yuǎn)程控制都采用IR。IR工作很出色，并且成本很低。最大問(wèn)題是范圍很有限，另外，視線路徑也必須暢通無(wú)阻。理想范圍是±15°錐型1米范圍，不過(guò)也可以達(dá)到更長(zhǎng)距離。IrDA標(biāo)準(zhǔn)提供的數(shù)據(jù)率可以達(dá)到16 Mbps，并且模塊非常廉價(jià)。

　　ISM頻帶是可以使用的最簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)之一。ISM最適合超簡(jiǎn)單控制或監(jiān)測(cè)應(yīng)用。其數(shù)據(jù)率很少超過(guò)100 kbps，并且一般都比此值小許多。可以選的頻率很多，但大多數(shù)應(yīng)用采用315～938 MHz、433.92～938 MHz, 及902 ～938-MHz (915MHz最普遍)及2.4 GHz 頻帶。

　　沒(méi)有正式協(xié)議。所以，如果打算采用這些簡(jiǎn)單而成本低廉的設(shè)備，就需要制定自己的協(xié)議。ADI的ADF70xx ISM系列芯片包括有一個(gè)軟件包，有助于使用該公司的芯片，建立一個(gè)簡(jiǎn)單的協(xié)議來(lái)解決自己的問(wèn)題。

　　賽普拉斯半導(dǎo)體公司的WirelessUSB系列使用2.4GHz直接序列擴(kuò)頻(DSSS)，給人機(jī)接口設(shè)備(HID)提供低速無(wú)線通信(如鍵盤(pán)和鼠標(biāo))。其基本數(shù)據(jù)率只有62.5 kbps，不過(guò)也可以采用一種1Mbps版本。對(duì)多點(diǎn)到單點(diǎn)應(yīng)用也不錯(cuò)?？梢圆捎靡环N簡(jiǎn)單協(xié)議，使設(shè)計(jì)人員可以把精力集中到設(shè)計(jì)的其它方面。

　　在過(guò)去的10年間，Wi-Fi得到了不斷發(fā)展。Wi-Fi主要用在無(wú)線局域網(wǎng)(LAN)中。偶而也用在短距離監(jiān)測(cè)和控制中。

　　Wi-Fi是一種復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)，但是如采用一個(gè)功放和定向天線，則能擴(kuò)展到100 米甚至更遠(yuǎn)的距離。新的802.11n標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)率從11 Mbps到遠(yuǎn)大于100 Mbps，這對(duì)大多數(shù)短距離應(yīng)用都過(guò)度了。功耗相應(yīng)較高。

　　超寬帶(UWB)是另一種針對(duì)速率非常高的應(yīng)用的技術(shù)，可以達(dá)到53 ～480 Mbps的數(shù)據(jù)，但距離小于10米。其標(biāo)準(zhǔn)專注于實(shí)現(xiàn)USB接口標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線版，USB接口標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)算機(jī)外設(shè)和其它設(shè)備中非常普及。其他潛在的應(yīng)用包括視頻。

　　ZigBee是為短距離監(jiān)測(cè)和控制設(shè)計(jì)的，具有在所有這些技術(shù)中 功耗最低的特點(diǎn)。在其基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的最簡(jiǎn)單形式中，對(duì)P2P、M2P或P2M應(yīng)用很適合。通過(guò)增加ZigBee聯(lián)盟堆棧，mesh聯(lián)網(wǎng)成為可能，因此擴(kuò)展了所有節(jié)點(diǎn)的范圍和可靠性。有多種芯片和模塊可供使用。只是要注意，如果采用ZigBee堆棧，則不僅要面臨認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，而且要面臨專利付費(fèi)問(wèn)題。

　　如果在高噪聲環(huán)境下工作，就選擇能降低噪聲的調(diào)制方法。所有FSK相關(guān)(頻移鍵控)調(diào)制都不錯(cuò)。DSSS因其基于BPSK(二進(jìn)制相移鍵控)調(diào)制，效果更好，但要更復(fù)雜，并且成本更高。幅移鍵控/開(kāi)-關(guān)鍵控(ASK/OOK)是到目前為止最簡(jiǎn)單的方法，但要使性能達(dá)到最佳，要求距離更短，并且環(huán)境噪聲要更低。

　　應(yīng)用也可能影響工作頻率。根據(jù)Friis自由空間功率公式，頻率越低(波長(zhǎng)越大)，則給定功率下總距離越長(zhǎng)。就是說(shuō)，如果最大距離很關(guān)鍵，就要使用較低的260～470 MHz非認(rèn)證頻帶，而不是更高的900MHz和 2.4 GHz頻帶。另一方面，頻率越低，天線尺寸越大。對(duì)某些便攜式應(yīng)用或移動(dòng)應(yīng)用，這可能成為一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，是需要權(quán)衡考慮的一項(xiàng)關(guān)鍵因素。

　　最后，可能影響選擇的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是安全性。Bluetooth、IrDA和ISM頻帶中不具備安全性，而UWB、Wi-Fi及ZigBee則具有。

　　第四步：制造還是購(gòu)買(mǎi)?

　　在本步驟中，必須確定制造和購(gòu)買(mǎi)哪個(gè)更好。如果項(xiàng)目需要盡可能低成本的嵌入式方案，或許就要選擇芯片并設(shè)計(jì)自己的方案。如果應(yīng)用允許，可以合并現(xiàn)有模塊而加快設(shè)計(jì)的完成。

　　這些模塊有無(wú)線連接需要的所有東西，有時(shí)還包括有天線。費(fèi)用要高一些，而且模塊一般體積要大一些，并且價(jià)格更高。不過(guò)，對(duì)某些小批量且體積/成本要求靈活的應(yīng)用，選擇這些模塊相當(dāng)好。如果對(duì)無(wú)線了解越少，則選擇模塊方