無線設(shè)計(jì)技術(shù)中的關(guān)鍵步驟設(shè)計(jì)指南
要使一種方案具有秘密武器或使其有別于競爭者,無線可能是一種非常好的選擇。只要遵照幾個(gè)關(guān)鍵指南,你就能達(dá)到無線工程師的水平。
作為參考,此處的“短距離無線”不是指手機(jī)或WiMAX,而是包括你聽說過的所有技術(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?將它寫出來。
遙感勘測包括住宅/建筑物環(huán)境檢測、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,是更流行的應(yīng)用之一。另外很受歡迎的應(yīng)用場合是遠(yuǎn)程控制車庫門、玩具、遠(yuǎn)程無鑰匙進(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:
距離:短距離無線技術(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,或者還是穿過墻、地板或樹木?環(huán)境是否充滿了來自電器系統(tǒng)和設(shè)備(如馬達(dá)或者附近工作的其它無線設(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連接用起來最簡單。但是,應(yīng)用可能需要多個(gè)監(jiān)測點(diǎn),如在遙感勘測中就要采用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)遙感勘測和控制的數(shù)據(jù)率都非常低,小于100 kbps。不過,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)?對于簡單應(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)。可以與稱作微微網(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,對某些簡單應(yīng)用就是多余的。然而,對某些預(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)所無法比擬的。
紅外(IR)無線技術(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。最大問題是范圍很有限,另外,視線路徑也必須暢通無阻。理想范圍是±15°錐型1米范圍,不過也可以達(dá)到更長距離。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單的標(biāo)準(zhǔn)之一。ISM最適合超簡單控制或監(jiān)測應(yīng)用。其數(shù)據(jù)率很少超過100 kbps,并且一般都比此值小許多??梢赃x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。
沒有正式協(xié)議。所以,如果打算采用這些簡單而成本低廉的設(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)簡單的協(xié)議來解決自己的問題。
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)提供低速無線通信(如鍵盤和鼠標(biāo))。其基本數(shù)據(jù)率只有62.5 kbps,不過也可以采用一種1Mbps版本。對多點(diǎn)到單點(diǎn)應(yīng)用也不錯(cuò)??梢圆捎靡环N簡單協(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。
在過去的10年間,Wi-Fi得到了不斷發(fā)展。Wi-Fi主要用在無線局域網(wǎng)(LAN)中。偶而也用在短距離監(jiān)測和控制中。
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,這對大多數(shù)短距離應(yīng)用都過度了。功耗相應(yīng)較高。
超寬帶(UWB)是另一種針對速率非常高的應(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)的最簡單形式中,對P2P、M2P或P2M應(yīng)用很適合。通過增加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)的問題,而且要面臨專利付費(fèi)問題。
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-關(guān)鍵控(ASK/OOK)是到目前為止最簡單的方法,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(波長越大),則給定功率下總距離越長。就是說,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:制造還是購買?
在本步驟中,必須確定制造和購買哪個(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,對某些小批量且體積/成本要求靈活的應(yīng)用,選擇這些模塊相當(dāng)好。如果對無線了解越少,則選擇模塊方法更佳。
第五步:天線
不要忘記還有天線,天線是所有無線設(shè)備中的關(guān)鍵機(jī)械部件。實(shí)際上,一開始就要把天線考慮在內(nèi),因?yàn)閼?yīng)用能否成功取決于它。
第六步:符合FCC
要為“聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)”測試作準(zhǔn)備。無線設(shè)備已經(jīng)設(shè)計(jì)好之后,需要得到FCC的使用和銷售認(rèn)可。FCC要求產(chǎn)品能達(dá)到設(shè)備所屬分類已有輻射限值的認(rèn)證。此外,所有有意輻射體都必須有完整FCC證書。
自己可以對設(shè)備進(jìn)行測試,但大多數(shù)公司將此分包給專門進(jìn)行此類業(yè)務(wù)的機(jī)構(gòu)來完成。在Yahoo或Google里輸入“FCC testing”就能找到幾十家。要確認(rèn)預(yù)算中包括了這項(xiàng)服務(wù)費(fèi)用。
估算信號(hào)強(qiáng)度和路徑損耗
可以采用一些基本公式,對距離、功率及其它一些鏈路性能作初步估算?;竟綖椋?/P>
Pr=(PtGtGrλ2) / (16π2d2)
其中Pr為接收功率;Pt為發(fā)射功率;Gt為發(fā)射天線功率增益;Gr為接收天線功率增益;d為發(fā)射器和接收器之間的距離,單位為米,是以米為單位的波長,等于300/fMHz。要確認(rèn)兩個(gè)關(guān)鍵因素:
?接收功率是波長平方的函數(shù)。因此,頻率越低,接收功率則越大。頻率越高越好,這是由于頻率越高,天線尺寸要小許多。不過,功率一定的話,則距離要小。
?接收功率是發(fā)射器和接收器之間距離的平方的函數(shù)。設(shè)計(jì)目標(biāo)是對距離與功率和頻率的關(guān)系進(jìn)行平衡。
在這一公式中,假設(shè)發(fā)射和接收天線之間的視線(LOS)路徑清晰,因此沒有考慮穿墻、樹木或其它障礙物。此外,本公式僅僅在發(fā)射和接收天線的間隔足夠達(dá)到遠(yuǎn)場才有效。
所有電磁波都有近場和遠(yuǎn)場。近場主要是磁場,因此發(fā)射和接收天線更像變壓器的初級(jí)和次極。遠(yuǎn)場是實(shí)際混合電磁場或無線電波。其距離約大于D2/λ,其中D為天線最大尺寸(一般為工作頻率處的半波長,即468/fMHz)。要使估計(jì)最佳,為保險(xiǎn)起見,可假設(shè)遠(yuǎn)場大于10倍波長。
公式中的天線增益是相對于各向同性(球體)源的。該源增益為1。大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用的天線,如半波偶極子天線或四分之一波地平面,都是定向的。因此,天線增益表示功率增益為1.6?倍或者2.15 dB。
使用該公式的關(guān)鍵是估計(jì)以dB為單位的路徑損耗。其根源是發(fā)射和接收天線之間距離引起了路徑衰減??梢杂孟率焦烙?jì)路徑損耗:
dB loss=37 dB + 20log(fMHz) + 20log(d)
其中,d為距離或范圍,單位為英里,1英里約等于1610米。得到了給定天線組的路徑損耗和發(fā)射功率之后,就可以用下式確定所需要的接收器靈敏度:
Pr=Pt–PL
假設(shè)路徑損耗為90 dB,發(fā)射功率為10dBm (10 mW),則需要的接收器靈敏度為:
Pr=10–90=–80dBm
接收器靈敏度是增大距離的關(guān)鍵,也是給定發(fā)射功率和天線增益下得到更高鏈路可靠性的關(guān)鍵。要盡可能使接收器靈敏度達(dá)到最大。某些新型設(shè)計(jì)的接收器靈敏度可以達(dá)到–120dBm~–130dBm。
代表性產(chǎn)品
幾乎對任何應(yīng)用,都有幾十種很好的芯片和模塊可采用。新型產(chǎn)品包括ADI最近推出的ISM頻帶芯片以及微芯技術(shù)公司的某些ZigBee產(chǎn)品。
ADI的ADF70xx系列收發(fā)器工作在50 MHz~1 GHz范圍,大多數(shù)版本都采用FSK或高斯FSK(GFSK),數(shù)據(jù)率在20~384 kbps范圍。功率輸出在–20 (或–16dBm)~+10(或+13dBm)之間可調(diào)。接收器靈敏度達(dá)到–125dBm。
有多種版本也提供ASK和OOK調(diào)制。其它可以實(shí)現(xiàn)2FSK、3FSK或4FSK工作,每個(gè)符號(hào)含有更多位,因而在更窄的通道內(nèi)獲得的數(shù)據(jù)率更高。大多數(shù)模塊都含有高斯數(shù)據(jù)濾波,有助于使發(fā)射帶寬變窄,并且保證符合鄰近通道功率(ACP)技術(shù)規(guī)范的要求。
ADI的“SRD(短距離器件)設(shè)計(jì)工作室”軟件能對無線連接設(shè)計(jì)和ADF70xx芯片仿真提供幫助。使用該軟件包,可以快速而有效地開發(fā)實(shí)時(shí)仿真,測試多種配置,并且查找可能存在的問題。
該軟件可以使用戶在下列三種仿真模式中選擇一種,這三種模式是:頻域、瞬態(tài)分析以及頻譜分析。同時(shí),也可以用頻帶、功耗、同步檢測、鏈路分析、調(diào)制選擇、數(shù)據(jù)率、環(huán)路濾波器以及其它參數(shù)作實(shí)驗(yàn),以優(yōu)化設(shè)計(jì)。該軟件為免費(fèi)軟件,可以從www.analog.com/srddesign下載。
Microchip公司的MRF24J40 IEEE 802.15.4 2.4-GHz DSSS無線收發(fā)器是針對ZigBee應(yīng)用的,可以單獨(dú)使用或者與ZigBee聯(lián)盟堆棧協(xié)同使用。同時(shí),該公司所有的MiWi協(xié)議與ZigBee 網(wǎng)狀 lite類似,該協(xié)議是一種簡單協(xié)議,可用于節(jié)點(diǎn)數(shù)少于100個(gè)且節(jié)點(diǎn)之間跳躍數(shù)不多于4個(gè)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋺?yīng)用。如果應(yīng)用要求超過了此限制,則要選擇ZigBee。
不過,許多應(yīng)用并沒有那么龐大。如果基本802.15.4特性降低得不嚴(yán)重,MiWi可能是個(gè)不錯(cuò)的選擇。用單個(gè)晶振和微芯公司流行的一種PIC微控制器,很快就可組成能得到認(rèn)可的mesh無線網(wǎng)絡(luò)。此外,可以選用該公司的ZENA無線網(wǎng)絡(luò)分析器工具,簡化ZigBee和MiWi協(xié)議組的配置。這樣可以降低代碼量并優(yōu)化設(shè)計(jì)。
同時(shí),查看一下AMI半導(dǎo)體公司的ISM頻帶芯片。AMIS-53050是針對小于1 GHz的FSK/OOK工業(yè)應(yīng)用。AMIS-52150適合402MHz~405MHz頻段ASK/OOK工業(yè)應(yīng)用。AMIS52100工作于401MHz~406 MHz醫(yī)學(xué)頻段,適合可植入應(yīng)用。
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