無線設(shè)計的關(guān)鍵指南

　　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。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)計步驟

　　第一步：明確應(yīng)用和特點

　　像任何設(shè)計冒險一樣，無線設(shè)計的第一步是明確應(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/報警以及工業(yè)控制。

　　第二步：定義關(guān)鍵特性

　　定義項目的重要特性很關(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(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，因為這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：是點對點通訊(P2P)、點到多點(P2M)還是多點到點(M2P)通訊?當(dāng)然，單個P2P連接用起來最簡單。但是，應(yīng)用可能需要多個監(jiān)測點，如在遙感勘測中就要采用M2P?；蛘?，如果必須從一個地點控制多個設(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)：項目是一個簡單的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)或者一個或多個其它節(jié)點會話。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)，使用這個表選擇要采用的技術(shù)。你可能會發(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，選擇時還需要考慮其它另外幾個因素。

　　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。基本數(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個藍(lán)牙節(jié)點會話。這些節(jié)點依次在更多的擴(kuò)展分散網(wǎng)中互相會話。

　　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。

　　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軟件包，有助于使用該公司的芯片，建立一個簡單的協(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。對多點到單點應(yīng)用也不錯?？梢圆捎靡环N簡單協(xié)議，使設(shè)計人員可以把精力集中到設(shè)計的其它方面。

　　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)專注于實現(xiàn)USB接口標(biāo)準(zhǔn)的無線版，USB接口標(biāo)準(zhǔn)在計算機(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)計的，具有在所有這些技術(shù)中 功耗最低的特點。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。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)用或移動應(yīng)用，這可能成為一個實際問題，是需要權(quán)衡考慮的一項關(guān)鍵因素。

　　最后，可能影響選擇的一個關(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更好。如果項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)計的完成。

　　這些模塊有無線連接需要的所有東西，有時還包括有天線。費用要高一些，而且模塊一般體積要大一些，并且價格更高。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。實際上，一開始就要把天線考慮在內(nèi)，因為應(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(FCC)”測試作準(zhǔn)備。無線設(shè)備已經(jīng)設(shè)計好之后，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)算中包括了這項服務(wù)費用。

　　估算信號強(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和次極。遠(yuǎn)場是實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)。要使估計最佳，為保險起見，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。可以用下式估計路徑損耗：

　　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。其它可以實現(xiàn)2FSK、3FSK或4FSK工作，每個符號含有更多位，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)計工作室”軟件能對無線連接設(shè)計和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)實時仿真，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，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)作實驗，以優(yōu)化設(shè)計。該軟件為免費軟件，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，可以單獨使用或者與ZigBee聯(lián)盟堆棧協(xié)同使用。同時，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)點數(shù)少于100個且節(jié)點之間跳躍數(shù)不多于4個的網(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可能是個不錯的選擇。用單個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。

　　同時，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。