軟件定義的無線電提供IoT遠程聯(lián)接

Dan Clement

安森美半導(dǎo)體

前言

為了提供設(shè)計人員和用戶所需的功能和好處，需要聯(lián)接IoT和IIoT節(jié)點，以便將收集到的數(shù)據(jù)傳輸處理，或接收用戶或另一個節(jié)點的指令。

有線聯(lián)接始終是一項選擇，并且有時作為非常短距離聯(lián)接或者需要最高可靠性聯(lián)接應(yīng)用的首選。它還用于環(huán)境不適合基于射頻（RF）的通信的情況。然而，對于所有IoT/ IIoT應(yīng)用，有線并不總是實用的或具性價比的。

無線適用于IoT / IIoT應(yīng)用，它可支持幾乎無限的節(jié)點數(shù)，可攜且易于重新配置，部署快，更易于擴展。通過選擇專為應(yīng)用定制的通信協(xié)議，無線也可以以最小的功耗運行。

早期的無線系統(tǒng)基于1GHz以下的RF載波頻率，我們今天將其稱為“sub-GHz”。通常，這些sub-GHz應(yīng)用使用專有協(xié)議，并且對于每個給定的應(yīng)用程序或安裝是唯一的。

在過去的5～7年中，基于標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz通信使用Wi-Fi和藍牙的普及率大幅提升。智能手機作為聯(lián)接到云的網(wǎng)關(guān)，其激增推動了這些基于標(biāo)準(zhǔn)的通信方案的巨大增長。2.4GHz頻段的另一個好處是它是全球免許可的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)（ISM）頻段。

另一方面，Sub-GHz協(xié)議提供了更大的靈活性，因為它們受標(biāo)準(zhǔn)控制較少。光譜通常不那么擁擠，但這些頻帶在全球范圍內(nèi)變化，使互操作性變得不那么容易。然而，sub-GHz用于IoT / IIoT的最大優(yōu)勢是能夠以非常高的能效提供遠程通信。

低功耗遠距離通信的能力對于IoT / IIoT至關(guān)重要，特別是對于遠程傳感器和資產(chǎn)跟蹤器或任何其他可遠離基礎(chǔ)設(shè)施運行的技術(shù)。

對于這些應(yīng)用，基于sub-GHz技術(shù)的廣域網(wǎng)（WAN）正迅速成為首選方案。 蜂窩就是個很好的例子，除了功率要求與IoT / IIoT不兼容外，它是個很好的方案。然而，基于標(biāo)準(zhǔn)或?qū)Ｓ械牡凸腤AN（LP-WAN）正變得流行。隨著非蜂窩LPWAN技術(shù)獲得動力，蜂窩市場已經(jīng)推出了自己的LPWAN版本NBIoT。NBIoT是現(xiàn)有協(xié)議的低功耗版本，可以利用當(dāng)今廣泛的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，并且通常屬于5G。NBIoT更適合LPWAN IoT應(yīng)用，雖然比其他一些方案成本更高，功耗更大，但其優(yōu)勢是網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

在設(shè)計IoT / IIoT通信方案的過程中，設(shè)計人員承受了很多壓力，他們必須選擇最佳的協(xié)議并迅速地為市場提供解決方案。而且，方案必須能夠滿足低成本、超高效、安全、遠程更新等要求，這使設(shè)計過程變得更加復(fù)雜。一般地，所選方案應(yīng)該能夠被應(yīng)用于產(chǎn)品范圍內(nèi)的許多設(shè)備。

按照傳統(tǒng)的基于硬件的設(shè)計方法，一旦選擇了某個方案，該方案通常是相當(dāng)固定的，需要大量的重新設(shè)計才能從一個協(xié)議轉(zhuǎn)向另一個協(xié)議。鑒于圍繞IoT /IIoT技術(shù)的快速進步，軟件配置無線接口的技術(shù)將帶來許多好處，包括靈活性和未來適用性。

軟件定義的無線電

從最簡單的層面而言，軟件定義的無線電（Software Defined Radio，SDR）是一種設(shè)備，其中天線分別連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）或數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）用于接收、發(fā)送路徑。系統(tǒng)的其余部分是數(shù)字的，基于FPGA、DSP和ASIC等器件，可實現(xiàn)充分的靈活性和重新配置。

隨著SDR進入主流，有許多可用的硬件平臺以及許多開源軟件工具，如流行的GNU Radio。因此，設(shè)計過程能夠變得容易一些，設(shè)計人員能夠配置標(biāo)準(zhǔn)硬件并生成協(xié)議無關(guān)的通信系統(tǒng)，可現(xiàn)場升級，從而使其具有前瞻性。

但是，標(biāo)準(zhǔn)的SDR為IoT / IIoT的實施增添了一些困難。首先，一般的天線接口更為復(fù)雜；其次，包含諸如DSP和FPGA之類的設(shè)備會增加功耗和物料清單（BoM）的成本。

通過在LPWAN中限制SDR的功能，可以實現(xiàn)IoT / IIoT兼容的方案。在LPWAN環(huán)境中，協(xié)議更簡單，并且處理的頻段更少。因此，可以在硬件中輕松地管理多個通用協(xié)議，而不需要使用昂貴的FPGA或DSP的純SDR。更便宜、更節(jié)能的方案標(biāo)準(zhǔn)微控制器也可用于運行系統(tǒng)。而且數(shù)據(jù)速率較低，設(shè)備也不用持續(xù)地進行發(fā)送、接收，便能夠進一步降低功耗。因此，現(xiàn)在可采用低成本的CMOS技術(shù)，高效地實現(xiàn)基于SDR的LPWAN方案。

系統(tǒng)單芯片SDR

安森美半導(dǎo)體的AXM0F243是系統(tǒng)單芯片（SoC），基于經(jīng)過驗證的窄帶RF收發(fā)器芯片和高性能Arm?Cortex?-M0+微控制器（MCU）內(nèi)核，具有64kB閃存和8kB RAM，從而實現(xiàn)真正的單芯片無線應(yīng)用。

強大的AX5043收發(fā)器芯片是完全可軟件編程的，并提供最廣泛的調(diào)制方案，涵蓋幾乎所有的sub-GHz協(xié)議，無論是專有的還是基于標(biāo)準(zhǔn)的。這種靈活性支持在通用硬件平臺上構(gòu)建不同的協(xié)議，并設(shè)計復(fù)雜的多協(xié)議網(wǎng)關(guān)。

該強固的接收器可實現(xiàn)低至-137dbm的靈敏度，同時消耗低于10mA的電流。差分發(fā)射器在單端模式下產(chǎn)生多達16dbm或13dbm。集成頻率合成器涵蓋27MHz至1050MHz頻率。

軟件開發(fā)套件（SDK）作為集成設(shè)計環(huán)境（IDE）的一部分，支持設(shè)計人員采用無線電和硬件驅(qū)動程序、演示代碼和支援庫。MAC/PHY配置器無縫集成IDE和硬件，令設(shè)計人員能通過單擊選擇所需的選項并生成C代碼。因此，開發(fā)任務(wù)被顯著地簡化和縮短，從而在開箱的幾分鐘內(nèi)運行演示。

總結(jié)

IoT和IIoT依靠通信來有效地工作。事實上，如果沒有通信，它們就不存在。有許多基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，但許多不完全適用于IoT/IIoT，因為它們不能滿足遠程、低功率和低成本的綜合要求。

然而，依賴于sub-GHz無線電技術(shù)的LPWAN等技術(shù)能夠滿足IoT/IIoT的需求，特別是與SDR相結(jié)合時。當(dāng)基于SDR的LPWAN優(yōu)化以降低功耗時，可以在低成本、低功耗的CMOS系統(tǒng)上實施，如安森美半導(dǎo)體的包括全套設(shè)計支持工具的AXM0F243 SoC。