如何使用射頻模塊快速實現無線連接

Cliff Ortmeyer

摘要：當前，許多應用都依賴于無線通信，尤其是物聯網（IoT）和工業物聯網系統。然而，射頻開發卻較為復雜，且認證成本高。本文探討了射頻電路設計面臨的多項挑戰，并介紹了ST Microelectronics、Silicon Labs、Murata、Wurth Electronics和Microchip等模塊制造商極具代表性且經認證的整體解決方案，探討了如何利用這些即用型解決方案更便捷、更高效地開發各種系統集成WLAN、LPWAN及其他無線通信功能，從而減少射頻通信集成工程的工作量及風險。

關鍵詞：射頻;模塊;連接

無線連接已迅速從電子產品的高配選項轉變為電子行業全品類的必備功能。盡管有時可以使用有線連接接入網絡上的其他系統，但無線連接現在已被視為傳感器接入工業控制系統，以及網關連接互聯網的主要機制。

藍牙低功耗模式和LoRaWAN等協議能夠讓部署于任何地點，包括以往難以到達場所的電池供電設備保持長期連接。例如，Sigfox和LoRaWAN兩種低功耗廣域網（LPWAN）標準可將傳感器節點部署在距離網關設備達50km的位置，使得傳感器設備能夠用于農業生產、野生動植物調查和管道監測等偏遠地區應用。也就是說，通過結合使用高效的微控制器，這些低功耗無線協議能夠讓設備在幾個月甚至更長時間內無需充電或更換電池，即便這些應用涉及長距離通信。

目前，面向遠程及本地網絡的無線連接技術協議種類持續增多，如適用于樓宇和家庭監控及工業自動化應用的藍牙、Thread、Zigbee和Z-Wave等協議，以及適用于本地和遠距離傳輸的Wirepas。Wirepas使用與藍牙和WiFi相同的2.4GHz頻譜，或1.9 GHz DECT-2020 NR標準實現遠程傳輸。

1射頻設計挑戰

如何選擇合適的無線連接技術并解決各種復雜性問題是原始設備制造商（OEM）和集成商面臨的難題之一。開發團隊需要在更大板卡或模塊設計環境下衡量各無線連接協議的獨特特性。以Sigfox和LoRaWAN為例，一方面，LoRaWAN采用擴頻調制技術來避免干擾，并能支持300bit/s到50kbit/s的數據速率;Sigfox則使用超窄帶技術傳輸來實現較低的數據速率。另一方面，LoRaWAN旨在支持雙向通信，而Sigfox則進一步優化了傳感器節點網關的傳輸，且功耗非常低。因此，這兩種無線連接協議適用于不同應用架構。

許多局域網標準使用網狀網絡技術來擴展無線基礎設施的覆蓋范圍和容量，而不會增加能耗。在網狀網絡環境中，不能直接發送到網關的數據包，而可以在臨近節點之間使用短跳方式定向傳輸到網關。然而，對于一些尤其注重延遲或安全問題的應用場景，點對點直接傳輸模式則更為適合。

為了確定產品在實際應用中的運行情況，開發團隊需要測試不同的網絡選項，以便驗證并找到最優無線連接解決方案。如果他們選擇定制電路和天線設計，那么原型設計工作可能會耗費大量時間。若進行射頻設計，開發工作量可能還會更大，因為大多數無線標準需要集成多種設計技能。這就要求開發團隊掌握相關知識，包括天線結構及其對信噪比的影響，以及低噪聲放大器和模擬混頻器的設計。此外，他們還需要確定主機微控制器所需固件，以便控制通道訪問和網狀路由等高級功能。

如果設計人員的最佳實踐經驗有限，天線和前端模擬設計可能會極難處理。即便是微小的路由和布局變化都會對無線電性能產生巨大影響，這可能會導致有效傳輸距離縮短及功耗的大量增加。

對于那些追求定制設計的設計人員來說，射頻電路還會帶來測試和認證問題。盡管所有電子產品都會要求電磁兼容性（EMC）測試，但射頻接口卻使得這一過程變得更加復雜。大多數涉及射頻傳輸的法規對設備使用的頻帶內外的功率都有嚴格的限制。系統電路之間若發生意外交互，可能導致設備無法通過這些測試。另一復雜因素在于特定協議（如藍牙）所需的認證過程。若要認證兼容性，就需要驗證設備的合規性及與其他制造商產品的互操作性。

2即用型射頻模塊快速實現無線連接

定制射頻設計所帶來的更大復雜性顯著推動了即用型模塊的使用。射頻模塊的主要優勢在于，它們經過全面測試和認證，且支持低功耗協議的模塊通常配有板載天線。這樣一來，設計人員就能組裝一個真正獨立的電路板或封裝，有些甚至可以配置用于調度傳輸的微控制器和固件，它們只需通過主機處理器的簡單命令即可觸發。這就意味著解決方案與主機系統的集成不會影響射頻模塊的性能或其認證狀態。

市面上存在各種射頻模塊產品選擇，既有專為尺寸受限的物聯網傳感器節點設計的小型集成封裝，也有高帶寬板級模塊，這就為模塊用戶提供了多種集成方案選擇。一些模塊使用簡單的并行或串行接口，其工作方式與串行通信通道相同，且符合常見的擴展板格式，例如：意法半導體的STEVAL-IDB008V2。該模塊兼容Arduino擴展板外形尺寸，并提供完整的藍牙無線電接口。一些模塊，如STEVAL-IDB 0007V1M等則具有集成加速度計和壓力傳感器等附加功能。另有一些模塊則部署了USB等協議，例如：Silicon Labs的BLED112-V1C模塊可在USB-A連接器內構建一個藍牙4.0控制器，進而輕松連接評估板。有些模塊可以直接焊接到載板上，專為滿足最小批量生產或連接器成本最小化需求而設計。例如，Murata推出了采用芯片級封裝的最小型LPWAN模塊以及面向藍牙和WiFi網絡的LBEE59B1LV-278模塊。Würth Elektronik則為其產品組合增加了Wirepas支持功能，并開發了多款可焊接到載板的模塊，其中包括具有藍牙功能的Proteus-III和兼容WiFi的Calypso等型號。TaiyoYuden也是一家專注于藍牙和WiFi領域的芯片級模塊制造商。

此外，一些模塊還提供更多附加功能，以簡化無線網絡與設備固件的集成。例如，Microchip的WFI32E01集成了經認證的WiFi收發器設計及Trust&Go預配置安全元件。這為WFI32E01模塊提供了安全密鑰，能夠讓設備插入后立即使用秘鑰憑證訪問云計算服務。Trust&Go無需安裝工程師進行產品配置即可構建安全連接，最大限度地減少了物聯網設備可能遭受的攻擊風險。

一些制造商致力于簡化軟件開發流程。例如，Pycom專注于開發可以運行MicroPython解釋器的模塊，包括綜合開發工具和庫，進而加快包括局域網和LPWAN協議在內的各種無線通信標準應用的原型設計。

Laird除了提供局域網、LPWAN產品以及蜂窩網絡解決方案等廣泛產品之外，還提供具有集成無線連接的無線網關和傳感器用于創建測試網絡。此外，Laird等供應商還可以為大批量產品需求提供定制服務，并為在板級和系統級集成其無線電路的客戶提供測試服務。

總之，通過使用射頻模塊產品，設計團隊可以對支持物聯網和其他分布式計算應用的關鍵無線協議進行深入評估。一旦設計工程師找到了適合其開發工作的數據處理和通信組合方案，就能實現較低成本的批量生產。借助e絡盟等經驗豐富的技術服務分銷商，眾多OEM廠商將能快速找到最合適的組件和產品，進而輕松集成到最終系統中，實現無線連接。