無線設計技術中的關鍵步驟設計指南

　　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。只要遵照幾個關鍵指南，你就能達到無線工程師的水平。

　　作為參考，此處的“短距離無線”不是指手機或WiMAX，而是包括你聽說過的所有技術，如藍牙、IrDA、ISM、 Wi-Fi和 ZigBee，以及其他一些值得提及的專業(yè)設計。本文可以作為你未來方案的經典。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。

　　設計步驟

　　第一步：明確應用和特點

　　像任何設計冒險一樣，無線設計的第一步是明確應用并定義參數。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、汽車(溫度、輪胎壓力)，以及工業(yè)傳感器監(jiān)測，是更流行的應用之一。另外很受歡迎的應用場合是遠程控制車庫門、玩具、遠程無鑰匙進入、HVAC、安全/報警以及工業(yè)控制。

　　第二步：定義關鍵特性

　　定義項目的重要特性很關鍵，這些特性包括理想距離、環(huán)境、功耗限制、是固定還是便攜?調制信號(是模擬還是數字?)、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、以及其它相關技術指標。某些性能測量，如位差錯率或可靠性，如果使用，也應包含在內。需要特別關注的關鍵技術指標包括：

　　距離：短距離無線技術覆蓋的距離范圍很大，從數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。

　　環(huán)境：是室內還是室外?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)和設備(如馬達或者附近工作的其它無線設備)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?當然，單個P2P連接用起來最簡單。但是，應用可能需要多個監(jiān)測點，如在遙感勘測中就要采用M2P?；蛘撸绻仨殢囊粋€地點控制多個設備，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字的?目前，大多數信息源都是數字碼或稱數據，但如果本質是模擬的話，也可以處理。需要模數轉換和數模轉換。在15.231節(jié)，在260MHz～470 MHz頻段，只能發(fā)送短數據脈沖。此外，不允許發(fā)送聲音或視頻信息。但可以以模擬或數字形式在902～928 MHz頻段傳送聲音、視頻或任何其它信息。

　　數據率：需要的最大數據率是多少?大多數遙感勘測和控制的數據率都非常低，小于100 kbps。不過，也可以達到幾百兆位每秒的數據率。

　　網絡：項目是一個簡單的P2P連接還是網絡的組成部分?聯(lián)網就要與某一主機或者一個或多個其它節(jié)點會話。需要mesh網絡嗎?

　　安全：無線連接要涉及關鍵數據的保護嗎?這些要求會影響到協(xié)議和技術的選擇。

　　協(xié)議：需要兼容特定協(xié)議和標準，如藍牙、Wi-Fi或 ZigBee嗎?或者還是自己設計協(xié)議來滿足應用要求嗎?

　　接口：需要哪種數據接口(RS-232、SPI、USB 等)?對于簡單應用，可能只需要微控制器上的一個總線。

　　功耗：如果設備為遠程或便攜式，電池使用壽命是一個關鍵因素。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

　　根據上面列出的技術指標，使用這個表選擇要采用的技術。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。

　　藍牙是應用最為廣泛的無線標準，比Wi-Fi廣泛10倍或者更多。藍牙技術的成功主要與手機和手機耳機應用有關，而在多種其它應用(如計算機外設)中也有藍牙技術。最主要的是，藍牙是遠程耳機和揚聲器及其它音頻應用中首屈一指的音頻無線技術。

　　藍牙具有廣泛的速度選項。基本數據率為1 Mbps，但也可以選3 Mbps增強型數據率(EDR)。2008年之后，對視頻和其它非常高的數據率需求，將會出現(xiàn)一種數據率達480 Mbps的超寬帶版本。

　　最后，藍牙能夠滿足基本聯(lián)網?？梢耘c稱作微微網(piconet)中的其它7個藍牙節(jié)點會話。這些節(jié)點依次在更多的擴展分散網中互相會話。

　　雖然藍牙在許多應用中都具有巨大潛力，但不是對所有應用都適合。由于藍牙協(xié)議及相關堆棧都很復雜，對某些簡單應用就是多余的。然而，對某些預先確定的應用，如音頻，其正式化的概圖和認證是其它技術所無法比擬的。

　　紅外(IR)無線技術，跟藍牙一樣，它們的應用比你能想象到的要更廣泛。事實上，世界上每種遠程控制都采用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，不過也可以達到更長距離。IrDA標準提供的數據率可以達到16 Mbps，并且模塊非常廉價。

　　ISM頻帶是可以使用的最簡單的標準之一。ISM最適合超簡單控制或監(jiān)測應用。其數據率很少超過100 kbps，并且一般都比此值小許多?？梢赃x的頻率很多，但大多數應用采用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。

　　賽普拉斯半導體公司的WirelessUSB系列使用2.4GHz直接序列擴頻(DSSS)，給人機接口設備(HID)提供低速無線通信(如鍵盤和鼠標)。其基本數據率只有62.5 kbps，不過也可以采用一種1Mbps版本。對多點到單點應用也不錯?？梢圆捎靡环N簡單協(xié)議，使設計人員可以把精力集中到設計的其它方面。

　　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(LAN)中。偶而也用在短距離監(jiān)測和控制中。

　　Wi-Fi是一種復雜的標準，但是如采用一個功放和定向天線，則能擴展到100 米甚至更遠的距離。新的802.11n標準的數據率從11 Mbps到遠大于100 Mbps，這對大多數短距離應用都過度了。功耗相應較高。

　　超寬帶(UWB)是另一種針對速率非常高的應用的技術，可以達到53 ～480 Mbps的數據，但距離小于10米。其標準專注于實現(xiàn)USB接口標準的無線版，USB接口標準在計算機外設和其它設備中非常普及。其他潛在的應用包括視頻。

　　ZigBee是為短距離監(jiān)測和控制設計的，具有在所有這些技術中 功耗最低的特點。在其基于IEEE 802.15.4標準的最簡單形式中，對P2P、M2P或P2M應用很適合。通過增加ZigBee聯(lián)盟堆棧，mesh聯(lián)網成為可能，因此擴展了所有節(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，則不僅要面臨認證標準的問題，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制方法。所有FSK相關(頻移鍵控)調制都不錯。DSSS因其基于BPSK(二進制相移鍵控)調制，效果更好，但要更復雜，并且成本更高。幅移鍵控/開-關鍵控(ASK/OOK)是到目前為止最簡單的方法，但要使性能達到最佳，要求距離更短，并且環(huán)境噪聲要更低。

　　應用也可能影響工作頻率。根據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，如果最大距離很關鍵，就要使用較低的260～470 MHz非認證頻帶，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。對某些便攜式應用或移動應用，這可能成為一個實際問題，是需要權衡考慮的一項關鍵因素。

　　最后，可能影響選擇的一個關鍵問題是安全性。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計自己的方案。如果應用允許，可以合并現(xiàn)有模塊而加快設計的完成。

　　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/成本要求靈活的應用，選擇這些模塊相當好。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，天線是所有無線設備中的關鍵機械部件。實際上，一開始就要把天線考慮在內，因為應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)”測試作準備。無線設備已經設計好之后，需要得到FCC的使用和銷售認可。FCC要求產品能達到設備所屬分類已有輻射限值的認證。此外，所有有意輻射體都必須有完整FCC證書。

　　自己可以對設備進行測試，但大多數公司將此分包給專門進行此類業(yè)務的機構來完成。在Yahoo或Google里輸入“FCC testing”就能找到幾十家。要確認預算中包括了這項服務費用。

　　估算信號強度和路徑損耗

　　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。要確認兩個關鍵因素：

　　?接收功率是波長平方的函數。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。設計目標是對距離與功率和頻率的關系進行平衡。

　　在這一公式中，假設發(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到遠場才有效。

　　所有電磁波都有近場和遠場。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，可假設遠場大于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。大多數實際應用的天線，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?？梢杂孟率焦烙嬄窂綋p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鍵。要盡可能使接收器靈敏度達到最大。某些新型設計的接收器靈敏度可以達到–120dBm～–130dBm。

　　代表性產品

　　幾乎對任何應用，都有幾十種很好的芯片和模塊可采用。新型產品包括ADI最近推出的ISM頻帶芯片以及微芯技術公司的某些ZigBee產品。

　　ADI的ADF70xx系列收發(fā)器工作在50 MHz～1 GHz范圍，大多數版本都采用FSK或高斯FSK(GFSK)，數據率在20～384 kbps范圍。功率輸出在–20 (或–16dBm)～+10(或+13dBm)之間可調。接收器靈敏度達到–125dBm。

　　有多種版本也提供ASK和OOK調制。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獲得的數據率更高。大多數模塊都含有高斯數據濾波，有助于使發(fā)射帶寬變窄，并且保證符合鄰近通道功率(ACP)技術規(guī)范的要求。

　　ADI的“SRD(短距離器件)設計工作室”軟件能對無線連接設計和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、調制選擇、數據率、環(huán)路濾波器以及其它參數作實驗，以優(yōu)化設計。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 網狀 lite類似，該協(xié)議是一種簡單協(xié)議，可用于節(jié)點數少于100個且節(jié)點之間跳躍數不多于4個的網狀網絡拓撲應用。如果應用要求超過了此限制，則要選擇ZigBee。

　　不過，許多應用并沒有那么龐大。如果基本802.15.4特性降低得不嚴重，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可的mesh無線網絡。此外，可以選用該公司的ZENA無線網絡分析器工具，簡化ZigBee和MiWi協(xié)議組的配置。這樣可以降低代碼量并優(yōu)化設計。

　　同時，查看一下AMI半導體公司的ISM頻帶芯片。AMIS-53050是針對小于1 GHz的FSK/OOK工業(yè)應用。AMIS-52150適合402MHz～405MHz頻段ASK/OOK工業(yè)應用。AMIS52100工作于401MHz～406 MHz醫(yī)學頻段，適合可植入應用。