多无线电和多协议硬件的设计方案

多无线电和多协议解决方案的组合可容纳同时在相同或不同频谱上运行不同多协议的两个或多个无线电。

如今，市场被驱使在一个称为网关的盒子中设计具有多个射频协议的产品。无线连接带来了许多不同的好处，提供了更好的用户体验，不同的协议提供了互补的优势。每个物联网设备都可以通过不同的协议与互联网进行通信，无论是Zigbee、蓝牙、Z-Wave或Sub-1ghz，还是一些专有协议。多协议（无线）网关在物联网基础设施中起着至关重要的作用，因为它们从传感器场收集数据，并通过Wi-Fi、蜂窝或其他有线和无线网络将数据推送到互联网上。

多无线电和多协议解决方案的组合可容纳同时在相同或不同频谱上运行不同多协议的两个或多个无线电。这种方法通过利用不同的协议提供更有效和可靠的数据流。因此，终端用户可以充分利用这一点，因为他们能够通过一个单元连接在不同射频频段和协议上运行的多个设备。

设计多协议紧凑型射频硬件的关键挑战

• 多协议硬件的出现是对最近多种不同通信协议的普及的一种回应。因此，原始设备制造商在设计多无线电硬件时面临一些关键挑战：
• 多无线电硬件在天线选择、布局、模拟、内存估计、外壳设计、材料和现场测试方面需要大量的时间
• 控制精确的阻抗，以减少干扰，回波损耗，共存于同一位置的无线电之间，因此它可以符合FCC和CE等管理机构的要求
• 如果有两个或两个以上的无线电同时运行并且共享同一频谱，那么就会存在共存，这会导致相互干扰
• 测量多无线电硬件的通信延迟、距离、效率和可靠性等性能参数
• 共存往往会影响设备的性能，从而导致数据包丢失或数据损坏、音频中的爆裂和爆裂噪声、工作范围和覆盖范围减小
• 由于不同的标准适用性，当多无线电硬件出现时，对不同地理区域的法规遵从性也将是一个挑战。

为多无线电硬件开发固件时要考虑的事项

当今物联网的应用越来越复杂，对存储容量的需求也越来越大。让我们了解内存和固件带来的硬件工程解决方案的挑战：

• 开发用户友好且灵活的嵌入式应用程序需要复杂的状态机、强大的功耗优化、内存密度和CPU性能。射频SoC或模块需要更多的闪存和RAM优化以获得最佳性能
• 提供空中传送（OTA）固件更新功能需要足够的闪存来存储引导加载程序和两倍于应用程序固件的大小，以便在保留旧固件的同时缓冲新固件，从而使产品在当今蓬勃发展的物联网市场上具有竞争力
• 在不损失性能的情况下，实时管理具有各种网络架构的多个无线电
• 在没有电源的情况下，闪存还可以将用户配置和安全密钥内容保留多年，因为在产品的生命周期中，闪存中的信息可以被读写数千次。在这种情况下，利用RAM信息可以快速地被写入到读取，这使得处理器能够以如此高的速度工作并且能够进行边缘处理

基于上述挑战，让我们举一个小例子，一个复杂的可穿戴/传感器/自动化应用程序可能需要射频模块提供的128 kB RAM和512 kB闪存。一个相对简单的信标应用程序可能只需要24kbram和192kbflash。

为了解决上述多无线电硬件、内存和固件方面的挑战，让我们了解一下如何利用原始设备制造商的硬件专业知识来解决这些难题，从而帮助提高产品的整体性能。

标准方法从对所有射频要求和其他外围设备的产品理解开始，列出所有射频接口协议频率，然后执行一项任务，如模块或SoC选择、相对天线选择、用材料标识外壳、模块放置和天线。PCB设计的早期阶段将进行2D地板规划，这有助于详细了解所有RF模块的实际位置和参数：

模块或SoC选择：选择标准包括RF协议、调制技术、制造商、基于驱动程序代码可用性的MCU/处理器要求、RAM、闪存、OS、监管批准、最大Tx输出功率、接收器灵敏度、电源和数据速率，以提供显著的性能

内存预算：对于任何射频模块来说，内存预算都是一个非常重要的参数，它的定义或计算完全基于射频堆栈大小、对设备数量的支持以及应用程序业务逻辑。在最终确定模块/SoC之前，应该很好地计算和明确与内存相关的需求

天线选择和放置：天线选择是多无线电硬件中最重要的因素，因为选择取决于频率范围、极化、辐射方向图、增益、馈电点阻抗、驻波比和功率处理能力用例，如范围覆盖和空间。例如，芯片天线vs PCB跟踪天线vs外部天线

为了减少两个同频模块之间的共存和干扰，天线布置起着至关重要的作用。在这种情况下，天线应相互垂直放置。我们正努力按照监管要求在两个射频之间进行适当的隔离，两个天线之间的隔离应等于或大于30分贝。有时，由于空间的限制，不可能实现这样的隔离，在这种框架下，需要考虑所有射频天线的干扰和辐射方向图。我们还需要根据应用需求和性能来研究射频模块或SoC的发射功率。

射频模拟：在产品开发的早期阶段，模拟是预测无线电问题的有效策略。有多种模拟软件，如HFSS、CST、ADS等，应根据问题类型合理使用。

外壳设计和材料：为了达到最佳效果，试着用能够平衡环境、可靠性和射频性能需求的材料最终确定一个塑料外壳。有时，COTS外壳可能会由于已经预定义的尺寸和结构而导致放置挑战，而在定制设计中，我们具有PCB放置的灵活性，并且可以获得更好的隔离和天线放置选项。外壳材料的介电常数/介电常数的选择对射频性能起着至关重要的作用。在2.4GHz的频率下，好的塑料材料有PC、ABS、PC+ABS、PVC。有时我们也需要为室外和工业应用选择金属外壳，在这种情况下，外部天线的选择将是关键。

设计验证测试：射频接口的设计验证非常重要。需要定义一组验证测试用例，如天线匹配阻抗和回波损耗、射频输出功率测量、接收灵敏度、室内和室外距离测试、重交通场景下最坏情况下的射频环境，并使用分析仪进行监控。
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