揭秘无线传输距离超过1英里的Sub-GHz片上系统

Sub-GHz是指频率为1GHz以下，一般为27MHz~960MHz，被认为是长距离和低功耗通信的理想选择。和2.4 GHz无线通信相比，Sub-GHz有着明显的优势，包括传输范围更远，更安静的频谱可实现低干扰和低功耗，以及更好的穿墙能力等。这些优势让Sub-GHz在消费电子、汽车、工业和医疗等领域有着广泛的应用场景。
 
近日，Silicon Labs（芯科科技）宣布推出全新的Sub-GHz片上系统（SoC），这是全球率先推出的具备远距离射频和节能特性且通过Arm PSA 3级安全认证的Sub-GHz无线解决方案，可以满足全球对高性能电池供电型物联网（IoT）产品的需求。
 
我们都知道，2.4 GHz无线通信供开源使用，是全球公开通用的无线频段，各种无线产品均可使用此频段，随着应用数量逐渐增多，干扰问题开始出现，比如办公室或者家庭里面的WiFi，各种无线蓝牙设备，甚至是厨房里面的微波炉……
 
Sub-GHz的引入，首先便解决了这个问题，其中433MHz能够成为2.4GHz在全球市场除日本以外的替代品，868MHz和915MHz可以更好地适用于美国和欧洲市场。总体而言，Sub-GHz有许多可用的无需授权或需要授权的频段，厂商可以根据市场需求进行优化。
 
Silicon Labs的Sub-GHz无线解决方案包括EFR32FG23（FG23）和EFR32ZG23（ZG23），扩展了Silicon Labs屡获殊荣的第二代无线解决方案平台，可支持多种调制方案和先进的无线技术，包括Amazon Sidewalk、mioty、无线M-Bus、Z-Wave和专有物联网网络，从而为开发人员提供灵活的、多协议的Sub-GHz连接选择。
 
以FG23来说，其在433 MHz、868 MHz、915 MHz和 920 MHz拥有低功耗和高性能接收器表现。
 
FG23的低功耗特性：
-4.2 mA RX 电流在 920 MHz (400 kbps 4-FSK)；
-3.8 mA RX 电流在 915 MHz (4.8 kbps O-QPSK)；
-5.1 mA RX 电流在 915 MHz (2 Mbps GFSK)；
-3.7 mA RX 电流在 868 MHz (2.4 kbps GFSK)；
-3.7 mA RX 电流在 868 MHz (38.4 kbps FSK)；
-4.0 mA RX 电流在 433 MHz (100 kbps 2GFSK)。
 
FG23接收器的高性能：
-98.6 dBm 灵敏度 @ 400 kbps 920 MHz 4-GFSK；
-125.8 dBm 灵敏度 @ 4.8 kbps 915 MHz O-QPSK；
-96.9 dBm 灵敏度 @ 2 Mbps 915 MHz GFSK；
-125.3 dBm 灵敏度 @ 2.4 kbps 868 MHz GFSK；
-111.8 dBm 灵敏度 @ 38.4 kbps 868 MHz FSK；
-110.7 dBm 灵敏度 @ 100 kbps 433 MHz 2GFSK。
 
根据Silicon Labs的介绍，FG23无线SoC解决方案出色的接收器性能得益于其灵活的天线分集功能，可实现一流的无线链路预算。同时，先进的无线特性加上FG23的低有源模式电流（26µA/MHz）和睡眠模式电流（1.2µA），使其成为应用于户外电池供电组网节点，无线传感器节点和位置难以到达的设备连接等领域的一种理想方案。
 
Silicon Labs总裁Matt Johnson表示：“我们第二代无线SoC平台实现的新进展，将满足不断增长的、对高度集成的远距离无线连接的需求，从而使城市、工业和家庭能够更高效、更可持续地运转。Silicon Labs全新的安全、超低功耗Sub-GHz解决方案将无线通信距离扩展至1英里以上，从而为需要可扩展的高性能无线技术的开发人员提供了更广阔的发挥空间，支持他们去推动物联网的变革。”
 

Silicon Labs总裁Matt Johnson

 
能够实现1英里以上的传输距离，主要归功于sub-GHz无线通信优越的传播特性，在相关测试中，要实现同样的传输距离，2.4 GHz无线通信要比sub-GHz无线通信多消耗8.5 dB以上的额外功率。
 
另一款解决方案ZG23通过增加Secure Vault™功能，实现了更强大的Z-Wave无线特性，同时它可提供与FG23相同的、业界领先的射频和功率性能。ZG23支持Z-Wave远程协议（Long Range）和网状网络，是率先针对终端设备和网关进行优化的SoC，也可以支持FG23支持的所有协议。ZG23无线解决方案主要面向智能家居、酒店和多住户单元（MDU）等市场。基于ZG23的超紧凑系统级封装（SiP）模块ZGM230S也将推出，其仅支持Z-Wave，可以简化开发并加快产品上市。
 

 
与此同时，Silicon Labs还发布了一体化软件开发工具包（Unify SDK）。Unify SDK可以为Z-Wave和Zigbee提供现成的协议特定转换功能（即日起可用），并计划实现对蓝牙、Thread、OpenSync和Matter的支持，从而极大地简化物联网无线网络的互操作，并支持企业去扩展智能家居、城市、建筑和工业生态系统。
 

 
“Silicon Labs的Unify SDK使行业向前迈出了重要一步，从而更接近这样的世界：在多个行业之间以及在家庭中，所有物联网无线设备可以轻松地协同工作。”Silicon Labs总裁Matt Johnson表示。“凭借‘一次设计，全部支持’的强大功能，Unify SDK可以简化更新过程，从而加快产品上市，并简化维护和确保投入不会过时。这是首次物联网供应商只需开发和维护单一软件代码库，即可支持包括网关在内的多个物联网设备，并可在有需要时轻松添加无线协议支持。”
 
Unify SDK这些出色性能是如何实现的？Silicon Labs在其官方网站的介绍中给出了答案。通过明确定义的集成点，帮助缩短产品上市、持续维护和定制开发的时间；通过框架中无处不在的MQTT选择，实现生态系统和云服务集成的自然兼容路径，同时支持多云，降低本地规则引擎的复杂性；通过模块化和可扩展的开放式架构，实现可移植性和可扩展性，支持多协议产品并允许客户整合来自不同协议的新终端设备；通过功能完备的无线协议路线图，使客户能够减少其非战略性、非核心投资，允许从单一协议演变为多种协议，从而增加目标市场应用；通过定义良好的数据模型，从开发周期中消除数据模型的复杂性。
 
目前，采用5mm x 5mm QFN40和6mm x 6mm QFN48封装的EFR32FG23 SoC在Silicon Labs举办的2021 Works With物联网开发者大会上正式发布，并于2021年9月14日起开始供货。FG23开发套件也于即日起开始供货，零售价格为39.99美元起。EFR32ZG23 SoC、ZGM230S模块和配套套件将于2021年第四季度上市。
 
如果大家对Silicon Labs的EFR32FG SoC感兴趣，也可以关注一下下面这款方案。Silicon Labs和全球化IoT开发平台涂鸦智能近日宣布，双方合作提供完整Sub-GHz的解决方案，以实现低功耗、高安全性及远距离的传输。该解决方案将Silicon Labs的EFR32FG（Flex Gecko）Sub-GHz片上系统集成至涂鸦智能的SS3L模块中，从而可以为智能家居、智能建筑、工业无线控制、智能酒店和智能社区等场景中的室内外物联网应用提供强大的功能。