无线设计技术中的关键步骤设计指南

　　要使一种方案具有秘密武器或使其有别于竞争者，无线可能是一种非常好的选择。只要遵照几个关键指南，你就能达到无线工程师的水平。

　　作为参考，此处的“短距离无线”不是指手机或WiMAX，而是包括你听说过的所有技术，如蓝牙、IrDA、ISM、 Wi-Fi和 ZigBee，以及其他一些值得提及的专业设计。本文可以作为你未来方案的经典。特别是，看看覆盖260～470MHz频带的15.231，以及覆盖常用的902～928MHz 频带的15.249。

　　设计步骤

　　第一步：明确应用和特点

　　像任何设计冒险一样，无线设计的第一步是明确应用并定义参数。究竟想要做什么?将它写出来。

　　遥感勘测包括住宅/建筑物环境检测、自动读表、医学、汽车(温度、轮胎压力)，以及工业传感器监测，是更流行的应用之一。另外很受欢迎的应用场合是远程控制车库门、玩具、远程无钥匙进入、HVAC、安全/报警以及工业控制。

　　第二步：定义关键特性

　　定义项目的重要特性很关键，这些特性包括理想距离、环境、功耗限制、是固定还是便携?调制信号(是模拟还是数字?)、需要收发器而不是只要发射器或接收器、输入、输出、接口、以及其它相关技术指标。某些性能测量，如位差错率或可靠性，如果使用，也应包含在内。需要特别关注的关键技术指标包括：

　　距离：短距离无线技术覆盖的距离范围很大，从数英寸直到很多英里范围。需要具体确定距离范围，或者至少定出尽可能接近的距离范围，因为这些信息决定了所选的技术。

　　环境：是室内还是室外?发射器和接收器之间的视线是否很好，或者还是穿过墙、地板或树木?环境是否充满了来自电器系统和设备(如马达或者附近工作的其它无线设备)的噪音?一般情况下，频率越高，距离越短。

　　连接：是点对点通讯(P2P)、点到多点(P2M)还是多点到点(M2P)通讯?当然，单个P2P连接用起来最简单。但是，应用可能需要多个监测点，如在遥感勘测中就要采用M2P。或者，如果必须从一个地点控制多个设备，就要采用P2M。此外，要考虑连接是单工(单向，播放)还是双工(双向)，是半双工还是全双工?

　　信息类型：信息源是模拟的还是数字的?目前，大多数信息源都是数字码或称数据，但如果本质是模拟的话，也可以处理。需要模数转换和数模转换。在15.231节，在260MHz～470 MHz频段，只能发送短数据脉冲。此外，不允许发送声音或视频信息。但可以以模拟或数字形式在902～928 MHz频段传送声音、视频或任何其它信息。

　　数据率：需要的最大数据率是多少?大多数遥感勘测和控制的数据率都非常低，小于100 kbps。不过，也可以达到几百兆位每秒的数据率。

　　网络：项目是一个简单的P2P连接还是网络的组成部分?联网就要与某一主机或者一个或多个其它节点会话。需要mesh网络吗?

　　安全：无线连接要涉及关键数据的保护吗?这些要求会影响到协议和技术的选择。

　　协议：需要兼容特定协议和标准，如蓝牙、Wi-Fi或 ZigBee吗?或者还是自己设计协议来满足应用要求吗?

　　接口：需要哪种数据接口(RS-232、SPI、USB 等)?对于简单应用，可能只需要微控制器上的一个总线。

　　功耗：如果设备为远程或便携式，电池使用寿命是一个关键因素。需要选择具有休眠模式和低占空比工作的芯片或模块和协议，以最大限度延长电池寿命。

　　第3步：选择技术

　　根据上面列出的技术指标，使用这个表选择要采用的技术。你可能会发现只有一种适合，或者可以使用两种或更多。该表可帮助你找到特定选择，选择时还需要考虑其它另外几个因素。

　　蓝牙是应用最为广泛的无线标准，比Wi-Fi广泛10倍或者更多。蓝牙技术的成功主要与手机和手机耳机应用有关，而在多种其它应用(如计算机外设)中也有蓝牙技术。最主要的是，蓝牙是远程耳机和扬声器及其它音频应用中首屈一指的音频无线技术。

　　蓝牙具有广泛的速度选项。基本数据率为1 Mbps，但也可以选3 Mbps增强型数据率(EDR)。2008年之后，对视频和其它非常高的数据率需求，将会出现一种数据率达480 Mbps的超宽带版本。

　　最后，蓝牙能够满足基本联网。可以与称作微微网(piconet)中的其它7个蓝牙节点会话。这些节点依次在更多的扩展分散网中互相会话。

　　虽然蓝牙在许多应用中都具有巨大潜力，但不是对所有应用都适合。由于蓝牙协议及相关堆栈都很复杂，对某些简单应用就是多余的。然而，对某些预先确定的应用，如音频，其正式化的概图和认证是其它技术所无法比拟的。

　　红外(IR)无线技术，跟蓝牙一样，它们的应用比你能想象到的要更广泛。事实上，世界上每种远程控制都采用IR。IR工作很出色，并且成本很低。最大问题是范围很有限，另外，视线路径也必须畅通无阻。理想范围是±15°锥型1米范围，不过也可以达到更长距离。IrDA标准提供的数据率可以达到16 Mbps，并且模块非常廉价。

　　ISM频带是可以使用的最简单的标准之一。ISM最适合超简单控制或监测应用。其数据率很少超过100 kbps，并且一般都比此值小许多。可以选的频率很多，但大多数应用采用315～938 MHz、433.92～938 MHz, 及902 ～938-MHz (915MHz最普遍)及2.4 GHz 频带。

　　没有正式协议。所以，如果打算采用这些简单而成本低廉的设备，就需要制定自己的协议。ADI的ADF70xx ISM系列芯片包括有一个软件包，有助于使用该公司的芯片，建立一个简单的协议来解决自己的问题。

　　赛普拉斯半导体公司的WirelessUSB系列使用2.4GHz直接序列扩频(DSSS)，给人机接口设备(HID)提供低速无线通信(如键盘和鼠标)。其基本数据率只有62.5 kbps，不过也可以采用一种1Mbps版本。对多点到单点应用也不错。可以采用一种简单协议，使设计人员可以把精力集中到设计的其它方面。

　　在过去的10年间，Wi-Fi得到了不断发展。Wi-Fi主要用在无线局域网(LAN)中。偶而也用在短距离监测和控制中。

　　Wi-Fi是一种复杂的标准，但是如采用一个功放和定向天线，则能扩展到100 米甚至更远的距离。新的802.11n标准的数据率从11 Mbps到远大于100 Mbps，这对大多数短距离应用都过度了。功耗相应较高。

　　超宽带(UWB)是另一种针对速率非常高的应用的技术，可以达到53 ～480 Mbps的数据，但距离小于10米。其标准专注于实现USB接口标准的无线版，USB接口标准在计算机外设和其它设备中非常普及。其他潜在的应用包括视频。

　　ZigBee是为短距离监测和控制设计的，具有在所有这些技术中 功耗最低的特点。在其基于IEEE 802.15.4标准的最简单形式中，对P2P、M2P或P2M应用很适合。通过增加ZigBee联盟堆栈，mesh联网成为可能，因此扩展了所有节点的范围和可靠性。有多种芯片和模块可供使用。只是要注意，如果采用ZigBee堆栈，则不仅要面临认证标准的问题，而且要面临专利付费问题。

　　如果在高噪声环境下工作，就选择能降低噪声的调制方法。所有FSK相关(频移键控)调制都不错。DSSS因其基于BPSK(二进制相移键控)调制，效果更好，但要更复杂，并且成本更高。幅移键控/开-关键控(ASK/OOK)是到目前为止最简单的方法，但要使性能达到最佳，要求距离更短，并且环境噪声要更低。

　　应用也可能影响工作频率。根据Friis自由空间功率公式，频率越低(波长越大)，则给定功率下总距离越长。就是说，如果最大距离很关键，就要使用较低的260～470 MHz非认证频带，而不是更高的900MHz和 2.4 GHz频带。另一方面，频率越低，天线尺寸越大。对某些便携式应用或移动应用，这可能成为一个实际问题，是需要权衡考虑的一项关键因素。

　　最后，可能影响选择的一个关键问题是安全性。Bluetooth、IrDA和ISM频带中不具备安全性，而UWB、Wi-Fi及ZigBee则具有。

　　第四步：制造还是购买?

　　在本步骤中，必须确定制造和购买哪个更好。如果项目需要尽可能低成本的嵌入式方案，或许就要选择芯片并设计自己的方案。如果应用允许，可以合并现有模块而加快设计的完成。

　　这些模块有无线连接需要的所有东西，有时还包括有天线。费用要高一些，而且模块一般体积要大一些，并且价格更高。不过，对某些小批量且体积/成本要求灵活的应用，选择这些模块相当好。如果对无线了解越少，则选择模块方法更佳。

　　第五步：天线

　　不要忘记还有天线，天线是所有无线设备中的关键机械部件。实际上，一开始就要把天线考虑在内，因为应用能否成功取决于它。

　　第六步：符合FCC

　　要为“联邦通讯委员会(FCC)”测试作准备。无线设备已经设计好之后，需要得到FCC的使用和销售认可。FCC要求产品能达到设备所属分类已有辐射限值的认证。此外，所有有意辐射体都必须有完整FCC证书。

　　自己可以对设备进行测试，但大多数公司将此分包给专门进行此类业务的机构来完成。在Yahoo或Google里输入“FCC testing”就能找到几十家。要确认预算中包括了这项服务费用。

　　估算信号强度和路径损耗

　　可以采用一些基本公式，对距离、功率及其它一些链路性能作初步估算。基本公式为：

　　Pr=(PtGtGrλ2) / (16π2d2)

　　其中Pr为接收功率;Pt为发射功率;Gt为发射天线功率增益;Gr为接收天线功率增益;d为发射器和接收器之间的距离，单位为米，是以米为单位的波长，等于300/fMHz。要确认两个关键因素：

　　?接收功率是波长平方的函数。因此，频率越低，接收功率则越大。频率越高越好，这是由于频率越高，天线尺寸要小许多。不过，功率一定的话，则距离要小。

　　?接收功率是发射器和接收器之间距离的平方的函数。设计目标是对距离与功率和频率的关系进行平衡。

　　在这一公式中，假设发射和接收天线之间的视线(LOS)路径清晰，因此没有考虑穿墙、树木或其它障碍物。此外，本公式仅仅在发射和接收天线的间隔足够达到远场才有效。

　　所有电磁波都有近场和远场。近场主要是磁场，因此发射和接收天线更像变压器的初级和次极。远场是实际混合电磁场或无线电波。其距离约大于D2/λ，其中D为天线最大尺寸(一般为工作频率处的半波长，即468/fMHz)。要使估计最佳，为保险起见，可假设远场大于10倍波长。

　　公式中的天线增益是相对于各向同性(球体)源的。该源增益为1。大多数实际应用的天线，如半波偶极子天线或四分之一波地平面，都是定向的。因此，天线增益表示功率增益为1.6?倍或者2.15 dB。

　　使用该公式的关键是估计以dB为单位的路径损耗。其根源是发射和接收天线之间距离引起了路径衰减。可以用下式估计路径损耗：

　　dB loss=37 dB + 20log(fMHz) + 20log(d)

　　其中，d为距离或范围，单位为英里，1英里约等于1610米。得到了给定天线组的路径损耗和发射功率之后，就可以用下式确定所需要的接收器灵敏度：

　　Pr=Pt–PL

　　假设路径损耗为90 dB，发射功率为10dBm (10 mW)，则需要的接收器灵敏度为：

　　Pr=10–90=–80dBm

　　接收器灵敏度是增大距离的关键，也是给定发射功率和天线增益下得到更高链路可靠性的关键。要尽可能使接收器灵敏度达到最大。某些新型设计的接收器灵敏度可以达到–120dBm～–130dBm。

　　代表性产品

　　几乎对任何应用，都有几十种很好的芯片和模块可采用。新型产品包括ADI最近推出的ISM频带芯片以及微芯技术公司的某些ZigBee产品。

　　ADI的ADF70xx系列收发器工作在50 MHz～1 GHz范围，大多数版本都采用FSK或高斯FSK(GFSK)，数据率在20～384 kbps范围。功率输出在–20 (或–16dBm)～+10(或+13dBm)之间可调。接收器灵敏度达到–125dBm。

　　有多种版本也提供ASK和OOK调制。其它可以实现2FSK、3FSK或4FSK工作，每个符号含有更多位，因而在更窄的通道内获得的数据率更高。大多数模块都含有高斯数据滤波，有助于使发射带宽变窄，并且保证符合邻近通道功率(ACP)技术规范的要求。

　　ADI的“SRD(短距离器件)设计工作室”软件能对无线连接设计和ADF70xx芯片仿真提供帮助。使用该软件包，可以快速而有效地开发实时仿真，测试多种配置，并且查找可能存在的问题。

　　该软件可以使用户在下列三种仿真模式中选择一种，这三种模式是：频域、瞬态分析以及频谱分析。同时，也可以用频带、功耗、同步检测、链路分析、调制选择、数据率、环路滤波器以及其它参数作实验，以优化设计。该软件为免费软件，可以从www.analog.com/srddesign下载。

　　Microchip公司的MRF24J40 IEEE 802.15.4 2.4-GHz DSSS无线收发器是针对ZigBee应用的，可以单独使用或者与ZigBee联盟堆栈协同使用。同时，该公司所有的MiWi协议与ZigBee 网状 lite类似，该协议是一种简单协议，可用于节点数少于100个且节点之间跳跃数不多于4个的网状网络拓扑应用。如果应用要求超过了此限制，则要选择ZigBee。

　　不过，许多应用并没有那么庞大。如果基本802.15.4特性降低得不严重，MiWi可能是个不错的选择。用单个晶振和微芯公司流行的一种PIC微控制器，很快就可组成能得到认可的mesh无线网络。此外，可以选用该公司的ZENA无线网络分析器工具，简化ZigBee和MiWi协议组的配置。这样可以降低代码量并优化设计。

　　同时，查看一下AMI半导体公司的ISM频带芯片。AMIS-53050是针对小于1 GHz的FSK/OOK工业应用。AMIS-52150适合402MHz～405MHz频段ASK/OOK工业应用。AMIS52100工作于401MHz～406 MHz医学频段，适合可植入应用。