无线通信系统设计的关键步骤

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 9 02 928MHz 频带的 15 249 设计步骤设计步骤 第一步 明确应用和特点第一步 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 第第 3 步 选择技术步 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 ED R 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 IrD A 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 3 15 938 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 ADF70 xx 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 Zi gBee 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 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 PtGtGr 2 16 2d2 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 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 120dB m 130dBm 代表性产品代表性产品 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 IS M 频带芯片以及微芯技术公司的某些 ZigBee 产品 ADI 的 ADF70 xx 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 1 3dBm 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 ADF70 xx 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 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