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RF和蓝牙的比较

当涉及从人机接口设备(HID)到物联网(IoT)的远程传感器等应用的无线连接时,设计人员有很多选择。需要做出的更重要的决定之一,以及许多设计师仍在争论的决定之一是是否采用基于标准的RF接口,如Wi-Fi蓝牙或ZigBee,或专有RF物理层(PHY )设计和协议。
选择其中之一的原因很多,但在成本,安全性,功耗,互操作性,设计时间,面对干扰时的稳健性,共存性,延迟和认证要求等方面的相对权衡也是如此。许多这些权衡是相互关联的,所以设计者必须首先确定设计要求,然后相应地进行优化。
本文将讨论在标准蓝牙接口和专有RF协议之间进行选择时需要考虑的因素。然后它将引入一个蓝牙5模块,然后是可以实现专有协议的硅解决方案,并为每个模块提供有关如何快速启动和运行的适当指导。

专有的RF优点和缺点

如果设计需要在安全性,低功耗,小占用面积和性能方面进行优化,则专有PHY和协议的情况会非常强劲。
从车库门开启装置到物联网设备,安全对于许多应用程序至关重要。有了专有无线电,它可以通过多种方式解决。首先,专有设计确保了“安全隐蔽”,因为一个不为人知的RF接口更难以破解。专有接口也倾向于点对点,或者在不连接到更广泛的网络的封闭系统中运行,因此保持隐藏状态。最后,专有接口设计人员可以自由开发自己的高级加密算法或调整已建立的加密算法,而无需与其他制造商的安全算法进行​​互操作。不同的是,它本身就是一种安全优势。
专有无线电设计在确保面对来自Wi-Fi网络,微波炉,无绳电话和其他低功率无线网络的干扰的强大连接时具有优势。不受限于标准,设计人员可以灵活地使用直接序列扩频(DSSS)和跳频扩频(FHSS)等澳门美高梅娱乐城更好地利用频谱。另外,他们可以根据预期的链路预算采用他们自己的首选编码方案,以获得更高的吞吐量或更低的功耗。
这种灵活性也适用于数据包结构。如果没有确保与基于标准的无线设备的互操作性所需的数据包开销,则可以根据应用程序的需要简化数据包结构。
从硬件设计的角度出发,深入理解性能要求并确保这些要求不会在后期阶段发生变化,从而使专有RF接口的设计人员能够针对空间,功耗和性能进行优化。他们可以通过再次仅包含满足应用程序需求所需的那些功能来实现。
虽然专有射频有许多优点,但还有许多因素需要考虑。首先是成本:为了证明定制射频集成电路设计和相关软件的非反复工程(NRE)成本,特别是对于低成本器件,预计量应该> 100,000。
与成本紧密结合是设计时间,尤其是考虑到RF设计的变幻莫测以及RF专业知识的充分记录的稀缺性,以及开发成功设计所需的固件和软件所需的时间。

广泛采用蓝牙,始终适应

另一个极端是蓝牙。最初设计为HID和其他设备纠缠用户的直接点对点电缆替代澳门美高梅娱乐城,它很快成为无线音频和设备到设备的连接解决方​​案。受益于蓝牙特别兴趣小组(SIG)的严格控制,蓝牙非常了解,设计人员可以确信他们的设备将与其他蓝牙设备进行连接并与其他蓝牙设备进行互操作,无论硬件来源如何。
广泛采用和可互操作的设备带来了丰富的硬件和软件,为需要无线接口的设计带来了更低的成本和更快的上市时间。此外,蓝牙多年来一直在发展。
它始终以2.4 GHz工业,科学和医疗(ISM)频段运行,从其79个1 MHz载波的GFSK调制开始,吞吐量达到1 Mbit / s。这被称为蓝牙基本速率(BR)。其自适应FHSS编码方案使其即使在物联网带来更多无线连接设备的情况下,仍可在面对干扰时继续保持稳健。为了达到更高的数据速率,蓝牙2.0 +增强型数据速率(EDR)使用π/ 4-DQPSK(差分正交相移键控)和8DPSK调制,分别达到2和3 Mbits / s的速率。
虽然蓝牙受到SIG的严格控制,但设计人员需要仔细研究2010年推出蓝牙4.0核心规格后所发生的变化。该蓝牙低功耗(BLE)以前称为Bluetooth Smart。BLE不兼容蓝牙经典版,因此设计师在这里需要小心。
BLE的主要目标是低功耗。它通过从Bluetooth Classic的面向连接的方法(其中设备始终处于连接状态)转变为无连接的方法来实现此目的,在这种方法中,只需要在短时间间隔内进行连接。应用程序是智能手表和传感器等可穿戴设备。
蓝牙澳门美高梅娱乐城联盟继续改进规格以满足其会员及其应用的各种需求。有关它如何发展的更多信息,请参阅“ 蓝牙4.1,4.2和5兼容的蓝牙低功耗SoC和工具满足IoT挑战(第1部分)”。
最新版本的蓝牙5通过使用更强大的前向纠错(FEC)澳门美高梅娱乐城,将BLE数据速率从1 Mbit / s增加到2 Mbits / s,并将128 kbit / s连接的范围增加4倍到50 m, 。较高的数据速率允许在给定的时隙内传输更多的数据包,因此设备可以在较长时间内保持低功耗或空闲模式,从而降低功耗。
距离越远,设计者就可以更灵活地为包括信标在内的任何蓝牙设备权衡数据传输距离。信标是电池供电的BLE设备,它们将标识符广播到附近的移动设备,以便这些设备在靠近信标时可以执行某些操作。受广告商欢迎,它们还可以实现精确的室内和室外跟踪。
然而,SIG实施了另一个有趣的调整,专有的RF接口设计人员也可以做到这一点:他们降低了开销与负载的比率,需要更少的传输来发送给定数量的“真实”数据,以进一步降低功耗。
从简单的电缆替换澳门美高梅娱乐城开始,它变成了更有用的东西。因此,设计人员现在更倾向于寻找快速简便的蓝牙解决方案,而不是花费设计自己的RF接口的成本和费用。

起床并运行在蓝牙上

随着上市时间缩短以及设计预算缩减,选择蓝牙接口的这种倾向正在变成一种必然。幸运的是,对于许多设计来说,有足够的空间容纳现成的蓝牙模块,这将使设计团队专注于他们的最终应用和差异化。
其中一个模块是Rigado的BMD-330 Bluetooth 5模块(图1)。虽然蓝牙有很多模块,但是这个模块特别有趣和有用,因为它在电路板上有一个集成天线。天线匹配和放置是射频设计的更精细的澳门美高梅娱乐城之一,因此从设计师处卸载它可以节省时间并有助于确保最佳的信号耦合。
Rigado BMD-330蓝牙5模块的图像
图1:BMD-330蓝牙5模块随附天线和匹配电路,以简化和加速实施。(图片来源:Rigado)
该模块是一个完整的解决方案,具有法规认证,自身的板上DC-DC转换器,智能功率控制以及9.8 x 14.0 x 1.9 mm的尺寸。在包含天线的同时,它确实需要一个合适的接地平面来有效辐射。而且,从模块的天线部分伸出的区域应该保持铜和其他金属的清洁,并且模块应该放置在印刷电路板的边缘,天线朝外。
将模块安装在机箱中时,确保天线附近没有金属,否则会影响性能。由于其设计和调整适用于自由空气操作,因此灌封,环氧树脂,包覆成型或保形涂料会影响性能,应用后需要进行额外的测量,以确保链路预算在规定范围内。
该模块基于Nordic Semiconductor的nRF52810片上系统(SoC)(图2)。它使用时钟频率为64 MHz的Arm®Cortex®-M4 CPU,具有192 KB闪存和24 KB RAM。
基于Nordic半导体的nRF52810 SoC构建的BMD-330模块图
图2:BMD-330模块是围绕Nordic半导体的nRF52810 SoC构建的,其中包括Arm®Cortex®-M4 CPU和2.4 GHz无线电。(图片来源:Rigado)
这不是太多的闪存空间,所以Rigado没有在模块上提供任何工厂固件。由于没有引导加载程序,因此需要使用串行线路调试(SWD)接口加载任何固件。然而,一旦完成,Nordic提供了一系列名为SoftDevices的协议栈。这些是预编译的,预先链接的二进制文件,可从北欧网站下载。带有nRF52810 SoC的BMD-330支持S132(BLE中央和外设)软设备和内存优化的S112(BLE外设)软设备。
BMD-330模块的主要规格包括+4 dBm的发射功率和-96 dBm(BLE模式)的接收灵敏度。它在3伏电源下运行,在发射模式下,在0 dBm时,以+ 4 dBm和4.6 mA吸取7.0毫安(mA)。在接收模式下,它在1 Mbit / s下吸收4.6 mA,在2 Mbits / s下吸收5.8 mA。发送和接收规格都假设DC-DC转换器已启用:禁用时电流增加。

专有与蓝牙甜蜜点

在完全定制的专有无线电设计和标准蓝牙之间,还有另一种选择:一种现成的无线电收发器,设计人员可以在其中开发自己的协议和编码方案,或者采用现成的版本,例如Ant,Thread,或ZigBee。随着可用硅芯片成本的不断下降以及各种软件支持的不断增加,这可能成为设计人员寻求差异化的最佳选择,优化的一些空间,以及增强安全性的选项,同时将成本控制在最低水平并进行设计时间表完好无损。
Silicon Labs的 EFR32FG14 Flex Gecko专有协议系列SoC(图3)是对此路线感兴趣的设计师的不错选择。
Silicon Labs的EFR32FG14 Flex Gecko示意图(点击放大)
图3:Silicon Labs的EFR32FG14 Flex Gecko提供了一个坚实的硬件平台,可以在其中添加或开发专有软件。(图片来源:Silicon Labs)
与BMD-330一样,EFR32FG14也使用Arm®Cortex®-M4内核,但最高运行频率为40 MHz而不是64 MHz,因为该芯片非常针对低功耗IoT应用。它具有高达256千兆字节的闪存和32千字节的RAM。请注意,该芯片支持2.4 GHz和sub-GHz(915 MHz)操作,并提供了天线网络匹配指南。该芯片还支持天线分集,以减轻频率选择性衰落的影响。
还内置了许多灵活的I / O和安全功能,包括:12通道外设反射系统,可实现MCU外设的自主交互; 多达32个GPIO; 和自主硬件加密加速器和真随机数生成器。2.4和亚GHz运行的功率放大器也集成在芯片上。
为了帮助开发过程,EFR32FG系列的Silicon Labs SLWRB4250A板(图4)。它包括SoC,头部,晶体,天线匹配电路以及软件。
Silicon Labs SLWRB4250A Flex Gecko无线电板图
图4:SLWRB4250A Flex Gecko无线电板为实验专有的低功耗无线接口提供了必要的硬件。(图片来源:Silicon Labs)

结论

有许多理由选择完全专有的RF设计路线或标准蓝牙无线电。在成本,时间,性能,尺寸,安全性以及许多其他因素方面满足设计和应用要求时,每种方法都占有一席之地。然而,对于那些希望获得现成芯片的许多成本和时间节省优势以及灵活地添加某种级别的专有差异化的设计人员,供应商现在还提供了坚实的硬件平台。

(责任编辑:ioter)

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