解决设计多射频硬件挑战的方法

如今，市场被驱使在单个盒子中设计具有多个RF协议的产品，称为网关。无线连接有许多不同的好处，它提供更好的用户体验和不同的协议，提供互补的优势。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波还是Sub-1 GHz，还是一些专有协议。多协议（无线电）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其推送到互联网上。

多射频和多协议解决方案的组合适用于两个或多个无线电，它们同时在相同或不同频谱上运行不同的多个协议。这种方法通过利用不同的协议来利用更有效和可靠的数据流。因此，最终用户可以充分利用，因为他们能够通过单个单元连接在不同RF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面临的主要挑战

多协议硬件的出现是对最近多种不同通信协议普及的回应。因此，OEM在设计多无线电硬件时面临着一些关键挑战：

多射频硬件在天线选择、放置、仿真、内存估算、外壳设计、材料和现场测试方面需要花费大量时间

控制精确的阻抗，以减少共置无线电之间的干扰、回波损耗和共存，使其符合 FCC 和 CE 等管理机构的要求

如果有两个或多个无线电并发运行并共享相同的频谱，那么将存在共存，这可能导致相互干扰

测量性能参数，如多射频硬件的通信延迟、范围、效率和可靠性

共存往往会影响设备的性能，这可能导致数据包丢失或数据损坏，音频中弹出和噼啪作响的噪音，减小工作范围和覆盖范围

由于标准适用性不同，当多无线电硬件进入画面时，不同地理区域的法规遵从性也将具有挑战性

为多射频硬件开发固件时要考虑的事项

当今的物联网应用正变得越来越复杂，它增加了对内存容量的需求。让我们了解内存和固件附带的硬件工程解决方案中的挑战：

开发用户友好且灵活的嵌入式应用需要复杂的状态机、出色的功耗优化、内存密度和 CPU 性能。RF SoC 或模块需要更多的闪存和 RAM 优化才能获得最佳性能

提供无线 （OTA） 固件更新功能需要足够的闪存来存储 Bootloader，并且需要两倍于应用程序固件的大小，以便在产品要在当今蓬勃发展的物联网市场中具有竞争力时保持旧固件，同时缓冲新固件

实时管理具有各种网络架构的多个无线电，而不会降低性能

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，因为闪存中的信息在产品生命周期中可以读取和写入数千次。在这种情况下，利用RAM信息可以快速写入读取，这使得处理器能够以如此高的速度工作并实现边缘处理

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/自动化应用可能需要RF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24 kB RAM和192 kB闪存。

最佳实践是否有助于克服硬件和固件挑战？

为了解决上述多射频硬件、内存和固件挑战，让我们了解如何利用其硬件专业知识来覆盖 OEM 的痛苦领域，从而有助于提高产品的整体性能。

标准方法从产品对所有RF要求和其他外围设备的理解开始，列出所有RF接口协议频率，然后执行模块/ SoC选择等任务，相对天线选择，识别外壳及其材料，模块的位置及其天线。PCB设计的早期阶段将进行2D平面规划，这有助于详细了解所有RF模块和参数的实际位置：

模块/网络芯片选择：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、操作系统、监管认证、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：内存预算对于任何RF模块来说都是一个非常重要的参数，它纯粹基于RF堆栈大小，对设备数量的支持以及应用程序业务逻辑来定义或计算。在最终确定模块/ SoC之前，应仔细计算并明确与内存相关的要求

天线选择和放置：天线选择是多射频硬件中最关键的因素，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、VSWR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 走线天线 vs 外部天线

为了减少2个相同频率模块之间的共存和干扰，天线放置起着至关重要的作用。在这种情况下，天线应彼此垂直放置。我们正试图根据法规要求在2 RF之间进行适当的隔离，2个天线之间的隔离应等于或大于30 dB。有时，由于空间限制，不可能实现这样的隔离，在这个框架内，我们需要处理所有RF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RF模块/SoC的发射功率。

射频模拟：仿真是在产品开发早期阶段预测无线电问题的有效策略。有多个模拟器软件，如HFSS，CST，ADS等，应根据问题类型明智地使用。Volansys等公司帮助执行早期天线仿真，从而在天线放置位置、范围改进和RF路径调谐（如果由于外壳材料导致任何频率偏移）方面提供结果和信心

外壳设计及其材料：为了达到最佳效果，请尝试使用可以平衡环境，可靠性和RF性能需求的材料最终确定塑料外壳。有时，由于已经预定义的尺寸和结构，COTS外壳可能会导致放置挑战，而在定制设计中，我们可以灵活地进行PCB放置，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/介电常数选择在射频性能中起着至关重要的作用。一些在2.4GHz下良好的塑料材料是聚碳酸酯，聚碳氢，聚碳酸酯+聚氯乙烯。有时我们需要为户外和工业应用选择金属外壳，在这种情况下，选择外部天线将是关键点。

设计验证测试：RF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、RF输出功率测量、接收灵敏度、室内和室外范围测试、流量大的情况下最坏情况下的RF环境，并使用分析仪进行监控。要执行一些验证测试，需要VNA，频谱分析仪，DSO和RF室类型的实验室仪器。

审核编辑：郭婷