如何使用射频模块快速实现无线连接

Cliff Ortmeyer

摘要：当前，许多应用都依赖于无线通信，尤其是物联网（IoT）和工业物联网系统。然而，射频开发却较为复杂，且认证成本高。本文探讨了射频电路设计面临的多项挑战，并介绍了ST Microelectronics、Silicon Labs、Murata、Wurth Electronics和Microchip等模块制造商极具代表性且经认证的整体解决方案，探讨了如何利用这些即用型解决方案更便捷、更高效地开发各种系统集成WLAN、LPWAN及其他无线通信功能，从而减少射频通信集成工程的工作量及风险。

关键词：射频;模块;连接

无线连接已迅速从电子产品的高配选项转变为电子行业全品类的必备功能。尽管有时可以使用有线连接接入网络上的其他系统，但无线连接现在已被视为传感器接入工业控制系统，以及网关连接互联网的主要机制。

蓝牙低功耗模式和LoRaWAN等协议能够让部署于任何地点，包括以往难以到达场所的电池供电设备保持长期连接。例如，Sigfox和LoRaWAN两种低功耗广域网（LPWAN）标准可将传感器节点部署在距离网关设备达50km的位置，使得传感器设备能够用于农业生产、野生动植物调查和管道监测等偏远地区应用。也就是说，通过结合使用高效的微控制器，这些低功耗无线协议能够让设备在几个月甚至更长时间内无需充电或更换电池，即便这些应用涉及长距离通信。

目前，面向远程及本地网络的无线连接技术协议种类持续增多，如适用于楼宇和家庭监控及工业自动化应用的蓝牙、Thread、Zigbee和Z-Wave等协议，以及适用于本地和远距离传输的Wirepas。Wirepas使用与蓝牙和WiFi相同的2.4GHz频谱，或1.9 GHz DECT-2020 NR标准实现远程传输。

1射频设计挑战

如何选择合适的无线连接技术并解决各种复杂性问题是原始设备制造商（OEM）和集成商面临的难题之一。开发团队需要在更大板卡或模块设计环境下衡量各无线连接协议的独特特性。以Sigfox和LoRaWAN为例，一方面，LoRaWAN采用扩频调制技术来避免干扰，并能支持300bit/s到50kbit/s的数据速率;Sigfox则使用超窄带技术传输来实现较低的数据速率。另一方面，LoRaWAN旨在支持双向通信，而Sigfox则进一步优化了传感器节点网关的传输，且功耗非常低。因此，这两种无线连接协议适用于不同应用架构。

许多局域网标准使用网状网络技术来扩展无线基础设施的覆盖范围和容量，而不会增加能耗。在网状网络环境中，不能直接发送到网关的数据包，而可以在临近节点之间使用短跳方式定向传输到网关。然而，对于一些尤其注重延迟或安全问题的应用场景，点对点直接传输模式则更为适合。

为了确定产品在实际应用中的运行情况，开发团队需要测试不同的网络选项，以便验证并找到最优无线连接解决方案。如果他们选择定制电路和天线设计，那么原型设计工作可能会耗费大量时间。若进行射频设计，开发工作量可能还会更大，因为大多数无线标准需要集成多种设计技能。这就要求开发团队掌握相关知识，包括天线结构及其对信噪比的影响，以及低噪声放大器和模拟混频器的设计。此外，他们还需要确定主机微控制器所需固件，以便控制通道访问和网状路由等高级功能。

如果设计人员的最佳实践经验有限，天线和前端模拟设计可能会极难处理。即便是微小的路由和布局变化都会对无线电性能产生巨大影响，这可能会导致有效传输距离缩短及功耗的大量增加。

对于那些追求定制设计的设计人员来说，射频电路还会带来测试和认证问题。尽管所有电子产品都会要求电磁兼容性（EMC）测试，但射频接口却使得这一过程变得更加复杂。大多数涉及射频传输的法规对设备使用的频带内外的功率都有严格的限制。系统电路之间若发生意外交互，可能导致设备无法通过这些测试。另一复杂因素在于特定协议（如蓝牙）所需的认证过程。若要认证兼容性，就需要验证设备的合规性及与其他制造商产品的互操作性。

2即用型射频模块快速实现无线连接

定制射频设计所带来的更大复杂性显著推动了即用型模块的使用。射频模块的主要优势在于，它们经过全面测试和认证，且支持低功耗协议的模块通常配有板载天线。这样一来，设计人员就能组装一个真正独立的电路板或封装，有些甚至可以配置用于调度传输的微控制器和固件，它们只需通过主机处理器的简单命令即可触发。这就意味着解决方案与主机系统的集成不会影响射频模块的性能或其认证状态。

市面上存在各种射频模块产品选择，既有专为尺寸受限的物联网传感器节点设计的小型集成封装，也有高带宽板级模块，这就为模块用户提供了多种集成方案选择。一些模块使用简单的并行或串行接口，其工作方式与串行通信通道相同，且符合常见的扩展板格式，例如：意法半导体的STEVAL-IDB008V2。该模块兼容Arduino扩展板外形尺寸，并提供完整的蓝牙无线电接口。一些模块，如STEVAL-IDB 0007V1M等则具有集成加速度计和压力传感器等附加功能。另有一些模块则部署了USB等协议，例如：Silicon Labs的BLED112-V1C模块可在USB-A连接器内构建一个蓝牙4.0控制器，进而轻松连接评估板。有些模块可以直接焊接到载板上，专为满足最小批量生产或连接器成本最小化需求而设计。例如，Murata推出了采用芯片级封装的最小型LPWAN模块以及面向蓝牙和WiFi網络的LBEE59B1LV-278模块。Würth Elektronik则为其产品组合增加了Wirepas支持功能，并开发了多款可焊接到载板的模块，其中包括具有蓝牙功能的Proteus-III和兼容WiFi的Calypso等型号。TaiyoYuden也是一家专注于蓝牙和WiFi领域的芯片级模块制造商。

此外，一些模块还提供更多附加功能，以简化无线网络与设备固件的集成。例如，Microchip的WFI32E01集成了经认证的WiFi收发器设计及Trust&Go预配置安全元件。这为WFI32E01模块提供了安全密钥，能够让设备插入后立即使用秘钥凭证访问云计算服务。Trust&Go无需安装工程师进行产品配置即可构建安全连接，最大限度地减少了物联网设备可能遭受的攻击风险。

一些制造商致力于简化软件开发流程。例如，Pycom专注于开发可以运行MicroPython解释器的模块，包括综合开发工具和库，进而加快包括局域网和LPWAN协议在内的各种无线通信标准应用的原型设计。

Laird除了提供局域网、LPWAN产品以及蜂窝网络解决方案等广泛产品之外，还提供具有集成无线连接的无线网关和传感器用于创建测试网络。此外，Laird等供应商还可以为大批量产品需求提供定制服务，并为在板级和系统级集成其无线电路的客户提供测试服务。

总之，通过使用射频模块产品，设计团队可以对支持物联网和其他分布式计算应用的关键无线协议进行深入评估。一旦设计工程师找到了适合其开发工作的数据处理和通信组合方案，就能实现较低成本的批量生产。借助e络盟等经验丰富的技术服务分销商，众多OEM厂商将能快速找到最合适的组件和产品，进而轻松集成到最终系统中，实现无线连接。