RF和蓝牙的比较_凯利讯半导体

　　当涉及到从人类接口设备(HIDs)到物联网(物联网)的远程传感器时，设计者们有很多选择。需要做出的最基本的决策之一，以及许多设计师还在努力解决的一个问题是，是否要采用基于标准的射频接口，如Wi-Fi、蓝牙或ZigBee，或专有的射频物理层(PHY)设计和协议。
　　选择其中一个的原因很多，但是在成本、安全性、功耗、互操作性、设计时间、面对干扰、共存、延迟和认证需求方面的相对权衡也是如此。许多这样的权衡是相互关联的，因此设计师必须首先确定设计需求，然后进行相应的优化。
　　本文将讨论在标准蓝牙接口和专有的RF协议之间选择时要考虑的因素。然后，它将引入一个蓝牙5模块，接着是一个硅解决方案，在这个解决方案中，可以实现一个专有的协议，并为如何快速启动和运行提供适当的指导方针。

　　专有的RF优点和缺点
　　如果设计需要在安全性、低功耗、小内存和性能方面进行优化，那么专有的PHY和协议的情况就很好了。
　　对于许多应用程序来说，安全性是至关重要的，从车库门开到物联网设备。有了专有的无线电，它的处理方式有很多。首先，专利设计确保了“安全-通过-晦涩”，因为不为人所知的RF接口更难破解。还有一种趋势是，私有接口是点对点的，或者是在不连接到更大的网络的封闭系统中运行的，因此保持隐藏。最后，专有接口的设计者可以自由地开发他们自己的高级加密算法或调整已建立的加密算法，而不必与其他厂商的安全算法进行互操作。只是与众不同本身就是一种安全优势。
　　当涉及Wi-Fi网络、微波炉、无绳电话和其他低功耗无线网络的干扰时，专有的无线电设计可能是有利的。没有与标准相联系，设计者可以灵活地使用诸如直接序列扩频(DSSS)和跳频扩频(FHSS)等技术来更好地利用频谱。此外，他们可以采用他们自己的首选编码方案，基于他们的期望链接预算，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。如果没有必要的包开销以确保与基于标准的无线设备的互操作性，包结构可以根据应用程序的需要进行简化。
　　从硬件设计的角度来看，良好理解的性能需求和保证这些需求不会在稍后的阶段发生变化，使得专有射频接口的设计者可以对空间、功率和性能进行优化。他们可以再次这样做，只包括满足应用程序需要的那些功能。
　　虽然专利射频技术有许多优点，但也有许多因素必须加以考虑。第一个是成本:为了证明非经常性工程(NRE)成本，一个定制射频IC设计和相关软件，特别是对于低成本设备，预期的体积应该是>100,000。
　　与成本紧密结合的是设计时间，特别是考虑到射频设计的变化和良好记录的射频技术的稀缺性，以及开发成功设计所需的固件和软件的时间。

　　蓝牙技术广泛采用，始终适应
　　另一个极端是蓝牙。它最初被设计成用于HIDs和其他设备的直接的点到点电缆替代技术，但很快就变成了无线音频和设备之间的连接解决方案。通过蓝牙特别兴趣小组(SIG)对严格控制的好处，蓝牙是一个很好的理解，设计者可以相信他们的设备将连接并且可以与其他蓝牙支持的设备进行互操作，不管硬件来源。
　　广泛采用和可互操作的设备导致了大量的硬件和软件，带来了更低的成本和更快的时间去市场的设计需要一个无线接口。此外，蓝牙技术已经发展了多年。
　　它一直在2.4 GHz的工业、科学和医疗(ISM)波段操作，从其79个1 MHz载波的GFSK调制开始，提供1兆比特/秒的吞吐量。这被称为蓝牙基本速率(BR)。它的自适应FHSS编码方案允许它在干扰者面前继续保持健壮，即使IoT带来了更多的无线连接设备。更高的数据速率,蓝牙2.0 +增强数据速率(EDR)使用π/ 4-DQPSK(微分求积相移键控)和8 dpsk调制,得到的2和3 mbit / s,分别。
　　虽然蓝牙是由SIG严格控制的，但是设计师需要仔细研究2010年引入蓝牙4.0核心规范带来的变化。这引入了蓝牙低能量(BLE)，以前作为蓝牙智能营销。BLE不向后兼容蓝牙经典，所以设计师在这里需要小心。
　　BLE的主要目标是低功耗。它通过从蓝牙经典的面向连接的方法移动到设备总是连接到一个没有连接的方法，在需要短时间间隔的时候连接它们。这些应用是可穿戴设备，比如智能手表和物联网传感器。
　　蓝牙SIG继续改进规范以满足其成员和应用程序的各种需求。更多关于它是如何演变的，请看，“蓝牙4.1,4.2和5兼容蓝牙低能量soc和工具满足物联网挑战(第1部分)。”
　　最新的版本，Bluetooth 5，将BLE数据速率从1 Mbit/s翻倍到2 Mbit/s，并通过使用更强的正向纠错(FEC)，将128kbit /s连接的范围增加了4x到50 m。较高的数据率允许在给定的时间插槽内传输更多的数据包，因此，由于设备可以在低功耗或空闲模式下延长时间，因此功耗降低。
　　更长的范围给设计人员提供了更大的灵活性来权衡任何蓝牙设备(包括信标)的距离。信标是一种电池驱动的BLE设备，可以向附近的移动设备广播他们的标识，这样这些设备就可以在靠近信标时执行某些动作。受广告商的欢迎，他们还能精确地进行室内和室外的跟踪。
　　然而，SIG实现了另一个有趣的调整，专有的RF接口设计者也可以做到:他们降低了过载比，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。
　　最初的一种简单的电缆替换技术已经演变成更有用的东西。因此，设计师们现在更倾向于寻找一个快速而简单的蓝牙解决方案，而不是通过设计自己的射频接口的成本和费用。

　　启动和运行蓝牙
　　这种选择蓝牙接口的倾向正成为一种必要，因为随着时间的推移，窗口的缩小和设计预算的缩减。幸运的是，对于许多设计，有足够的空间容纳一个现成的蓝牙模块，这将允许设计团队专注于他们的最终应用和区别。
　　一个这样的模块是来自Rigado的BMD-330蓝牙5模块(图1)。虽然有很多的蓝牙模块，但这一模块特别有趣，而且它有一个集成天线在板上。天线的匹配和放置是射频设计中较好的艺术之一，因此从设计器中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模块图像。


　　图1:BMD-330蓝牙5模块附带了天线和匹配电路，以简化和加速实现。(图片来源:凯利讯半导体)
　　该模块是一个完整的解决方案，有监管批准，它自己的车载DC-DC转换器，智能电源控制，和测量9.8 x 14.0 x 1.9毫米。虽然包括天线，但它确实需要一个合适的地平面来有效地辐射。此外，从模块天线部分延伸出来的区域应该远离铜和其他金属，模块应该放置在pc板的边缘，天线面向外。
　　当在外壳上安装模块时，要确保天线附近没有金属，否则会影响性能。由于它的设计和调优的自由空气操作，灌封，环氧，过成型，或保形涂层会影响性能，要求额外的测量，以确保连接预算在规范之内。
　　模块是基于nRF52810从北欧半导体芯片系统(SoC)(图2)。它使用一只手臂®皮层®m4 CPU时钟在64 MHz,flash和24 k字节的有192 kb的RAM。
　　在nRF52810 SoC周围建造的BMD-330模块，由北欧半导体制造。


　　图2:bmd - 330模块是建立在nRF52810 SoC从北欧半导体,包括一只手臂®皮层®m4 CPU和2.4 GHz无线。(图片来源:凯利讯半导体)
　　这并不是一个很大的flash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，任何固件都需要使用串行线调试(SWD)接口来加载。但是，一旦完成，北欧就提供了一系列称为SoftDevices的协议栈。这些是预编译的，预链接的二进制文件，可从北欧网站下载。BMD-330与nRF52810 SoC支持S132 (BLE Central &外围)软设备，以及内存优化的S112 (BLE外围)软设备。
　　BMD-330模块的关键规范包括:+4 dBm的传输功率和-96 dBm (BLE mode)的接收器灵敏度。它在传输模式下运行3伏电源，并在+4 dBm和4.6 mA上绘制7.0毫安(mA)。在接收模式下，它以1 Mbit/s和5.8 mA (2 Mbit/s)的方式绘制4.6 mA。传输和接收规格都假定DC-DC转换器是启用的:当它被禁用时，当前的增加。

　　专属于蓝牙的甜蜜点
　　在一个完全定制的专有无线电设计和标准蓝牙之间，还有另一个选择:一个现成的无线电收发器，设计者可以开发自己的协议和编码方案，或者采用现成的版本，如Ant、Thread或ZigBee。随着可用硅成本的下降和软件支持的广泛应用，这可能是设计人员寻找差异化的“最佳地点”，优化的一些纬度，以及增强安全性的选项，同时将成本保持在最小值和设计时间表不变。
　　对这条路线感兴趣的设计师来说，一个不错的选择是硅实验室的EFR32FG14 Flex Gecko专用协议家庭SoC(图3)。
　　硅实验室EFR32FG14 Flex Gecko图


　　图3:硅实验室的EFR32FG14 Flex Gecko提供了一个坚实的硬件平台，可以添加或开发专有软件。(图片来源:硅实验室)
　　像bmd - 330,EFR32FG14还使用一只手臂®皮层®m4核心,但运行的最大40 MHz代替64 MHz,针对低功耗的芯片非常物联网应用程序。它有256字节的闪存和32 kb的RAM。注意，该芯片支持2.4 GHz和dghz (915 MHz)操作，并提供了天线网络匹配的指南。该芯片还支持天线的多样性，以减轻频率选择性衰落的影响。
　　还内置了一些灵活的I/O和安全特性，包括:一个允许MCU外围设备自主交互的12通道外围反射系统;多达32 GPIOs;以及一个自主硬件加密加速器和真随机数发生器。2.4和次ghz操作的功率放大器也集成在芯片上。
　　为了在开发过程中提供帮助，在EFR32FG(图4)中有硅实验室SLWRB4250A板(图4)，它包括SoC、标头、水晶和天线匹配电路以及软件。
　　硅实验室SLWRB4250A Flex Gecko广播板。


　　图4:SLWRB4250A Flex Gecko无线板提供了实验所需的硬件，这是一个专有的、低功率的无线接口。(图片来源:硅实验室)

　　结论
　　选择完全专有的RF设计路线或标准的蓝牙收音机有很多原因。在满足设计和应用程序需求方面，每个方面都有自己的位置，包括成本、时间、性能、大小、安全性和许多其他因素。然而，对于那些想要获得现成的硅的成本和节省时间的好处的设计者，以及增加某种程度的专利差异化的灵活性，供应商现在也提供了坚实的硬件平台。