探讨无线设计的关键指南

　　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。

　　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902~928MHz 频带的15.249.

　　设计步骤

　　步：明确应用和特点

　　像任何设计冒险一样，无线设计的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，以及工业传感器监测，是更流行的应用之一。

　　第二步：定义关键特性

　　定义项目的重要特性很关键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。

　　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的噪音？

　　连接：是点对点通讯（P2P）、点到多点（P2M）还是多点到点（M2P）通讯？

　　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。

　　数据率：需要的数据率是多少？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。

　　接口：需要哪种数据接口（RS-232、SPI、USB 等。

　　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，以限度延长电池寿命。

　　第三步：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，而在多种其它应用中也有蓝牙技术。

　　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（EDR）。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。

　　，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。

　　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。问题是范围很有限，

　　ISM频带是可以使用的简单的标准之一。ISM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315~938 MHz、433.92~938 MHz, 及902 ~938-MHz （915MHz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。

　　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。

　　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。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 功耗的特点。

　　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。

　　，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？

　　在本步骤中，必须确定制造和购买哪个更好。

　　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。

　　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。

　　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。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

　　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=（PtGtGrλ2） / （16π2d2）

　　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。

　　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/λ，其中D为天线尺寸。要使估计，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。某些新型设计的接收器灵敏度可以达到–120dBm~–130dBm.

　　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近推出的ISM频带芯片以及微芯技术公司的某些ZigBee产品。

　　ADI的ADF70xx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+13dBm）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ADF70xx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。

　　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。

　　不过，许多应用并没有那么庞大。用单个晶振和微芯公司流行的一种PIC微控制器，很快就可组成能得到认可的mesh无线网络。

　　同时，查看一下AMI半导体公司的ISM频带芯片。AMIS-53050是针对小于1 GHz的FSK/OOK工业应用。AMIS-52150适合402MHz~405MHz频段ASK/OOK工业应用。AMIS52100工作于401MHz~406 MHz医学频段，适合可植入应用。