從人機(jī)接口設(shè)備 (HID) 到物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 遠(yuǎn)程傳感器，面對眾多應(yīng)用中的無線連接，設(shè)計(jì)人員有很多選擇。其中一項(xiàng)最基本的，也是讓許多設(shè)計(jì)人員感到棘手的設(shè)計(jì)決策是，到底是采用基于標(biāo)準(zhǔn)的射頻接口（例如 Wi-Fi、藍(lán)牙或 ZigBee），還是采用專有的射頻物理層 (PHY) 設(shè)計(jì)與協(xié)議。

選擇某種標(biāo)準(zhǔn)而非另一種的原因很多，不過同樣要考慮成本、安全性、功耗、互操作性、設(shè)計(jì)時(shí)間、抗干擾性、共存性、延遲和驗(yàn)證要求等之間的相對權(quán)衡。其中很多權(quán)衡彼此相關(guān)，因此設(shè)計(jì)人員必須首先確定設(shè)計(jì)要求，然后再進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

本文將討論在標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙接口與專有射頻協(xié)議之間進(jìn)行選擇時(shí)需要考慮的因素。然后，依次介紹一個(gè)藍(lán)牙 5 模塊和一個(gè)可在其上實(shí)施專有協(xié)議的硅解決方案，并分別提供關(guān)于如何快速建立和運(yùn)行解決方案的相應(yīng)指南。

專有射頻的優(yōu)缺點(diǎn)

如果設(shè)計(jì)要求進(jìn)行安全性、低功耗、小封裝和性能方面的優(yōu)化，則適合采用專有 PHY 和協(xié)議。

從車庫開門器到 IoT 設(shè)備，安全性對很多應(yīng)用而言至關(guān)重要。利用專有無線電可以從多個(gè)方面解決這一問題。首先，專有設(shè)計(jì)可確保“隱匿即安全”，因?yàn)椴粸槿酥纳漕l接口更難被攻破。此外，專有接口越來越多地采用點(diǎn)對點(diǎn)模式，或在未連接更大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)中使用，因而可以保持隱藏狀態(tài)。最后，專有接口的設(shè)計(jì)人員可以自由地開發(fā)自己的高級(jí)加密算法或調(diào)整既有的算法，而不必與其他制造商的安全算法保持互操作性。與眾不同，這本身就是一種安全優(yōu)勢。

面對來自 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)、微波爐、無繩電話和其他低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的干擾，采用專有的無線電設(shè)計(jì)有利于確保穩(wěn)健的連接。由于沒有綁定標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員可以靈活地運(yùn)用直接序列擴(kuò)頻 (DSSS) 和跳頻擴(kuò)頻 (FHSS) 等技術(shù)，更好地使用頻帶。此外，他們還可以基于預(yù)期的鏈路預(yù)算采用自己的首選編碼方案，以實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量或更低的功耗。

這一靈活性同樣適用于數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)。該數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)不需要數(shù)據(jù)包開銷來確保與基于標(biāo)準(zhǔn)的無線設(shè)備之間的互操作性，因此可根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行精簡。

從硬件設(shè)計(jì)的角度而言，由于專有射頻接口的設(shè)計(jì)人員清楚了解性能要求并且確定這些要求不會(huì)在后續(xù)階段發(fā)生變化，因而能夠?qū)υO(shè)計(jì)進(jìn)行空間、功耗和性能方面的優(yōu)化。另一方面，他們還可以通過僅僅包含滿足應(yīng)用需求的必要功能來實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)化。

盡管專有射頻擁有諸多優(yōu)勢，但還必須考慮其他幾項(xiàng)因素。首先是成本：需要證明自定義射頻 IC 設(shè)計(jì)及相關(guān)軟件所帶來的非經(jīng)常性工程 (NRE) 成本的合理性，尤其對于低成本設(shè)備，預(yù)期產(chǎn)量應(yīng)大于 100,000 個(gè)。

與成本緊密關(guān)聯(lián)的是設(shè)計(jì)時(shí)間，尤其考慮到射頻設(shè)計(jì)的變化莫測、眾所周知的射頻專業(yè)知識(shí)稀缺性，以及開發(fā)成功設(shè)計(jì)所需的固件和軟件而需投入的時(shí)間。

藍(lán)牙被廣泛采用，并且一直在調(diào)整

藍(lán)牙則恰恰處在另一個(gè)極端。藍(lán)牙最初設(shè)計(jì)作為一種簡單的點(diǎn)對點(diǎn)電纜替換技術(shù)，用于 HID 和其他涉及用戶的設(shè)備，但它很快發(fā)展為一種無線音頻和設(shè)備到設(shè)備連接解決方案。得益于藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟 (SIG) 的嚴(yán)格控制，藍(lán)牙成為眾所周知的標(biāo)準(zhǔn)，不論何種硬件源，設(shè)計(jì)人員都可以確信他們的設(shè)備能夠連接其他支持藍(lán)牙的設(shè)備并與之互操作。

藍(lán)牙的廣泛采用加上眾多的可互操作設(shè)備，成就了豐富的硬件和軟件，也讓需要無線接口的設(shè)計(jì)能夠以更低的成本快速上市。此外，藍(lán)牙已經(jīng)過了多年的發(fā)展。

它一直在 2.4 GHz 工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 頻段工作，最初對其 79 個(gè) 1 MHz 載波進(jìn)行 GFSK 調(diào)制，從而提供 1 Mb/s 的吞吐量。該吞吐量被稱為藍(lán)牙基本速率 (BR)。藍(lán)牙憑借其自適應(yīng) FHSS 編碼方案，在面對干擾時(shí)仍可繼續(xù)保持穩(wěn)定狀態(tài)，即使在 IoT 不斷引入更多無線連接設(shè)備的過程中也是如此。為了獲得更高的數(shù)據(jù)速率，藍(lán)牙 2.0+ 增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率 (EDR) 使用 π/4-DQPSK（差動(dòng)正交相移鍵控）和 8DPSK 調(diào)制，分別獲得 2 Mb/s 和 3 Mb/s 的速率。

盡管藍(lán)牙受到 SIG 的嚴(yán)格控制，但設(shè)計(jì)人員仍需深入研究 2010 年推出的藍(lán)牙 4.0 核心規(guī)范所帶來的變化。該規(guī)范引用了低功耗藍(lán)牙 (BLE)，其先前的市場名稱為智能藍(lán)牙。BLE 無法向后兼容經(jīng)典藍(lán)牙，設(shè)計(jì)人員需要特別注意這一點(diǎn)。

BLE 的主要目標(biāo)是低功耗。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法是，從經(jīng)典藍(lán)牙的連接導(dǎo)向方法（這時(shí)設(shè)備始終保持連接狀態(tài)）轉(zhuǎn)變?yōu)槲催B接方法（這時(shí)設(shè)備僅在需要時(shí)才連接較短的間隔時(shí)間）。這類應(yīng)用包括智能手表和 IoT 傳感器等可穿戴式設(shè)備。

藍(lán)牙 SIG 仍在繼續(xù)改善規(guī)范，以滿足其成員和應(yīng)用的各種需求。有關(guān)藍(lán)牙演變過程的詳細(xì)信息，請參見“兼容藍(lán)牙 4.1、4.2 和 5 的低功耗藍(lán)牙 SoC 和工具可應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)（第 1 部分）”。

最新版藍(lán)牙 5 使用可更強(qiáng)地前向糾錯(cuò) (FEC) 演算法，能夠?qū)?BLE 數(shù)據(jù)速率增加一倍，即從 1 Mb/s 提高到 2 Mb/s，并將 128 kb/s 的連接范圍擴(kuò)大 4 倍至最遠(yuǎn) 50 米。數(shù)據(jù)速率越高，在給定時(shí)隙內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包就越多，由于設(shè)備可以在更長的時(shí)段內(nèi)保持低功耗或待機(jī)模式，因而可降低設(shè)備功耗。

更遠(yuǎn)的距離讓設(shè)計(jì)人員能夠針對包括信標(biāo)在內(nèi)的任何藍(lán)牙設(shè)備，在數(shù)據(jù)速率與距離之間進(jìn)行更靈活的權(quán)衡。信標(biāo)是電池驅(qū)動(dòng)的 BLE 設(shè)備，它會(huì)向附近的移動(dòng)設(shè)備廣播自己的標(biāo)識(shí)符，以便這些設(shè)備能夠在靠近信標(biāo)時(shí)執(zhí)行特定的操作。信標(biāo)被廣告商廣泛采用，此外還能實(shí)現(xiàn)精確的室內(nèi)和室外跟蹤。

不過，SIG 還實(shí)施了另一種專有射頻接口設(shè)計(jì)人員也可以嘗試的有趣調(diào)整：他們降低了開銷與有效載荷比率，從而減少了發(fā)送給定數(shù)量的“真實(shí)”數(shù)據(jù)所需的傳輸次數(shù)，進(jìn)一步降低了功耗。

藍(lán)牙最初作為一種簡單的電纜替換技術(shù)，如今已演化為一種實(shí)用性極強(qiáng)的技術(shù)。因此，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在更傾向于采用快速、簡單的藍(lán)牙解決方案，而不是投入大量成本和費(fèi)用設(shè)計(jì)自己的射頻接口。

建立和運(yùn)行藍(lán)牙解決方案

隨著設(shè)計(jì)的上市時(shí)間窗口不斷收窄，設(shè)計(jì)預(yù)算不斷收緊，采用藍(lán)牙接口的趨勢逐漸變?yōu)楸匾x。幸運(yùn)的是，對許多設(shè)計(jì)而言，仍有足夠的空間容納現(xiàn)成的藍(lán)牙模塊，從而讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠?qū)Ｗ⒂谒麄兊淖罱K應(yīng)用并取得競爭優(yōu)勢。

Rigado 的 BMD-330 藍(lán)牙 5 模塊便屬于這類模塊（圖 1）。盡管市場上有很多藍(lán)牙模塊，但這款模塊由于板載了集成天線，因此特別有趣而且實(shí)用。天線匹配和貼裝是射頻設(shè)計(jì)中的其中一項(xiàng)精細(xì)工作，如能為設(shè)計(jì)人員分擔(dān)這一任務(wù)，即可節(jié)省時(shí)間以及確保最優(yōu)的信號(hào)耦合。

圖 1：BMD-330 藍(lán)牙 5 模塊附帶天線和匹配電路，可簡化實(shí)施及加快實(shí)施速度。（圖片來源：Rigado）

該模塊是符合監(jiān)管許可要求的完整解決方案，擁有自己的板載 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和智能電源控制，其尺寸為 9.8 x 14.0 x 1.9 mm。盡管附帶了天線，但它仍需要合適的接地平面才能有效地輻射信號(hào)。此外，從模塊的天線部分延伸出的區(qū)域內(nèi)不能有任何銅和其他金屬，而且該模塊應(yīng)置于 PC 板的邊緣，并將天線朝外。

將模塊安裝到外殼里面時(shí)，確保天線附近沒有任何金屬，否則可能會(huì)影響性能。由于該模塊的設(shè)計(jì)和調(diào)整針對的是在非封閉空間工作的情況，因此灌封、環(huán)氧樹脂、包覆成型或保形涂層都有可能影響性能，需要在應(yīng)用后采取額外措施，確保鏈路預(yù)算符合規(guī)范要求。

該模塊基于 Nordic Semiconductor 的 nRF52810 片上系統(tǒng) (SoC)（圖 2）構(gòu)建而成。該 SoC 使用時(shí)鐘頻率為 64 MHz 的 Arm? Cortex?-M4 CPU，并擁有 192 KB 閃存和 24 KB RAM。

圖 2：BMD-330 模塊基于 Nordic Semiconductor 的 nRF52810 SoC 構(gòu)建而成，該 SoC 包含一個(gè) Arm? Cortex?-M4 CPU 和一個(gè) 2.4 Ghz 無線電。（圖片來源：Rigado）

該模塊的閃存空間不大，因此 Rigado 沒有在模塊中提供任何出廠固件。由于沒有引導(dǎo)程序，因此任何固件都需要使用串行線調(diào)試 (SWD) 接口進(jìn)行加載。不過，在完成此操作后，Nordic 提供了眾多被稱為軟設(shè)備的協(xié)議棧。這些協(xié)議棧是預(yù)先編譯和預(yù)先鏈接的二進(jìn)制文件，可從 Nordic 網(wǎng)站下載。采用 nRF52810 SoC 的 BMD-330 支持 S132（BLE 中央和外設(shè)）軟設(shè)備以及經(jīng)過內(nèi)存優(yōu)化的 S112（BLE 外設(shè)）軟設(shè)備。

BMD-330 模塊的主要規(guī)格包括 +4 dBm 的發(fā)射功率和 -96 dBm（BLE 模式）的接收器靈敏度。它采用 3 伏電源，在發(fā)射模式下，功率為 +4 dBm 時(shí)消耗 7.0 毫安 (mA) 電流，功率為 0 dBm 時(shí)消耗 4.6 mA 電流。在接收模式下，速率為 1 Mb/s 時(shí)消耗 4.6 mA 電流，速度為 2 Mb/s 時(shí)消耗 5.8 mA 電流。發(fā)射和接收規(guī)格均假定已啟用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器：禁用后電流將會(huì)增大。

專有射頻與藍(lán)牙的最佳結(jié)合帶

在完整的自定義專有無線電設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙之間還有另一個(gè)選項(xiàng)：設(shè)計(jì)人員可基于現(xiàn)成的無線電收發(fā)器開發(fā)自己的協(xié)議和編碼方案，或采用現(xiàn)成的 Ant、Thread 或 ZigBee 等版本。隨著可獲取的硅解決方案成本不斷下降，加上廣泛的軟件支持，設(shè)計(jì)人員如果希望獲得競爭優(yōu)勢、必須得優(yōu)化空間以及可增強(qiáng)安全性的選項(xiàng)，該選項(xiàng)能夠提供最佳結(jié)合帶，同時(shí)保持極低的成本，也無需更改設(shè)計(jì)日程。

Silicon Labs 的 EFR32FG14 Flex Gecko 專有協(xié)議系列 SoC（圖 3）為有興趣采用這一設(shè)計(jì)路徑的設(shè)計(jì)人員提供了一種不錯(cuò)的選項(xiàng)。

圖 3：Silicon Labs 的 EFR32FG14 Flex Gecko 提供了可靠的硬件平臺(tái)，而設(shè)計(jì)人員可基于該平臺(tái)添加或開發(fā)專有軟件。（圖片來源：Silicon Labs）

與 BMD-330 一樣，EFR32FG14 也使用 Arm? Cortex?-M4 核心，但最大頻率為 40 MHz 而不是 64 MHz，因?yàn)樵撔酒瑢ｉT針對低功耗 IoT 應(yīng)用。它擁有多達(dá) 256 KB 閃存和 32 KB RAM。請注意，該芯片支持 2.4 GHz 和 Sub-GHz (915 MHz) 操作，并且提供了天線網(wǎng)絡(luò)匹配指南。它還支持天線分集，可緩解頻率選擇性衰變的影響。

此外還內(nèi)置了多種靈活的 I/O 和安全性功能，包括：可實(shí)現(xiàn) MCU 外設(shè)自主交互的 12 通道外設(shè)反射系統(tǒng)；多達(dá) 32 個(gè) GPIO；以及硬件自主加密加速器和真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。芯片上還集成了用于 2.4 GHz 和 Sub-GHz 操作的功率放大器。

為協(xié)助完成開發(fā)流程，Silicon Labs 還提供了適用于 EFR32FG 系列的 SLWRB4250A 板（圖 4）。它包括 SoC、針座、晶體和天線匹配電路以及軟件。

圖 4：SLWRB4250A Flex Gecko 無線電板提供了必要的硬件，可與專有的低功耗無線接口搭配使用以開展實(shí)驗(yàn)。（圖片來源：Silicon Labs）

總結(jié)

選擇完整的專有射頻設(shè)計(jì)路徑或標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙無線電都有很多理由。每種選擇在滿足成本、時(shí)間、性能、尺寸、安全性等方面的設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求以及其他多種因素上，都有自己的可取之處。但如果設(shè)計(jì)人員既想獲得現(xiàn)成硅解決方案帶來的多種節(jié)省成本和時(shí)間的優(yōu)勢，又想靈活地增加某種程度的專有競爭優(yōu)勢，供應(yīng)商現(xiàn)在也提供了可靠的硬件平臺(tái)供其構(gòu)建這樣的解決方案。