要使一種方案具有秘密武器或使其有別于競爭者，無線可能是一種非常好的選擇,。只要遵照幾個(gè)關(guān)鍵指南,，你就能達(dá)到無線工程師的水平。

　　作為參考,，此處的“短距離無線”不是指手機(jī)或WiMAX,，而是包括你聽說過的所有技術(shù)，如藍(lán)牙,、IrDA,、ISM、 Wi-Fi和 ZigBee,，以及其他一些值得提及的專業(yè)設(shè)計(jì),。本文可以作為你未來方案的經(jīng)典。特別是,，看看覆蓋260～470MHz頻帶的15.231,，以及覆蓋常用的902～928MHz 頻帶的15.249。

　　設(shè)計(jì)步驟

　　第一步：明確應(yīng)用和特點(diǎn)

　　像任何設(shè)計(jì)冒險(xiǎn)一樣,，無線設(shè)計(jì)的第一步是明確應(yīng)用并定義參數(shù),。究竟想要做什么?將它寫出來。

　　遙感勘測包括住宅/建筑物環(huán)境檢測,、自動(dòng)讀表,、醫(yī)學(xué)、汽車(溫度,、輪胎壓力),，以及工業(yè)傳感器監(jiān)測，是更流行的應(yīng)用之一,。另外很受歡迎的應(yīng)用場合是遠(yuǎn)程控制車庫門,、玩具、遠(yuǎn)程無鑰匙進(jìn)入,、HVAC,、安全/報(bào)警以及工業(yè)控制。

　　第二步：定義關(guān)鍵特性

　　定義項(xiàng)目的重要特性很關(guān)鍵,，這些特性包括理想距離,、環(huán)境,、功耗限制、是固定還是便攜?調(diào)制信號(是模擬還是數(shù)字?),、需要收發(fā)器而不是只要發(fā)射器或接收器,、輸入、輸出,、接口,、以及其它相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。某些性能測量,，如位差錯(cuò)率或可靠性,，如果使用，也應(yīng)包含在內(nèi),。需要特別關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)包括：

　　距離：短距離無線技術(shù)覆蓋的距離范圍很大,，從數(shù)英寸直到很多英里范圍。需要具體確定距離范圍,，或者至少定出盡可能接近的距離范圍,，因?yàn)檫@些信息決定了所選的技術(shù)。

　　環(huán)境：是室內(nèi)還是室外?發(fā)射器和接收器之間的視線是否很好,，或者還是穿過墻,、地板或樹木?環(huán)境是否充滿了來自電器系統(tǒng)和設(shè)備(如馬達(dá)或者附近工作的其它無線設(shè)備)的噪音?一般情況下，頻率越高,，距離越短,。

　　連接：是點(diǎn)對點(diǎn)通訊(P2P)、點(diǎn)到多點(diǎn)(P2M)還是多點(diǎn)到點(diǎn)(M2P)通訊?當(dāng)然,，單個(gè)P2P連接用起來最簡單,。但是，應(yīng)用可能需要多個(gè)監(jiān)測點(diǎn),，如在遙感勘測中就要采用M2P,。或者,，如果必須從一個(gè)地點(diǎn)控制多個(gè)設(shè)備,，就要采用P2M。此外,，要考慮連接是單工(單向,，播放)還是雙工(雙向)，是半雙工還是全雙工?

　　信息類型：信息源是模擬的還是數(shù)字的?目前,，大多數(shù)信息源都是數(shù)字碼或稱數(shù)據(jù),，但如果本質(zhì)是模擬的話，也可以處理,。需要模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換,。在15.231節(jié),，在260MHz～470 MHz頻段，只能發(fā)送短數(shù)據(jù)脈沖,。此外,，不允許發(fā)送聲音或視頻信息。但可以以模擬或數(shù)字形式在902～928 MHz頻段傳送聲音,、視頻或任何其它信息,。

　　數(shù)據(jù)率：需要的最大數(shù)據(jù)率是多少?大多數(shù)遙感勘測和控制的數(shù)據(jù)率都非常低，小于100 kbps,。不過，也可以達(dá)到幾百兆位每秒的數(shù)據(jù)率,。

　　網(wǎng)絡(luò)：項(xiàng)目是一個(gè)簡單的P2P連接還是網(wǎng)絡(luò)的組成部分?聯(lián)網(wǎng)就要與某一主機(jī)或者一個(gè)或多個(gè)其它節(jié)點(diǎn)會(huì)話,。需要mesh網(wǎng)絡(luò)嗎?

　　安全：無線連接要涉及關(guān)鍵數(shù)據(jù)的保護(hù)嗎?這些要求會(huì)影響到協(xié)議和技術(shù)的選擇。

　　協(xié)議：需要兼容特定協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn),，如藍(lán)牙,、Wi-Fi或 ZigBee嗎?或者還是自己設(shè)計(jì)協(xié)議來滿足應(yīng)用要求嗎?

　　接口：需要哪種數(shù)據(jù)接口(RS-232、SPI,、USB 等)?對于簡單應(yīng)用,，可能只需要微控制器上的一個(gè)總線。

　　功耗：如果設(shè)備為遠(yuǎn)程或便攜式,，電池使用壽命是一個(gè)關(guān)鍵因素,。需要選擇具有休眠模式和低占空比工作的芯片或模塊和協(xié)議，以最大限度延長電池壽命,。

　　第3步：選擇技術(shù)

　　根據(jù)上面列出的技術(shù)指標(biāo),，使用這個(gè)表選擇要采用的技術(shù)。你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)只有一種適合,，或者可以使用兩種或更多,。該表可幫助你找到特定選擇，選擇時(shí)還需要考慮其它另外幾個(gè)因素,。

　　藍(lán)牙是應(yīng)用最為廣泛的無線標(biāo)準(zhǔn),，比Wi-Fi廣泛10倍或者更多。藍(lán)牙技術(shù)的成功主要與手機(jī)和手機(jī)耳機(jī)應(yīng)用有關(guān),，而在多種其它應(yīng)用(如計(jì)算機(jī)外設(shè))中也有藍(lán)牙技術(shù),。最主要的是，藍(lán)牙是遠(yuǎn)程耳機(jī)和揚(yáng)聲器及其它音頻應(yīng)用中首屈一指的音頻無線技術(shù),。

　　藍(lán)牙具有廣泛的速度選項(xiàng),。基本數(shù)據(jù)率為1 Mbps,，但也可以選3 Mbps增強(qiáng)型數(shù)據(jù)率(EDR),。2008年之后,，對視頻和其它非常高的數(shù)據(jù)率需求，將會(huì)出現(xiàn)一種數(shù)據(jù)率達(dá)480 Mbps的超寬帶版本,。

　　最后,，藍(lán)牙能夠滿足基本聯(lián)網(wǎng)?？梢耘c稱作微微網(wǎng)(piconet)中的其它7個(gè)藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)會(huì)話,。這些節(jié)點(diǎn)依次在更多的擴(kuò)展分散網(wǎng)中互相會(huì)話。

　　雖然藍(lán)牙在許多應(yīng)用中都具有巨大潛力,，但不是對所有應(yīng)用都適合,。由于藍(lán)牙協(xié)議及相關(guān)堆棧都很復(fù)雜，對某些簡單應(yīng)用就是多余的,。然而,，對某些預(yù)先確定的應(yīng)用，如音頻,，其正式化的概圖和認(rèn)證是其它技術(shù)所無法比擬的,。

　　紅外(IR)無線技術(shù)，跟藍(lán)牙一樣,，它們的應(yīng)用比你能想象到的要更廣泛,。事實(shí)上，世界上每種遠(yuǎn)程控制都采用IR,。IR工作很出色,，并且成本很低。最大問題是范圍很有限,，另外,，視線路徑也必須暢通無阻。理想范圍是±15°錐型1米范圍,，不過也可以達(dá)到更長距離,。IrDA標(biāo)準(zhǔn)提供的數(shù)據(jù)率可以達(dá)到16 Mbps，并且模塊非常廉價(jià),。

　　ISM頻帶是可以使用的最簡單的標(biāo)準(zhǔn)之一,。ISM最適合超簡單控制或監(jiān)測應(yīng)用。其數(shù)據(jù)率很少超過100 kbps,，并且一般都比此值小許多,。可以選的頻率很多,，但大多數(shù)應(yīng)用采用315～938 MHz,、433.92～938 MHz, 及902 ～938-MHz (915MHz最普遍)及2.4 GHz 頻帶。

　　沒有正式協(xié)議,。所以,，如果打算采用這些簡單而成本低廉的設(shè)備,，就需要制定自己的協(xié)議。ADI的ADF70xx ISM系列芯片包括有一個(gè)軟件包,，有助于使用該公司的芯片,，建立一個(gè)簡單的協(xié)議來解決自己的問題。

　　賽普拉斯半導(dǎo)體公司的WirelessUSB系列使用2.4GHz直接序列擴(kuò)頻(DSSS),，給人機(jī)接口設(shè)備(HID)提供低速無線通信(如鍵盤和鼠標(biāo)),。其基本數(shù)據(jù)率只有62.5 kbps，不過也可以采用一種1Mbps版本,。對多點(diǎn)到單點(diǎn)應(yīng)用也不錯(cuò),。可以采用一種簡單協(xié)議,，使設(shè)計(jì)人員可以把精力集中到設(shè)計(jì)的其它方面,。

　　在過去的10年間，Wi-Fi得到了不斷發(fā)展,。Wi-Fi主要用在無線局域網(wǎng)(LAN)中,。偶而也用在短距離監(jiān)測和控制中,。

　　Wi-Fi是一種復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn),，但是如采用一個(gè)功放和定向天線，則能擴(kuò)展到100 米甚至更遠(yuǎn)的距離,。新的802.11n標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)率從11 Mbps到遠(yuǎn)大于100 Mbps,，這對大多數(shù)短距離應(yīng)用都過度了。功耗相應(yīng)較高,。

　　超寬帶(UWB)是另一種針對速率非常高的應(yīng)用的技術(shù),，可以達(dá)到53 ～480 Mbps的數(shù)據(jù)，但距離小于10米,。其標(biāo)準(zhǔn)專注于實(shí)現(xiàn)USB接口標(biāo)準(zhǔn)的無線版,，USB接口標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)算機(jī)外設(shè)和其它設(shè)備中非常普及。其他潛在的應(yīng)用包括視頻,。

　　ZigBee是為短距離監(jiān)測和控制設(shè)計(jì)的,，具有在所有這些技術(shù)中 功耗最低的特點(diǎn)。在其基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的最簡單形式中,，對P2P,、M2P或P2M應(yīng)用很適合。通過增加ZigBee聯(lián)盟堆棧,，mesh聯(lián)網(wǎng)成為可能,，因此擴(kuò)展了所有節(jié)點(diǎn)的范圍和可靠性。有多種芯片和模塊可供使用,。只是要注意,，如果采用ZigBee堆棧,，則不僅要面臨認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的問題，而且要面臨專利付費(fèi)問題,。

　　如果在高噪聲環(huán)境下工作,，就選擇能降低噪聲的調(diào)制方法。所有FSK相關(guān)(頻移鍵控)調(diào)制都不錯(cuò),。DSSS因其基于BPSK(二進(jìn)制相移鍵控)調(diào)制,，效果更好，但要更復(fù)雜,，并且成本更高,。幅移鍵控/開-關(guān)鍵控(ASK/OOK)是到目前為止最簡單的方法，但要使性能達(dá)到最佳,，要求距離更短,，并且環(huán)境噪聲要更低。

　　應(yīng)用也可能影響工作頻率,。根據(jù)Friis自由空間功率公式,，頻率越低(波長越大)，則給定功率下總距離越長,。就是說,，如果最大距離很關(guān)鍵，就要使用較低的260～470 MHz非認(rèn)證頻帶,，而不是更高的900MHz和 2.4 GHz頻帶,。另一方面，頻率越低,，天線尺寸越大,。對某些便攜式應(yīng)用或移動(dòng)應(yīng)用，這可能成為一個(gè)實(shí)際問題,，是需要權(quán)衡考慮的一項(xiàng)關(guān)鍵因素,。

　　最后，可能影響選擇的一個(gè)關(guān)鍵問題是安全性,。Bluetooth,、IrDA和ISM頻帶中不具備安全性，而UWB,、Wi-Fi及ZigBee則具有,。

　　第四步：制造還是購買?

　　在本步驟中，必須確定制造和購買哪個(gè)更好,。如果項(xiàng)目需要盡可能低成本的嵌入式方案,，或許就要選擇芯片并設(shè)計(jì)自己的方案。如果應(yīng)用允許，可以合并現(xiàn)有模塊而加快設(shè)計(jì)的完成,。

　　這些模塊有無線連接需要的所有東西,，有時(shí)還包括有天線。費(fèi)用要高一些,，而且模塊一般體積要大一些,，并且價(jià)格更高。不過,，對某些小批量且體積/成本要求靈活的應(yīng)用,，選擇這些模塊相當(dāng)好。如果對無線了解越少,，則選擇模塊方法更佳,。

　　第五步：天線

　　不要忘記還有天線，天線是所有無線設(shè)備中的關(guān)鍵機(jī)械部件,。實(shí)際上,，一開始就要把天線考慮在內(nèi)，因?yàn)閼?yīng)用能否成功取決于它,。

　　第六步：符合FCC

　　要為“聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)”測試作準(zhǔn)備,。無線設(shè)備已經(jīng)設(shè)計(jì)好之后，需要得到FCC的使用和銷售認(rèn)可,。FCC要求產(chǎn)品能達(dá)到設(shè)備所屬分類已有輻射限值的認(rèn)證,。此外，所有有意輻射體都必須有完整FCC證書,。

　　自己可以對設(shè)備進(jìn)行測試,，但大多數(shù)公司將此分包給專門進(jìn)行此類業(yè)務(wù)的機(jī)構(gòu)來完成,。在Yahoo或Google里輸入“FCC testing”就能找到幾十家,。要確認(rèn)預(yù)算中包括了這項(xiàng)服務(wù)費(fèi)用。

　　估算信號強(qiáng)度和路徑損耗

　　可以采用一些基本公式,，對距離,、功率及其它一些鏈路性能作初步估算?；竟綖椋?/p>

　　Pr=(PtGtGrλ2) / (16π2d2)

　　其中Pr為接收功率;Pt為發(fā)射功率;Gt為發(fā)射天線功率增益;Gr為接收天線功率增益;d為發(fā)射器和接收器之間的距離,，單位為米，是以米為單位的波長,，等于300/fMHz,。要確認(rèn)兩個(gè)關(guān)鍵因素：

　　?接收功率是波長平方的函數(shù)。因此,，頻率越低,，接收功率則越大。頻率越高越好，這是由于頻率越高,，天線尺寸要小許多,。不過，功率一定的話,，則距離要小,。

　　?接收功率是發(fā)射器和接收器之間距離的平方的函數(shù)。設(shè)計(jì)目標(biāo)是對距離與功率和頻率的關(guān)系進(jìn)行平衡,。

　　在這一公式中,，假設(shè)發(fā)射和接收天線之間的視線(LOS)路徑清晰，因此沒有考慮穿墻,、樹木或其它障礙物,。此外，本公式僅僅在發(fā)射和接收天線的間隔足夠達(dá)到遠(yuǎn)場才有效,。

　　所有電磁波都有近場和遠(yuǎn)場,。近場主要是磁場，因此發(fā)射和接收天線更像變壓器的初級和次極,。遠(yuǎn)場是實(shí)際混合電磁場或無線電波,。其距離約大于D2/λ，其中D為天線最大尺寸(一般為工作頻率處的半波長,，即468/fMHz),。要使估計(jì)最佳，為保險(xiǎn)起見,，可假設(shè)遠(yuǎn)場大于10倍波長,。

　　公式中的天線增益是相對于各向同性(球體)源的。該源增益為1,。大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用的天線,，如半波偶極子天線或四分之一波地平面，都是定向的,。因此,，天線增益表示功率增益為1.6?倍或者2.15 dB。

　　使用該公式的關(guān)鍵是估計(jì)以dB為單位的路徑損耗,。其根源是發(fā)射和接收天線之間距離引起了路徑衰減,。可以用下式估計(jì)路徑損耗：

　　dB loss=37 dB + 20log(fMHz) + 20log(d)

　　其中,，d為距離或范圍,，單位為英里，1英里約等于1610米,。得到了給定天線組的路徑損耗和發(fā)射功率之后,，就可以用下式確定所需要的接收器靈敏度：

　　Pr=Pt–PL

　　假設(shè)路徑損耗為90 dB，發(fā)射功率為10dBm (10 mW)，則需要的接收器靈敏度為：

　　Pr=10–90=–80dBm

　　接收器靈敏度是增大距離的關(guān)鍵,，也是給定發(fā)射功率和天線增益下得到更高鏈路可靠性的關(guān)鍵,。要盡可能使接收器靈敏度達(dá)到最大。某些新型設(shè)計(jì)的接收器靈敏度可以達(dá)到–120dBm～–130dBm,。

　　代表性產(chǎn)品

　　幾乎對任何應(yīng)用,，都有幾十種很好的芯片和模塊可采用。新型產(chǎn)品包括ADI最近推出的ISM頻帶芯片以及微芯技術(shù)公司的某些ZigBee產(chǎn)品,。

　　ADI的ADF70xx系列收發(fā)器工作在50 MHz～1 GHz范圍,，大多數(shù)版本都采用FSK或高斯FSK(GFSK)，數(shù)據(jù)率在20～384 kbps范圍,。功率輸出在–20 (或–16dBm)～+10(或+13dBm)之間可調(diào),。接收器靈敏度達(dá)到–125dBm。

　　有多種版本也提供ASK和OOK調(diào)制,。其它可以實(shí)現(xiàn)2FSK,、3FSK或4FSK工作，每個(gè)符號含有更多位,，因而在更窄的通道內(nèi)獲得的數(shù)據(jù)率更高,。大多數(shù)模塊都含有高斯數(shù)據(jù)濾波，有助于使發(fā)射帶寬變窄,，并且保證符合鄰近通道功率(ACP)技術(shù)規(guī)范的要求,。

　　ADI的“SRD(短距離器件)設(shè)計(jì)工作室”軟件能對無線連接設(shè)計(jì)和ADF70xx芯片仿真提供幫助。使用該軟件包,，可以快速而有效地開發(fā)實(shí)時(shí)仿真,，測試多種配置，并且查找可能存在的問題,。

　　該軟件可以使用戶在下列三種仿真模式中選擇一種,，這三種模式是：頻域、瞬態(tài)分析以及頻譜分析,。同時(shí),，也可以用頻帶,、功耗,、同步檢測、鏈路分析,、調(diào)制選擇,、數(shù)據(jù)率、環(huán)路濾波器以及其它參數(shù)作實(shí)驗(yàn),，以優(yōu)化設(shè)計(jì),。該軟件為免費(fèi)軟件，可以從www.analog.com/srddesign下載。

　　Microchip公司的MRF24J40 IEEE 802.15.4 2.4-GHz DSSS無線收發(fā)器是針對ZigBee應(yīng)用的,，可以單獨(dú)使用或者與ZigBee聯(lián)盟堆棧協(xié)同使用,。同時(shí)，該公司所有的MiWi協(xié)議與ZigBee 網(wǎng)狀 lite類似,，該協(xié)議是一種簡單協(xié)議,，可用于節(jié)點(diǎn)數(shù)少于100個(gè)且節(jié)點(diǎn)之間跳躍數(shù)不多于4個(gè)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋺?yīng)用。如果應(yīng)用要求超過了此限制,，則要選擇ZigBee,。

　　不過，許多應(yīng)用并沒有那么龐大,。如果基本802.15.4特性降低得不嚴(yán)重,，MiWi可能是個(gè)不錯(cuò)的選擇。用單個(gè)晶振和微芯公司流行的一種PIC微控制器,，很快就可組成能得到認(rèn)可的mesh無線網(wǎng)絡(luò),。此外，可以選用該公司的ZENA無線網(wǎng)絡(luò)分析器工具,，簡化ZigBee和MiWi協(xié)議組的配置,。這樣可以降低代碼量并優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　同時(shí),，查看一下AMI半導(dǎo)體公司的ISM頻帶芯片,。AMIS-53050是針對小于1 GHz的FSK/OOK工業(yè)應(yīng)用。AMIS-52150適合402MHz～405MHz頻段ASK/OOK工業(yè)應(yīng)用,。AMIS52100工作于401MHz～406 MHz醫(yī)學(xué)頻段,，適合可植入應(yīng)用。