在本系列文章的第一部分，我們探索了為設(shè)計(jì)選擇理想的無線技術(shù)的幾個(gè)考慮因素。我們?cè)u(píng)介了授權(quán)和免授權(quán)頻譜，以及幾個(gè)常見的頻段。我們還探討了通信距離和影響通信距離的各種因素，如輸出功率和接收器的靈敏度。第一部分最后討論了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，探索了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)與點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)以及一些相關(guān)的取舍，如成本、功耗和延遲。本文將討論其他考慮因素，包括共存性、功耗和安全性。不知您對(duì)這個(gè)術(shù)語是否熟悉，共存性指的是設(shè)備需要在一個(gè)共同的頻段內(nèi)共存并一起工作。

1   共存性

正如第一部分文章中所討論的，大多數(shù)無線方案都在使用免授權(quán)頻段的共享頻譜。因此，這些頻帶中的頻段和信道面臨著來自各種類型的無線電和信號(hào)的壓力。無線電相互干擾的問題被稱為共存性。這個(gè)話題在應(yīng)用注釋“Coexistence in 2.4 GHz（吉赫茲）”中進(jìn)行了深入探討，所以這里只提供一個(gè)簡(jiǎn)單的摘要。

2.4GHz Wi-Fi^?（無線高保真）網(wǎng)絡(luò)的高發(fā)射功率和相對(duì)較寬的帶寬，會(huì)干擾Bluetooth?（藍(lán)牙）Low Energy（低功耗）聯(lián)接和來自連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟?（前身為Zigbee 聯(lián)盟^?）的Green Power?（綠色能源）協(xié)議。藍(lán)牙LE 具有跳頻的能力，每次都能檢測(cè)和保留繁忙信道的信息并避開這些信道。這被稱為自適應(yīng)跳頻擴(kuò)頻（AFHSS），在有Wi-Fi 和Zigbee^?（紫蜂）數(shù)據(jù)包的情況下，大大提高了藍(lán)牙低功耗的可靠性。

Zigbee 技術(shù)不提供這種功能，但它可被分配到一個(gè)不與Wi-Fi 信道重疊的信道。一般來說，藍(lán)牙LE（低功耗）和Zigbee 網(wǎng)絡(luò)可共存。一個(gè)Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)需要由共存機(jī)制主動(dòng)管理，或者需要設(shè)置Zigbee 和Wi-Fi 之間的信道，以盡量減少重疊。參考圖1 和圖2 所示。

圖1 簡(jiǎn)化的頻率圖

圖2 簡(jiǎn)化的頻率圖的時(shí)域視圖，顯示了藍(lán)牙LE信道如何跳頻以及跳過占用的信道

市場(chǎng)的趨勢(shì)是在芯片上集成這些不同的無線電，因此共存性是個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問題，硬件和軟件都可以充分優(yōu)化，以提供同時(shí)使用這些不同技術(shù)的最佳體驗(yàn)。不過，也有未集成無線電的軟件方案。

如果共存不當(dāng)，藍(lán)牙LE 上的音頻會(huì)出現(xiàn)停頓，Zigbee 數(shù)據(jù)包需要重試，整個(gè)Wi-Fi 的吞吐量也會(huì)下降。成功的共存將減少?zèng)_突，并對(duì)來自不同協(xié)議的信息進(jìn)行優(yōu)先排序，使所有協(xié)議的整體服務(wù)質(zhì)量良好。共存是很容易被視為理所當(dāng)然的，因?yàn)楫?dāng)它正常工作時(shí)，它是不被注意的。

2   功耗

功耗是最重要的考慮因素之一，有一些基于物理學(xué)的基本限制和取舍，決定了實(shí)施各種協(xié)議所需的功耗。

發(fā)射器，也叫射頻(RF) 功率放大器，是系統(tǒng)中功耗最大的部分。RF 功率放大器是按其工作等級(jí)來描述的。A、B、AB 和C 類被認(rèn)為是線性放大器，功率效率隨著放大器等級(jí)的提高而提高。例如，C 類放大器比AB 類效率更高。盡管效率提高了，但線性度會(huì)隨著等級(jí)的提高而降低。D、E、F、G 類等是非線性放大器，基本上是帶有諧振負(fù)載的開關(guān)。如果同時(shí)使用振幅和相位調(diào)制，則需要一個(gè)線性PA。然而，對(duì)于恒定的振幅調(diào)制，由于開關(guān)可以在電流幾乎為零時(shí)發(fā)生，因此使用一個(gè)開關(guān)放大器來最大化功率效率。

由于這些不同的工作模式和眾多考慮因素，示例中假設(shè)一個(gè)理想的A 類放大器，其效率為50%。一個(gè)功率放大器晶體管向50 Ω（歐姆）負(fù)載（天線）提供+30 dBm（分貝毫瓦），效率50%，需約200 mA（毫安）電流。這還沒有考慮到其他任何系統(tǒng)功耗，只是功率放大器晶體管所需的功耗（被稱為漏極能效）。發(fā)射器還必須非常迅速地開關(guān)，并有準(zhǔn)確的上升/ 下降時(shí)間。因此，細(xì)心的電源設(shè)計(jì)和去耦至關(guān)重要，特別是在電池供電的系統(tǒng)中，其能量有限，承受大的開關(guān)瞬變的能力較小。

表1 PA晶體管功耗與輸出功率的關(guān)系，50 Ω負(fù)載，50%漏極效率

等式：

a）漏極效率定義

b）把提供的功率從dBm 轉(zhuǎn)換成mW

c）使用假設(shè)的漏極效率計(jì)算DC 功耗（電源）

d）把DC 功耗轉(zhuǎn)換成DC 電流

關(guān)于功率效率，最后要指出的是，RF 工程師經(jīng)常使用另一個(gè)指標(biāo)，即附加功率效率（PAE）。這將驅(qū)動(dòng)功率放大器（PinputmW)）所需的功耗考慮在內(nèi)。功率放大器（PA）有大型晶體管，預(yù)驅(qū)動(dòng)電路會(huì)消耗大量的功率。

一般來說，協(xié)議的性能越高，功耗就越大。例如，一個(gè)4×4 的MIMO 系統(tǒng)需要四個(gè)平行的接收和發(fā)射鏈，這使得功耗幾乎翻了四倍。這并不是一對(duì)一的關(guān)系，因?yàn)橛行K是在鏈之間共享的，但由于增加了信號(hào)鏈，功耗仍然較高。

如果您想運(yùn)行電池供電的系統(tǒng)，實(shí)際通話時(shí)間和占空比也是關(guān)鍵的考慮因素。對(duì)于像藍(lán)牙LE 溫度傳感器信標(biāo)這樣占空比非常低的應(yīng)用，使用一節(jié)CR2032 紐扣電池可工作達(dá)10 年以上。這類應(yīng)用的典型工作時(shí)間占空比約為1%，這意味著系統(tǒng)99% 的時(shí)間是空閑的。因此在評(píng)估或設(shè)計(jì)電池和免電池（能量采集）工作時(shí)，睡眠或閑置電流是個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

其他電源當(dāng)然是主電源或以太網(wǎng)供電（PoE）。舉例來說，基于Wi-Fi 的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)通常由PoE 供電。

一些工程師在設(shè)計(jì)那些接通幾乎無限制的能源如市電的產(chǎn)品時(shí)，想要不考慮耗電問題，但這并沒那么簡(jiǎn)單。各國(guó)政府正越來越多地對(duì)設(shè)備的功耗進(jìn)行審查和監(jiān)管。隨著越來越多的產(chǎn)品接通電源，增量的電力節(jié)省會(huì)產(chǎn)生巨大的規(guī)模影響。為了充分的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，應(yīng)該始終將功耗降到最低。另一個(gè)可能不太明顯的功耗考量是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔旧怼?/span>

3   安全性

安全并不是真正的考慮因素，而是個(gè)要求。每個(gè)協(xié)議都至少有內(nèi)置的安全性。安全這個(gè)話題很難甚至不可能在像這樣的綜述文章中用一個(gè)簡(jiǎn)短的段落來概括。但下面是需要考慮的幾個(gè)突出點(diǎn)。

任何無線網(wǎng)絡(luò)最易受影響的時(shí)刻是配對(duì)或上機(jī)的過程。這時(shí)，安全信息需要在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行空中交換，而使得網(wǎng)絡(luò)最易受影響。一個(gè)常見的方案是使用一個(gè)帶外（OOB）協(xié)議。例如，為了調(diào)試一個(gè)新的Wi-Fi 路由器，可能會(huì)有一個(gè)二維碼，通過藍(lán)牙LE 觸發(fā)一個(gè)配對(duì)過程。藍(lán)牙LE 也是個(gè)很好的選擇，因其通信距離有限，使得物理距離成為黑客的另一個(gè)障礙。當(dāng)然，手機(jī)也可聯(lián)接到云端，在那里可以檢索到安全信息。在一些系統(tǒng)中，配對(duì)是通過一個(gè)專有的協(xié)議鏈接完成的。

在配對(duì)之后，最基本的安全是對(duì)數(shù)據(jù)有效載荷進(jìn)行加密，這已經(jīng)做了很長(zhǎng)時(shí)間了。然而，現(xiàn)在在一些協(xié)議中，如Wi-Fi，管理幀和協(xié)議開銷也必須被加密。即使這樣還是不夠的，還必須有動(dòng)態(tài)加密。如果沒有動(dòng)態(tài)加密，黑客可以非常有效地探測(cè)到幀，并對(duì)協(xié)議進(jìn)行反向工程，或作為中間人欺騙網(wǎng)絡(luò)。動(dòng)態(tài)加密的密鑰會(huì)隨著時(shí)間的推移而到期，因此，即使黑客進(jìn)入了，他們也無法在不重新黑客的情況下回到過去或向前。有了動(dòng)態(tài)加密，黑客還需要與實(shí)際的無線電進(jìn)行交互，而不是像過去常做的那樣在離線情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行反向工程，離線的反向工程要快得多。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在這已經(jīng)不可能了。

安全方案也必須與被保護(hù)的內(nèi)容的風(fēng)險(xiǎn)相適應(yīng)。增加安全性會(huì)增加成本和維護(hù)費(fèi)用，應(yīng)該與被保護(hù)的數(shù)據(jù)價(jià)值經(jīng)濟(jì)地匹配。舉個(gè)例子，Zigbee 技術(shù)主要是個(gè)信任根系統(tǒng)。當(dāng)委托時(shí)，協(xié)議假定設(shè)備之間有一個(gè)信任根。這是個(gè)非常合理的假設(shè)，因?yàn)閆igbee 網(wǎng)絡(luò)沒有聯(lián)接到互聯(lián)網(wǎng)，是本地網(wǎng)絡(luò)，受系統(tǒng)管理員控制。

藍(lán)牙LE 經(jīng)常被用于不需要完全安全的非常簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)。您可能不在意其他人是否能訪問您的客廳溫度傳感器數(shù)據(jù)，但您可能會(huì)非常關(guān)注是否有人能夠入侵或欺騙易腐物品如重要藥品的冷鏈標(biāo)簽。因此，藍(lán)牙LE 根據(jù)不同的用例和被通信的數(shù)據(jù)價(jià)值，提供可擴(kuò)展的安全功能。

由于Wi-Fi 是基于IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）并聯(lián)接到互聯(lián)網(wǎng)，它必須具有盡可能高的安全級(jí)別。有不同級(jí)別的安全方案，對(duì)應(yīng)特定應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)水平。例如，家庭網(wǎng)絡(luò)的要求比銀行或需要企業(yè)方案的辦公大樓的網(wǎng)絡(luò)更寬松。

最后，關(guān)于安全問題，需要注意的是安全設(shè)計(jì)是永不休止的。黑客和安全技術(shù)都在不停地玩貓捉老鼠的游戲，這永遠(yuǎn)不會(huì)改變，所以重要的是您的設(shè)計(jì)有一些更新軟件的機(jī)制，以便系統(tǒng)能夠適應(yīng)未來，并盡可能地保持安全。

4   總結(jié)

這系列文章包含兩部分，探討了在設(shè)計(jì)無線產(chǎn)品之前必須了解的各種系統(tǒng)級(jí)考慮因素，包括通信協(xié)議和互操作性要求、頻段和共存、通信距離、功耗、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜桶踩浴?/p>

每種技術(shù)在生態(tài)系統(tǒng)中都有用武之地；只是要知道什么最適合您的設(shè)計(jì)。安森美無線方案涵蓋廣泛，從中短距離到長(zhǎng)距離及以上。無論您是開發(fā)簡(jiǎn)單的溫度藍(lán)牙LE 傳感器信標(biāo)還是企業(yè)級(jí)的Wi-Fi，我們都能助您解決所有的無線設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年2月期）