軟件定義的無線電提供IoT遠程聯接

Dan Clement

安森美半導體

前言

為了提供設計人員和用戶所需的功能和好處，需要聯接IoT和IIoT節點，以便將收集到的數據傳輸處理，或接收用戶或另一個節點的指令。

有線聯接始終是一項選擇，并且有時作為非常短距離聯接或者需要最高可靠性聯接應用的首選。它還用于環境不適合基于射頻（RF）的通信的情況。然而，對于所有IoT/ IIoT應用，有線并不總是實用的或具性價比的。

無線適用于IoT / IIoT應用，它可支持幾乎無限的節點數，可攜且易于重新配置，部署快，更易于擴展。通過選擇專為應用定制的通信協議，無線也可以以最小的功耗運行。

早期的無線系統基于1GHz以下的RF載波頻率，我們今天將其稱為“sub-GHz”。通常，這些sub-GHz應用使用專有協議，并且對于每個給定的應用程序或安裝是唯一的。

在過去的5～7年中，基于標準的2.4GHz通信使用Wi-Fi和藍牙的普及率大幅提升。智能手機作為聯接到云的網關，其激增推動了這些基于標準的通信方案的巨大增長。2.4GHz頻段的另一個好處是它是全球免許可的工業、科學、醫學（ISM）頻段。

另一方面，Sub-GHz協議提供了更大的靈活性，因為它們受標準控制較少。光譜通常不那么擁擠，但這些頻帶在全球范圍內變化，使互操作性變得不那么容易。然而，sub-GHz用于IoT / IIoT的最大優勢是能夠以非常高的能效提供遠程通信。

低功耗遠距離通信的能力對于IoT / IIoT至關重要，特別是對于遠程傳感器和資產跟蹤器或任何其他可遠離基礎設施運行的技術。

對于這些應用，基于sub-GHz技術的廣域網（WAN）正迅速成為首選方案。 蜂窩就是個很好的例子，除了功率要求與IoT / IIoT不兼容外，它是個很好的方案。然而，基于標準或專有的低功耗WAN（LP-WAN）正變得流行。隨著非蜂窩LPWAN技術獲得動力，蜂窩市場已經推出了自己的LPWAN版本NBIoT。NBIoT是現有協議的低功耗版本，可以利用當今廣泛的蜂窩網絡，并且通常屬于5G。NBIoT更適合LPWAN IoT應用，雖然比其他一些方案成本更高，功耗更大，但其優勢是網絡覆蓋。

在設計IoT / IIoT通信方案的過程中，設計人員承受了很多壓力，他們必須選擇最佳的協議并迅速地為市場提供解決方案。而且，方案必須能夠滿足低成本、超高效、安全、遠程更新等要求，這使設計過程變得更加復雜。一般地，所選方案應該能夠被應用于產品范圍內的許多設備。

按照傳統的基于硬件的設計方法，一旦選擇了某個方案，該方案通常是相當固定的，需要大量的重新設計才能從一個協議轉向另一個協議。鑒于圍繞IoT /IIoT技術的快速進步，軟件配置無線接口的技術將帶來許多好處，包括靈活性和未來適用性。

軟件定義的無線電

從最簡單的層面而言，軟件定義的無線電（Software Defined Radio，SDR）是一種設備，其中天線分別連接到模數轉換器（ADC）或數模轉換器（DAC）用于接收、發送路徑。系統的其余部分是數字的，基于FPGA、DSP和ASIC等器件，可實現充分的靈活性和重新配置。

隨著SDR進入主流，有許多可用的硬件平臺以及許多開源軟件工具，如流行的GNU Radio。因此，設計過程能夠變得容易一些，設計人員能夠配置標準硬件并生成協議無關的通信系統，可現場升級，從而使其具有前瞻性。

但是，標準的SDR為IoT / IIoT的實施增添了一些困難。首先，一般的天線接口更為復雜；其次，包含諸如DSP和FPGA之類的設備會增加功耗和物料清單（BoM）的成本。

通過在LPWAN中限制SDR的功能，可以實現IoT / IIoT兼容的方案。在LPWAN環境中，協議更簡單，并且處理的頻段更少。因此，可以在硬件中輕松地管理多個通用協議，而不需要使用昂貴的FPGA或DSP的純SDR。更便宜、更節能的方案標準微控制器也可用于運行系統。而且數據速率較低，設備也不用持續地進行發送、接收，便能夠進一步降低功耗。因此，現在可采用低成本的CMOS技術，高效地實現基于SDR的LPWAN方案。

系統單芯片SDR

安森美半導體的AXM0F243是系統單芯片（SoC），基于經過驗證的窄帶RF收發器芯片和高性能Arm?Cortex?-M0+微控制器（MCU）內核，具有64kB閃存和8kB RAM，從而實現真正的單芯片無線應用。

強大的AX5043收發器芯片是完全可軟件編程的，并提供最廣泛的調制方案，涵蓋幾乎所有的sub-GHz協議，無論是專有的還是基于標準的。這種靈活性支持在通用硬件平臺上構建不同的協議，并設計復雜的多協議網關。

該強固的接收器可實現低至-137dbm的靈敏度，同時消耗低于10mA的電流。差分發射器在單端模式下產生多達16dbm或13dbm。集成頻率合成器涵蓋27MHz至1050MHz頻率。

軟件開發套件（SDK）作為集成設計環境（IDE）的一部分，支持設計人員采用無線電和硬件驅動程序、演示代碼和支援庫。MAC/PHY配置器無縫集成IDE和硬件，令設計人員能通過單擊選擇所需的選項并生成C代碼。因此，開發任務被顯著地簡化和縮短，從而在開箱的幾分鐘內運行演示。

總結

IoT和IIoT依靠通信來有效地工作。事實上，如果沒有通信，它們就不存在。有許多基于標準的協議，但許多不完全適用于IoT/IIoT，因為它們不能滿足遠程、低功率和低成本的綜合要求。

然而，依賴于sub-GHz無線電技術的LPWAN等技術能夠滿足IoT/IIoT的需求，特別是與SDR相結合時。當基于SDR的LPWAN優化以降低功耗時，可以在低成本、低功耗的CMOS系統上實施，如安森美半導體的包括全套設計支持工具的AXM0F243 SoC。