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SDR靈活性更高 sub-GHz滿足LPWAN需求

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為了提供設計人員和用戶所需的功能和優勢,需要能夠連接IoT和IIoT節點,以便將收集到的資料傳輸處理,或接收使用者或另一個節點的指令。

有線連接始終是一項選擇,有時是非常短距離連接或者需要最高可靠性連接應用的首選。它還用於環境不適合基於射頻(RF)的通訊情況。然而,對於所有IoT/IIoT應用,有線並不總是實用的或具性價比的。

無線適用於IoT/IIoT應用;它可支援幾乎無限的節點數,可攜且易於重新配置,部署快速且更易於擴展。透過選擇專為應用定制的通訊協議,無線也可以以最小的功耗運行。

早期的無線系統基於1GHz以下的RF載波頻率,現今將其稱為sub-GHz。通常,這些sub-GHz應用使用專有協定,並且對於每個給定的應用程式或安裝是唯一的。在過去的5~7年中,基於標準的2.4GHz通訊使用Wi-Fi和藍牙的普及率大幅提升。智慧手機作為連接到雲的閘道,其激增推動了這些基於標準的通訊方案的巨大成長。2.4GHz頻段的另一個好處是它是全球非授權的工業、科學、醫學(ISM)頻段。

sub-GHz協議靈活性高

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。光譜通常不那麼擁擠,但這些頻帶在全球範圍內變化,使互通性變得不那麼容易。然而,sub-GHz用於IoT/IIoT的最大優勢是能夠以非常高的效能提供遠端通訊。低功耗遠距離通訊的能力對於IoT/IIoT至關重要,特別是對於遠端感測器和資產追蹤器或任何其他可遠離基礎設施運行的技術。對於這些應用,基於sub-GHz技術的廣域網路(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不相容外,它是個很好的方案。然而,基於標準或專有的低功耗廣域網路(LPWAN)正開始流行。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NB-IoT。NB-IoT是現有協議的低功耗版本,可以利用當今廣泛的蜂窩網路,並且通常屬於5G。NB-IoT更適合LPWAN的IoT應用,但仍然比其他一些方案成本更高,功耗更大,其折衷方案是網路覆蓋。

為IoT/IIoT設計通訊方案,對於那些必須選擇最佳協議並迅速將方案上市的設計人員是具有挑戰性的。使挑戰複雜的是方案必須是低成本、非常高效、安全,並能夠遠程更新。

使用傳統基於硬體的設計方法,一旦選擇了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定轉向另一個協定。鑒於圍繞IoT/IIoT的快速技術進步,軟體配置無線介面的能力將帶來許多好處,包括靈活性和未來適用性。

從最簡單的層面而言,軟體定義的無線電是一種設備,其中天線分別連接到類比數位轉換器(ADC)或數位類比轉換器(DAC)用於接收/發送路徑。系統的其餘部分是數位的,基於FPGA、DSP和ASIC等元件,可實現充分的靈活性和重新配置。

SDR成主流有利有弊

隨著SDR進入主流,有許多可用的硬體平台以及許多開放式軟體工具,如流行的GNU Radio。這意味著設計過程稍微容易一些,因為設計人員能夠配置標準硬體並生成協定無關的通訊系統,可現場升級,而使其具有前瞻性。但是,標準的SDR對IoT/IIoT實施有一些挑戰。首先,天線的介面通常更複雜;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)成本。

透過將SDR的功能限制在LPWAN,可以實現IoT/IIoT相容的方案。在LPWAN環境中,協議更簡單,並且處理的頻段更少。因此,許多通用協定可以在硬體中輕易管理,而不是使用需要昂貴的FPGA或DSP的純SDR。更便宜、更節能的方案標準微控制器也可用於運行系統。而且,資料速率較低並且設備不是不斷地發送/接收,從而進一步降低功耗。因此,現在可採用低成本CMOS技術高效實現基於SDR的LPWAN方案。針對上述問題,有廠商推出系統單晶片(SoC),基於經過驗證的窄頻RF收發器和高性能Arm Cortex-M0+微控制器(MCU)內核,以實現真正的單晶片無線應用。為因應市場需求,廠商致力於開發完全可軟體程式設計的收發器,並提供最廣泛的調製方案,涵蓋幾乎所有的sub-GHz協議,無論是專有的還是基於標準的。這種靈活性支援在通用硬體平台上構建不同的協定,和能設計複雜的多協定閘道。

IoT和IIoT依靠通訊有效工作。事實上,如果沒有通訊,它們就不存在。有許多基於標準的協議,但不完全適用於IoT/IIT,因為它們不能滿足遠端、低功率和低成本的綜合要求。但依賴於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。當基於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。

(本文作者為安森美半導體產品行銷經理)

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