软件定义的无线电提供IoT远程联接

Dan Clement

安森美半导体

前言

为了提供设计人员和用户所需的功能和好处，需要联接IoT和IIoT节点，以便将收集到的数据传输处理，或接收用户或另一个节点的指令。

有线联接始终是一项选择，并且有时作为非常短距离联接或者需要最高可靠性联接应用的首选。它还用于环境不适合基于射频（RF）的通信的情况。然而，对于所有IoT/ IIoT应用，有线并不总是实用的或具性价比的。

无线适用于IoT / IIoT应用，它可支持几乎无限的节点数，可携且易于重新配置，部署快，更易于扩展。通过选择专为应用定制的通信协议，无线也可以以最小的功耗运行。

早期的无线系统基于1GHz以下的RF载波频率，我们今天将其称为“sub-GHz”。通常，这些sub-GHz应用使用专有协议，并且对于每个给定的应用程序或安装是唯一的。

在过去的5～7年中，基于标准的2.4GHz通信使用Wi-Fi和蓝牙的普及率大幅提升。智能手机作为联接到云的网关，其激增推动了这些基于标准的通信方案的巨大增长。2.4GHz频段的另一个好处是它是全球免许可的工业、科学、医学（ISM）频段。

另一方面，Sub-GHz协议提供了更大的灵活性，因为它们受标准控制较少。光谱通常不那么拥挤，但这些频带在全球范围内变化，使互操作性变得不那么容易。然而，sub-GHz用于IoT / IIoT的最大优势是能够以非常高的能效提供远程通信。

低功耗远距离通信的能力对于IoT / IIoT至关重要，特别是对于远程传感器和资产跟踪器或任何其他可远离基础设施运行的技术。

对于这些应用，基于sub-GHz技术的广域网（WAN）正迅速成为首选方案。 蜂窝就是个很好的例子，除了功率要求与IoT / IIoT不兼容外，它是个很好的方案。然而，基于标准或专有的低功耗WAN（LP-WAN）正变得流行。随着非蜂窝LPWAN技术获得动力，蜂窝市场已经推出了自己的LPWAN版本NBIoT。NBIoT是现有协议的低功耗版本，可以利用当今广泛的蜂窝网络，并且通常属于5G。NBIoT更适合LPWAN IoT应用，虽然比其他一些方案成本更高，功耗更大，但其优势是网络覆盖。

在设计IoT / IIoT通信方案的过程中，设计人员承受了很多压力，他们必须选择最佳的协议并迅速地为市场提供解决方案。而且，方案必须能够满足低成本、超高效、安全、远程更新等要求，这使设计过程变得更加复杂。一般地，所选方案应该能够被应用于产品范围内的许多设备。

按照传统的基于硬件的设计方法，一旦选择了某个方案，该方案通常是相当固定的，需要大量的重新设计才能从一个协议转向另一个协议。鉴于围绕IoT /IIoT技术的快速进步，软件配置无线接口的技术将带来许多好处，包括灵活性和未来适用性。

软件定义的无线电

从最简单的层面而言，软件定义的无线电（Software Defined Radio，SDR）是一种设备，其中天线分别连接到模数转换器（ADC）或数模转换器（DAC）用于接收、发送路径。系统的其余部分是数字的，基于FPGA、DSP和ASIC等器件，可实现充分的灵活性和重新配置。

随着SDR进入主流，有许多可用的硬件平台以及许多开源软件工具，如流行的GNU Radio。因此，设计过程能够变得容易一些，设计人员能够配置标准硬件并生成协议无关的通信系统，可现场升级，从而使其具有前瞻性。

但是，标准的SDR为IoT / IIoT的实施增添了一些困难。首先，一般的天线接口更为复杂；其次，包含诸如DSP和FPGA之类的设备会增加功耗和物料清单（BoM）的成本。

通过在LPWAN中限制SDR的功能，可以实现IoT / IIoT兼容的方案。在LPWAN环境中，协议更简单，并且处理的频段更少。因此，可以在硬件中轻松地管理多个通用协议，而不需要使用昂贵的FPGA或DSP的纯SDR。更便宜、更节能的方案标准微控制器也可用于运行系统。而且数据速率较低，设备也不用持续地进行发送、接收，便能够进一步降低功耗。因此，现在可采用低成本的CMOS技术，高效地实现基于SDR的LPWAN方案。

系统单芯片SDR

安森美半导体的AXM0F243是系统单芯片（SoC），基于经过验证的窄带RF收发器芯片和高性能Arm®Cortex®-M0+微控制器（MCU）内核，具有64kB闪存和8kB RAM，从而实现真正的单芯片无线应用。

强大的AX5043收发器芯片是完全可软件编程的，并提供最广泛的调制方案，涵盖几乎所有的sub-GHz协议，无论是专有的还是基于标准的。这种灵活性支持在通用硬件平台上构建不同的协议，并设计复杂的多协议网关。

该强固的接收器可实现低至-137dbm的灵敏度，同时消耗低于10mA的电流。差分发射器在单端模式下产生多达16dbm或13dbm。集成频率合成器涵盖27MHz至1050MHz频率。

软件开发套件（SDK）作为集成设计环境（IDE）的一部分，支持设计人员采用无线电和硬件驱动程序、演示代码和支援库。MAC/PHY配置器无缝集成IDE和硬件，令设计人员能通过单击选择所需的选项并生成C代码。因此，开发任务被显著地简化和缩短，从而在开箱的几分钟内运行演示。

总结

IoT和IIoT依靠通信来有效地工作。事实上，如果没有通信，它们就不存在。有许多基于标准的协议，但许多不完全适用于IoT/IIoT，因为它们不能满足远程、低功率和低成本的综合要求。

然而，依赖于sub-GHz无线电技术的LPWAN等技术能够满足IoT/IIoT的需求，特别是与SDR相结合时。当基于SDR的LPWAN优化以降低功耗时，可以在低成本、低功耗的CMOS系统上实施，如安森美半导体的包括全套设计支持工具的AXM0F243 SoC。