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miércoles , junio 3 2020
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Comparación de RF y Bluetooth

Los diseñadores tienen muchas opciones cuando se trata de conectividad inalámbrica en aplicaciones que van desde dispositivos de interfaz humana (HID) hasta sensores remotos para internet de las cosas (IoT). Una de las decisiones más fundamentales que deben tomarse, y con la que muchos diseñadores aún luchan, es si se deben usar estándares basados en una interfaz de RF, tales como Wi-Fi, Bluetooth o ZigBee, o un diseño y protocolo patentados de capa física (PHY) de RF.

Las razones para elegir una sobre la otra son muchas, pero también lo son las ventajas y desventajas relativas en términos de costo, seguridad, consumo de energía, interoperabilidad, tiempo de diseño, robustez frente a interferencia, coexistencia, latencia y requisitos de certificación. Muchas de estas ventajas y desventajas están interrelacionados, por lo que los diseñadores primero deben determinar los requisitos de diseño y luego optimizarlos en consecuencia. En este artículo se discutirán los factores que deben considerarse al elegir entre una interfaz Bluetooth estándar y un protocolo patentado de RF. A continuación, se presentará un módulo Bluetooth 5, seguido de una solución de silicio sobre la cual se puede implementar un protocolo patentado, con pautas apropiadas para cada uno sobre cómo ponerlo en funcionamiento rápidamente.

Pros y contras de RF patentada

El caso para protocolo y PHY patentados es sólido si un diseño requiere optimización en la dirección de seguridad, bajo consumo de energía, rendimiento y ocupar un espacio pequeño. La seguridad es crítica para muchas aplicaciones, desde abridores de puertas de garaje hasta dispositivos IoT. Con radios patentados, se aborda de varias maneras. Para empezar, los diseños patentados garantizan la “seguridad a través de la oscuridad”, ya que una interfaz de RF que no es muy conocida es más difícil de hackear. También existe la tendencia de que las interfaces propietarias sean de punto a punto, o que operen en sistemas cerrados que no se conectan a redes más amplias, y así permanecen ocultas. Finalmente, los diseñadores de interfaces patentadas son libres de desarrollar sus propios algoritmos de cifrado avanzados o de modificar los establecidos, sin que tengan que ser interoperables con algoritmos de seguridad de otros fabricantes. Simplemente ser diferente es, en sí mismo, una ventaja de seguridad. Los diseños de radio patentados pueden ser una ventaja cuando se trata de garantizar una conexión robusta frente a la interferencia de redes Wi-Fi, hornos de microondas, teléfonos inalámbricos y otras redes inalámbricas de baja potencia.

Sin estar atados a un estándar, los diseñadores tienen la flexibilidad de hacer un mejor uso del espectro usando técnicas tales como el espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS) y el espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS). Además, pueden adoptar su propio esquema de codificación preferido en función de su presupuesto de enlace esperado para obtener una mayor tasa de producción o un menor consumo de energía. Esta flexibilidad también se aplica a la estructura del paquete de datos. Sin la sobrecarga del paquete requerida para garantizar la interoperabilidad con dispositivos inalámbricos de bases estándares, la estructura del paquete puede simplificarse según las necesidades de la aplicación.

Desde el punto de vista del diseño de hardware, los requisitos de rendimiento bien entendidos y la garantía de que esos requisitos no cambiarán en una etapa posterior, permite que los diseñadores de una interfaz de RF patentada se optimicen para el espacio, la potencia y el rendimiento. Pueden hacerlo incluyendo nueva mente solo las funciones requeridas para satisfacer las necesidades de la aplicación. Si bien la RF patentada tiene muchas ventajas, hay una serie de factores que deben tenerse en cuenta. El primero es el costo: para justificar el costo de ingeniería no recurrente (NRE) de un diseño de IC de RF personalizado y software asociado, especialmente para dispositivos de bajo costo, el volumen esperado debería ser >100,000. El tiempo de diseño está estrechamente relacionado con el costo, especialmente dados los caprichos del diseño de RF y la escasez bien documentada de experiencia en RF, así como el tiempo necesario para desarrollar el firmware y el software necesarios para un diseño exitoso.

Bluetooth ampliamente adoptado, siempre adaptándose

En el otro extremo está Bluetooth. Originalmente diseñado como una tecnología directa de reemplazo de cable punto a punto para HID y otros dispositivos que enredaban a los usuarios, pronto se convirtió en una solución de conectividad inalámbrica de audio y dispositivo a dispositivo. Beneficiándose del estricto control del Bluetooth Special Interest Group (SIG), Bluetooth se entiende bien y los diseñadores pueden confiar en que sus dispositivos se conectarán y serán interoperables con otros dispositivos habilitados para Bluetooth, independientemente de la fuente de hardware. La amplia adopción y los dispositivos interoperables han tenido como resultado hardware y software prolíficos, lo que trae consigo un costo menor y un tiempo de comercialización más rápido para un diseño que requiere una interfaz inalámbrica. Además, Bluetooth ha evolucionado a lo largo de los años. Siempre ha operado en la banda industrial, científica y médica (ISM) de 2.4 GHz, comenzando con la modulación GFSK de sus setenta y nueve portadoras de 1 MHz, dando una tasa de producción de 1 Mbit/s. Esto se llama velocidad básica (BR) de Bluetooth. Su esquema de codificación FHSS adaptativo le permite seguir siendo robusto frente a las fuentes de interferencia, incluso cuando el IoT genera más dispositivos conectados de forma inalámbrica. Para obtener velocidades de datos más altas, el Bluetooth 2.0 + Velocidad de datos mejorada (EDR) utiliza π/4-DQPSK (modulación de desplazamiento de fase en cuadratura diferencial) y modulación 8DPSK, para obtener velocidades de 2 y 3 Mbits/s, respectivamente. Mientras que el Bluetooth está estrechamente controlado por el SIG, los diseñadores deben estudiar de cerca los cambios que se produjeron con la introducción de la especificación de núcleo Bluetooth 4.0 en 2010. Esto introdujo Bluetooth de bajo consumo (BLE), anteriormente comercializado como Bluetooth Smart. BLE no es compatible con versiones anteriores de Bluetooth Classic, por lo que los diseñadores deben tener cuidado aquí. El objetivo principal de BLE es el bajo consumo.

Lo logra moviéndose desde el enfoque orientado a la conexión de Bluetooth Classic, donde los dispositivos están siempre conectados, a un enfoque desconectado donde solo se conectan cuando lo necesitan por intervalos cortos. Las aplicaciones son dispositivos portátiles como relojes inteligentes y sensores para IoT. El Bluetooth SIG ha seguido mejorando la especificación para satisfacer las diversas necesidades de sus miembros y sus aplicaciones. Para ver cómo ha evolucionado, visite “Los SoC y herramientas con Bluetooth de bajo consumo compatibles con Bluetooth 4.1, 4.2 y 5 están a la altura de los desafíos de la IoT. La última versión, Bluetooth 5, duplica la velocidad de datos BLE a 2 Mbits/s desde 1 Mbit/s, y aumenta unas 4 veces el alcance de una conexión de 128 kbit/s hasta 50 m mediante una corrección de errores hacia adelante (FEC) más fuerte. La velocidad de datos más alta permite que se transmitan más paquetes para un intervalo de tiempo dado, por lo que el consumo de energía se reduce ya que el dispositivo puede permanecer en modo de bajo consumo o inactivo durante períodos prolongados.

El rango más largo brinda a los diseñadores más flexibilidad para compensar la velocidad de datos de distancia de cualquier dispositivo Bluetooth, incluidos los Beacon. Los Beacon son dispositivos BLE que funcionan con batería y transmiten su identificador a dispositivos móviles cercanos para que dichos dispositivos puedan realizar ciertas acciones cuando están cerca de la señal. Son populares entre los anunciantes y también permiten un seguimiento preciso en interiores y exteriores. Sin embargo, el SIG implementó otra modificación interesante que los diseñadores de interfaz de RF patentada también pueden hacer: redujeron la relación de sobrecarga a carga útil, requiriendo menos transmisiones para enviar una cantidad determinada de datos “reales”, para reducir aún más el consumo de energía. Lo que comenzó como una simple tecnología de reemplazo de cable se ha transformado en algo mucho más útil. Como resultado, los diseñadores ahora son más aptos para buscar una solución Bluetooth rápida y fácil en lugar de pagar el costo y el gasto de diseñar su propia interfaz RF.

Comenzar a usar Bluetooth

Esta tendencia a optar por una interfaz Bluetooth se está convirtiendo en una necesidad a medida que las ventanas de tiempo de lanzamiento al mercado se reducen y los presupuestos de diseño disminuyen. Afortunadamente, para muchos diseños hay suficiente espacio para acomodar un módulo Bluetooth comercial disponible para la venta, lo que permitirá que el equipo de diseño se concentre en su aplicación y diferenciación final. Uno de estos módulos es el módulo de Bluetooth 5 BMD-330 de Rigado. Si bien hay muchos módulos para Bluetooth, este es particularmente interesante y útil ya que tiene una antena integrada en el tablero. El ajuste y la colocación de la antena es uno de los aspectos más sofisticados del diseño de RF; por lo tanto, la descarga del diseñador ahorra tiempo y ayuda a garantizar un acoplamiento de señal óptimo. El módulo es una solución completa con aprobaciones regulatorias, su propio convertidor CC-CC a bordo, control inteligente de potencia y medidas de 9.8 x 14.0 x 1.9 mm. Si bien la antena está incluida, necesita un plano de tierra adecuado para radiar de manera efectiva. Además, el área que se extiende desde la parte de la antena del módulo debe mantenerse libre de cobre y otros metales, y el módulo debe colocarse en el borde de la placa de CI, con la antena orientada hacia afuera. Al montar el módulo en un gabinete, asegúrese de que no haya metal cerca de la antena, o esto afectará el rendimiento.

Como está diseñado y ajustado para el funcionamiento en el aire libre, los rellenos, la resina, el sobremoldeado o los revestimientos de conformación pueden afectar el rendimiento, lo que requiere mediciones adicionales después de la aplicación para garantizar que el presupuesto del enlace esté dentro de las especificaciones. El módulo se basa en un sistema en chip (SoC) nRF52810 de Nordic Semiconductor Utiliza una unidad central de procesamiento (CPU) Arm® Cortex®-M4 con frecuencia de 64 MHz, tiene 192 Kbytes de flash y 24 Kbytes de RAM. Esto no es mucho espacio de flash, por lo que Rigado no ha suministrado ningún firmware de fábrica en el módulo. Como no hay un gestor de arranque, cualquier firmware debe cargarse utilizando la interfaz de depuración de cable serial (SWD). Una vez hecho esto, sin embargo, Nordic proporciona una amplia matriz de pilas de protocolos llamada SoftDevices. Se trata de archivos binarios precompilados y previnculados que se pueden descargar desde el sitio web de Nordic. El BMD-330 con el SoC nRF52810 admite el SoftDevice S132 (central y periférico BLE), y el SoftDevice S112 (periférico BLE) optimizado para memoria. Las especificaciones claves para el módulo BMD-330 incluyen una potencia de transmisión de +4 dBm y una sensibilidad de receptor de -96 dBm (modo BLE). Funciona con un suministro de 3 voltios y consume 7.0 miliamperios (mA) a +4 dBm, y 4.6 mA a 0 dBm en modo de transmisión. En el modo de recepción, consume 4.6 mA a 1 Mbit/s, y 5.8 mA a 2 Mbits/s. Ambas especificaciones de transmisión y recepción suponen que el convertidor CC-CC está habilitado: la corriente aumenta cuando está deshabilitado.

Punto óptimo entre patentado y Bluetooth

Entre un diseño de radio patentado completamente personalizado y el Bluetooth estándar, existe otra opción: un transceptor de radio estándar alrededor del cual los diseñadores pueden desarrollar sus propios esquemas de protocolo y codificación, o adoptar versiones comerciales como Ant, Thread, o ZigBee. Con el costo decreciente del silicio disponible y una amplia gama de soporte de software, este puede ser el “punto óptimo” para los diseñadores que buscan diferenciación, algo de flexibilidad para la optimización y la opción de mejorar la seguridad, manteniendo al mismo tiempo los costos al mínimo y esquemas de diseño intactos. Una buena opción para los diseñadores interesados en esta ruta es el SoC de la familia de protocolo patentada Flex Gecko de Silicon Labs EFR32FG14. Al igual que el BMD-330, el EFR- 32FG14 también utiliza un núcleo Arm® Cortex®-M4, pero funciona a un máximo de 40 MHz en lugar de 64 MHz, ya que el chip está muy dirigido a aplicaciones de IoT de bajo consumo. Tiene hasta 256 Kbytes de flash y 32 Kbytes de RAM.

Tenga en cuenta que el chip admite operaciones de 2.4 GHz y sub-GHz (915 MHz), y se proporcionan guías para la adaptación de la red de antena. El chip también incluye compatibilidad con la diversidad de antenas para mitigar los efectos del desvanecimiento selectivo de frecuencia. También se incorporan varias funciones de seguridad flexibles de E/S, que incluyen un sistema reflectante periférico de 12 canales que permite la interacción autónoma de periféricos MCU; hasta 32 entradas y salidas de uso general (GPIO); y un acelerador de cifrado de hardware autónomo y un verdadero generador de números aleatorios. Los amplificadores de potencia para el funcionamiento a 2.4 y sub-GHz también están integrados en el chip. Para ayudar en el proceso de desarrollo, existe la placa SLWRB4250A de Silicon Labs para la línea EFR32FG. Incluye los SoC, las cabeceras, los cristales y los circuitos de adaptación de antenas, así como el software.

Conclusión

Hay muchas razones para elegir entre una ruta de diseño de RF patentada completa y una radio Bluetooth estándar. Cada una tiene su lugar cuando se trata de cumplir los requisitos de diseño y aplicación en términos de costo, tiempo, rendimiento, tamaño, seguridad y muchos otros factores. Sin embargo, para los diseñadores que desean muchos de los beneficios de ahorro de tiempo y costos del silicio disponibles en el mercado, así como la flexibilidad para agregar un cierto nivel de diferenciación patentada, los proveedores ahora también están proporcionando plataformas de hardware sólidas sobre las cuales construir.



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