Vergelijking van eigen RF en Bluetooth

Ontwerpers hebben veel keuzemogelijkheden als het gaat om draadloze connectiviteit in toepassingen variërend van menselijke interface-apparaten (HID's) tot afstandssensoren voor het Internet of Things (IoT). Een van de meer fundamentele beslissingen die moeten worden genomen, en een die veel ontwerpers nog steeds worstelen, is of het gaat om een ​​op standaarden gebaseerde RF-interface zoals Wi-Fi, Bluetooth of ZigBee, of een gepatenteerde RF fysieke laag (PHY ) ontwerp en protocol.

De redenen om voor elkaar te kiezen zijn talrijk, maar dat geldt ook voor de relatieve afwegingen op het gebied van kosten, beveiliging, energieverbruik, interoperabiliteit, ontwerptijd, robuustheid in verband met interferentie, coëxistentie, latentie en certificeringsvereisten. Veel van deze afwegingen houden onderling verband, dus ontwerpers moeten eerst de ontwerpvereisten bepalen en vervolgens dienovereenkomstig optimaliseren.

Dit artikel bespreekt de factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij het kiezen tussen een standaard Bluetooth-interface en een eigen RF-protocol. Vervolgens wordt een Bluetooth 5-module geïntroduceerd, gevolgd door een siliciumoplossing waarop een eigen protocol kan worden geïmplementeerd, met de juiste richtlijnen voor elk systeem om snel aan de slag te gaan.


Proprietary RF-voor- en nadelen
De behuizing voor eigen PHY en protocol is sterk als een ontwerp moet worden geoptimaliseerd in de richting van beveiliging, laag vermogen, kleine footprint en prestaties.

Beveiliging is van cruciaal belang voor veel toepassingen, van garagedeuropeners tot IoT-apparaten. Met eigen radio's wordt deze op een aantal manieren geadresseerd. Om te beginnen zorgen gepatenteerde ontwerpen voor "security-through-obscurity", in die zin dat een RF-interface die niet goed bekend is, moeilijker te hacken is. Er is ook de neiging voor eigen interfaces om van punt naar punt te zijn, of om te werken in gesloten systemen die geen verbinding maken met bredere netwerken, en dus verborgen blijven. Ten slotte zijn ontwerpers van eigen interfaces vrij om hun eigen geavanceerde versleutelingsalgoritmen te ontwikkelen of gevestigde algoritmen te tweaken, zonder dat ze interoperabel hoeven te zijn met beveiligingsalgoritmen van andere fabrikanten. Alleen maar anders zijn is op zichzelf een veiligheidsvoordeel.

Eigen radioontwerpen kunnen voordelen bieden als het gaat om het waarborgen van een robuuste verbinding in het geval van interferentie van Wi-Fi-netwerken, magnetrons, draadloze telefoons en andere draadloze netwerken met laag vermogen. Zonder gebonden te zijn aan een standaard, hebben ontwerpers de flexibiliteit om beter gebruik te maken van het spectrum met behulp van technieken zoals direct-sequence spread spectrum (DSSS) en frequency hopping spread spectrum (FHSS). Bovendien kunnen ze hun eigen voorkeurscoderingsschema gebruiken op basis van hun verwachte verbindingsbudget om een ​​hogere doorvoer of een lager energieverbruik te krijgen.

Deze flexibiliteit is ook van toepassing op de datapakketstructuur. Zonder de pakketoverhead die vereist is om interoperabiliteit met op standaarden gebaseerde draadloze apparaten te garanderen, kan de pakketstructuur worden gestroomlijnd volgens de behoeften van de toepassing.

Vanuit het oogpunt van hardwarearchitectuur kunnen goed gedefinieerde prestatie-eisen en de garantie dat deze vereisten later niet zullen veranderen, ontwerpers van een eigen RF-interface laten optimaliseren voor ruimte, kracht en prestaties. Ze kunnen dit doen door opnieuw alleen die functies op te nemen die nodig zijn om aan de behoeften van de toepassing te voldoen.

Terwijl merkgebonden RF vele voordelen heeft, zijn er een aantal factoren waarmee rekening moet worden gehouden. De eerste is de kostprijs: om de niet-terugkerende engineering (NRE) kosten van een aangepast RF IC-ontwerp en bijbehorende software te rechtvaardigen, met name voor goedkope apparaten, moet het verwachte volume> 100,000 zijn.

Strak gekoppeld aan de kosten is de ontwerptijd, vooral gezien de grillen van het RF-ontwerp en de goed gedocumenteerde schaarste aan RF-expertise, evenals de tijd die nodig is om de firmware en software te ontwikkelen die nodig zijn voor een succesvol ontwerp.

Bluetooth is breed geadopteerd, altijd aan te passen
Aan de andere kant is Bluetooth. Oorspronkelijk ontworpen als een eenvoudige point-to-point kabelvervangingstechnologie voor HID's en andere apparaten die gebruikers in verwarring brachten, werd het al snel een oplossing voor draadloze audio en apparaat-tot-apparaatconnectiviteit. Dankzij de strenge controle door de Bluetooth Special Interest Group (SIG) is Bluetooth goed bekend en kunnen ontwerpers erop vertrouwen dat hun apparaten verbinding maken en interoperabel zijn met andere Bluetooth-apparaten, ongeacht de hardware.

Brede adoptie en interoperabele apparaten hebben geresulteerd in veel productieve hardware en software, die lagere kosten en een snelle time-to-market oplevert voor een ontwerp waarvoor een draadloze interface nodig is. Bovendien is Bluetooth in de loop der jaren geëvolueerd.

Het is altijd actief geweest in de industriële, wetenschappelijke en medische band (ISM) van 2.4 GHz, te beginnen met GFSK-modulatie van de negenenzeventig 1 MHz-draaggolven, waardoor 1 Mbit / s een doorvoercapaciteit heeft. Dit wordt Bluetooth Basic Rate (BR) genoemd. Het adaptieve FHSS-coderingsschema zorgt ervoor dat het krachtig blijft in het aangezicht van interferenties, zelfs als het IoT meer draadloos verbonden apparaten tot stand brengt. Om hogere datasnelheden te bereiken, gebruikt Bluetooth 2.0 + Enhanced Data Rate (EDR) π / 4-DQPSK (differentiële kwadratuur faseverschuivingssleutels) en 8DPSK-modulatie, om respectievelijk de snelheden 2 en 3 Mbits / s te bereiken.

Hoewel Bluetooth strak wordt beheerd door de SIG, moeten ontwerpers de veranderingen die tot stand zijn gekomen met de introductie van Bluetooth 4.0 Core-specificatie in 2010, nauwkeurig bestuderen. Dit introduceerde Bluetooth low energy (BLE), voorheen op de markt gebracht als Bluetooth Smart. BLE is niet achterwaarts compatibel met Bluetooth Classic, dus ontwerpers moeten hier voorzichtig zijn.

Het primaire doel van BLE is laag energieverbruik. Dit wordt bereikt door de connectiegerichte benadering van Bluetooth Classic waarbij apparaten altijd verbonden zijn, te verplaatsen naar een niet-verbonden benadering waarbij ze alleen verbinding maken wanneer ze dat nodig hebben voor korte intervallen. De toepassingen zijn wearables zoals smart watches en sensoren voor het IoT.

De nieuwste versie, Bluetooth 5, verdubbelt de BLE-gegevenssnelheid naar 2 Mbits / s van 1 Mbit / s en vergroot het bereik van een 128 kbit / s-verbinding door 4x tot maximaal 50 m door sterkere foutencorrectie (FEC) . Door de hogere gegevenssnelheid kunnen er meer pakketten worden verzonden voor een bepaald tijdslot, zodat het stroomverbruik wordt verminderd, omdat het apparaat gedurende langere perioden in de modus voor laag stroomverbruik of inactief kan blijven.

Het langere bereik geeft ontwerpers meer flexibiliteit om datasnelheden in te ruilen voor afstand voor elk Bluetooth-apparaat, inclusief Beacons. Bakens zijn BLE-apparaten met batterijaandrijving die hun identificatiecode uitzenden naar mobiele apparaten in de buurt, zodat die apparaten bepaalde acties kunnen uitvoeren wanneer ze zich dicht bij het baken bevinden. Populair bij adverteerders, ze maken ook nauwkeurige tracking binnen en buiten mogelijk.

De SIG implementeerde echter nog een andere interessante tweak die gepatenteerde RF-interfaceontwerpers ook kunnen doen: ze verlaagden de overhead-naar-payload-ratio, waardoor minder transmissies nodig waren om een ​​bepaalde hoeveelheid "echte" gegevens te verzenden, om het stroomverbruik verder te verminderen.

Wat begon als een eenvoudige kabelvervangingstechnologie is veranderd in iets dat veel nuttiger is. Als gevolg hiervan zijn ontwerpers nu meer geneigd om te zoeken naar een snelle en gemakkelijke Bluetooth-oplossing in plaats van de kosten en uitgaven van het ontwerpen van hun eigen RF-interface te doorstaan.


Aan de slag met Bluetooth
Deze neiging om te kiezen voor een Bluetooth-interface wordt een noodzaak, naarmate de time-to-market-vensters smaller worden en de ontwerpbudgetten kleiner worden. Gelukkig is er voor veel ontwerpen voldoende ruimte voor een standaard Bluetooth-module, waardoor het ontwerpteam zich kan concentreren op de uiteindelijke toepassing en differentiatie.


Gepatenteerde Bluetooth-sweet spot
Tussen een volledig aangepast eigen radioontwerp en standaard Bluetooth, is er nog een andere optie: een standaard radiozendontvanger waarrond ontwerpers hun eigen protocol- en coderingsschema's kunnen ontwikkelen, of standaardversies kunnen gebruiken zoals Ant, Thread, of ZigBee. Met de dalende kosten van beschikbaar silicium en een breed scala aan software-ondersteuning, kan dit de "sweet spot" zijn voor ontwerpers op zoek naar differentiatie, enige ruimte voor optimalisatie en de optie om de beveiliging te verbeteren, dit alles met minimale kosten en ontwerp schema's intact.


Conclusie
Er zijn veel redenen om een ​​volledige RF-ontwerproute of een standaard Bluetooth-radio te kiezen. Elk heeft zijn plaats als het gaat om het voldoen aan de ontwerp- en toepassingsvereisten in termen van kosten, tijd, prestaties, omvang, veiligheid en vele andere factoren. Voor ontwerpers die veel van de kosten- en tijdbesparende voordelen van standaardsilicium willen, maar ook de flexibiliteit om een ​​bepaald niveau van bedrijfseigen differentiatie toe te voegen, bieden leveranciers nu ook solide hardwareplatforms om op te bouwen.

Laat een bericht achter 

Message List