Nye iterationer af Wi-Fi har flyttet diskussionen om individuelle radio-links ydelse i forhold til netværksydelsen. Mange nye teknikker er blevet introduceret i Wi-Fi 6-, Wi-Fi 6E- og den snart ratificerede Wi-Fi 7-standard, der forbedrer ydelsen på både apparat- og netværksniveau. Design af et Wi-Fi front-end modul med brug af trådløse SoC’er baseret på de nye Wi-Fi-standarder kan være dyrt og kompliceret, så valget af forud certificerede moduler er den mest direkte vej til en hurtig markedsintroduktion
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 2 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Chetan Joshi, lead product manager, Panasonic Industry Europe
Når man udlægger et nyt print til det apparat, som følger de nyeste Wi-Fi-standarder med brug af små trådløse SoC-løsninger, så tæller hver en detalje lige fra signalintegriteten på den digitale high-speed I/O-bus, der flytter signalerne til og fra transceiveren, til impedanstilpasning mellem RF-output og antennen. Det kræver en særlig RF-ekspertise for hurtigt at identificere mulige problemer og undgå senere besvær. Wi-Fi-udvikling kræver ydermere et omfattende testudstyr. Radiodesignet vil derimod allerede være optimeret i et modul, og det kan hjælpe til at fjerne besvær i udviklingsarbejdet. Det medfører betydelige besparelser.
Produkter, der som udgangspunkt er forsynet med en transmitter, skal sikre, at funktionen harmonerer med andre apparater i et delt miljø. Det kan man opnå med certificering og med stringente tests af radioerne efter lokale regulativer. Det gælder selvfølgelig også for produkter med Wi-Fi-transceivere – og faktisk er prisen for en fuld Wi-Fi-certificering dyrere som følge af typen af teknologi. Et Wi-Fi-produkt skal have en optimal radio-behaviour, selv når den er placeret tæt på andre produkter i samme Wi-Fi-miljø eller på andre Wi-Fi-net i samme rum eller område. Desuden skal et Wi-Fi-produkt også været garanteret mod at forstyrre andre teknologier i ISM-båndet som Bluetooth, Zigbee, Thread eller andre trådløse stacks. Et dårligt Wi-Fi-design kan desuden forstyrre mobile LTE-radioer eller radarer i 5GHz-båndene til enten civil- eller forsvarsbrug.
Situationen er ikke blevet lettere ved den globale uenighed om, hvordan man kan bruge 6GHz-båndet i forbindelse med ISM-båndets teknologier som Wi-Fi og Bluetooth. Mens USA for eksempel tillader brug af hele 1200MHz-båndbredden til ISM-applikationer, så har EU kun åbnet 480MHz i de nedre 6GHz-bånd. Den største skjulte omkostning i et hardwaredesign er den globale navigering mellem de regionale regulatoriske krav. Samarbejdet med testlaboratorier for lokale, regulatoriske godkendelser er en yderligere udfordring, og det øger udviklingsomkostningerne. Brugen af præcertificerede trådløse moduler fjerner store dele af den udfordring. Systemdesignere kan ganske enkelt genbruge de licenser, der er udstedt til modulproducenten, så man med sikkerhed kan integrere den trådløse funktion.
Valg af det rigtige Wi-Fi-modul
Valget af et Wi-Fi-modul kan baseres på flere faktorer, inklusive arkitektur og protokoller:
Arkitektur: Et modul kan have en åben applikationsprocessor som vært for netværks-stacken foruden en embedded IoT-applikation, som begge kører på et begrænset RTOS. Eller modulet kan fungere som en netværks-coprocessor (NCP), der håndterer Wi-Fi-kommunikationen, men som kræver en værtsprocessor til netværkshåndteringen. Sidstnævnte kræver ofte et fuldt operativsystem (Windows eller Linux). Flere udbydere er dog også i stand til at interface en NCP med en TCP/IP-stack over én eller anden form for real-time OS (som FreeRTOS).
Multiple trådløse protokoller: Et projekt kan kræve en række konnektivitetsmuligheder. Afhængigt af den faktiske rolle kan man vælge mellem et enkelt-protokolmodul udelukkende til Wi-Fi eller en multiprotokolløsning, der supporterer Bluetooth- og 802.15.4-baseret mesh-konnektivitet. For en beskeden sum giver multiprotokolløsningen en tættere integration og bedre sameksistens i forhold til en diskret multi-SoC/modulløsning.
Kommunikations-interfaces og antennevalg
Hver komponent og applikation har sine egne unikke krav – og funktioner – i forhold til en trådløs standard. Hvor ét apparat skal pumpe multiple gigabits gennem et trådløst link for streaming af 4k-video, så kræver et andet apparat kun nogle få kilobits til rapportering af sensordata eller fjernstyring af en aktuator. Muligheder afspejler alsidigheden i applikationerne. Der findes altså trådløse moduler, der supporterer high-speed kommunikations-interfaces som SDIO og PCIe, der begge egner sig til high-throughput datapumpe-applikationer, mens andre løsninger er optimeret til energibegrænsede applikationer med interfaces som SPI, I2C og UART til forbindelse af sensorer.
Antennen kræver også nøje overvejelser i de trådløse designs. Det er transduceren, der konverterer signaler fra transceiveren til elektromagnetisk energi til ud- og indstråling. En dårlig antenne kan gøre et produkt værdiløst, og derfor er valget af antenne typisk dikteret af designet af slutbrugerproduktet. Visse designere foretrækker kompakte antenner integreret i printdesignet, mens andre vil have terminalmonterede antenner, som giver en større dækning. Man skal huske på, at antennen er en del af radio-setup og derfor eksplicit forbundet med certificeringen af det trådløse modul.
Man skal derfor læse de små bogstaver, når man vælger en antenne. Moduler kan blive leveret med en on-board antenne eller med et certificeret design, der gør brugeren i stand til at kopiere det eksakte design og genbruge certificeringsgodkendelsen. Slutmålet er at opnå en optimal radiodækning i et givent design, hvilket kan kræve modificering af antennerne og de tilhørende certificeringer.
Hvad Wi-Fi-modulleverandøren kan tilbyde
Inden for IoT er Wi-Fi-implementering ofte kritisk. En moduludbyder skal derfor kunne levere visse kerneværdier som hardware designsupport, da RF-designs ofte giver grimme overraskelser – som regel på det mindst ventede tidspunkt. Det er hér, at support fra ingeniører med værdifuld erfaring i design af Wi-Fi-moduler er vital for en hurtig designcyklus. En moduludbyder kan hjælpe på flere måder: gennemgang af print-layout, match af input-impedans i antennen, anbefalet modul- eller antenneplacering for bedre dækning – og så fremdeles.
Nye regulatoriske domæner og antenner
En forenklet regulatorisk certificering af radiofunktionen er én af de primære fordele i brugen af Wi-Fi-moduler. Derfor skal leverandører have en alsidig regulatorisk strategi for at sikre designfleksibilitet inklusive multiple domæner til dækning af flere markeder samt multiple antennetyper.
I visse tilfælde kan en certificeret antenne på modulet være utilstrækkelig for den ønskede radioydelse, så en anden antenne end den certificerede bliver nødvendig. Det kan være, hvis et produkt er tiltænkt et nyt marked, som moduludbyderen ikke er certificeret til – eller hvor der ikke foreligger testrapporter. I de tilfælde er modulleverandørens support vigtig for at tilføje nye regulatoriske domæner til listen af eksisterende certificeringer – eller til certificering af komplet nye antennetyper. Modulleverandøren kan supportere apparatdesignere med tests til nye regulativer og udstedelse af autoriserede notice-of-changes i forhold til originalcertificeringen.
Softwarefejlsøgning
Wi-Fi-driver-integration i en embedded platform er ét af de vigtigste emner gennem hele softwarelivscyklussen for et apparat. Tænk på en NCP-implementering i et Linux-baseret embedded apparat. Det er normal praksis, at udbydere af trådløse halvledere periodisk markedsfører nye drivere, der er testet til den seneste stabile version af Linux-kernen. De trådløse drivere skal desuden patches til lapning af huller i sikkerheden. Opgradering til en nyere version – især i tilfælde af trådløse produkter med ”out-of-tree” drivere – kan somme tider føre til et produkt med en uventet behaviour.
Her bliver supporten fra en moduludbyder – enten gennem kommunikation eller ved opdagelse af følsomheder og rådigheden af sikkerheds-patches – eller aktiv fejlsøgning og en root-cause analyse af fejl under driver-integration – en stor hjælp til en nem og sømløs projekthåndtering. Det samme gælder også for trådløse moduler, der er designet rundt om en embedded trådløs mikrocontroller.
Fuld supply chain-support
En ineffektiv supply chain kan ødelægge et ellers glimrende printdesign. Selv små eller øjensynligt ligegyldige komponenter som modstande kan bremse et produktionsforløb, så der skal altid være alternative leverandører til rådighed. Et certificeret radiomodul er én af de mest kritiske komponenter, da det uundgåeligt er forbundet med deklarationen af slutproduktet fra producenten over for de regulatoriske bodies.
En konsekvens kan være, at et redesign af produktet ikke er mulig – og det vil i alle tilfælde være en dyr affære. Det er hér, at den fulde support fra en kompetent og dedikeret moduludbyder bringer en virkelig fysisk værdi til bordet. Det kan være: teknisk konsulentbistand til at opnå et platformsdesign, produkt livscyklus-management samt entydige forecasts for modulproduktion. Fabriks-audits for fuld transparens i produktion og supply chain kan sagtens være et nøglekrav fra kunder, der vil fremstille Wi-Fi-baserede apparater.
Via Panasonics website kan man finde flere informationer ved at søge på ”Demystifying Wi-Fi 6/6E/7”.
Billedtekster:
1: PAN9019 – et certificeret radiomodul med dual-band Wi-Fi 6- og Bluetooth 5.4-subsystemer.
2: Panasonics nyeste Wi-Fi-moduler.
