Comparación de RF y Bluetooth patentados

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 deben usar una interfaz de RF basada en estándares como Wi-Fi, Bluetooth o ZigBee, o una capa física de RF patentada (PHY). ) diseño y protocolo.

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 la interferencia, la coexistencia, la latencia y los requisitos de certificación. Muchos de estos intercambios están interrelacionados, por lo que los diseñadores primero deben determinar los requisitos de diseño y luego optimizarlos en consecuencia.

Este artículo discutirá los factores a considerar 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 propietario, con las pautas apropiadas para cada uno sobre cómo ponerlo en funcionamiento rápidamente.


Pros y contras patentados de RF
El caso de PHY patentado y protocolo es sólido si un diseño requiere optimización en la dirección de seguridad, bajo consumo de energía, huella pequeña y rendimiento.

La seguridad es crítica para muchas aplicaciones, desde abridores de puertas de garaje hasta dispositivos IoT. Con radios propietarias, se trata 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 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 propietarias son libres de desarrollar sus propios algoritmos avanzados de cifrado o ajustar los establecidos, sin tener 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 propietarios 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 un mayor rendimiento 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 basados ​​en estándares, la estructura del paquete puede racionalizarse 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 propietaria se optimicen para el espacio, la potencia y el rendimiento. Pueden hacerlo nuevamente incluyendo solo las funciones requeridas para satisfacer las necesidades de la aplicación.

Si bien la RF propietaria 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 Grupo de Interés Especial Bluetooth (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 resultado en 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 2.4 GHz industrial, científica y médica (ISM), comenzando con la modulación GFSK de sus setenta y nueve portadoras 1 MHz, dando un rendimiento de 1 Mbit / s. Esto se llama tasa básica de Bluetooth (BR). 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, Bluetooth 2.0 + Enhanced Data Rate (EDR) usa 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 baja energía (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 baja potencia. 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.

La última versión, Bluetooth 5, duplica la velocidad de datos BLE a 2 Mbits / s de 1 Mbit / sy aumenta el rango de una conexión 128 kbit / s de 4x a hasta 50 m mediante el uso de una corrección de errores anticipados más fuerte (FEC) . 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 baja energía 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 Beacons. Los beacons 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 radiobaliza. Popular entre los anunciantes, también permiten un seguimiento preciso en interiores y exteriores.

Sin embargo, SIG implementó otra modificación interesante que los diseñadores de interfaz de RF propietarios 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 ya que las ventanas de tiempo de lanzamiento al mercado se reducen y los presupuestos de diseño se reducen. Afortunadamente, para muchos diseños hay suficiente espacio para acomodar un módulo Bluetooth comercial, lo que permitirá que el equipo de diseño se concentre en su aplicación y diferenciación final.


Proprietary vs. Bluetooth sweet spot
Entre un diseño de radio patentado personalizado completo y Bluetooth estándar, existe otra opción: un transceptor de radio estándar sobre el 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 ideal" para los diseñadores que buscan diferenciación, algo de flexibilidad y la opción de mejorar la seguridad, manteniendo los costos al mínimo y el diseño horarios intactos


Conclusión
Hay muchas razones para elegir una ruta de diseño de RF patentada completa o una radio Bluetooth estándar. Cada uno 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 costos y ahorros de 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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