為您的設計選擇無線片上系統 （SoC） 并非易事。它需要仔細考慮幾個因素，包括功耗、尺寸和成本。SoC 還需要為物聯網應用和網絡支持正確的無線協議，這需要范圍、延遲和吞吐量等因素。

確保您的物聯網設計針對應用進行優化的一種方法是仔細考慮您選擇的無線 SoC。它還需要仔細評估設計的關鍵要求（包括電池壽命、計算和內存資源以及占用空間），因為根據應用的不同，需要權衡性能。

設計人員在為其產品選擇無線SoC時需要考慮許多因素，恩智浦半導體無線連接、安全連接邊緣產品營銷經理Max Palumbo說。“在選擇什么設備或架構方面沒有正確的答案，因為這取決于產品設計師愿意做出的一系列工程權衡，以滿足其最終客戶的需求。

業界也一致認為，具有全面支持工具和服務的強大開發生態系統至關重要。這些產品和原型設計工具及服務可以幫助設計人員縮短上市時間并降低成本。

因此，讓我們看看工程師在為其物聯網設計選擇無線SoC時應考慮的一些首要設計問題，以及一些最大的挑戰和權衡。

用例決定設計

大多數無線 SoC 制造商都認為，應用要求決定了無線 SoC 的選擇，并有助于縮小物聯網設計的選擇范圍。他們說，最關鍵的因素之一是功耗，其次是許多其他考慮因素，例如無線協議，性能，成本，尺寸，工具支持和易于集成。

雖然功耗是選擇無線SoC的最關鍵因素之一，但無線協議的選擇由應用決定。

最終應用決定了優先級，Synaptics Incorporated無線連接產品營銷高級總監Brandon Bae說。

他列舉了一些應用示例，其中設計優先級定義了無線SoC的選擇。

“例如，如果它是一個電池供電的設備，例如具有單個藍牙連接的可穿戴設備，他們可能會選擇我們的SYN20703P [單芯片藍牙收發器和基帶處理器]，”Bae解釋說。“如果是無人機，他們可能需要我們的SYN43400 Wi-Fi SoC，因為功耗、尺寸和重量非常重要，開發人員必須根據他們的上市策略做出決定。

“無人機可能還需要Wi-Fi和藍牙，”他補充說。“在這一點上，應用所需的無線接口數量變得很重要，而兩者的集成SoC通常是最好的方法。我們的 SYN43756 [單芯片 IEEE 802.11ax 2 × 2 MAC/基帶/無線電，集成藍牙 5.2] 是一個很好的解決方案。

Bae還指出，“應用程序依賴性可以延申到包括把物聯網的聚合點或網關，其中多個異構無線網絡集成在一起。他說，這將受益于藍牙，Wi-Fi和Zigbee / Thread（IEEE 802.15.4 PHY）的更高集成度，例如Triple Combo SYN4381無線SoC提供的集成度。

Silicon Labs無線產品營銷高級總監Dhiraj Sogani對此表示贊同：“每種無線協議都扮演著不同的角色，最終應用用例對于為物聯網設備決定一個或多個這些協議是最重要的。

Sogani表示，為物聯網設備選擇無線SoC有幾個關鍵因素，這些因素因應用而異。他的五大考慮因素對各種物聯網設備都很重要，包括無線協議;安全;電池壽命;硬件和軟件支持，包括外圍設備、GPIO、IDE 支持、云支持和網絡/無線堆棧集成;以及操作系統、網絡堆棧和無線堆棧集成到無線 SoC 后可用于應用程序的計算和內存資源。

他說，對于無線協議，應用程序要求包括吞吐量，延遲，網絡節點數量和范圍。“隨著越來越多的功能集成到設備中，物聯網設備每天都變得越來越復雜。將無線技術添加到物聯網設備會增加復雜性。物聯網設備中使用了許多無線協議，包括Wi-Fi，BT，BLE，Zigbee，Thread，Z-Wave和蜂窩。特定設備的無線通信協議的選擇取決于應用、尺寸、成本、功率和其他幾個因素。

Sogani列舉了幾個例子，其中應用程序和性能要求是決策的關鍵。

“BLE協議用于家庭溫度傳感器極佳，因為它低功耗，成本低于其他一些協議，并且在典型的家庭環境中提供必要的范圍，”他說。“NFC提供最低的吞吐量和最短的范圍，使其成為非接觸式支付應用的理想選擇。Wi-Fi 提供了多個應用（如安全攝像頭）所需的更高吞吐量。

設計挑戰

大多數芯片制造商都認為，無線SoC可以通過集成不同的無線協議和處理多種協議來簡化設計，但兩者之間的共存是有挑戰的。這樣做還可以節省空間，這是許多物聯網設計中的一個關鍵問題。但是，在某些用例中，分立式解決方案可以在性能和成本方面提供最佳價值。

“無線SoC的好處很多，包括保證經過驗證的設計，更短的上市時間，更小的整體占用空間，更低的物料清單[BOM]和更低的庫存管理成本，”Synaptics的Bae說。“這些優勢幾乎適用于所有終端應用，但在某些情況下，如果客戶有特定要求，并且具有在該方向上實施的RF設計技能和資源，則分立解決方案可能會更好地工作。

恩智浦的Palumbo表示，在確定如何構建包含無線連接的最終產品時，“產品設計人員必須做出的第一個決定是使用單個集成的無線SoC還是將無線與處理器分開。需要做出的同樣重要的決定是將使用哪種操作系統。操作系統的決定將迅速將設計人員轉向成本較低、基于RTOS的微控制器，或者轉向更大、更具可擴展性、基于Linux的處理器。

Palumbo說，集成無線SoC在物理上更小，并且由于集成而可能成本更低，使最終產品設計人員能夠提供更小的產品或更具創新性的外形。

“然而，集成無線SoC的挑戰在于設計人員缺乏獨立優化計算性能或無線性能的靈活性，并且無線SoC本身的功能是不變的，因此沒有那么多的能力來優化產品的單個組件，”他說。

無論是使用集成解決方案還是分立解決方案，功耗仍然是受系統架構和用例影響的關鍵因素。“這意味著在某些情況下，涉及獨立無線電和處理器芯片的多芯片解決方案可能更容易優化，”Palumbo說。“在其他情況下，無線處理器可以提供特定應用和用例所需的所有必要靈活性。

Palumbo提供了一些功耗起著關鍵作用的關鍵例子。“例如，簡單的終端應用，如傳感器或執行器，具有低通信占空比，并且不執行任何輔助網絡功能，如路由，設計人員在使用集成無線SoC時將看到最低的功耗。這種類型的應用可以通過恩智浦的K32W148無線微控制器等設備來解決。

“然而，對于更復雜的設備 - 例如恒溫器 - 數據包路由是終端設備和目標生態系統整體用戶體驗的重要特征，分立解決方案可能功耗更低，”他說。“如果網絡協處理器[NCP]與主計算SoC一起包含，那么這允許卸載網絡協議棧，以便只需要協處理器本身喚醒以路由數據包。

在此示例中，恩智浦 i.MX 微處理器（如 i.MX 8M Mini）可用作計算SoC，恩智浦RW612無線MCU可用作NCP，IW612三射頻解決方案可用作無線電協處理器。“這有助于顯著降低系統的功耗 - 特別是當NCP與基于Linux的微處理器一起使用作為主要計算平臺時，”Palumbo說。

他補充說，產品設計師必須做出這些權衡，并選擇最對客戶有意義的架構，為他們帶來的價值。

設計權衡

根據無線SoC制造商的說法，無線集成可能非常具有挑戰性，尤其是當它與RF電路有關時，所有權衡都由應用驅動。

意法半導體無線產品線營銷經理Nathalie Vallespin表示，挑戰通常在于解決方案的無線電集成部分，以提供高質量的產品性能并滿足法規和協議認證要求。

“無線SoC簡化了集成階段，因為大多數首次轉向無線解決方案的客戶都不是RF專家，因此集成簡化并加速了他們的開發和生產，”她說。“集成解決方案[SoC]也簡化了最終客戶的產品采購，甚至可以使用包含整個參考設計的模塊進一步簡化。

此外，Vallespin表示，“SoC還確保了無線電協議和應用的更高效的功耗和性能水平，而多芯片解決方案則為軟件管理帶來了連接接口限制和復雜性。分立/多芯片方法也可能導致過度消耗，以保持主機和無線電運行以正常通信。

Synaptics的Bae表示，RF存在許多挑戰，但“可以通過仔細考慮電路板布局，接地，設計中其他數字IC的相對定位以避免干擾以及天線放置和布線來解決。除了布局之外，設計人員或開發人員還需要認識到電源切換、其他電磁干擾源和外殼材料選擇對SoC的影響。

無線SoC集成可能變得具有挑戰性，這取決于它支持的無線協議數量和應用，Silicon Labs的Sogani說。

他列舉了幾個挑戰，包括硬件集成（天線放置、射頻設計等）、軟件開發（無線協議棧、網絡協議棧、云連接、應用程序開發）、射頻測試（包括極端條件）、互操作性測試（與它應該連接的其他設備）、無線共存（多個協議需要共存）、生產測試（最大限度地減少測試時間和產量）、監管認證（針對要支持的國家）， 協議合規性（針對設備中集成的協議）、功耗優化（基于電池要求）、系統安全性（確保設備和數據安全）和解決方案成本（基于目標）。

Sogani說，設計人員需要在每一步都做出權衡，以便在各種參數之間進行優化，而所有這些權衡最終都是由應用程序用例驅動的。

“由于物聯網設備需要支持多種協議，無線SoC提供了一個集成解決方案，通過集成這些協議和處理內部同一ISM頻段上多個協議之間的共存挑戰來簡化設計，而不必擔心管理和擔心多個設備的RF設計，”他補充說。“這有助于加快開發周期，并在各種協議之間實現更無縫的功能。終端應用確實發揮著作用，因為可以將分立芯片用于更簡單的應用，但隨著應用變得復雜，使用集成解決方案更有意義。

Vallespin說，了解和選擇最適合應用和市場需求的正確技術是一項關鍵挑戰。她說，另一個挑戰是了解所選的無線電協議并選擇正確的硬件（天線，路由，BOM選擇）和匹配軟件，這些軟件可以特定于每種技術。

Vallespin補充說，關鍵的權衡是平衡價格與功能以及選擇架構 - 主機+協處理器方法或單個應用處理器。

支持和可用性

除了性能問題之外，開發和設計支持以及持續可用性等供應鏈問題是許多物聯網設計人員的優先事項。

Vallespin說，主要問題包括產品及其開發生態系統如何有效地縮短上市時間和成本，產品和原型工具的可用性以及產品的長期可用性。

設計人員還需要問幾個問題，例如，只要他們的產品在市場上，SoC 是否保證就可用，SoC 的路線圖是什么，它是否符合他們的產品開發計劃，以及是否有足夠的支持可用性，包括文檔， 她補充說，生態系統和聯系以確保成功。

恩智浦的Palumbo認為，壽命要求是權衡的一部分。

“一旦產品出貨，硬件本身就不會改變;但是，最終客戶期望該產品在購買后的一段時間內將繼續得到支持并獲得更新，“Palumbo 說。“選擇一種設備和一種產品架構，使產品設計人員能夠在產品的生命周期內提供更新，這是一個越來越重要的標準。

Palumbo說，在選擇無線SoC時，軟件架構也是另一個關鍵考慮因素。“無論產品架構如何，無論是集成無線SoC還是分立式，這些SoC的軟件工具和環境都是與硬件同樣重要的組件。無論設備是基于Linux的，基于Android的還是基于RTOS的 - 那怕不考慮從無數可用的解決方案中使用哪些RTOS的版本,?都會對最終產品產生巨大影響。

編輯：黃飛

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