Comparação entre o RF proprietário e o Bluetooth

Os designers têm muitas opções quando se trata de conectividade sem fio em aplicativos que variam de dispositivos de interface humana (HIDs) a sensores remotos para a Internet das coisas (IoT). Uma das decisões mais fundamentais que precisam ser tomadas, e com a qual muitos designers ainda lutam, é escolher uma interface RF baseada em padrões, como Wi-Fi, Bluetooth ou ZigBee, ou uma camada física de RF proprietária (PHY ) design e protocolo.

As razões para escolher uma em detrimento da outra são muitas, mas também as compensações relativas em termos de custo, segurança, consumo de energia, interoperabilidade, tempo de projeto, robustez diante de interferência, coexistência, latência e requisitos de certificação. Muitas dessas compensações estão inter-relacionadas, de modo que os projetistas devem primeiro determinar os requisitos de projeto e otimizar de acordo.

Este artigo discutirá os fatores a serem considerados ao escolher entre uma interface Bluetooth padrão e um protocolo RF proprietário. Em seguida, será introduzido um módulo Bluetooth 5, seguido por uma solução de silício, na qual um protocolo proprietário pode ser implementado, com diretrizes apropriadas para cada um sobre como iniciar e executar rapidamente.


Prós e Contras de Proprietary RF
O caso do PHY e do protocolo proprietário é forte se um projeto exigir otimização na direção da segurança, baixa potência, pequena área de cobertura e desempenho.

A segurança é fundamental para muitas aplicações, desde abridores de portas de garagem até dispositivos IoT. Com rádios proprietários, ele é tratado de várias maneiras. Para começar, os projetos proprietários garantem "segurança através da obscuridade", na medida em que uma interface de RF que não é bem conhecida é mais difícil de ser hackeada. Há também a tendência de as interfaces proprietárias serem ponto-a-ponto ou de operar em sistemas fechados que não se conectam a redes mais amplas e, portanto, permanecem ocultos. Finalmente, os projetistas de interfaces proprietárias estão livres para desenvolver seus próprios algoritmos avançados de criptografia ou ajustar os algoritmos estabelecidos, sem ter que ser interoperável com algoritmos de segurança de outros fabricantes. Apenas ser diferente é, por si só, uma vantagem de segurança.

Os projetos de rádio proprietários podem ser vantajosos quando se trata de garantir uma conexão robusta diante da interferência de redes Wi-Fi, fornos de microondas, telefones sem fio e outras redes sem fio de baixa potência. Sem estarem vinculados a um padrão, os projetistas têm a flexibilidade de usar melhor o espectro usando técnicas como o espectro de espalhamento de sequência direta (DSSS) e o espectro de dispersão de salto de frequência (FHSS). Além disso, eles podem adotar seu próprio esquema de codificação preferencial com base em seu orçamento de link esperado para obter maior rendimento ou menor consumo de energia.

Essa flexibilidade também se aplica à estrutura de pacotes de dados. Sem a sobrecarga de pacotes necessária para garantir a interoperabilidade com dispositivos sem fio baseados em padrões, a estrutura de pacotes pode ser simplificada de acordo com as necessidades do aplicativo.

Do ponto de vista do design de hardware, os requisitos de desempenho bem compreendidos e a garantia de que esses requisitos não serão alterados posteriormente, permitem que os projetistas de uma interface de RF proprietária sejam otimizados para espaço, energia e desempenho. Eles podem fazê-lo novamente, incluindo apenas as funções necessárias para atender às necessidades do aplicativo.

Embora o RF proprietário tenha muitas vantagens, há vários fatores que devem ser levados em consideração. O primeiro é o custo: para justificar o custo de engenharia não recorrente (NRE) de um design de RF IC personalizado e software associado, especialmente para dispositivos de baixo custo, o volume esperado deve ser> 100,000.

Ligadamente acoplado com o custo é o tempo de design, especialmente tendo em conta os caprichos do design de RF e a escassez bem documentada de experiência em RF, bem como o tempo necessário para desenvolver o firmware e software necessários para um projeto de sucesso.

Bluetooth amplamente adotado, sempre adaptando
No outro extremo é o Bluetooth. Originalmente projetada como uma tecnologia simples de substituição de cabos ponto-a-ponto para HIDs e outros dispositivos que estavam entrelaçando usuários, logo se tornou uma solução de conectividade de áudio e dispositivo para dispositivo sem fio. Beneficiando-se do rígido controle do Bluetooth Special Interest Group (SIG), o Bluetooth é bem compreendido e os projetistas podem ter certeza de que seus dispositivos serão conectados e interoperáveis ​​com outros dispositivos habilitados para Bluetooth, independentemente da fonte de hardware.

A adoção generalizada e os dispositivos interoperáveis ​​resultaram em hardware e software prolíficos, trazendo consigo um custo menor e um tempo rápido de comercialização para um projeto que exige uma interface sem fio. Além disso, o Bluetooth evoluiu ao longo dos anos.

Ele sempre operou na banda 2.4 GHz industrial, científica e médica (ISM), começando com a modulação GFSK de suas setenta e nove portadoras 1 MHz, fornecendo uma taxa de transferência de 1 Mbit / s. Isso é chamado de taxa básica de Bluetooth (BR). Seu esquema de codificação FHSS adaptável permite que ele permaneça robusto diante dos interferentes, mesmo que a IoT ofereça mais dispositivos conectados sem fio. Para obter taxas de dados mais altas, o EDR (Bluetooth 2.0 + Enhanced Data Rate) usa π / 4-DQPSK (comutação de deslocamento de fase de quadratura diferencial) e modulação 8DPSK para obter taxas de 2 e 3 Mbits / s, respectivamente.

Enquanto o Bluetooth é rigidamente controlado pelo SIG, os projetistas precisam estudar de perto as mudanças que ocorreram com a introdução da Especificação do Core 4.0 Bluetooth no 2010. Isto introduziu Bluetooth low energy (BLE), anteriormente comercializado como Bluetooth Smart. O BLE não é compatível com versões anteriores do Bluetooth Classic, portanto, os designers precisam ser cuidadosos aqui.

O principal objetivo do BLE é baixo poder. Isso é feito movendo-se da abordagem orientada à conexão do Bluetooth Classic, onde os dispositivos estão sempre conectados, para uma abordagem desconectada, na qual eles só se conectam quando precisam, por curtos intervalos. As aplicações são wearables como relógios inteligentes e sensores para a IoT.

A versão mais recente, Bluetooth 5, duplica a taxa de dados BLE para 2 Mbits / s de 1 Mbit / se aumenta o alcance de uma conexão 128 kbit / s por 4x até 50 m usando correção de erros antecipada (FEC) . A taxa de dados mais alta permite que mais pacotes sejam transmitidos para um determinado intervalo de tempo, portanto, o consumo de energia é reduzido, pois o dispositivo pode permanecer no modo de baixa energia ou inativo por longos períodos.

O intervalo mais longo oferece aos designers mais flexibilidade para compensar a taxa de dados por distância para qualquer dispositivo Bluetooth, incluindo Beacons. Os beacons são dispositivos BLE acionados por bateria que transmitem seu identificador para dispositivos móveis próximos para que esses dispositivos possam realizar determinadas ações quando perto do farol. Popular entre os anunciantes, eles também permitem rastreamento preciso em ambientes internos e externos.

No entanto, o SIG implementou outro ajuste interessante que os projetistas de interfaces de RF proprietários também podem fazer: eles reduziram a taxa de sobrecarga para carga, exigindo menos transmissões para enviar uma determinada quantidade de dados "reais", para reduzir ainda mais o consumo de energia.

O que começou como uma simples tecnologia de substituição de cabos se transformou em algo muito mais útil. Como resultado, os designers agora estão mais aptos a procurar uma solução Bluetooth rápida e fácil, em vez de gastar o custo e a despesa de projetar sua própria interface de RF.


Preparando-se e executando em Bluetooth
Essa inclinação para optar por uma interface Bluetooth está se transformando em uma necessidade, à medida que as janelas de tempo de comercialização estreitam e os orçamentos de design encolhem. Felizmente, para muitos projetos, há espaço suficiente para acomodar um módulo Bluetooth pronto para uso, o que permitirá que a equipe de design se concentre em sua aplicação final e diferenciação.


Sobrescrito proprietário vs.
Entre um design de rádio proprietário personalizado completo e um Bluetooth padrão, há outra opção: um transceptor de rádio disponível no mercado em torno do qual os projetistas podem desenvolver seus próprios esquemas de protocolo e codificação ou adotar versões prontas como Ant, Thread, ou ZigBee. Com o custo decrescente do silício disponível e uma ampla gama de suporte a software, esse pode ser o ponto ideal para designers que buscam diferenciação, alguma latitude para otimização e a opção de aumentar a segurança, ao mesmo tempo em que mantém os custos mínimos. agenda intacta.


Conclusão
Existem muitas razões para escolher uma rota de design de RF totalmente proprietária ou um rádio Bluetooth padrão. Cada um tem seu lugar quando se trata de atender aos requisitos de projeto e aplicação em termos de custo, tempo, desempenho, tamanho, segurança e muitos outros fatores. No entanto, para projetistas que desejam muitos dos benefícios de custo e economia de tempo do silício disponível no mercado, bem como a flexibilidade de adicionar algum nível de diferenciação proprietária, os fornecedores agora também estão fornecendo plataformas de hardware sólidas para serem aproveitadas.

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