无线通信技术的选择与设计技巧

来源：DigiKey

无线通信技术广泛地应用于各种电子产品之中，改变了人们的沟通方式，也提升了电子设备之间传输信息的效率，是彻底改变人类生活方式的一种科技发展。

新世代的无线通信技术，已经不局限于传统的音乐、语音传输应用，随着计算机、移动电话、物联网应用的快速发展，无线通信技术开始朝向数字化、信息化转变，这样的改变加速了科技产品朝向移动可携、低功耗的方向发展，让这些产品更加轻巧、运作时间更长。

多样的无线通信技术满足不同的应用需求

除了传统的无线通信应用之外，无线通信领域还有多种常见技术，每种技术各自针对不同的应用需求，以下将依据网络的应用领域与传输距离，来介绍一些常见的无线通信技术。

1. 蜂窝技术

在1970年代，无线通信进入了移动通信的时代，蜂窝技术的导入使得移动电话网络得以分区覆盖。1983年，美国推出了第一代移动通信系统（1G），主要基于模拟信号传输。随后的2G技术（1990年代）导入了数字化语音压缩技术，使数据传输成为可能。3G（第三代行移动通信）技术于2000年代初推出，提供更高的数据传输速率，支持更丰富的互联网数据应用。随后，4G LTE技术在2010年左右问世，带来了高速移动互联网的革命。当前的无线通信技术已进入5G时代，具有更高的数据速率、低延迟、大量连接的特点。此外，6G的研究已在进行中，预计将实现更高速、更低延迟的全球性无线连接，进一步推动人工智能（AI）和虚拟现实（VR）等领域的发展。


2. 无线个域网（WPAN）

无线个域网是一种专为短距离通信设计的无线网络，通常用于个人设备之间的连接，例如手机、耳机、可穿戴设备等。WPAN的范围通常限制在10公尺左右，但它可以更具弹性和更低功耗地连接多种设备。常见的WPAN技术包括蓝牙（Bluetooth）、Zigbee、Matter、超宽带（Ultra-Wideband, UWB）、NFC（Near Field Communication）、红外线（Infrared, IR）、Thread、Z-Wave、6LoWPAN等，这些WPAN技术各有其优势和特定应用场景，主要集中于短距离、低功耗的连接需求，是个人及智能家居设备的重要通信技术。


3. 无线局域网（WLAN）

无线局域网技术经历了数十年的发展，从初期的低速率、短距离通信到如今高带宽、低延迟的连接，WLAN技术广泛应用于家庭、办公室、公共场所等。WLAN最常用的标准是IEEE 802.11系列，即我们熟知的Wi-Fi技术。首个WLAN标准定义于1997年，传输速率仅为1至2 Mbps，且频段为2.4 GHz。随后还有802.11a、802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac、Wi-Fi 6、Wi-Fi 6E，以及最新的Wi-Fi 7（IEEE 802.11be），未来的Wi-Fi 7引入了更宽的频道、多重连接能力、多频带操作，以及16x16 MU-MIMO技术。这些改进将进一步增强Wi-Fi的性能和稳定性，适用于更高带宽需求的应用场景，如智能工厂、自动驾驶等。


4. 低功耗广域网（LPWAN）

低功耗广域网是一种专为物联网设计的无线通信技术，旨在连接远距离、低功耗的设备，并以低带宽传输少量数据。LPWAN技术在智能城市、农业、物流和工业自动化等领域得到广泛应用，并且随着物联网需求的增加而不断发展。常见的LPWAN技术包括LoRa、Sigfox、NB-IoT、LTE-M等。随着5G技术与物联网的进一步结合，NB-IoT和LTE-M等蜂窝物联网技术将得到更广泛的应用。未来，LPWAN技术的发展将持续推动智能城市、工业自动化、环境监测等领域的应用创新。


5. 全球导航卫星系统（GNSS）

全球导航卫星系统（GNSS）是一种能够在全球范围内提供精确定位和导航服务的卫星系统。GNSS的发展经历了数十年，从最早的军事应用逐步扩展到各种民用领域，如交通运输、农业、建筑、科学研究和日常生活中的地理定位。早期的GNSS主要服务于军事需求，用于精确导引武器和提供战场位置。当前已有几个主要国家或地区建设自己的全球导航卫星系统，包括美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的全球导航卫星系统（GLONASS）、欧洲的伽利略（Galileo）、中国的北斗卫星导航系统（BeiDou）。GNSS技术的发展不仅推动了全球定位和导航技术的进步，也促进了物联网、智能城市、无人系统等新兴领域的发展。

依据应用需求选择合适的无线通信技术

在设计产品并选择无线通信技术时，有多个关键因素需要考虑，以确保所选择的技术适合产品需求并具备稳定的性能。在选择时首先应考虑无线技术的覆盖范围，不同的无线技术覆盖范围不同，适合的场景也不同。例如，Wi-Fi适合短距离传输，而LPWAN（如LoRa、NB-IoT）则适合远距离、低功耗应用。如果产品需要大范围的覆盖，可能需要考虑蜂窝网络或LPWAN技术。

此外，应考虑产品的功耗需求，低功耗是很多物联网产品的核心需求，特别是那些使用电池供电的设备。蓝牙低功耗（BLE）、LPWAN技术（如LoRa和Sigfox）等能够在延长电池寿命的同时满足低速率需求。因此，应根据产品电源来源及使用周期来选择功耗合适的技术。

接下来应考虑产品所需的数据速率，无线技术的数据速率范围很广，从每秒数百位（LPWAN）到数百兆位（Wi-Fi 6和5G）。产品设计时需根据应用场景所需的数据速率来选择技术，例如影像传输需要高数据速率，而传感器数据传输则可以使用较低速率的技术。

再来应考虑通信技术的延迟性，在实时性要求高的应用（如远程控制、实时通信）中，延迟是一个重要考虑因素。Wi-Fi、5G等技术可以提供低延迟服务，而LPWAN技术可能无法满足高实时性的需求。

当然，网络的可靠性与稳定性也相当重要，不同无线技术的干扰敏感性、抗干扰性以及稳定性各不相同。例如，Wi-Fi在拥挤的网络中可能受到干扰的影响较大，而蜂窝网络和卫星通信则较稳定。因此，应根据产品所需的网络可靠性来选择技术。

由于不同的通信技术会采用不同的频谱，并须遵循各种法规，一些频段（如2.4 GHz）可能可以免费开放使用，而有些频段则需要申请牌照。产品设计时要考虑目标市场的频谱政策和无线法规，以确保技术合规。

另一方面，安全性是无线通信的重要考虑之一。针对敏感数据或需加密的应用场景，如金融支付、医疗数据传输等，需要选择具备加密功能的技术，如蜂窝网络（LTE、5G）可提供较强的内置加密功能。

成本永远是需要考虑的要素，技术选择的成本包括硬件、软件、网络运营和维护成本。技术越先进，通常硬件和运营成本越高。例如，5G和卫星通信成本较高，而LoRa、BLE等技术运营成本较低。产品设计时应根据预算和市场需求控制成本。

可扩展性是另一个重要的考虑要素，如果产品未来可能需要增加设备数量或扩展覆盖范围，应选择具备良好扩展性的技术。例如，蜂窝网络和LPWAN具有良好的扩展性，而短距离技术（如蓝牙、Zigbee）在大量设备接入时可能需要考虑容量和频段干扰问题。

最后，还需考虑这些通信技术的生态系统支持，某些技术已经形成成熟的生态系统，拥有广泛的开发资源、技术支持和供应链。选择技术时可考虑相关生态系统的成熟度，以利于技术集成和产品快速上市。

无线通信系统的设计技巧和考虑要素

在设计无线通信系统时，有几个关键设计技巧和重要因素需要考虑，以确保系统具有高性能、稳定性和可靠性。首先要注意天线设计与摆放方式，天线的选型和设计对无线通信性能至关重要，应考虑频率、增益、方向性和极化方式，以确保天线的覆盖范围和效率适合应用场景。天线的摆放位置应尽量避免屏蔽和干扰，例如远离金属部件和其他电子器件，以减少信号损耗。

接着，应考虑频率的选择与干扰的避免，由于不同频率范围的无线技术有不同的特性，较低频率可提供更好的穿透力和长距离传输，而高频率可提供更高的数据速率，因此，需根据应用场景和需求选择适当的频段。此外，由于频段内的其他设备可能造成干扰，尤其在拥挤的2.4GHz范围中。因此，应考虑使用干扰少的频段或选择有较强抗干扰能力的技术（如采用跳频或正交频分多址等技术）。

通信系统的传输功率控制亦相当重要，无线发射功率应在可行范围内设置的最低，以减少电池消耗、降低电磁辐射和减少干扰，并根据应用需求和距离来调整合适的发射功率。在设计系统时可加入动态功率控制功能，使设备可根据距离动态调整功率，从而达到省电和稳定传输的效果。

不同的通信协议会采用不同的调变与编码技术，因此应根据数据速率和稳定性需求选择合适的调变技术。较高数据速率可使用正交频分多址（OFDM）、频移键控（FSK）或扩频技术，但稳定性可能会受到影响。此外，还可使用纠错编码技术（如前向纠错码FEC）来提高抗干扰能力，确保在噪声环境中的数据可靠性，减少重传和数据丢失。

频谱效率与通道选择会影响传输的带宽，频谱效率决定了同一带宽内能传输的数据量，选择高频谱效率的技术（如QAM、OFDM等）可以提高传输速率和资源利用率。对于多通道的系统，设计时应考虑动态通道分配机制，并根据实时信号质量选择最佳传输通道。

另一方面，应根据应用需求，设计适合的网络拓扑结构，如点对点、星型、网状网络或混合拓扑。不同拓扑适合的场景不同，如点对点适合一对一通信，网状网络则更适合多节点的物联网应用，具备高容错性。

能量效率与低功耗设计，对于产品的运作时间影响甚巨，在设计电池供电或低功耗应用时，需要考虑低功耗通信技术（如BLE、LoRa、NB-IoT等），并尽量减少通信次数和持续时间。此外，可采用睡眠模式或休眠技术，根据需求来触发通信。

通信的安全性是相当重要的课题，必须采用信号加密，并考虑传输的安全性，设计时可使用AES、RSA等加密算法，保障数据在传输过程中的安全性，并加入双向或多重验证机制，避免未授权设备存取网络，确保无线通信的安全性。

延迟与传输量管理会对系统的性能带来影响，在实时性要求高的应用中（如自动驾驶、医疗监控等），应选择低延迟的技术，并确保高传输量，并可以采用QoS（服务质量）机制优化资源分配，以确保关键数据优先传输。

目前许多的产品大多会同时支持多种通信技术，因此必须考虑跨技术互操作性与兼容性，如果无线系统需要与其他通信技术兼容或协同工作（如Wi-Fi和蓝牙共存），需要设计跨技术协作机制，减少干扰并实现无缝切换。

成本控制是产品设计时的关键考虑因素之一，因此应选择合理的硬件和技术，根据预算选择性价比高的解决方案，同时确保基本功能和性能满足需求。成本控制不仅限于硬件，还包括后续维护和运营成本。

在设计时还应考虑系统的可扩展性和可升级能力，以便应对未来可能增加的设备数量或覆盖范围需求，因此可考虑采用模块化设计，方便更换和扩展功能。此外，如果系统在高湿、高温或有电磁干扰的环境下运行，应选择具备防护等级的硬件，并进行可靠性测试，确保系统能稳定运行。

无线通信开发板加快应用的开发速度

想要开发无线通信系统，可以借助开发板来加快应用的开发速度，以下将为您介绍一些常见的无线通信开发板。

首先介绍Wi-Fi开发板，常见的有Espressif ESP32 DevKit，可支持双核处理器、Wi-Fi和BLE通信协议，可应用于物联网设备、智能家居，具备有高性价比、开源支持强大的优势。另一款Arduino MKR WiFi 1010则内建Wi-Fi和BLE支持，可应用于智能城市、教育项目，且具备易于与Arduino生态系统集成的优势。

在Bluetooth开发板方面，常见的有Nordic nRF52840 DK，可支持Bluetooth Low Energy (BLE) 5.0、Thread、Zigbee，可应用于可穿戴设备、医疗健康等领域，具有高效低功耗，适合多通信协议应用等优势。另一款Adafruit Bluefruit LE Friend则具有支持BLE，简单易用的特点，可应用于BLE配件、移动应用控制等产品，具有对初学者友好，价格合理的优势。

在LoRa开发板方面，则有Heltec WiFi LoRa 32，其结合Wi-Fi和LoRa通信，可支持OLED显示器，可应用于智能农业、远程监控等领域，具有多功能、适合长距离低功耗应用等优势。另一款RAKwireless WisBlock则采用模块化设计，支持LoRaWAN，可应用于工业物联网、智能城市，具有灵活性高，易于扩展等优势。

常见的Zigbee/Thread开发板则有Silicon Labs EFR32xG24 Dev Kit，可支持Zigbee、Thread和BLE，内建多种传感器，可应用于智能家居、环境监控等领域，具有功能丰富，适合多通信协议应用的优势。另一款NXP JN5189 Development Kit则可支持Zigbee 3.0、Thread，可应用于工业自动化、智能灯光控制，具有稳定性高，开发环境完备的优势。



结语

随着无线通信技术的快速发展，物联网、智能城市、工业4.0等应用领域的需求日益增加，推动了更高速度、更低延迟、更多连接数量的技术突破。5G和即将到来的6G网络，结合低功耗广域网（LPWAN）、Wi-Fi 6、Bluetooth Low Energy（BLE）等技术，正逐步建构起全球无缝连接的生态系统。未来，这些技术将进一步提升通信效率、稳定性与安全性，并拓展在智能家居、医疗健康、车联网、工业自动化等领域的应用。无线通信的发展不仅驱动了技术创新，也为人们的生活方式带来了深远的变革，持续改变着我们与世界互动的方式。

除了这篇无线通信技术的选择与设计技巧的介绍之外，我们还会再为您深入剖析无线通信技术的设计挑战与产品解决方案，以及蜂窝网络应用的技术发展，敬请期待。您也可以到DigiKey网页来进一步了解无线通信相关的专业技术与解决方案。