Verwendung eines kompletten Wi-Fi/Bluetooth-Kombimoduls zur Vereinfachung der IoT-Vernetzung

Eine positive Rückkopplungsschleife zwischen Technologie und Produktfortschritt funktioniert folgendermaßen: Technologische Fortschritte erhöhen die Marktnachfrage nach Produkten, und diese Nachfrage treibt weitere Fortschritte voran. Dieser Kreislauf wiederholt sich, und teure und seltene Komponenten und Produkte werden schnell zu preiswerten Waren. Denken Sie an PCs, Smartphones und Flachbildfernseher.

Dies zeigt sich auch bei der drahtlosen IoT-Vernetzung (IoT = Internet der Dinge). Der Entwurf und die Herstellung von drahtlosen Funktionen, selbst für Anwendungen mit geringen Stückzahlen, ist in der Regel die Domäne einiger weniger HF-Fachkräfte. Dazu gehören spezielle Fachkräfte, die Schaltkreise für den Betrieb bei einigen hundert Megahertz entwerfen können, und die Unternehmen, die diese Schaltkreise - oft zu relativ hohen Kosten - herstellen. In letzter Zeit war ich erstaunt über die Verfügbarkeit kompletter HF-ICs im Gigahertz-Bereich, mit denen sich eine hochentwickelte drahtlose Vernetzung zu geringen Kosten, auf kleinstem Raum und mit außergewöhnlicher Funktionalität schnell realisieren lässt.

Natürlich wird der Begriff „vollständig“ vom Anbieter oft anders interpretiert als vom Markt. Während jede aktive Komponente eine Stromquelle und höchstwahrscheinlich einige Bypass-Kondensatoren benötigt, müssen unter Umständen noch weitere aktive und passive Komponenten für einen erfolgreichen Betrieb hinzugefügt werden. Die Vollständigkeit hängt also davon ab, welche und wie viele Komponenten verwendet werden.

Komplettmodule vereinfachen die Einhaltung von Vorschriften

Für HF-bezogene Funktionen ist die Vollständigkeit der Komponenten mehr als nur ein Vorteil. Eine komplette HF-Lösung kann zwei der größten Herausforderungen des HF-Designs beseitigen:

- Sicherstellung der Einhaltung der komplexen funktionalen Anforderungen der von der Schaltung unterstützten Funkstandards

- Erfüllung der zahlreichen strengen Vorschriften zu bandexternen Emissionen (OOB), elektromagnetischen Störungen (EMI) und Hochfrequenzstörungen (RFI) zur Vereinfachung des Produktzertifizierungsprozesses

Diese Entwurfsprobleme werden noch komplizierter, wenn die Schaltung und Funktion der drahtlosen Verbindung mehrere Versionen eines einzigen Standards unterstützen muss, wie z. B. die vielen Wi-Fi-Varianten (IEEE 802.11xx). Und noch schwieriger wird es, wenn sie verschiedene Standards unterstützen muss, wie z. B. Bluetooth. Selbst erfahrene Entwicklungsteams sind vorsichtig, wenn es darum geht, eine voll funktionsfähige HF-Verbindung zu entwickeln, um einen einzigen Industriestandard zu erfüllen; die Erfüllung mehrerer drahtloser Standards in einem Chip ist ein noch riskanteres Unterfangen.

Module liefern die komplette Lösung

Eine Möglichkeit, all dies zu umgehen, ist der Typ 2BZ (LBEE5XV2BZ-883) von Murata Electronics, ein Dual-Band-Wi-Fi-WLAN (2,4 GHz und 5 GHz) und Bluetooth-Transceiver-Modul. Diese Kombilösung unterstützt Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac mit 2×2 MIMO (Multiple Input, Multiple Output) sowie Bluetooth 5.2 BR (Basic Rate), EDR (Enhanced Data Rate) und LE (Low Energy). Die Datenrate der physikalischen Schicht (PHY) beträgt bis zu 866 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) für Wi-Fi und 3 Mbit/s für Bluetooth.

Zu den Zielanwendungen gehören größen- und stromverbrauchsempfindliche Geräte wie IoT-Knoten, drahtlose Handgeräte, Hausautomatisierung, Gateways und andere, die FCC/CE/IC/TELEC-Normen erfüllen müssen. Das vollständig geschirmte oberflächenmontierbare Modul wiegt nur 0,36 Gramm (g), hat einen Footprint von nur 11,4 × 8,9 Millimeter (mm) und eine Höhe von 1,4 mm (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das vollständig geschirmte LBEE5XV2BZ-883 ist ein Transceiver-Kombimodul für Wi-Fi und Bluetooth, das die Implementierung drahtloser Verbindungen vereinfacht. (Bildquelle: Murata Electronics)

Der LBEE5XV2BZ basiert auf dem SoC (System on Chip) AIROC CYW54590 von Infineon Technologies. Der CYW54590 enthält die HF-Leistungsverstärker (PAs) des Senders und die rauscharmen Verstärker (LNAs) des Empfängers (Abbildung 2). Das Modul adressiert die kritischen Bereiche der HF-Anpassung, Filterung und Antennenschnittstellen. Damit entfallen die vielen Herausforderungen, die mit der Erstellung und Zertifizierung eines HF-Schaltkreises und der zugehörigen Software verbunden sind.

Abbildung 2: Das Modul vom Typ 2BZ basiert auf dem Kombi-SoC CYW54590 für Wi-Fi 5 und Bluetooth 5.1 und integriert PAs und LNAs. (Bildquelle: Infineon Technologies)

Das Modul unterstützt bis zu drei Antennen: eine für Bluetooth und zwei für Wi-Fi. Durch den gemeinsamen Bluetooth- und WLAN-Empfangssignalpfad ist kein externer Leistungssplitter erforderlich, während gleichzeitig eine hervorragende Empfindlichkeit für Bluetooth und Wi-Fi beibehalten wird.

Der CYW54590 verfügt über mehr als nur eine vollständige HF-Funktion. Der WLAN-Teil unterstützt eine Standard-SDIO-Schnittstelle, und der Bluetooth-Teil unterstützt ein vieradriges Highspeed-Host-Controller-Interface (HCI), UART und Puls-Code-Modulation (PCM) für Audiodaten (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das Modul des Typs 2BZ implementiert die komplette Schnittstelle zwischen dem Host-Prozessor und bis zu drei Antennen für Wi-Fi- und Bluetooth-Funktionen. (Bildquelle: Murata Electronics)

Ebenso wichtig ist die eingebettete Betriebsfirmware. Der CYW54590 implementiert hochentwickelte und kooperative Koexistenz-Hardware-Mechanismen und Algorithmen zur Optimierung der gleichzeitigen Wi-Fi- und Bluetooth-Konnektivität.

Ein weiteres Modul, das LBEE5XV1XA-540 von Murata, bietet zusätzlich RSDB-Funktionen (Real Simultaneous Dual Band) zur Unterstützung von zwei gleichzeitigen Wi-Fi-Netzwerken, eines im 2,4-GHz-Band und ein weiteres bei 5 GHz. Das LBEE5XV1XA-540 basiert auf dem SoC AIROC CYW54591RKUBGT von Infineon und reduziert die Latenz bei Video-/Audio-Streaming- oder Gateway-Anwendungen.

Die Vollständigkeit dieser Module zeigt sich in der minimalen Anzahl der benötigten externen Komponenten: ein paar Standard-Bypass-/Entkopplungskondensatoren und einige Pullup-Widerstände für die SDIO-Datenleitungen. Der Bedarf an nur zwei Stromversorgungsschienen, einer 3,3-Volt-Versorgung (nominal) für den Betrieb und einer 1,8-Volt- oder 3,3-Volt-Versorgung für die I/O-Leitungen, vereinfacht auch die Implementierung.

Fazit

Es werden keine fortgeschrittenen HF-Schaltkreis- und Systemkenntnisse mehr benötigt, um eine hochentwickelte Multiband-, Multiformat-Wi-Fi- und Bluetooth-Schnittstelle einzubetten. Das Wi-Fi/Bluetooth-Transceiver-Modul des Typs 2BZ von Murata Electronics mit seinem Kombi-SoC CYW54590, HF-Anpassung, Filterung und Antennenschnittstellen bietet eine leicht implementierbare Lösung, die die regulatorischen und funktionalen Anforderungen erfüllt.