通信技术还在进步，特别是通过5G、物联网等无线技术以及数字化。
本文上篇简单回顾了无线通信的历史演变，介绍了无线通信系统的基础构成和应用。这里为您介绍数据传输方向、通信协议、以及有关电波的基本知识：
目录
01. 引子：无线通信的历史和演变
02. 什么是无线通信？
03. 无线通信的用途事例
04. 无线通信系统的基本构成
05. 无线通信的方式
06. 数据传输方向
07. 什么是通信协议？
08. 附录：电波及其频率简介
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数据传输方向 : 双向(全双工/半双工)和单向
无论是无线还是有线，将数据向何处传输的传输形式都是通信应用的重要规格，这种形式可以分为双向传输和单向传输。双向传输又可以进一步分为全双工传输和半双工传输。下面，我们将对多种传输形式进行说明。
双向传输(Duplex transmission)
双向传输是一种被认为在现在的数字通信设备中占有相当比率的传输形式，有全双工传输和半双工传输两种方式。
这里需要说明的是，双向传输中经常会听到“下载/上传”、“下行链路/上行链路”等术语。如果将您使用的终端或PC作为设备A，则从设备B接收数据称为下载，反之，从设备A向设备B发送数据则称为上传。此外，如果数据传输本身并不重要，而设备A和设备B之间的连接，例如终端和基站之间的连接非常重要，则称为下行链路/上行链路。
全双工传输
如上图所示，这是一种能同时从设备A到设备B、从设备B到设备A双向（双工）同时进行数据通信和会话的传输形式。此外，当接收和发送（有时分别称为“Rx”和“Tx”）的信号被分配了不同的频率时，将它们分开的电子元件称为双工器（以橙色显示）。
双向传输的典型采用示例包括固定电话、手机、智能手机等（终端之间直接方向）。
如果是一种设备A和设备B通过相互切换发送和接收来传输数据的形式，则这种形式与全双工传输不同，因为数据不能同时在两个方向上传输，称为半双工传输(Half-duplex transmission)，如图8-2a和8-2b所示：
半双工传输
半双工传输的应用示例为收发器。
单向传输(Simplex transmission)
单向传输是一种数据在设备A（发送器）和设备B（接收器）之间仅从设备A沿一个方向（单向）传输到设备B的传输形式，如下图：
单向传输
单向传输采用示例为AM/FM无线电广播、使用电波的遥控器等。
什么是通信协议？
到目前为止，我们已经从硬件方面对无线通信的概要进行了说明。另一方面，无论是无线还是有线，软件对于建立电信也很重要。那就是被称为通信协议或协议的通信约定。
协议是在包括计算机在内的数据通信（数字通信）系统中的一些步骤和规则，用于在不同系统之间无差错地相互传输数据。下图显示了数据传输相关协议的作用示例。
以全双工通信方式为例的通信协议作用
为了可靠地传输数据，需要规定用于多种作用和功能的协议，例如控制步骤、数据结构和接口等，其范围广泛，数据量庞大。如果将协议固定为1种模型，则在需要向协议添加内容或变更协议等版本升级时，很难应对。为了使升级更容易，人们为每个协议分配了作用和功能，并为这些协议创建了层次结构。这种经过系统组织后的协议结构称为协议栈（有时也称为协议套件或网络体系结构）。
该协议栈已被按照国际标准进行模型化，并称为OSI基本参考模型（下表）。
OSI参考模型协议栈
现实中并没有采用这种模型，而是针对每种用途采用与其相适应的规格（数据传输效率高、数据传输可靠性高等）的协议栈。下表以互联网标准使用的TCP/IP模型和Bluetooth® LE模型中的协议栈为例，给出了与OSI基本参考模型之间的对应关系。TCP/IP模型和Bluetooth® LE模型中各层的说明已被省略，但您可以看到层数较少，并且省略了一些层。
OSI参考模型、TCP/IP模型及Bluetooth® LE的协议栈
此外，4G LTE和5G通信的机制是通过基站，因此其通信协议比TCP/IP和Bluetooth® LE模型更加复杂。
附：关于电波及其频率
电波与运动和热一样，都是能量的一种形态，也被称为电磁波（实际上，光也是电磁波的一种）。根据日本的《电波法》和《国际电信公约》附带的《无线通信规则》，电波被定义为频率为3000GHz或更低的电磁波。
这些电波是从无线设备发射的，但将它们实际可视化并不容易。因此，对于电波的产生和传播，我们借由正弦交流电通过金属等导体棒时发生的现象进行说明，以便您更加容易理解。
电波传播示意图
上图显示了无线电波此时的行进情况。实际上，电波是三维传播的，但这里我们重点关注沿着与导体垂直的方向传播的电波，以显示其传播情况。电场和磁场保持彼此为直角（正交），磁场的变化产生电场，电场的变化产生磁场，这种效果不断重复并作为正弦波振动进行传播。电波的主要性质如下所示：
尽管上述电波没有介质的性质与我们的日常感觉相去甚远，但目前认为即使在外层空间那样的真空中传播的电波也是由电场和磁场空间本身的振动而产生的。
顺便说一下，开头我们指出了电波是频率为3000GHz或更低的电磁波。频率f（Hz）可以通过f = c/λ计算，其中的电波波长λ（m）如前图所示，c（3×108 m/s）是光速。电磁波根据频率和波长分为几种类型（下图）：
按频率和波长进行的电磁波分类
初学者理解电波时，特别需要理解关于电场和磁场的概念。
电场是电力的作用空间，磁场是磁力的作用空间。下图是一张示意图，用箭头线分别表示了通过施加电压产生的电场的范围和磁体周围产生的磁场的范围。
电场和磁场的覆盖范围示意图
初学者经常会看到将磁场变化产生电场和电场变化产生磁场的现象单纯组合后的电波传播示意图（下图）。如果因与天线相关等而想认真学习电波，请勿按此示意图理解！
直觉性电波传播示意图
正确的理解方法是要按照本节的电波传播示意图——即将电场和磁场的强度用箭头表示后的矢量（电场矢量和磁场矢量）——的示意图来理解（源自麦克斯韦方程式）。如果按照自觉示意图理解，则BS播放中使用的电波会被说明为电波传播图中的电场矢量一边向左或向右旋转一边以螺旋形状传播的圆偏振波的电波。
电波传播图中的电场矢量和磁场矢量都是表示向右旋转和旋转速度的矢量（从这个意思上，它们也称为“旋转矢量”）。两者都不像速度矢量那样表示物体等某种事物的移动方向。两者都推导至麦克斯韦方程式——与电磁场相关的基本方程式，表达了电和磁之间的所有关系。电磁学初学者学习的库仑定律也可以从这个方程式推导出来。
本文转载自：Murata村田中国
通信技术还在进步，特别是通过5G、物联网等无线技术以及数字化。
可以毫不夸张地说，通信（communication）技术的进步是人类社会进步的标志。今天人们提到的“通信”特指使用电力的通信（电信）——自从250多年前发明电信以来，经历了各种技术创新。今天，手机、Wi-Fi、广播、交通IC卡、电视播放等现代社会的生活基础，均完全离不开通信技术的支持，而且，通信技术的进步还在继续——通过5G、物联网等无线技术，通过数字化技术的发展。
电信已经成为社会基础设施的一部分，但由于其规格和用途多种多样，人们很难对它全面掌握。本文尝试以无线通信为焦点，针对需要无线知识的初学者和对通信本身感兴趣的人员，在介绍本公司与通信相关的组件和模块的同时，提供理解无线通信所需要的基本资料，包括技术方面的知识。文章将分两次发布，内容分配如下：
目录
01. 引子：无线通信的历史和演变
02. 什么是无线通信？
03. 无线通信的用途事例
04. 无线通信系统的基本构成
05. 无线通信的方式
06. 数据传输方向
07. 什么是通信协议？
08. 附录：电波及其频率简介
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无线通信的历史和演变
无线通信的历史可以追溯到1864年。英国理论物理学家麦克斯韦（J.C.Maxwell）在他的论文《电磁场的动力学理论》中预言了电波的存在。但是，当时它太难理解了，以至于没有人能理解它的内容。
证明电波存在的人是德国人赫兹（H.R.Hertz）。1888年，赫兹成功地通过人工造出了电波。他揭示了电波在反射、折射、衍射及干涉方面与光具有相同的特性。此外，意大利发明家马可尼（G.Marconi）是第一个将利用电波的无线电信投入实际应用的人。1896年，也就是1837年莫尔斯利用电线成功实现有线通信约60年后，马可尼在英国利用莫尔斯电码成功实现了约3km的无线通信。此外，无线电通信于1899年成功跨越多佛海峡，并于1901年成功跨越大西洋（下图）。
无线通信的发展和通信距离的个性化
人们很自然地想到将无线通信用到船舶上，以实现以前未能实现的从陆地到海洋、从海洋到陆地、从海洋到海洋的移动通信，1897年，人们实施了这种试验。
在这段无线通信黎明期中具有重大历史意义的事件是1912年泰坦尼克号的沉没事故。众所周知，这艘船在首航时就与冰山相撞而沉没，但当时它通过无线电通信用莫尔斯电码发出了求救信号“SOS”。在附近航行的卡帕西亚号等接收到求救信号并立即赶赴现场，救出了711人。
1900年代初期，出现了使用莫尔斯电码以外的方法进行无线传输音频和视频的无线电广播和电视播放等。无线电广播于1906年在美国首次实现，东京放送局（NHK）于1925年在日本开设。
就在同一时期，人们发明了黑白电视机，电视播放于1950年左右开始。此外，彩色电视机在黑白电视机发明三年后出现，发达国家在20世纪60年代引入彩色电视播放，为电视播放奠定了基础。此后，直到2000年代初，电视播放一直是模拟方式，但自2010年下半年以后，全世界都在逐步向数字方式过渡。
如今，在播放以外的其他领域，无线通信也正在渗透到我们的生活中。随着警察、消防、防灾、铁路、机场等特定业务专用无线（业务无线）的普及，以及作为个人无线通信代表的手机的普及，其使用范围大幅扩大。1993年左右，手机在各国开始数字化（第2代：2G），此后开始迅速向速度更快、容量更大的方向发展。4G于2009年在日本海外出现，2012年在日本出现，其水平大幅提升。在进入2020年代的今天，5G已处于普及阶段（下图），而且，下一代——Beyond 5G/6G构想的讨论正在不断取得进展。
伴随手机发展的数据传输速度提高
那么，什么是“无线通信”呢？
什么是无线通信？
用一句话来说，不使用电线和电缆而使用电磁波（电波）、磁场和电场的无线电信，以及使用光的光通信就是无线通信。
其中利用电波的电信可以进行公里级以上的长距离通信，并且能传输大量数据（信息），因此，几乎所有无线通信系统中都使用电波。本系列也将重点主要放在“电波”上进行说明。
使用电波的无线通信系统利用空间作为传输路径（或通信路径），其构成是将从发送器发送到接收器的电波上承载的数据作为信号传送（下图）。
无线通信系统中的简易模型的构成
这里，我们经常提到“数据”、“信息”和“信号”。它们的“区别”如下：
为了方便起见，后文中我们将不再区分“信息”和“数据”，如无特别说明，将统一使用“数据”一词。
无线通信的用途事例
无线通信应用于多种领域，其用途和种类非常广泛。下表总结了使用电波传输数据的无线通信的大致分类以及每种分类的代表性用途。
近年来，无线通信的发展已经超越了这些分类的界限，例如，将卫星通信纳入移动通信（在智能手机中配备连接卫星的功能）的卫星移动通信服务已在各国开始。
无线通信的分类及各自的用途
这里，我们对上表中的术语做简单对照说明：
无线通信系统的基本构成和要素
无线通信系统（以及有线通信系统）的基本模型构成如下图所示，其构成要素在下表中进行了说明。将该基本模型进一步简化后即如上部分“什么是无线通信”中的图示。
通信系统的基本模型构成
通信系统的基本模型构成要素包括：
无线通信的方式：调制和解调
基于上部分图中介绍的通信系统的基本模型，图3显示了描述无线通信系统的基本功能——调制和解调的构成。
无线通信系统的构成
无线通信中，如果尝试以电波的形式直接发送数据，则无法远距离传输，由于诸如此类的原因，为了使远距离发送数据成为可能，发射器就需要进行将数据转换为能远距离传输的信号——“调制”操作。另一方面，接收器则需进行将调制后的信号还原到原来的数据——“解调”操作。
下表总结了代表性的调制技术及其采用示例。
无线通信的调制技术和采用示例（双击图表放大查看）
上表中中有很多一般不被人们熟知的术语，但在这里您可以将其视为手机、广播、电视播放等当今部分生活基础设施所需要的技术。详细信息今后将在其他的页面上进行解说。
未完待续：下篇将为您介绍数据传输方向、通信协议、以及有关电波的基本知识。敬请期待！
LPWA无线通信（应用篇）
此前，我们为您详细介绍了LPWA（Low Power Wide Area）无线通信技术出现的应用背景以及LPWA的特点、分类和行业标准。那么，LPWA无线通信技术目前有哪些低成本、低功耗、远距离需求的应用呢？
使用LPWA可以实现实时收集远程传感数据、进行控制和检测位置。下面通过这六个典型应用事例，我们对LPWA实际被如何应用在什么样的用途进行介绍。
生活基础设施的智能化(智能仪表)
智能仪表作为生活基础设施的智能化，通过LPWA的远距离无线通信自动收集电力、煤气、自来水等的用量抄表数据的智能仪表正在逐步普及。设置智能仪表对于企业和用户来说都有好处。例如，企业可以节省抄表员亲临现场目视查看用量数值的时间和成本，用户可以掌握日常用量。
此外，如果企业根据通过LPWA收集的抄表数据确认发生了漏电、漏气、漏水等问题，可以通过远程控制切断供应，即可以采取应急措施，因此，能够增强生活环境的安全性。
在本例中，利用LPWA的场所主要是住宅、企业等有建筑物的区域，蜂窝基站充足。因此，通过智能仪表进行自动抄表时，通常采用蜂窝LPWA（授权频段）。
住宅及设施的智能化(智能家居、智能锁等)
在住宅、办公室、工厂和商业设施等建筑物内，上述生活基础设施以外的部分也在逐步实现智能化。例如，现在已经可以通过对住宅锁门（智能锁）、空调设备、照明设备等多种家电产品进行集成和控制，即实现智能家居、互联家居，打造高度便捷、舒适的生活环境。
此外，对工厂、办公室等设施中的共享空间和会议室的利用状况和锁门状况可以集中管理，因此，可以摆脱繁琐的管理工作。
由于以下原因，LPWA正在被考虑用于这些智能化并逐步得到普及：
在与运营商基站之间的通信连接稳定的地区（有很多人生活和活动的地区），既可以选择蜂窝LPWA（授权频段），也可以选择在蜂窝LPWA与基站之间的连接不稳定的区域（山区、偏远岛屿和远离城区的地区）还可以使用网关进行通信的非蜂窝LPWA（免授权频段）。
跟踪人和物(可穿戴设备/跟踪器)
小型LPWA模块也可以配备在小型设备中。例如，通过将其配备在可穿戴设备和跟踪器中，就可以获取人、动物和物品等的位置信息，因此，利用这些设备的位置跟踪技术得到了广泛的应用。
如果以使用蜂窝LPWA（授权频段）为前提，则从可穿戴设备和跟踪器发送的位置数据可以通过运营商的通信网络从蜂窝基站到达数据服务器，由此可以进行跟踪。借助这项技术，可以通过可穿戴设备来看护儿童、防范宠物走失，还可以在运输货物时作为货物跟踪器，远程实时掌握货物的位置。此外，蜂窝LPWA还支持通过在各个国家漫游所连接的运营商来在国际物流中进行跟踪。
环境监测和农业的智能化
具有远距离通信、低消耗电力等特点的LPWA在环境监测、智能农业等领域也越来越多地被引入。例如，在山区、偏远岛屿、远离城区的地区，如果在监测点设置多种各样的环境测量传感器（水温、水量、土壤、CO2浓度等）并使用非蜂窝LPWA（免授权频段），则可以收集从这些传感器获取的数据。由此可以远程、实时掌握监测点的状况。此外，以此事例为基础，人们还在考虑将其从环境传感推广到智能农业（农业技术）。
此外，如果环境位于可以与基站进行稳定通信的城镇或村庄，则可以使用蜂窝LPWA（授权频段）。
户外智能支付终端的使用
在户外使用无线通信进行支付（智能支付）时，如果使用Wi-Fi，则由于到达网关的信号强度较弱，服务器可能无法接收数据。此外，如果以智能手机为终端使用4G LTE、5G等蜂窝式移动通信，则通信费用的负担可能会增加。
另一方面，如果利用蜂窝LPWA（授权频段），尽管它与4G LTE和5G都同样是蜂窝方式，但能以比移动通信更低的成本实时发送支付数据。使用LPWA的智能支付有望用于户外餐厅、移动店铺、户外活动中的产品销售、出租车等。
医疗设备(CPAP装置)的远程监控
被诊断为患有睡眠呼吸暂停综合症（以下简称为SAS），即在睡眠期间呼吸暂时停止的人员可能会在白天出现严重的嗜睡和头痛。这些症状可能会导致疲劳驾驶，从而引起事故等，可能会对生活和社会产生重大影响，因此，SAS需要治疗。作为其代表性治疗方法，有CPAP疗法（持续正压气道通气）。与通常在家中使用的CPAP装置相比，患者需要能够方便地将装置携带到出差和旅行等外出时的目的地使用。
因此，本公司通过采用送风部件和蜂窝LPWA模块等本公司小型部件，开发了一种小型、薄型、易于携带的CPAP装置，并已开始在日本国内生产和销售。
本产品由底座单元和可单手握持大小的主单元组成，主单元可拆下拿到外出目的地。而且，主单元配备了本公司生产的蜂窝LPWA模块，可实现与运营商基站的远距离无线通信。因此，在外出目的地也能将患者的睡眠数据发送到云端，使医务工作者能够在任意时间远程监控睡眠数据。
村田制作所的LPWA模块
村田制作所生产小型、低消耗电力的LPWA模块。在蜂窝LPWA（授权频段）采用LTE CAT.M1（LTE-M）/NB-IoT，在非蜂窝LPWA（非授权频段）采用LoRaWAN，提供符合各国采用的LPWA标准的通信模块阵容。
村田制作所的LPWA模块的优势
村田制作所为世界各地的多个领域和用途提供的LPWA模块具有以下优势和特长。
小型、高质量
本公司的LPWA模块利用与市场上出众的IC制造商建立牢固的合作伙伴关系及本公司研发和制造的组件，在多年培育的精良制造技术和质量管理的基础上生产，实现了比以前的组件小50%。在可穿戴设备上配备LPWA模块也很有效。因其兼容全球超小级紧凑性、同时具有稳定性和高可靠性、供应稳定，所以在全世界各个国家和地区都得到了广泛应用。
充实的支持体制
除了提供与用途相适用的LPWA模块方案外，我们还在各个国家的无线电法认证、连接性验证以及通过引入蜂窝LPWA模块利用授权频段中建立了与运营商进行合作协商等满足客户需求的支持体制。
LPWA模块的产品阵容
村田制作所生产和销售同时支持LTE CAT.M1（LTE-M）/NB-IoT 的蜂窝LPWA模块以及支持LoRaWAN的非蜂窝LPWA模块。每个模块都提供符合各国采用的LPWA标准的通信模块产品阵容。
蜂窝LPWA模块
我们提供的蜂窝LPWA模块产品阵容支持适用于边移动边通信的LTE CAT.M1（LTE-M）和适用于固定使用设备通信的NB-IoT双方的授权频段标准。
蜂窝LPWA模块Type 1SC（LBAD0XX1SC）
已在全世界获得认证的超小尺寸LTE Cat.M1（LTE-M）/NB-IoT模块。支持GPS/GNSS、OpenMCU、iSIM。可以与Truphone合作并通过eSIM提供MVNO网络通信。
此外，还提供可用于在引入多个蜂窝LPWA模块之前对动作、特性和应用进行测试的Type 1SC测试套件。
蜂窝LPWA模块Type 1SE（LBAD0ZZ1SE）
LTE Cat.M1（LTE-M）/NB-IoT模块。支持日本国内的认证，并支持Truphone eSIM。
此外，能够确认Type 1SE LPWA模块的动作和特性的测试套件STMicro Discovery套件可从本公司的业务合作伙伴公司之一的STMicroelectronics公司获取。
非蜂窝LPWA模块］
即使非蜂窝LPAWA标准众多，支持LoRaWAN的LPWA模块产品阵容也由于其通信速度和通信距离的平衡出众而受到了广泛的支持。
非蜂窝LPWA模块Type ABZ（CMWX1ZZABZ）
支持不需要许可证的标准——LoRaWAN的非蜂窝LPWA模块。符合主要地区的无线电法，并在全世界多个地区和运营商网络中工作。
文章来源： Murata村田中国
5G和Wi-Fi是针对不同应用需求所开发的通信技术，看似针对不同的市场与需求，但其实彼此之间具有互补性，若能够将5G和Wi-Fi技术相结合，将能够发挥5G和Wi-Fi技术各自的优势，并藉此扩大应用领域与市场。本文将为您介绍5G和Wi-Fi技术的最新发展与5G CPE（Customer Premises Equipment，用户驻地设备）的应用模式，以及由艾睿电子、Nordic等公司推出的相关解决方案。
5G和Wi-Fi 6无线通信的互补组合
Wi-Fi是一种主要在室内使用的局域网（LAN），可在免授权频段运行形成专用网络，是相当常见的一种无线通信技术，而蜂窝网络则是由主要运营商使用，是一种可在室内和室外使用的广域网（WAN），通常用于长距离通信。
目前正在普遍推广中的Wi-Fi 6是基于IEEE 802.11ax标准，容量比上一代提高4倍，延迟降低75%，速度几乎是其前身Wi-Fi 5的三倍，Wi-Fi 6并具有网状网络功能，可实现本地漫游，且其低功耗特色使其适用于电池供电的设备。Wi-Fi网络是目前最简易、最普遍的一种网络技术，几乎每个家庭和办公室都有一个连接到宽带服务的Wi-Fi设备。
不过，Wi-Fi 6设备需要采用符合Wi-Fi 6标准的接入点，才能获得全面的速度、延迟和容量改进。目前市面上有Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E两种标准，两者都是相同的802.11ax标准，只是工作频率不同，Wi-Fi 6采用2.4 GHz和5 GHz的频段，Wi-Fi 6E则采用6 GHz的频段，最新的Wi-Fi 7则为802.11be标准，将于2024年开始商用。
5G网络则是目前最新的蜂窝技术，将提供比4G/LTE高50倍的速度、低10倍的延迟和高1,000倍的容量。这意味着5G将能够比以往连接更多设备，并传输更多数据，从而提供快速连接并显着增强用户体验。
Wi-Fi和5G这两种通信技术将能够提供互补的功能，在用户体验方面，5G和Wi-Fi 6都可以实现千兆速度和低延迟。其中由于Wi-Fi的部署、维护和扩展成本较低（尤其是在接入点需要为更多用户提供服务的情况下），因此它将继续成为家庭和企业环境的主导技术。这为数十种需要大量数据的设备提供了强大的支持，例如个人电脑、平板电脑、智能手机、流媒体设备、电视机和打印机，这些设备都必须连接到网络。由于5G其覆盖范围更长，因此将用于移动连接，例如智能手机，它还将用于联网汽车、智能城市部署，甚至大型制造业务。
来源: Infiniti HK
为物联网和边缘设备的未来提供动力
5G和Wi-Fi这两种技术各自以不同的方式处理网络管理。Wi-Fi使用不必经过许可的频谱，每个人都可以拥有自己的Wi-Fi网络，而无需获得使用许可证。然而，这可能意味着您的Wi-Fi性能，将会受到与您同时在同一频道上使用其网络的其他用户数量的影响。当在办公室和其他企业环境中使用时，Wi-Fi往往会受到严格管理，以满足所需的性能目标。5G和LTE网络通常由运营商管理，并使用需要订阅费才能访问的专用许可频谱。与LTE一样，5G性能将取决于您与基站之间的距离和信号质量。
由于5G提供了巨大的性能提升，服务提供商可以为消费者提供另一种将宽带连接带入家庭的选择，也就是通过5G的无线宽带来连接网络。在这一领域，5G可能会与有线或光纤产品竞争。然而，Wi-Fi仍将是连接家庭中越来越多的设备的最有效方式，包括个人电脑、平板电脑、智能手机、智能扬声器、家庭安全摄像头、恒温器和电器，都可以通过Wi-Fi进行连接。
5G和Wi-Fi 6的一些最令人兴奋的应用将涉及物联网（IoT），企业可以选择最适合其需求的无线技术，并且仍然获得所需的高容量、快速速度和低延迟，以确保设备能够快速、更可靠地共享数据。例如，机器对机器通信在工厂自动化中发挥着关键作用。虽然Wi-Fi 6可能适用于管理制造运营，但5G可能会增强大型园区的制造环境。
5G CPE是带有5G射频模块的客户端设备，可以将5G/4G信号转换为以太网或Wi-Fi连接，它是无线设备的强大组合。通过5G CPE来转换信号，将可便于将现有的各式各样设备应用和连接到更为便利的5G网络，像是配置屏幕、摄像头、可编程控制器（PLC）、工业仪表、笔记本电脑、平板电脑、机器人、传感设备、数据收集器、服务器等。
5G CPE将通过打造生态系统，来触发终端节点的“低功耗WiFi 6”需求。像是由于采用了Wi-Fi 6低功耗终端节点，Wi-Fi 6带来了一系列功能，将使Wi-Fi设备在通信时更加节能，例如名为“目标唤醒时间”（或“TWT”）的功能，这使得Wi-Fi路由器和物联网设备能够提前安排通信，以减少不必要的空闲监听模式所花费的时间，从而减少功耗。这还意味着Wi-Fi IoT设备无线电可以利用无线IoT最成熟的超低功耗策略之一，便是尽可能多地处于睡眠模式。如此一来，Wi-Fi 6将可结合更高的频道带宽、更高效的信号传输和多个天线，可以在拥挤的无线环境中提供更好的性能。
高度集成的5G CPE参考设计
为了加快客户开发5G CPE产品，艾睿电子提供5G CPE参考设计，它是一款由艾睿电子基于高通（Qualcomm）X62 5G调解器和Wi-Fi 6芯片开发的CPE参考设计。主芯片IPQ5018包含两个64位高达1GHz的ARM Cortex-A53内核，集成802.11ax Wi-Fi子系统，该方案通过低成本的高速度AX3000路由器方案，外加采用高通X62做的5G模块，实现Wi-Fi 6和5G模块的信号互转。
5G CPE采用的核心器件包括高通IPQ5018、高通QCN6012、高通QCA8337A，并搭配高通X62适用于物联网应用的5G Sub 6 GHz模块。
高通X62在5G下可提供最大3.5 Gbps的下行速率和900 Mbps的上行速率，适合需要高数据吞吐量的物联网应用，可广泛应用于家庭、办公室、户外旅游、赛事、工厂、园区等地方。
支持Matter协议的Wi-Fi 6解决方案
事实上，Wi-Fi也是苹果、亚马逊、谷歌、三星，以及其他数百家消费物联网公司倡导的智能家居Matter协议的重要组成部分，Wi-Fi 6可轻松组成智能家居／建筑生态系统，并通过5G CPE结合5G连接云端，来将Wi-Fi添加到其产品系列中。
Nordic推出支持其双频Wi-Fi 6 nRF7002配套IC，支持在Matter协议中使用Wi-Fi 6协议，可用于各种高速无线网络和低功耗物联网传感器和设备。Nordic支持Matter中使用的所有三种无线协议。即：蓝牙LE（用于调试）、Thread（用于低功耗网状网络）和Wi-Fi（用于高速无线网络和低功耗物联网传感器和设备）。
nRF7002是Nordic独特Wi-Fi产品组合中的首款器件，将与Nordic现有的超低功耗技术无缝结合。Nordic将数十年的超低功耗无线物联网和芯片设计专业知识引入Wi-Fi，Wi-Fi 6则将为物联网应用带来了更多优势，包括进一步提高效率，支持长寿命、电池供电的Wi-Fi操作。
nRF7002这款“配套IC”，可以在与Nordic现有产品一起使用时，提供无缝Wi-Fi连接和基于Wi-Fi的定位（本地Wi-Fi集线器的SSID探查）。其中包括nRF52®、nRF53®系列多协议片上系统（SoC），以及nRF91®系列蜂窝物联网封装系统（SiP）。为了与主机通信，可以使用SPI或QSPI接口，并且额外的共存功能允许与蓝牙、Thread或Zigbee等其他协议无缝共存，nRF7002还可以与非Nordic主机设备一起使用，以最大限度地提高应用和网络的灵活性和易用性。
Nordic也推出nRF7002 Wi-Fi 6配套IC的开发套件nRF7002 DK，它包含在单板上开始开发所需的一切。开发套件采用nRF5340多协议SoC作为nRF7002的主机处理器，支持低功耗Wi-Fi应用的开发，并支持OFDMA、波束成形和目标唤醒时间等Wi-Fi 6功能。
结语
5G与Wi-Fi 6这两种无线通信技术的结合，通过5G CPE来进行信号的接收与转换，将能够各自发挥两种技术的优势，为大范围的物联网应用提供低功耗的解决方案。本文所介绍的艾睿电子5G CPE参考设计与Nordic Wi-Fi 6 nRF7002配套IC，将可加快客户相关产品的开发速度，若想了解更多细节与信息，请直接与艾睿电子联系。
文章来源：艾睿电子
本文要点
当同一地点有多个电路使用同一频率或频段时，就会产生电磁干扰。来自不同设备的信号会相互干扰，导致控制失灵或干扰设备的正常运行。电磁干扰是无线通信中的一个严重问题。为了确保数据传输的安全性，有必要尽量减少这种干扰。
扩频技术是用于缓解干扰问题的一种信号调制方法。有一种称为跳频（Frequency Hopping）的扩频（Spread Spectrum）技术，通常用于无线个人区域网络和局域网应用。慢速跳频（Slow Frequency Hopping）属于跳频的一个子类别，主要用于避免无线通信系统中的多路访问干扰。
1. 跳频扩频技术
跳频扩频 (Frequency Hopping Spread Spectrum，即 FHSS) 技术指的是载波信号从一个频率随机跳转到另一个频率。注入信号的载波遵循只有发送端和接收端知道的特定跳频模式。跳频集的频率从 f1 到 fL 不等，其中 L 是可用于跳频的频率信道数量。在一个给定的时间内（称为跳频周期 th），传输的信号保持在带宽为 B 的特定跳频时段内。在给定的跳频时间内，传输信号的频率是恒定的。扩频带宽用 W 表示，W 将远远大于 B。
跳频扩频技术的优势
1. 增加带宽：通过跳频过程，待传输信号的窄带宽转换为宽带宽。
2. 克服信号衰减问题：衰减是指信号减弱的变化。但相隔几个兆赫的信号频率就不会同时衰减。因此，跳频能够通过分离信号来限制衰减和相关的通信故障。
3. 多径信道通信：多径信道通信经常面临信道干扰问题，使用跳频可有效防止这些干扰。
4. 提高频谱效率：在跳频中，每个带宽为 B 的信道都包含单载波频率，作为其中心频率。大部分信息都位于给定的信道频谱区域内，有助于提高频谱效率。
5. 防止干扰：载波信号的频率是跳变的，因此跳频具有很强的抗干扰性能。
2. 慢速跳频技术
跳频扩频技术分为两种：快速跳频和慢速跳频。在慢速跳频中，载波频率是定时变化的。发送端和接收端都知道创建的跳频序列。发送一个信号频率所需的时间比发送几个比特的数字信息所需的时间要长。不过，慢速频谱可以减少信号传输中的干扰和衰减。
在慢速跳频中，载波时间周期 Tc 大于符号时间周期 Ts。每次跳频都会传输多个符号。慢速跳频的 Tc 和 Ts 之间的关系为 Tc = N Ts。每隔 Tc 秒，信号的中心频率会根据跳频模式发生变化。慢速跳频扩频技术还采用了错误控制编码，以便恢复一次跳变过程中的比特损失。
慢速跳频技术的优势
除了具备跳频技术的一般优点，慢速跳频还有其自身特殊优势——
即使某一个跳频信号在接收端因窄带干扰而衰减，其他信号也能正确接收。也就是说，哪怕在慢速跳频中发生信号丢失，接收端也能重现原始信息。
总之，使用慢速跳频技术来确保信号传输安全，不仅有利于解决衰减和干扰等问题，还有助于实现无信号干扰的多重接入通信。
此外，进行电磁仿真可以帮助了解设计中的信号是否符合性能规格，并了解设计在电路/系统中是否存在意外的电磁耦合。
以下情况也应该进行电磁分析：
1. 正在进行设计（芯片、封装、电路板、系统），并且希望了解当前设计的电性性能，此时需要实现高性能和集成；
2. 在签核过程中，需要确定最终的设计结果是否和预想的一样好，此时相比于性能，则更关心精准度。
目前，Cadence 的产品组合提供多种电磁 (EM) 技术——Sigrity分析、Clarity 3D Solver、EMX 仿真器及 AWR AXIEM 分析和 Analyst 软件，可高效设计并准确分析基于慢速跳频扩频的无线通信系统，在5G通讯时代提供全面的解决方面。
本文转载自： Cadence楷登PCB及封装资源中心微信公众号
本文作者：Davide Vye，Cadence高级产品市场经理，首发于www.highfrequencyelectronics.com。
自从便携式电话在 20 世纪 80 年代问世以来，新的无线电技术不断更迭，移动通信行业呈现爆炸式增长。伴随每一代无线电技术的问世，都涌现出了新的服务和业务机会，引领了所谓的“第三次通信浪潮”。由 5G 和未来 6G 技术赋能的技术革新将为更多行业和社会新型服务提供支持，直到 2030 年及以后（图 1）。
本文讨论了为蜂窝式物联网 (IoT) 大规模机器类通信 (mMTC) 应用开发多频段有源天线调谐器的相关设计挑战和解决方案。
图 1 ：移动通信技术和服务的更新换代。
5G 代表了迎接下一次服务浪潮的第一步，5G 扩大了连接性，同时借助人工智能 (AI) 和物联网让多媒体能力实现了大幅提升。5G 将是利用毫米波 (mmWave) 频段频率的第一代移动通信，支持数百兆赫兹 (MHz) 的带宽，进而实现每秒数千兆位的超高速无线数据通信。
无线通信的第三次浪潮
5G 和后续的系统将缩小物理世界和网络世界之间的差距。如今，利用无线连接，移动消费者几乎可以在任何地点访问网络。在未来，高速网络的覆盖将更加广泛，连接速度也将不断提升，而且将更加强调将现实世界人和事产生的信息以及/或物联网活动信息上传到互联网。mMTC 可为大量的设备提供连接，这些设备产生的流量通常是零星分布的少量数据。因此，延迟和吞吐量并不是一个大问题：主要的问题是优化这些设备的电源使用，因为它们是由电池供电，而且电池寿命预计将超过 10 年。
6G 将采用许多不同的技术，包括重叠单元的新拓扑结构，其分布式波束成形天线网络由人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 控制，以动态选择最佳传输路径。以前的蜂窝通信是基于间隔足够远的六边形单元网络，以避免与相邻单元出现信号干扰。6G 可能采用空间上非正交、重叠和动态的拓扑结构来增加路径选择。利用 AI/ML 来控制波束将有助于减少单元间干扰 (ICI)，但会增加复杂性。这种架构也将需要采用新的天线设计、共形以及相控阵。为了获得更多的带宽，6G 预计将使用 94GHz 至 3THz 的更高毫米波频率。
采用更高的频段将有助于减小天线的尺寸，更有利于缩小元件的 footprint；然而，天线、馈电网络和封装互连将更容易受到寄生和意外耦合（串扰）的影响，因此需要在系统层面进行严格的电磁分析和设计验证，如图 2 所示。
图 2：Cadence Clarity 3D Solver(有限元法 [FEM]/时域有限差分法[FDTD])软件，可以针对大规模、集成射频/混合信号电子系统的关键互连进行建模，推动第三次通信浪潮的到来。
空分复用和大规模多进多出 (MIMO) 方面的新功能正在研究当中，包括使用反射面和超材料来管理信号在视线有限的拥挤城市环境中的传播。将通过太空、海洋和高空无人机扩大信号的覆盖范围。
最后，大部分工作的重点将放在无线电接入前端的物理设计上。毫无疑问，有策略的设计分区、利用最佳半导体工艺和多结构组件将发挥用武之地。为此，需要使用一系列仿真技术、设计和制造流程，并且各个工具之间应支持互操作性。在制定 Cadence 智能系统设计 (Cadence Intelligent System Design™) 战略的过程中，我们将这些趋势悉数考虑在内。该战略旨在支持新一代无线电子系统在多个领域的协同设计和协同优化，包括射频、模拟和数字仿真，同时辅以大规模电磁 (EM) 和热分析，以及强大的设计验证和签核。
蜂窝式物联网应用
5G mMTC 的目标之一是为大量物联网设备提供可扩展的连接（图 3）。这些设备本身支持各种传感和执行功能。它们的复杂性相对较低，但是使用电池供电，以便能够运行数年之久而不需要维修。为了向网络分享数据，mMTC 以上行链路为中心，数据速率相对较慢，针对小数据包（最小仅为几个字节）经过优化。上行链路通信基于零星的用户（事件驱动）活动或预定的传输。
图 3：mMTC 为大量物联网设备提供可扩展的连接。
如今的蜂窝式物联网 (cIoT) 设备由窄带物联网 (NB-IoT) 和 LTE Category M-1 (Cat M-1) 网络提供支持，目前每个单元可支持 4 万至 5 万台设备。5G 的目标是每个单元支持多达 100 万台设备。5G 与蜂窝网络捆绑在一起，比低功率广域网 (WAN) 的覆盖范围更大，因此适用于移动应用，如在途物资跟踪。作为一种传感设备，mMTC 网络不需要获取对时间要求严格的信息，因此可以不考虑延迟问题。
Fractus Antennas 公司致力于设计和制造用于智能手机、短距离无线和联网物联网设备的微型天线，在市场上占据领先地位，他们使用 Cadence AWR 软件将天线集成到这些产品中。利用 Cadence AWR Microwave Office 软件中的网络综合向导选项，Fractus Antenna 的工程师可以针对所需的单频、多频或宽带操作，轻松实现合适的匹配网络。对于需要满足低功耗要求的设备，这样可以确保在不牺牲距离（覆盖范围）的情况下，将最大的功率输送到天线。
Fractus Antennas 为 Nordic Semiconductor 的蜂窝式物联网 (cIoT) 电池供电原型构建平台设计了一个多频段有源天线调谐器。图 4 中的 Nordic Thingy：91 原型构建电路板是围绕一个低功耗的系统级封装 (SiP) 模块 (nRF9160) 构建的，集成了 LTE-M/NB-IoT 调制解调器和 GPS 技术。Nordic Thingy:91 通过了全球广泛的 LTE 频段认证，几乎可以在全球任何位置使用。蜂窝通信可以与 GPS 定位采集相辅相成，用于复杂的物资追踪。
图 4：用于 cIoT 物资追踪应用的 Nordic Thingy：91 原型构建电路板（图片由 Nordic Semiconductor 提供）。
cIoT 模块和原型构建电路板提供六个工作频段，其中包括 GPS，由 Fractus Antenna 开发的天线和特定频段阻抗匹配网络提供支持。电路板的射频部分包括 Nordic Semiconductor 的物联网模块和 Qorvo 的两个单刀八掷开关，它们允许信号根据所需的工作频段和 Fractus Antenna 的要求，通过不同的匹配电路（图 5）。
图 5：用于在 6 个波段工作的 cIoT 模块和有源天线调谐器。
匹配电路拓扑结构和物料清单 (BOM) 见表 1，不同开关设置下的天线效率响应与频率的关系见图 6。
表 1：Fractus Antenna 匹配电路拓扑结构和物料清单。
图 6 ：不同开关设置下的天线效率响应与频率的关系。
在开发阻抗匹配网络时使用了 AWR 网络综合向导。这是一个以目标为导向的综合工具，可根据仿真测量值和用户指定的性能目标，如小信号回波损耗或非线性放大器行为（输出功率 [Pout]，功率附加效率 [PAE] 等），从负载牵引性能曲线中创建匹配网络。该综合引擎使用专有的遗传优化算法和启发式方法来识别候选匹配网络，解决涵盖多个性能目标和频段的阻抗匹配难题。
射频设计人员指定哪些元件类型（如电感、电容和传输线）可以出现在给定的串联或并联配置中，从而管理拓扑结构，并允许用户设置元件参数值限制，以反映制造公差。此功能有助于加快实现阻抗匹配，通过快速的设计空间探索，为射频工程师提供更多可行的网络候选方案（图 7）。
图 7：简单的两元件（理想电感）匹配电路和由此产生的匹配天线组件的回波损耗。
综合的网络可以基于 AWR Microwave Office 软件的理想部件库、供应商部件库的模型，以及使用给定项目中的基板定义的微带传输线。然后，用户可以指定将哪些候选网络直接导入到 AWR Microwave Office 项目中。Fractus Antenna 的工程师使用网络综合来实现其表面贴装天线模型所需的带内回波损耗，该模型在 AWR Microwave Office 软件的标准供应商库中作为组件模型提供（S 参数）。设计人员将该天线组件放入一个原理图子电路中，并开发了一个阻抗匹配网络，用于优化子电路的回波损耗，从而最大限度地提高天线效率，即天线辐射功率与天线输入功率之比。
除了开发匹配网络，AWR 软件和 Cadence 的 AWR AXIEM 3D 平面电磁分析可用于进一步对电路板进行特性分析，以确保匹配电路在并入可能存在寄生效应的大型结构时能够正常工作。为此，可以使用 Cadence AWR Design Environment平台中的 PCB 导入向导来导入金属层，这些金属层可以从制造商的网站上以 Gerber layout 文件的形式获取。使用四个单独的金属层创建一个 AWR AXIEM 分析子电路，它们组合成一个四层结构，如图 8 所示。
图 8：四层（2 个信号平面，2 个接地平面）Gerber layout 文件导入 AWR Design Environment 平台。
图 9 显示了 AWR AXIEM 分析中的结构，其中有定义的边缘端口和自适应网格划分的注释，用于求解和提取 S 参数。使用形状预处理规则简化过孔结构，以便在不牺牲精度的情况下加快仿真速度。该电磁结构的大小约为 84k 未知数，在一台机器上只需大约 10 分钟就能轻松求解。仔细观察网格可以发现，AWR AXIEM 分析采用了混合网格划分技术，以确保快速得出准确的结果。
图 9 ：AWR AXIEM 分析中 Thingy：91 结构（射频部分）的分解图，其中有定义的边缘端口和自动化自适应网格划分的注释。
由于 AWR AXIEM 分析完全集成在 AWR Microwave Office 软件的电路仿真器中，只需将包含电磁结构的子电路与其他基于电路的器件一起放入 AWR Microwave Office 原理图中，就可以实现电磁/电路协同设计（图 10）。
图 10：多端口电磁子电路，摆放了供应商库中的集总元件器件和参数化的单极八掷开关，用于电磁/电路协同设计。
工具还提供了一个标准的脚本，用于根据结构的物理 layout 细节创建原理图符号，帮助工程师管理多端口结构的端口连接。这种可视化工具可帮助设计人员将电路元件插入到电路板上的正确位置。在本例中，在 AWR Microwave Office 软件中实现了一个具有参数化开关状态的理想开关。如此一来，设计人员可以通过调整开关的位置来切换不同的阻抗匹配网络，如图 11 所示。
图 11：输入阻抗 (S11) 与开关位置的关系——在四层 cIoT 原型构建电路板上实现匹配网络，电路板以 Fractus Virtual Antenna 为终端。
该天线制造商还提供测量获得的天线增益信息，可供 AWR Visual System Simulator (VSS) 通信和雷达系统设计软件中的天线模型用于链路预算分析，以便定义组件规格和验证基于假定路径损耗、接收器灵敏度和规范发射器功率水平（或有效各向同性辐射功率 [EIRP]）的系统设计。
此外，AWR VSS 软件提供了几个预配置的 NB-IoT 仿真平台，允许设计人员检查各种优势数据，包括调制频谱、传输和解调信号的 IQ 星座图、比特或模块误码率以及吞吐量（图 12）。通过将本项目中的默认被测设备替换为单个组件或整个射频链路（包括天线），以及进行传播损失的信道建模，AWR VSS 软件的 NB-IoT 仿真平台支持工程师扫描各种参数（如输入功率），或切换不同的 NB-IoT 子载波调制方案（π/2 BPSK 或 π/4 QPSK），以研究它们对性能的影响，如误差向量幅度 (EVM)。
图 12 ：AWR VSS 软件中的 NB-IoT 上行链路和增强型 NB (eNB) RX 仿真平台。
随着射频设计、分析和验证一一完成，以及电磁、电路和系统级性能标准得到满足，可以将 RFIP 可以传递给 layout 团队，以进行任何额外的设计整合、设计规则检查 (DRC)/电路布局验证 (LVS)，以及最终签核。为了交付制造，AWR Microwave Office 软件的 layout 可以导出为图纸交换格式 (DXF) 文件（以及 GDSII 和 Gerber 文件），然后可以再将其导入 Cadence Allegro PCB Designer 软件，以进行进一步的开发（图 13）。
图 13：将完整的 cIoT 电路板以 AWR Design Environment 平台输出的 DXF 文件格式导入 Allegro PCB Designer 中。
结论
以 5G/6G 功能为目标的下一代通信系统将以极大的容量、覆盖范围、可靠性和超低延迟提供与互联网的大规模连接，从而创造广泛的新型服务和业务机会。将通过一系列的创新技术来实现预期的性能，如复杂的射频前端架构和高度集成的多结构电子设备。从射频到毫米波的设计以及多结构设计和制造软件将对这些技术的发展起到至关重要的作用。
为了支持相应的技术和产品在芯片、IP、封装和 PCB 上实现 5G/6G 性能，Cadence 部署了智能系统设计 (Intelligent System Design™) 战略，为电子系统设计的各个方面提供业界一流的计算软件能力。本文通过几个案例，介绍了 Cadence 如何依托自身在计算软件方面的深厚专业知识和关键领导地位，凭借范围广泛、高度集成的设计解决方案，将智能系统设计战略植入未来的通信产品。
文章来源： Cadence楷登PCB及封装资源中心
将有助于实现无线电单元共享和基站节能
图1：带有前置/后置放大器的基站图像
三菱电机集团近日（2023年6月8日）宣布，该公司已开发出首款使用单个放大器即可覆盖3400MHz频段的氮化镓(GaN)功率放大器。该技术已被证明可用于在单个基站中以不同频率运行的4G、5G和Beyond 5G/6G通信系统。
为了推进无线通信，5G技术于2020年被推出，并预计将在2030年左右开始向Beyond 5G/6G过渡。为了顺利实现这一过渡，负责通信基础设施的新基站的建设势在必行。目前，功率放大器是为每种类型的基站处理特定频段而单独开发的。然而，在设想的基站中，无线电单元应该能够被共享，以节省空间和降低维护/运营成本，并适应覆盖各种频段的超宽带。此外，Beyond 5G/6G需要高度密集的mMIMO天线排列，以实现大规模的同时连接。因此，为了避免散热问题，有必要兼顾组件的小型化和功率放大器的低功耗。
三菱电机开发的该款产品有望使无线电单元（收发器）能够为不同的通信系统共享，并实现基站的节能化。技术细节已在本月的IEEE 2023国际微波研讨会上公布。
特点
1. 新型频率补偿电路，实现宽频带运行
2. 使用高性能GaN的新型放大器，降低基站功率损耗
图2：传统放大器与新型放大器比较
未来展望
未来三菱电机将进行Beyond 5G/6G基站在实际应用中的研究和开发。
关于三菱电机
三菱电机创立于1921年，是全球知名的综合性企业。在2022年《财富》世界500强排名中，位列351名。截止2022年3月31日的财年，集团营收44768亿日元（约合美元332亿）。作为一家技术主导型企业，三菱电机拥有多项专利技术，并凭借强大的技术实力和良好的企业信誉在全球的电力设备、通信设备、工业自动化、电子元器件、家电等市场占据重要地位。尤其在电子元器件市场，三菱电机从事开发和生产半导体已有60余年。其半导体产品更是在变频家电、轨道牵引、工业与新能源、电动汽车、模拟/数字通讯以及有线/无线通讯等领域得到了广泛的应用。
作者： Jody Muelaner，来源： 得捷电子DigiKey微信公众号
第四次工业革命（工业 4.0）为机器带来了更多的智能和自动化设施的效率和灵活性。这些日益复杂的系统推动了无线通信在工业环境中的应用。毕竟，工业 4.0 智能机器和模块化自动化的定义如下：
支持这些功能的无线技术都基于蜂窝、Wi-Fi、蓝牙和 IEEE 802.15.4 标准和协议。部分原因是，设计工程师期望来自不同供应商的组件具有兼容性——根据定义，必须通过行业标准接口而不是专有接口进行连接。事实上，互操作性只是工业 4.0 的一个方面。
图 1：无线连接是协调材料处理和协作机器人任务的关键。（图片来源：Getty Images）
纳入无线通信的单个设备通常比有线网络的成本更高。然而，这种前期成本的增加能以多种方式抵消，而且从长远来看，无线设备往往被证明是最具性价比的选择。原因是在生产区域铺设电缆的成本可能很高。规划电缆敷设路径及其连接器是一项很费力的工作。另外，电缆需要保护，需要电缆槽架或支撑件的支撑，还需要接线盒和其他附件。规划、订购和安装所有这些与电缆有关的五金件，会延长网络实施时间。
基于 Wi-Fi 的自动化标准
电气和电子工程师协会 (IEEE) 于1997 年发布了 802.11 标准，定义了局域网(LAN) 的无线实施标准。为了确保市场能充分执行这一标准，行业联盟 Wi-Fi Alliance很快跟进——由有意向建立测试和认证计划的无线设备公司牵头，来保持跨供应商产品的互操作性。今天，通过 IEEE 802.11 定义的 Wi-Fi 标准得到了 Wi-Fi Alliance 标准化的更多补充，使得符合各项要求的设备还具有非常可靠的兼容性。
图 2：工业 4.0（也称为工业物联网或 IIoT）与无线技术的采用密不可分。这些无线技术采用标准化接口，允许各种设备和计算系统之间进行连接，包括用作人机界面的移动设备（如图所示）以及无数其他用于互通机器状态信息的现场无线组件。（图片来源：Getty Images）
虽然 Wi-Fi 对于监控应用和将机器连接到企业级系统相当有用，但由于在速度、延迟和连接稳定性方面的问题，使这种技术在机器控制相关的高要求工业自动化应用中的使用受到限制。这意味着今天工业应用中的 Wi-Fi 大多仅限于要求不太严格的情况。其中包括：
图 3：尽管不适合用于机器控制，但 Wi-Fi 对于机器监测应用、连接工厂车间和企业级系统是非常有用的。（图片来源：Wi-Fi Alliance）
目前，让 Wi-Fi 技术适应工业控制应用已尝试过多次，但成功率有限。但是有一个协议例外，那就是在 IIoT 方面有些成功运用的工业自动化和过程自动化无线网络 (WIA-PA) 协议。这是一种来自中国的工业无线通信标准。
当然，Wi-Fi 的工作频率为 2.4 或 5 GHz，频率越高数据传输速度越快，但由于更高的频率在穿过墙壁和其他固体物体时更容易出现耗散，因此传输范围也会减小。专用标准是使用其他频段的。例如，IEEE 802.11ah 低数据 Wi-Fi (HaLowWi-Fi) 在 900MHz 左右运行——通常用于需要扩大范围和极低功耗的传感器。另一种极端情况是，IEEE 802.11ad Wi-Fi(WiGig) 的工作频率为 60 GHz 左右，可实现非常快的数据传输。
基于 IEEE 802.15.4 的无线标准
其他可选的无线协议是 IEEE 802.15.4 标准定义的低速率无线个人局域网络或LR-WPAN。LR-WPAN 技术优先考虑低成本和低功耗，而不是速度和传输距离。根据其基本规格参数，LR-WPAN 通信的数据传输率可达 250 kb/s，传输距离可达 10 m。这种技术旨在实现低成本设备之间的通信，而无需任何其他的通信基础设施。诸如6LoWPAN、WirelessHART 和 ZigBee 等基于 IEEE 802.15.4 标准的协议正在迅速成为首选的 IIoT 协议。
1.WirelessHART： 由 HART Communications Foundation、ABB、西门子和其他公司支持的WirelessHART 的协议，该协议基于 802.15.4。这是一个得到良好支持的、强大的工业自动化应用标准。使用具有时间同步功能的跳频网状网络来维持网络的可靠性。相比之下，大多数基于 Wi-Fi 和蜂窝技术的无线通信协议都使用了不太稳健的星形网络拓扑结构，要求所有设备都与中央设备相连。所有通信都使用 128 位 AES 加密，且用户访问可能受到严格的控制。
图 4：LTP5903-WHR SmartMesh 网络管理器支持线路供电式 WirelessHART 网关，从而让工程师能够整合一个基于标准的无线传感器网络，以实现可扩展双向通信。（图片来源：Analog Devices）
由于 WirelessHART 使用网状网拓扑结构，因此数据可以在设备之间直接路由。这可以扩大网络范围，形成冗余通信路径。这样，如果其中一个路径出现故障，发送方就会自动切换到一个冗余路径。跳频还能使 WirelessHART 避免干扰问题。
2.6LoWPAN：低功耗无线个人局域网络上的 IPv6（通常称为6LoWPAN）是一个协议，允许 IPv6 数据包在基于IEEE 802.15.4 的网络上传输。这意味着功耗非常低的设备可以连接互联网，以使其非常适合物联网传感器和其他低功耗设备。
3.ZigBee：由 Zigbee 联盟维护并且在智能家居和楼宇自动化应用中使用最广泛，ZigBee 可能是最成熟的基于 IEEE 802.15.4 的协议。该协议让节点在大部分时间内保持休眠模式，以大幅延长电池寿命。ZigBee 通常工作在 2.4 GHz 频段，固定数据传输率为 250 kb/s。该协议可以支持各种网络拓扑结构，包括星形、树形和网状网。树状和网状网拓扑结构扩大了网络范围。
图 5：Zigbee 对工业环境中的运动、振动、湿度、温度和存在传感器及其他应用都非常有用。（图片来源：Zigbee 联盟）
工业自动化中的低功耗蓝牙和蜂窝状物联网
低功耗蓝牙 (BLE) 是 IEEE 802.15.4 的替代协议。这种情况下，低成本和低功耗是首要任务，可以牺牲速度和传输范围。与标准蓝牙相同，该协议的工作频率为 2.4 GHz。低功耗蓝牙的最大优势在于如何得到了移动操作系统的原生支持，如 Open Handset Alliance（开放手机联盟） 的安卓系统、苹果的 iOS 系统和微软的 Windows 系统及其各种变体。此外，Logitech Corp. 等大型电子产品供应商投入了最多的研发资金，所以低功耗蓝牙仍然主要是消费类设备的无线连接选项也就不足为奇了。这与 WirelessHART 形成鲜明对比，IIoT 应用始终是后者主要关注的对象。
图 6：低功耗蓝牙 (BLE) 标准包括一个串行端口配置文件，各个系统会将其识别为一个完整的串行接口。这对于使用通过 BLE 连接的升级设备来替换有线设备是非常有用的。（图片来源：Bluetooth Special Interest Group）
综上所述，在过去的几年里，有很多传感器、遥控器、锁具和手持设备采用低功耗蓝牙执行工业自动化任务。这一趋势在未来几年可能会增加。
与 BLE 和基于 IEEE 802.15.4协议的低功耗、短距离通信相比，蜂窝技术是长距离无线通信。2G GSM 蜂窝协议大多已被在手机和物联网设备中普及的 3G 和 4G 高速蜂窝协议所取代。但问题是，蜂窝通信的电力消耗巨大，因此在工业应用中，特别是机器上使用这种连接时系统需要连接一个永久的有线连接式电源。蜂窝式 LTE 类别表明了最大的数据传输率，尽管它以更高的功耗为代价。LTE Cat-0 和 Cat-1 连接适用于物联网设备。相比之下，LTE-M 是专门为机器对机器和物联网应用而设计的低功耗蜂窝协议。
与其在手机中相对广泛的使用相比，工业级 5G 应用还没有那么成熟。这是因为消费者优先考虑下载速度（所以已经迅速采用了入门级 5G 设备），IIoT 系统工程师优先考虑低延迟和无死角全面覆盖。事实上，低延迟在工业自动化中至关重要。诚然，第一批 5G 网络已将延迟控制在 30 ms 以下，但人们正努力将延迟进一步降低到只有 1 ms。这对于要求严格的实时工业控制（不仅仅是监控）应用来说，速度已经足够快了，例如在机床中传输反馈信号。
5G 技术减少延迟的一种方式是网络切片。这种网络技术将网络的带宽划分为不同的虚拟通道，然后对其单独管理。一些通道专门用于低延迟传输，禁止大多数流量使用这种通道。然后，只有需要最高传输速率的工业控制应用才能使用这些专门保留的快速通道。
LoRA 无线协议的崛起
长距离广域网络调制 (LoRA) 是可再生能源、采矿和物流业的远程和离岸应用的低成本无线协议选择。这是一种低功耗无线技术，可以在甚至超过 10 公里的非常长的范围内通信，而且仅用一块电池就可以持续工作长达 10 年。简而言之，LoRA 是一种在免许可频段上运行的非蜂窝技术。该技术采用次千兆赫频段，如 433 MHz 和 915 MHz，以及基于线性调频扩频 (SSS) 调制的扩频调制。这使其非常适用于设置在偏远地区且只需适度数据传输速率的物联网设备。LoRA 还具有 128 位加密和认证控制功能。另一个有用的功能是利用设备之间的三边测量法进行地理定位，尤其适用于 IIoT 应用中的传感器。
LoRA 使用由 Semtech Corp. 开发的专有技术，但也有大量的开源元素。它得到了 LoRa Alliance 的支持（和设备互操作性保证）。LoRa Alliance 是一个包括 IBM、Cisco、TATA、Bosch、Swisscom 和Semtech 在内的大型协会。
结语
用于工业自动化的无线协议比比皆是。每一种都适合特定的应用。对于要求低功耗并接受短距离传输的用途，往往受益于 ZigBee 和低功耗蓝牙连接。要求更高的工业应用需要通信的稳健性，则可能需要支持WirelessHART 无线连接功能的设备。要求长距离传输、高数据速率的应用，则必定使用蜂窝技术。在这里，5G有望改变无线通信。要求在很长的距离内进行数据通信并且电力消耗最少时，最好的选择通常是 LoRa 技术。
本文转载自： 贸泽电子微信公众号
伴随着5G和物联网概念的兴起和落地，全球无线通信发展再提速，成为一条长期的优质发展赛道，衍生出移动支付、车联网、智能电网、安防监控等多个千亿级，甚至是万亿级的终端应用市场。
在无线通信方便快捷的背后，是一个又一个稳定可靠的通信节点，它们编织在一起，便是全时空场景下的高速移动互联。在每一个通信节点下，光纤、路由器、电源设备等高效协同，为无线通信提供稳定可靠的支持。而今天我们要谈论的元器件则是帮助那些无线通信基础设施满足网速、EMI等指标的连接器——有线连接与接插件。
连接器是无线通信基础设施的筋脉
近几年，受益于智能化和电气化在各行业的渗透率快速扩大，全球连接器市场规模快速提升。根据中商产业研究院的预测数据，预计2022年全球连接器市场规模将达798.5亿美元，同比增长8.4%。在终端市场方面，通信业成为仅次于汽车产业的第二大连接器市场，占比达到23.08%。能够有如此大的市场容量，恰恰也说明了连接器在通信领域的重要性。
图1：2017-2022全球连接器市场规模（图源：中商产业研究院）
这其实很好理解，任何电力电子设备/系统可靠运行其实都需要连通性，通信设备/系统也不例外。随着通信系统越来越复杂，标准、稳定、高速的连接器已经成为系统中重要的组成部分，堪称是系统“筋脉”。
连接器的基本结构包括接触件、绝缘体、壳体和附件四部分。在通信系统中，连接器的作用主要有三个：其一是在单体设备中实现电路板和元器件的电连接；其二是通过标准互连把不同厂商的设备组成一个可工作的系统；其三是帮助系统应对复杂、严苛的工作环境。因此，在连接器的选择上，电性能、EMI特性、耐用性、稳定性和可靠性等是需要特别考虑的因素。
下面，我们通过几个典型的无线通信基础设备来看一下。
路由器是互联网中关键的网络设备，包括路由选择和分组转发两个部分。进一步细分的话，路由选择部分则包括路由选择处理机，分组转发部分则会包括输入端口、交换结构和输出端口。那么，要想让这些组成单元在物理层面上协同工作，就需要连接器的参与，比如板与板之间的连接，以及板与核心器件之间的连接等。未来，路由器的发展将主要呈现智能化和无线网络高速化两大明显的趋势，那么对于设备中的连接器而言，需要在接口界面、传输速度和传输带宽等方面提供冗余性，以保证设备的智能化运转。
图2：路由器内部框图（图源：CSDN博文）
路由器是单体设备，通信基站则是一个由各种设备组合在一起的复杂系统。在完整的通信网络中，核心网发出的信号在基站侧经过基带和射频处理，然后通过射频馈线送到天线上进行发射。因此，基站本身在物理构成上就可以划分为基带和射频两部分，其中基带部分负责信号调制与解调、呼叫处理等，射频部分则主要负责信号的发射和接收。而到了设备层面，各种设备构成了基站的基带模块和射频模块。比如在5G基站中，基带模块中会包含BBU、CU、DU不同类型的物理设备，射频模块由AAU和RRU设备组成，并且它们都需要电源设备为之供电，这些设备之间的互连会用到非常多的连接器。同时，在围绕基站构成的基站控制器、移动交换网络和网关支持节点之间的典型互联也会用到大量的连接器。
面向基站侧应用的连接器，随着基站内功能单元越来越多，加上无线通信愈发高频化，基本上呈现出小型化、高密度、高速、高性能和高频化等典型的发展趋势。
为了应对这些显著的发展趋势，更好地赋能无线通信领域的高速发展，连接器厂商在推出新技术和新产品方面也有了一些可归纳的具体趋势。为了应对无线网络在速度和带宽等方面的高要求，高速、高频的连接器技术成为各厂商的研究的核心；为了应对集成化之后单设备多连接的特点，厂商推出的模块化、高密度、小型便捷的连接器成为市场新宠；为了解决工业互联网等场景下的复杂连接问题，连接器厂商进一步提升了产品的抗干扰性，也在推动产品从有线走向无线；为了提升无线通信系统的运维效率，厂商也在研发带有简单智能判断和保护功能的智能连接器产品。
接下来，我们就为广大工程师朋友介绍几款贸泽电子平台上上在售的具有出色性能、卓越可靠性的连接器产品。本文中的方案均来自制造商Molex。
极具灵活性的iPass互连解决方案
Molex的iPass互连解决方案能够满足极为严格的高速性能要求，因此我们今天要介绍的第一款连接器便是iPass互连解决方案中的一款串口线，该产品在贸泽电子平台上的制造商编号为74546-0405。这款连接器为iPass PCIe x4双端电缆组件，类型为PCI Express公转PCI Express公，线径为26 AWG，长度为5m，支持防水、防尘。
图3：iPass PCIe x4双端电缆组件74546-0405 （图源：贸泽电子）
iPass互连解决方案可为SAS、PCIe、以太网、InfiniBand和光纤通道内部和外部系统提供主板和背板连接器以及电缆组件。其中，高速/模块连接器可在高达14Gbps的应用中实现灵活的速度兼容性，并且该连接器和电缆组件互连解决方案包括外部和内部I/O配置。
支持高性能网络的多光纤解决方案
Molex的光纤解决方案为高密度应用提供了薄型解决方案，并且可以简化实施。我们为大家带来的第二款连接器便是Molex光纤解决方案中的一款，贸泽电子平台上的制造商编号为106225-0022，类型为MPO-MPO，电缆长度为25M，电缆规格为5.40mm，可直接弯曲到90°，从而缓解堵塞问题并改善电缆疏导。
图4：光纤线缆组件106225-0022（图像仅供参考）（图源：贸泽电子）
106225-0022适用于电信/网络领域的光学电子模块、光交换机和路由器、PC卡和配线架应用，以及数据中心的服务器应用，应用形式包括机架到机架、房间到房间和地板到地板的光纤布线。
Molex FlexiBend MTP/MPO多光纤解决方案有多种配置可供选择，采用12和24光纤配置，设计用于QSFP、CXP和CFP模块等应用。这些电缆在护套内堆叠了多根带状电缆，为高密度应用提供了薄型解决方案。此类电缆采用行业标准连接器外壳，与其他预装电缆兼容，以简化实施。工程师朋友可以使用几种不同的护套来支持多个电缆应用，FlexiBend护套还有助于操作和配置电缆。
数据速率高达56Gbps的镜像式夹层板连接器
随着无线通信的高频化和集成化趋势，设备内部采用板对板连接已经是非常普遍的现象。接下来，我们为大家推荐的这款器件是Molex镜像式夹层连接器，贸泽电子平台上该器件的制造商编号为203456-0003。
图5：镜像式夹层连接器203456-0003 （图源：贸泽电子）
203456-0003属于板对板与夹层连接器，拥有高密的端子结构，位置数量达到了699，支持高达56Gbps的数据速率，适用于电信、网络和其他应用。
203456-0003为Molex镜像式夹层连接器系列方案中的一款，为11 Row（排数）类型的产品，此外该系列连接器还包括“6-PAIR，5-ROW”、“6-PAIR，15-ROW”和“15X11 OCP”三个类别，为终端应用提供了丰富的产品选择。
Molex镜像式夹层连接器是支持可堆叠插接的占位兼容型无极性连接器，采用缝合球栅阵列（BGA）设计，而非嵌件成型BGA附件，与2.5mm和5.5mm高度连接器插接。在数据速率方面，每一款Molex镜像式夹层连接器都能够支持每差分对高达56Gbps的数据速率。
在电气性能方面，Molex镜像式夹层连接器可承受最大电压为30VAC，每触点最大电流为1A，介电耐压为500VDC，绝缘电阻为1,000MΩ，阻抗为92Ω。
为帮助电信设备应对严苛的应用环境，Molex镜像式夹层连接器采用设计复杂的端子结构，具有极高的机械强度和优异的电气特性。
引脚兼容的Impel背板互连系统
在无线通信系统中，高速背板是不可或缺的一部分，能够实现高速数据流的传输和处理。而要让高速背板发挥自身的高性能，背板互连系统又是其中的关键所在，包括连线、PCB走线和连接器，背板互连系统帮助整个系统同时实现了通信传输的高速率和高密度。
那么，下面这款推荐给大家的器件便是一款属于背板互连系统的电缆组件，贸泽电子平台上的制造商编号为203387-9001，该产品及整个Molex Impel背板互连系统均支持后向和前向兼容性，为整个高速背板系统带来了极高的灵活性。
图6：Impel背板互连系统203387-9001（图源：贸泽电子）
203387-9001的连接器端口A和连接器端口B均为插头类型，管脚数为96，连接形式为公对公，线径为30 AWG，长度为682.6mm。
203387-9001是Molex Impel背板互连系统中的一款。Impel背板互连系统支持的数据速率从25Gbps升级至40Gbps，可实现出色的信号完整性、高互连密度，以及与不同高端系统架构的向后和向前兼容，适用于电信、数据网络、工业、军事/航空航天等应用领域。
Impel背板互连系统基于Molex正在申请专利的Impel连接器技术打造，提供出色的密度和电气性能、低串扰、低插入损耗，以及各通道、最高达20GHz的各频率间最小的性能变动，提供多种间距选项，包括1.90mm脚距宽边耦合、2.35mm脚距正交和3.00mm脚距四路由，实现设计灵活性。此外，Impel背板互连系统的标称阻抗为92Ω，最大限度地减少阻抗不连续。
值得注意的是，Impel背板互连系统能够支持各种高速背板互连选项，包括传统连接、共面连接、正交中板连接等，真正形成了一个完整的互连系统，为工程师朋友提供满足应用规格的设计灵活性。
用稳定可靠应对复杂多变
上述内容已经提到了路由器和基站的发展大趋势，但也正如同介绍设备趋势一开始讲到的，这两项只是代表，随着5G和物联网应用的落地，小基站理念以及新兴物联网应用衍生出了丰富的无线通信模式，并伴随着明显的小型化和智能化趋势。因此，对于连接器产品而言，除了提供基本的电气性能以外，在稳定性、可靠性、小型化、智能化和易用性方面也要持续加强，以应对万物互联带来的日新月异的巨大挑战。
连接器是电子元器件中一个庞大的分支，贸泽电子的优势不仅是为大家提供种类齐全的连接器产品，而且系列化的推荐也帮助大家提升采购的效率，让工程师朋友能够快速找到适合的连接器产品，提升无线通信系统开发的效率。
本文转载自： Cadence楷登PCB及封装资源中心
本文要点
高电子迁移率晶体管 (High electron mobility transistors ，HEMT) 和伪高电子迁移率晶体管 (pseudomorphic high electron mobility transistors ，PHEMT) 因其独特的、可提高性能的特点而大受欢迎
在 HEMT 结构中，高电子迁移率是由于掺杂的宽带半导体与未掺杂的窄带隙半导体并列在一起造成的
HEMT 和 PHEMT 常见于移动电话、卫星电视接收器、雷达和低噪声放大器。
用于无线通信放大器和转换器的有源器件需要具备高增益、高速度和低噪声的特点。当用于放大器和转换器的元件表现出这些增强的特性时，系统的性能会自动提升。
在毫米波频段的射频和微波通信系统中，高电子迁移率晶体管 (HEMT) 和伪高电子迁移率晶体管 (PHEMT) 因其高功耗附加效率、出色的噪声表现、高开关速度和独特的电流-电压特性而被广泛使用。这些特性使 HEMT 和 PHEMT 能够在广泛的应用中提高设计性能。
HEMT 和 PHEMT 的结构和操作
HEMT 和 PHEMT 都是场效应晶体管 (FET) 的一种变体，适用于单片微波集成电路 (MMIC) 的制造。HEMT 和 PHEMT 结构将移动载流子与掺杂离子物理隔离，并防止光学声子和离子化杂质造成潜在的散射问题。
让我们深入了解一下 HEMT 和 PHEMT 的结构。
HEMT 和 PHEMT 用于提高手机的性能
HEMT 的结构
发明 HEMT 的初衷是在室温下的半导体器件中获得高电子迁移率。在 HEMT 中用 AlxGa1-xAs/GaAs 量子阱异质结构实现的高电子迁移率迅速取代了无线通信电路中的金属半导体 FET (MESFET)，因为后者的电子迁移率即使在较高的掺杂水平下也十分有限。
在 HEMT 结构中，高电子迁移率是由于掺杂的宽带半导体与未掺杂的窄带隙半导体并列在一起造成的。这种具有不同带隙的两种材料的结构形成了异质结，在掺杂区有一个通道。这种 HEMT 也被称为异质结构 FET (HFET) 或调制掺杂 FET (MODFET)。
当两个不同带隙和掺杂水平的半导体被整合到一个器件的结构中时，电子会向能量较低的窄带隙材料移动。这种电荷转移受到电子和供体离子之间电场的排斥，并倾向于改变带电位。
载流子被限制在窄带隙未掺杂材料的三角量子阱区域，该区域紧邻宽带隙掺杂材料。量子阱区域的薄度创造了自由载流子的二维电子气 (2DEG)。
在这个二维电子气中，没有其他供体电子，因此，该区域的电子迁移率非常高。这种异质结构有助于在 HEMT 中实现较高的电子迁移率。
在 HEMT 结构中使用的两种半导体，其晶格常数或原子间的间距相同。如果晶格常数不匹配，就会导致传导带不连续、深层陷阱，并最终导致 HEMT 性能下降。
异质结处传导带轻微的不连续现象和 2DEG 之间缺失的势垒只限制了通道中的少数电子，导致 HEMT 额定电流较低。
PHEMT 的结构
为了克服 HEMT 的缺点，可以在通道和基板之间引入一个势垒。为此，可以在砷化镓 (GaAs) 缓冲器和供应层之间建立一个赝晶砷化镓 (InGaAs) 通道。这种结构上的改变将 HEMT 转变为了 PHEMT。GaAs 缓冲器和供应层之间的 InGaAs 通道将 HEMT 转变为 PHEMT。PHEMT 技术允许用带隙差异较大的材料来制造 HEMT 器件。
HEMT 的应用
得益于氮化镓/氮化铝（GaN/AlGaN） HEMT 的进展，HEMT 器件可以用于高电压、高电流和低导通电阻电路。
与基于硅和砷化镓的器件相比，基于氮化镓的 HEMT 器件表现出了特殊性能，如更高的击穿电压、饱和电子漂移速度、热导率、功耗密度和更宽的带宽。
HEMT 元件的用途
当今的 HEMT 元件坚固耐用、性能可靠，可用于高压和高温应用。它们经常出现在商业、军事、汽车以及航空航天工业应用中的高电压和高功耗转换器中。
由于 2DEG 中的电子碰撞较少，HEMT 器件的噪声系数非常低，使它们非常适合于在高达 100GHz 的频率范围内工作的低噪声放大器电路、振荡器和混合器。由于 HEMT 和 PHEMT 具备低噪声、高开关速度和高频性能，也常被用在射频通信系统中的 MMIC 上。常见的应用领域还包括高速数据网络通信系统、广播接收器和雷达中使用的电路。
现代无线通信系统需要高功耗密度的放大器、振荡器和混频器，同时成本要低。在各种行业中，为了获得卓越性能，需要利用高频运行的射频和微波电路提供高增益、高效率和低噪声特性。HEMT 和 PHEMT 是满足这些标准的创新半导体元件。如果您的目标是提供稳健可靠的电路，并改善增益、速度和噪声特性，可以考虑在无线通信电路中用 HEMTS 和 PHEMT 取代传统的 FET，以提高性能。