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遥遥领先Skyworks物联网的未来需要LTE连接

2023-09-21 15:08:03 

遥遥领先Skyworks物联网的未来需要LTE连接

当今无处不在的无线连接技术使得消费者和企业能够实时获 取数据,从而得出很多营销、运营和设计方面的深入见解。 据市场研究机构IDC预计,到2022年,网络设备晶振,物联网 (IoT) 的规 模将超过1万亿美元,涉及到消费者、企业、医疗保健和工 业应用。随着无线连接世界的承诺逐步变成现实,对于LTE这种可降低成本、延长电池使用寿命、增强安全性并降低复 杂性技术的需求也日益增加 - 这些都是物联网的关键要求。

物联网设备的连接选项

在快速增长过程中,物联网已经发展成为细分市场,存在多 种应用和使用情况。不论是在室内还是室外,固定还是移 动,低速还是高速,石英晶振其适用范围都非常广泛,通常要求也不 尽相同。为了服务于这一细分市场,物联网设备制造商选择 多种授权和非授权频段的网络协议。Wi-Fi® 和 Bluetooth® 是 个人和局域网最为流行的标准,而新技术诸如 LoRaWAN® 和 WiSUN 得到了场地和广域网的支持(图 1)。虽然每种协议 都实现了不同的特征和优势,但每种技术在功耗、覆盖范围 和成本方面都存在一些折衷。在本文中,我们把重点放在低 功耗广域网 (LPWAN) 上,特别是物联网的 LTE 连接.

LTE 对于物联网的优势

由于很多物联网设备在全球范围内销售和使用,其中一个关键的要求便是随时随地安全连接到互联网。为确保安全的、 无处不在的连接,设备需要采用蜂窝连接 - 不论是通过4G LTE,还是之前传统的2G或3G标准。蜂窝连接可确保一定 的质量和可靠性级别,这种连接质量和可靠性是其他技术所 无法实现的。

LTE 技术由 3GPP 基于 GSM 和 UMTS 开发,已然成为蜂窝通信标准。LTE网络部署非常广泛,而这种技术可以为多种用 户设备提供多种数据速率,增强性能并降低成本。这种灵活 性使得 LTE 能够应对多种物联网应用,从游戏和移动计算等 高频段、高数据速率应用到智能仪表和资产跟踪等低功耗、 低数据速率的应用。随着 5G 应用的展开,当今应用 LTE 技 术的物联网设备需要向前兼容下一代的标准。

通用物联网无线通信协议

图 1. 通用物联网无线通信协议


大部分物联网设备预计将用在低数据速率的应用中,这也是凸显 LTE 技术价值的领域。这种技术常被称作移动物联网, 包括机器 LTE (LTE-M) 和窄带物联网 (NB-IoT)(图 2)。这些 技术正被部署在当前的 LTE 网络上,而 NB-IoT 部署在带内 或者较高类别 LTE 运营商的防护频带之内。移动物联网支持 低于 1 Mbps 的数据速率,最低可达 30 Kbps,使得物联网设 备制造商能够应对语音和数据核心应用。

出于多种原因,设计人员在产品中选择使用 M-IoT 连接。 因为这种技术对于需要安全、实时设备到云端通信的任何应用来说都是理想之选,贴片晶振 可用于远程监控、控制和管理。M-IoT 实现了低功耗的广域网连接,不仅可用于常见的消费类设 备,如宠物追踪器和智能手表,也能用于工业应用,如油气 计量、机器监测和工厂库存管理。它的部署范围也越来越广 泛。根据 GSMA* 报道,自 2019 年 5 月开始 100 多个 LTE-M/NB-IoT 网络已经宣布启动或开始部署。

由于 LTE-M 和 NB-IoT 采用了半双工模式,轮流发送和接收 数据而不是实时发送和接收,因而改善了功耗性能。这些标 准也支持网络和设备通信过程中把节能模式作为一种核心特 征。因此,这些技术对于用电池供电的物联网设备来说非常 具有吸引力。除了节能之外,采用半双工构架降低了前端模 块的复杂性和成本 - 这对于“亿万”连接来说非常关键。为 对 LTE-M 和 NB-IoT 提供补充,LTE Cat-1 支持基于语音的物 联网应用,如报警面板和 ATM 机,以及可穿戴设备的流式 音乐传输等数据速率较高但延迟较低的应用。

移动物联网技术比较

图 2. 移动物联网技术比较


LTE 对于终端用户的另一个关键优势是更为无缝的连接体验 - 不需要密码或配对。LTE 实现的物联网设备始终连接在蜂 窝网络上,可以根据需要进行远程配置。LTE 的安全性提供 了另一种优势。LTE 设备采用一种嵌入式 SIM 卡识别网络上 的设备,而其网络采用多种验证和加密方案。此外,蜂窝网 络提供的服务质量 (QoS) 控件可确保对加密数据实现最佳处 理,同时最大程度降低流量延迟。

增加 LTE 连接的设计注意事项

在包含 LTE 技术时,产品设计人员需要考虑以下几个重要的 注意事项。首先,必须了解设备将用在什么地方 - 是全球范 围还是地区 SKU。所需的频带覆盖范围将决定增益水平和滤 波,以及网络运营商性能要求。

另一个关键的注意事项包括设备所需的数据速率,是否支持 语音命令,或者是否需要保留传统 2G/3G 网络的向后兼容能 力。这些要素决定了将采用哪一种蜂窝调制解调器平台 - LTE Cat-1、LTE-M、NB-IoT 或 2G/3G。电池的选择对于如何 执行连接也具有重大影响。如果不使用调节器而直接进行电 池连接(在蜂窝调制解调器平台内部或外部),则射频前端 需要运行在一个较大的电源电压范围之上。因此,电压范围 和电流消耗成为功率放大器 (PA) 选择的关键要素之一。

此外,LTE 设备认证过程也很漫长,费时费力。设备需要通 过网络运营商的认证(Verizon、AT&T 等)、3GPP 标准(全 球认证论坛 - GCF)、工业(轻量 M2M)和监管认证 (FCC、CE 等)。对于产品设计人员来说,幸运的是有一些 成熟的 LTE 模块制造商和调制解调器厂家,他们在提交产品 的同时也一并解决了这些认证问题。

最后,由于产品可能涉及多个连接标准,有源晶振一款应用 LTE 的设 备不应违反与其他无线电如 GPS 和 Wi-Fi的共存要求。在一款物联网设备的典型受限物理空间范围内,确保多种射频技 术能共存,是很有挑战性的。

设计决策

在任何物联网设备上增加 LTE 连接时,产品设计人员面临着 典型的“制造或购买”的决策。在内部创建一种解决方案可 最大程度实现灵活性,但也承担着重大风险。如果没有对于 标准规格的深入理解和射频技术的广泛体验,设计工程师可 能会犯下重大错误,浪费开发时间和资源。

在对一款 LTE 设备进行测试时通常也会出现很多共性的问 题: 覆盖范围有限、电流消耗高于预期、输出功率不足、接 收器敏感度降级,以及杂散辐射增加。这些挑战通常可以向 后追踪到射频前端部件选择、PCB 布置、天线设计、PA 匹 配和滤波。遗憾的是,即便设计在仿真阶段貌似中规中矩, 甚至工程样件阶段已经达标,但在最后仍会发生上述问题。 对于产品寿命周期较短的消费类物联网设备来说,上市时间 是一个重大的竞争优势。这也是 LTE 应用受限的一个原因所 在 - 制造迭代以优化 LTE 连接的工作费时费力。为缩短上市 时间,对于 OEM 来说,拥有完全集成的、经认证的连接方 案已经越来越重要了。

移动物联网

Skyworks 连续开发了几代创新解决方案,在此方面拥有几十 年的经验,率先实现了物联网设备上的 LTE 无缝连接。在设 计物联网应用产品时,Skyworks 提供了成本高效的射频无线 引擎,可以解决全局波段覆盖、集成功能、电池直接连接、 网络和监管合规性等关键要求。例如,我们的 SKY680xx 系 列 LTE 通用多频段前端模块(图 3)通过与主要调制解调器 平台供应商之间的合作和参考设计,已经为全球网络上的几 百万台物联网设备供电。

Skyworks 也率先将 DIE 级别智能集成在移动物联网中,利用 多年的功率放大器设计和系统集成经验,通过先进的布置技 术开发 System-in-Package (SiP) 解决方案。石英晶体振荡器SKY66430-11(图4 )是一款独特的,完全认证的多合一移动物联网解决方案, 它将整个射频前端的 Sequans 公司的 Monarch 平台集成在单 个的 8.8 x 10.8 x 0.95 mm 空间内。这一完全屏蔽的设备为那 些寻求规范设计过程并加快商业化的 OEM 提供了一种完整 的解决方案。

随着消费者希望永远连接,物联网设备在全球范围内迅速激 增,移动物联网技术将变得更为流行。制造商必须对这一最 先进的无线解决方案作出应对,它简化了设计,支持多种协 议和标准。Skyworks 也提供了具体的集成解决方案,可支持 全双工蜂窝/LTE、Wi-Fi®、Bluetooth®、LoRaWAN™、Thread 和 Zigbee®。通过多种工艺和布置技术,Skyworks 能够提供满足 物联网市场多样化、片段化需求的射频前端解决方案,实现其随时随地连接万事万物的愿景.

进口贴片晶振 品牌 系列 频率 输出 电压
510KBA25M0000BAGR Skyworks晶振 Si510 25 MHz CMOS 1.8V
510MCA50M0000AAGR Skyworks晶振 Si510 50 MHz CMOS 3.3V
510KBA100M000BAG Skyworks晶振 Si510 100 MHz CMOS 1.8V
510KCA125M000BAG Skyworks晶振 Si510 125 MHz CMOS 1.8V
511SBA156M250BAG Skyworks晶振 Si511 156.25 MHz CMOS 1.8V
510CBA25M0000BAGR Skyworks晶振 Si510 25 MHz CMOS 3.3V
510CBA100M000BAGR Skyworks晶振 Si510 100 MHz CMOS 3.3V
510CBA125M000BAGR Skyworks晶振 Si510 125 MHz CMOS 3.3V
510CBA100M000AAGR Skyworks晶振 Si510 100 MHz CMOS 3.3V
510GBA25M0000BAG Skyworks晶振 Si510 25 MHz CMOS 2.5V
510KBA125M000BAGR Skyworks晶振 Si510 125 MHz CMOS 1.8V
510KBA28M6363BAG Skyworks晶振 Si510 28.6363 MHz CMOS 1.8V
510KCA25M0000BAG Skyworks晶振 Si510 25 MHz CMOS 1.8V
510KCB25M0000BAG Skyworks晶振 Si510 25 MHz CMOS 1.8V
510CCA25M0000BAG Skyworks晶振 Si510 25 MHz CMOS 3.3V
510CCA100M000BAG Skyworks晶振 Si510 100 MHz CMOS 3.3V
510CBA50M0000AAG Skyworks晶振 Si510 50 MHz CMOS 3.3V
510CCA25M0000AAG Skyworks晶振 Si510 25 MHz CMOS 3.3V
514KCC000887BAG Skyworks晶振 Si514 24 MHz CMOS 1.8V
530CA25M0000DG Skyworks晶振 Si530 25 MHz CMOS 3.3V
530CA28M6000DG Skyworks晶振 Si530 28.6 MHz CMOS 3.3V
530GB25M0000DG Skyworks晶振 Si530 25 MHz CMOS 2.5V
514GBB000118AAG Skyworks晶振 Si514 156.25 MHz CMOS 2.5V
565GAA250M000BBG Skyworks晶振 Si565 250 MHz CMOS 1.8V, 2.5V, 3.3V
550CE100M000DG Skyworks晶振 Si550 100 MHz CMOS 3.3V
510CBA125M000AAGR Skyworks晶振 Si510 125 MHz CMOS 3.3V
510GBA100M000BAG Skyworks晶振 Si510 100 MHz CMOS 2.5V
510CBA25M0000AAG Skyworks晶振 Si510 25 MHz CMOS 3.3V
510KCA25M0000BAGR Skyworks晶振 Si510 25 MHz CMOS 1.8V
510KBA25M0000BAG Skyworks晶振 Si510 25 MHz CMOS 1.8V
510KCA100M000BAG 石英晶体振荡器 Si510 100 MHz CMOS 1.8V
514CBB000112BAG Skyworks晶振 Si514 10 MHz CMOS 3.3V
514CCC000926AAG Skyworks晶振 Si514 5 MHz CMOS 3.3V
510GBA50M0000BAGR Skyworks晶振 Si510 50 MHz CMOS 2.5V
510CBA100M000AAG Skyworks晶振 Si510 100 MHz CMOS 3.3V
510KAA24M0000AAG Skyworks晶振 Si510 24 MHz CMOS 1.8V
510CCA125M000AAG Skyworks晶振 Si510 125 MHz CMOS 3.3V
511NBA100M000BAG Skyworks晶振 Si511 100 MHz CMOS 3.3V
510CBA156M250BAGR Skyworks晶振 Si510 156.25 MHz CMOS 3.3V
510GBA25M0000BAGR Skyworks晶振 Si510 25 MHz CMOS 2.5V
510CBA33M3333CAGR Skyworks晶振 Si510 33.3333 MHz CMOS 3.3V
510KCA156M250AAGR Skyworks晶振 Si510 156.25 MHz CMOS 1.8V
510CBA50M0000BAGR Skyworks晶振 Si510 50 MHz CMOS 3.3V
510KCA125M000BAGR Skyworks晶振 Si510 125 MHz CMOS 1.8V
510KCA100M000BAGR Skyworks晶振 Si510 100 MHz CMOS 1.8V
510CCB19M2000BAG Skyworks晶振 Si510 19.2 MHz CMOS 3.3V
510KCAM200000BAG Skyworks晶振 Si510 200 kHz CMOS 1.8V
510GBA80M0000AAG Skyworks晶振 Si510 80 MHz CMOS 2.5V
510MBB50M0000BAG Skyworks晶振 Si510 50 MHz CMOS 3.3V
510KBA33M3333CAG Skyworks晶振 Si510 33.3333 MHz CMOS 1.8V
510MCB125M000BAG Skyworks晶振 Si510 125 MHz CMOS 3.3V
514CAC001900BAG Skyworks晶振 Si514 11.13 MHz CMOS 3.3V
530CB20M0000DG Skyworks晶振 Si530 20 MHz CMOS 3.3V
510CBA25M0000BAG Skyworks晶振 Si510 25 MHz CMOS 3.3V
570JAC000900DG Skyworks晶振 Si570 33.3333333 MHz CMOS 1.8V
510CBA24M0000BAG Skyworks晶振 Si510 24 MHz CMOS 3.3V
510CBA12M0000BAG Skyworks晶振 Si510 12 MHz CMOS 3.3V
514CCC000148AAG Skyworks晶振 Si514 24.576 MHz CMOS 3.3V
510CCA54M0000BAG Skyworks晶振 Si510 54 MHz CMOS 3.3V
510CCA12M0000AAG Skyworks晶振 Si510 12 MHz CMOS 3.3V

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