Diseñar un módulo frontal Wi-Fi utilizando un SoC inalámbrico basado en los nuevos estándares Wi-Fi puede ser complejo y costoso, por lo que elegir un módulo precertificado es la forma más sencilla de llegar rápidamente al mercado.
A la hora de diseñar una placa de circuito impreso que contiene un SoC inalámbrico miniatura de alto rendimiento, cada detalle es importante, desde la integridad de la señal en el bus de E/S digital de alta velocidad que transporta los datos al transceptor hasta la adaptación de impedancias entre el pin de salida RF y la antena. Se requiere conocimientos especializados en RF para detectar problemas en una fase temprana y evitar dificultades más adelante. Además, el desarrollo de Wi-Fi requiere equipos de prueba costosos. En cambio, el diseño de radio ya ha sido optimizado en un módulo, lo que también puede ayudar a eliminar problemas del ciclo de desarrollo. Esto supone un importante ahorro de costes.
La certificación es costosa
Los productos enviados con un transmisor deben garantizar que funcionan en armonía con otros dispositivos en un entorno compartido. Esta armonía se logra mediante la certificación de estos productos, siguiendo pruebas rigurosas de la radio de acuerdo con la normativa local aplicable. Por supuesto, esto también se aplica a los productos que contienen un transceptor Wi-Fi. De hecho, los costes de pasar por una certificación completa tienden a ser más altos para Wi-Fi, dada la naturaleza de la tecnología. Un producto Wi-Fi debe tener un comportamiento radioeléctrico óptimo cuando se coloca junto a otros productos en las mismas redes Wi-Fi o en redes Wi-Fi diferentes pero colocalizadas. Además, el dispositivo Wi-Fi también debe garantizar que no interfiere con otras tecnologías de banda ISM como Bluetooth, Zigbee, Thread u otra pila de protocolos inalámbricos propietarios. Además, un dispositivo Wi-Fi mal diseñado es muy susceptible de perturbar o ser perturbado por radios móviles LTE, o radares que operan en bandas de 5 GHz para uso en aplicaciones civiles o militares.
La situación se ha visto aún más agravada por la discordia mundial sobre cómo utilizar la banda de 6 GHz en el contexto de tecnologías de banda ISM como Wi-Fi y Bluetooth. Por ejemplo, mientras que Estados Unidos ha permitido el uso de todo el ancho de banda de 1200 MHz para aplicaciones ISM, la Unión Europea sólo ha abierto 480 MHz en la banda inferior de 6 GHz. Superar los obstáculos normativos mundiales a menudo termina siendo el mayor costo oculto en el diseño de hardware. Trabajar con laboratorios de pruebas para pasar las pruebas reglamentarias supone un esfuerzo adicional. Todo esto se suma al coste total de desarrollo. El uso de módulos inalámbricos pre-certificados elimina gran parte de las dificultades. Los diseñadores de sistemas sólo tienen que reutilizar la licencia emitida al fabricante del módulo para integrar con seguridad la función inalámbrica.
Elegir el módulo Wi-Fi adecuado
La elección del módulo Wi-Fi puede estar guiada por muchos factores diferentes, incluyendo:
- Arquitectura
Un módulo puede tener un procesador de aplicaciones abierto para alojar la network stack, así como la aplicación IoT integrada, todo ello ejecutándose en el contexto de un RTOS (sistema operativo en tiempo real) restringido. O el módulo puede actuar como un coprocesador de red (NCP) que gestiona la comunicación Wi-Fi, pero requiere un procesador host para la gestión de la red. Esto último suele requerir un sistema operativo completo (Windows o Linux). Sin embargo, cada vez más, los fabricantes de dispositivos también son capaces de interconectar el NCP con una pila TCP/IP que se ejecuta sobre algún tipo de sistema operativo en tiempo real (por ejemplo, FreeRTOS).
- Múltiples protocolos inalámbricos
Un proyecto puede requerir diversas opciones de conectividad. Dependiendo del rol a ejecutar, se puede elegir desde un módulo de un solo protocolo, sólo Wi-Fi, hasta una solución multiprotocolo que soporte conectividad en malla basada en Bluetooth y 802.15.4. Por un pequeño coste adicional, la solución multiprotocolo ofrece una estrecha integración y una mejor gestión de la coexistencia en comparación con una solución discreta de multiples SoC/módulo.
Figura 1 PAN9019: un módulo de radio certificado que contiene subsistemas WiFi 6 de doble banda y Bluetooth 5.4.
- Interfaces de comunicación
Cada dispositivo y aplicación tienen su propia capacidad y requisitos de conexión inalámbrica. Mientras que un dispositivo debe transmitir múltiples gigabits a través de un enlace inalámbrico para transmitir vídeo 4K, otro dispositivo unos pocos kilobits pueden ser más que suficientes para informar de los datos de un sensor o accionar un actuador a distancia. Las opciones disponibles reflejan la diversidad de aplicaciones. Así, hay módulos inalámbricos que admiten interfaces de comunicaciones de alta velocidad como SDIO y PCIe, adecuadas para aplicaciones de transmisión de datos de muy alto rendimiento, mientras que otras soluciones están optimizadas para aplicaciones con restricciones de energía utilizando interfaces como SPI, I2C y UART para conectar sensores.
- Opciones de antena
La antena es un elemento importante en un diseño inalámbrico. Actúa como un transductor que convierte las corrientes y voltajes recibidos del transceptor en energía electromagnética radiada por la tecnología inalámbrica, y viceversa. Una antena que no sea óptima puede inutilizar por completo un producto. Por eso, la elección de la antena suele venir dictada por el diseño del producto final. Mientras que algunos diseñadores prefieren diseños de antenas compactas integradas dentro del PCB, otros usan antenas montadas externamente para mejorar la cobertura. Hay que recordar que la antena es parte integrante de la configuración del emisor y, por tanto, está explícitamente vinculada a la certificación reglamentaria del módulo inalámbrico. Lección: ¡presta atención a los detalles al elegir una antena! Los módulos pueden venir con una antena incorporada o con un diseño de referencia certificado que permite a los usuarios copiar el diseño exacto y reutilizar la certificación otorgada. El objetivo final es siempre lograr una cobertura de radio óptima para un diseño determinado, lo que puede requerir modificar las antenas y la certificación asociada.
Qué esperar de un proveedor de módulos Wi-Fi
En IoT, la implementación de Wi-Fi suele ser crítica. Por lo tanto, un proveedor de módulos debe ofrecer ciertos valores fundamentales:
- Soporte de diseño de hardware
Los diseños de RF a menudo pueden deparar sorpresas desagradables, justo cuando menos se esperan. Es en esta fase cuando el apoyo de ingenieros con una valiosa experiencia en el diseño de módulos Wi-Fi es crucial para lograr un ciclo de diseño rápido. Un proveedor de módulos puede ayudar de varias formas: revisando el diseño del PCB, adaptando la impedancia de entrada de la antena, recomendando la colocación del módulo o la antena para una mejor cobertura, etc.
- Añadiendo nuevos dominios regulatorios y antenas
Como se mencionó anteriormente, una de las principales ventajas del uso de módulos Wi-Fi es la facilidad para conseguir la certificación reglamentaria de la funcionalidad de radio. Por lo tanto, los vendedores deben tener una estrategia reguladora amplia para garantizar la flexibilidad del diseño, incluidos múltiples dominios para cubrir más mercados y múltiples tipos de antena.
En algunos casos, una antena certificada en el módulo puede resultar inadecuada para el rendimiento radioeléctrico requerido, por lo que será necesario utilizar una antena distinta de la certificada. En otros casos, un producto puede dirigirse a un nuevo mercado para el que el vendedor de módulos no dispone de una concesión y/o informes de pruebas. En tales casos, se necesita el apoyo de un proveedor de módulos para añadir un nuevo ámbito reglamentario a la lista de certificaciones preexistentes, o para certificar un tipo de antena completamente nuevo. Los proveedores de módulos pueden prestar su apoyo realizando pruebas para las nuevas normativas y emitiendo una notificación de cambio autorizada para la certificación original concedida.
- Solución de problemas de software
La integración del controlador Wi-Fi en una plataforma embebida es uno de los temas más importantes durante todo el ciclo de vida del software del proyecto. Tomemos el ejemplo de un NCP para un dispositivo embebido basado en Linux. Es una práctica habitual que los proveedores de semiconductores inalámbricos publiquen versiones periódicas de controladores probados con la última versión estable del kernel de Linux. Además, los controladores inalámbricos necesitan parches para detectar vulnerabilidades de seguridad. La actualización a una nueva versión, especialmente en el caso de dispositivos inalámbricos con controladores «fuera del árbol», puede provocar a veces que el producto experimente un comportamiento inesperado. Es aquí donde el apoyo de un proveedor de módulos, ya sea mediante la comunicación sobre el descubrimiento de una vulnerabilidad y la disponibilidad de parches de seguridad, o mediante la resolución activa de problemas y el análisis de la causa raíz del error durante la integración del controlador, puede contribuir en gran medida a una gestión fluida del proyecto. Lo mismo puede decirse de un módulo inalámbrico diseñado en torno a un microcontrolador inalámbrico integrado.
- Garantizar el pleno apoyo de la cadena de suministro
Una mala evaluación de la cadena de suministro puede arruinar un diseño de PCB excepcional. La falta incluso de un componente pequeño y aparentemente intrascendente, como una resistencia, puede retrasar la producción, pero debe haber una alternativa disponible. Sin embargo, un módulo de radio certificado es uno de los componentes más críticos, ya que está intrínsecamente asociado a las declaraciones de producto final realizadas por el fabricante a los organismos reguladores. Por consiguiente, puede que no sea posible rediseñar el producto, lo que sin duda resultaría muy costoso. Aquí es donde el pleno apoyo de un proveedor de módulos capaz y comprometido aporta un valor tangible. Los temas pueden incluir: consultoría tecnológica para comprender el mejor diseño de plataforma; gestión del ciclo de vida del producto; y previsión de la producción. Es posible que se requieran auditorías de fábrica para crear transparencia en la cadena de suministro.
Panasonic Industry Europe
Panasonic Industry Europe es un proveedor reconocido de soluciones de conectividad inalámbrica de corto alcance con una cartera que incluye Wi-Fi, Bluetooth y otras tecnologías de redes. Sus módulos inalámbricos y NICs están certificados para múltiples dominios regulatorios, incluyendo Estados Unidos, Europa, Canadá, Japón y otros países de Asia-Pacífico. Además, estas certificaciones regulatorias abarcan muchos tipos diferentes de antenas, con antenas de referencia certificadas de múltiples proveedores de antenas de renombre. La empresa permite además proyectos IoT a través de un ecosistema de socios que se ocupan de antenas, firmware integrado y pilas de protocolos inalámbricos propietarios.
El portafolio de módulos inalámbricos de Panasonic Industry cubre múltiples generaciones de Wi-Fi, desde soluciones Wi-Fi 4 hasta Wi-Fi 6/6E. Los módulos Wi-Fi 7 son parte de la hoja de ruta futura. Sus módulos están diseñados y producidos en Europa en una instalación propiedad total de Panasonic.
* Planificado tbd = por determinar
Tabla 1: Últimos módulos Wi-Fi de Panasonic Industry para nuevos diseños
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