Wi-Fiモジュール組み込みまでのデザイン・サイクル
無線技術の普及が進んだ結果、サーモスタット、コーヒー・メーカ、⻭ブラシなど、さまざまな製品にも無線LAN（WLAN／IEEE802.11）機能が追加されるようになっています。このような家電製品は、インターネットに接続されたスマートフォンなどに搭載されたアプリケーションによってコントロールできます。スマートフォンなど、ネットワークに接続したデバイスを利⽤する利点は、アプリケーションが⾮常に短時間で開発でき、迅速に無線デバイスが統合された製品をエンド・ユーザに提供できるということです。現在のところ、⾳楽プレーヤ、GPSデバイス、ビデオ・カメラ、テレビ、ビデオ・ゲームなどが統合されています。もう⼀つの流れがモノのインターネット（Internet of Things、IoT）であり、⼯業⽤デバイス、家電デバイスさえも無線で接続されるのです。
インターネットに無線接続するためには、製品の製造メーカはこの無線機能をどのように製品に組込むかを学ぶ必要があります。無線機能を追加する最も⼀般的な⽅法は、あらかじめパッケージングされた無線LAN モジュールを使⽤することです。この⽅法が最もシンプルなのですが、それでも多くの課題があります。このアプリケーション・ノートは、⼀般的なデザイン・サイクルとその注意点について説明します。
Wi-Fiモジュールを製品に追加する場合のプロセス
このアプリケーション・ノートでは、⼿順2を詳細に説明します。アプリケーションに適したWi-Fi モジュールを選定する場合、さまざまな種類のモジュールやソリューションから選ぶ必要があります。このため、アプリケーションに最適なモジュールを選定するためのパラメータとトレードオフを理解しておくことが重要です。
Wi-Fiモジュールを使用する代表的なアプリケーション
Wi-Fiは、電⼦デバイスをインターネットに接続したり、無線でデータ交換を⾏うための代表的な技術です。Wi-Fiは、特に他の無線LANデバイスとの相互運⽤に適しています。無線LANは、⼀つまたはそれ以上のIEEE 802.11規格に適合したデバイスに対応します。無線LANとWi-Fiの定義は異なりますが、ほとんどすべての無線LANデバイスはWi-Fiとの互換性があります。Wi-Fi技術は、科学、⼯業、商⽤、⺠⽣などで使⽤されます。多くのデバイスは、Wi-Fiを使⽤することにより、無線アクセス・ポイントを介してネットワーク・リソースに接続できます。アプリケーションの例を以下に⽰します。
図1は、Wi-Fiモジュールのアプリケーションで代表的な、スマート家電の例を⽰しています。Wi-Fiモジュールを使⽤することで、サービスの提供者およびユーザは、家庭内にあるサーモスタット、家電、冷暖房システム、給湯器などと直接通信することができます。
Wi-Fiモジュール選定で必要なパラメータの絞込み
Wi-Fi モジュールは機能ユニットであり、システムに組み込まれて初めて機能します。アプリケーションに適したWi-Fi モジュールを選定する場合、ソフトウェアとハードウェアの両⽅を考慮する必要があります。Wi-Fi モジュールの簡略化されたブロック図を、図2 に⽰します。
Wi-Fi モジュールのハードウェアは、Wi-Fi チップとアプリケーション・ホスト・プロセッサという２つの主要部品で構成されています。独⽴したWi-Fi アプリケーション⽤に、Laird Technologies、Quatech、Microchipなどのメーカから、通信機能と組込みプロセッサ・コアを組み合せたWi-Fi モジュールが提供されています。アプリケーション・ホスト・プロセッサは、フラッシュ・メモリ、ROM、RAM を内蔵または外付けします。さまざまなアプリケーション⽤にいくつかのI/O が⽤意されており、タイマ、シリアル通信インタフェース、アナログ・コンパレータ、AD コンバータ、DA コンバータ、⽔晶発振⼦、デバッグ・インタフェースなどがあります。
セキュリティ、⾼信頼性、取扱いの容易さなど、顧客の要求によっては特殊なソフトウェアが必要になる場合もあります。通常、Wi-Fi ソフトウェアにはデバイス・ドライバ、802.11 セキュリティ認証、デバイスの管理／モニタリング・ユーティリティが含まれています。
調べると、実にさまざまな種類のWi-Fi モジュール／ソリューションがあります。モジュール・メーカは、データ・レート、通信距離、RF バンド、規格適合性、パッケージの種類など、数多くのパラメータによってモジュールを分類しています。このパラメータで絞り込むことにより、使⽤するアプリケーションに適したモジュールを選定する⼿助けになります。
|
パラメータ |
概要 |
|
サポートするプロトコル／規格 |
現在、市場にはさまざまな無線規格があります。無線ネットワークの利点は、採⽤する規格によって異なります。現在使⽤されている無線LAN 規格には、802.11a/b/g/j/n/p/ac などがあります。 規格ごとに仕様、要件が異なっているため、データ・レートと消費電⼒など、アプリケーションによってトレードオフを考慮する必要があります。新しい変調⽅式と符号化レートはより効率的に、より⾼いデータ・レートになっていますが、旧来の⽅法、データ・レートは下位互換性のために現在でもサポートされています。 Wi-Fi モジュールによっては、⾳声、データの接続性の向上のためにBluetooth（2.4GHz 帯）を組込んでいるものもあり、ポータブルでバッテリ駆動のデバイスを迅速に市場に投⼊できます。 |
|
動作周波数バンド |
いずれのバンドも、複数のチャンネルに分割されます。利⽤な可能なチャンネル数、ユーザ数、周波数レンジごとの最⼤パワー・レベルなどは、国ごとに独⾃の規制を設けています。WiFi モジュールによってはデュアル・バンドをサポートするものもあります。例えば802.11g は2.4GHz 帯でしか動作しませんが、802.11n のように2.4GHz と5GHz 帯の両⽅をサポートすることによってモバイル・デバイスの運⽤・管理を柔軟に⾏えるものもあります。 |
|
伝送距離 |
Wi-Fi ネットワークは通信可能な距離が限られており、使⽤するルータ、無線アクセス・ポイントの数、種類によって異なります。デバイスの通信距離を決める要因としては、以下の項⽬があります。
2.4GHz 帯のWi-Fi は、802.11a、802.11n、802.11ac で使⽤される5GHz帯のWi-Fi に⽐べると、通信距離が若⼲⻑くなります。 |
|
RF 送信出⼒、電源電圧／電流 |
⾼いデータ・レート、⻑い伝送距離を実現するためには、Wi-Fi モジュールにおいて⼤きな送信出⼒が必要です。しかし、Wi-Fi が⼤きな電⼒を消費すると、モバイル・デバイスのバッテリ動作時間に影響を及ぼします。また、送信出⼒は各国の法規制によっても制限されています。 |
|
データ・レート（最⼤スループット） |
Wi-Fi は、サポートする規格によってその性能は異なります。それぞれのWi-Fi 規格では、最⼤理論スループットが規定されています。Wi-Fi ネットワークのデータ・レートは、上位レイヤのオーバーヘッドのため、この理論最⼤値に達することはありません。 WiFi モジュールの理論的最⾼データ・レートは、1Mbps（802.11b）〜6.75Gbps（802.11ac）です。データ・レートが⾼いことが常によいとは限らず、アプリケーションに合ったベストなものを選定する必要があります。例えば、802.11n や802.11ac は、TV マルチメディアなどの⾼いスループット・アプリケーション⽤に定義されています。このデータ・レートは、組込みアプリケーションでは求められていません。また、802.11n であっても多数のクライアントがネットワークにある場合は、このデータ・レートを維持することはできません。 |
|
マイクロコントローラ／マイクロプロセッサ |
マイクロコントローラまたはマイクロプロセッサはモジュールの頭脳であり、無線ネットワーク・ノードを構築するハードウェア・プラットフォームを提供し、⾼性能処理と無線通信機能を結合します。選定の⼤きな条件となるのがコストです。さらに、プログラム／データ・メモリのサイズ、その消費電⼒、対応可能な周辺機器、処理速度も選定の条件になります。 |
|
オペレーティング・システム（ドライバ・サポート） |
Android、iPhone/iPad、Linux、WinCE または他の組込みシステムのサポート：市場に出回っている数多くのWi-Fi モジュールは、PC（ウェブ・ブラウザ）またはスマートフォン／タブレット（iOS またはアンドロイド・ベース）を使⽤して、無線セキュリティやネットワーク・オプションをすばやく設定することができます。この機能を製品に組み込む場合は、ドライバ・レベルのサポート、Wi-Fi モジュールの設定／管理サポートを確認する必要があります。 |
|
アンテナ／コネクタ |
Wi-Fi のアンテナには、⼤きく分けて無指向性と指向性の2 種類があります。
アンテナ⽤コネクタは、オンボード・タイプのチップ・アンテナと、外付アンテナ・オプションのU.FL コネクタに分類されます。⼩さなチップ・アンテナは、最近アンテナ市場に登場してきました。⼀般的には8×5×2.5mm の表⾯実装デバイスであり、⼩型設計が可能です。U.FL コネクタは、スペースが限られているアプリケーションで主に使われており、外付アンテナが必要になります。 Wi-Fi モジュールとの使⽤で適合するアンテナとケーブルのリストは、モジュールのデータ・シートに記載されています。モジュールが適合されていれば、これらのアンテナの使⽤において追加の適合性試験は必要ありません。 |
|
安全なWi-Fi認証⽅式 |
Wi-Fi を使⽤してデバイスをネットワークに接続する前には、Wi-Fi ネットワークとデバイスの情報の機密性を確認し、Wi-Fi で伝送されたり、ネットワークで保存される重要な情報が保護されたりすることを確認する必要があります。WEP、WPA、WPA2、WPA2-Enterprise、WPS、WMM、WMM-PS などが代表的なWi-Fi セキュリティの種類ですが、そのどれにも⻑所と短所があります。 |
|
形状／⼤きさ |
Wi-Fi モジュール選定で重要な条件の⼀つに、モジュールの⼤きさがあります。特に、Wi-Fi モジュールを組込むのがポータブル・デバイスなどのコンパクトな製品の場合はなおさらです。 |
|
動作温度範囲 |
⼀般的な動作温度範囲は、－40〜＋85℃です。ほとんどのWi-Fi モジュールは、超低温／⾼温の範囲での動作保証をしない、商⽤の設計になっています。モジュール・メーカが「広温度範囲対応Wi-Fi」としているモジュールの場合でも、実際はWi-Fiモジュールを⼩型ヒータとファンのある筐体に⼊れ、屋内環境と同様の温度条件になることを想定しています。 |
|
パッケージの種類 |
モジュールのパッケージは、SMT（表⾯実装）とスルーホールの2 種類が⼀般的です。両者を⽐較した場合、SMT はボード・アセンブリで⼤勢（90%）を占めており、スルーホールに⽐べると優れています。しかしスルーホールは、マニュアルでの調整や交換の必要性がある、テストやプロトタイプのアプリケーションで残るものと考えられます。 |
|
プリント基板のレイアウト |
モジュールのためのプリント基板の推奨パターンは、モジュール製造メーカのデータ・シートに詳細が記載されています。プリント基板の層の数は、ホスト・プロセッサによって決まります。最低でも4 層が必要ですが、6 層または8 層のプリント基板が⼀般的です。 |
|
ハードウェア・インタフェース |
デジタル・インタフェースは、⼀般的にシリアルUART 接続、SDIO(SD インタフェース)、SPI（Serial Peripheral Interface）またはUSB です。⾼速なデータ・スループット・アプリケーションでは、SDIO、SPI またはUSB が必要になります。デジタル・インタフェースは、デバイスのシステム・プロセッサに接続します。 |
|
その他 |
タイムスタンプ⽤のリアルタイム・クロック、⾃動スリープ、⾃動起動モード、ソフトウェア・アクセス・ポイント、無線ファームウェア・アップグレード、検証キット、オンボードTCP/IPスタック、受信感度、周波数基準、ユーザ・プログラマブル（I/O）、製造メーカ、価格 |
|
認証／適合 |
製品が認定モジュールであることを公表しているWi-Fi モジュール・メーカもあります。こんな質問がよくあります。「事前認証された無線LAN モジュールを設計で使⽤した場合、通常のコンプライアンス・テストは必要ですか？」 その答えは、YES です。ヨーロッパのETSI/CE など、ほとんどの規格団体には、モジュール認証のための設備がありません。すべての認証、適合は、無線モジュール・レベルではなく、装置レベルで取得する必要があります。 コンプライアンス／プリコンプライアンス・テストの詳細については、当社アプリケーション・ノート「無線LAN 機器を技術基準／無線規格に適合させるためのプリコンプライアンス」をご参照ください。 |
Wi-Fiモジュール選定におけるトレードオフ
無線技術の検証では、データ・レート、通信距離、消費電⼒という、3つの重要な要件を考慮する必要があります。無線通信研究分野では、過去10〜20年はデータのスループットとスペクトラム効率の改善がメイン・テーマになっていました。この結果、信号処理に⾼いコストがかかり、より⼤きなパワーを必要とする、より複雑なチャンネル符号化、変調⽅式が⽣まれました。異なったWi-Fiプロトコルを⽐較した場合、802.11nと802.11acは⾼速のデータ・スループットに優れていますが、802.11b/gは互換性、消費電⼒の要件に優れています。
802.11nには、⾼いデータ・スループット、広いレンジと強固なリンク品質、優れたネットワーク利⽤性などの利点があります。802.11acは、802.11nによる600Mbpsに⽐べて2倍の帯域幅があり、より広いレンジで広い帯域幅を実現しています。これにより、ビデオや⾳声など、⼤容量、⾼品質のモバイル・リアルタイム・アプリケーションに対するWi-Fiソリューションが可能になります。アンテナを複数使⽤すると（MIMO技術）、データ・レート、レンジは改善されます。しかし、複数のアンテナを使⽤するとコストがかかり、部品点数が増え、より⼤きな電⼒が必要になります。
組込みマーケットは、ビル／⼯業／家庭⽤の⾃動化製品、センサ、M2P（Machine to Person）、M2M（Machine to Machine）のデータ／通信デバイスなどのクライアントと結びついています。このマーケットは、低電⼒消費が求められており、低データ・レートのソリューションになっています。このマーケットは、帯域幅よりもバッテリ寿命や互換性に関⼼があります。b/gでサポートされるデータ・レートは、ほとんどのM2Mアプリケーションにおいて⼗分です。b/gのプロトコルは現在でも完全にWi-Fi互換性があり、低パワーであるため、組込み⽤途において最適です。
プロトコルの選択以外にもいくつかのトレードオフがあります。例えば、アンテナの場合でも、Wi-Fi アンテナには無指向性アンテナと指向性アンテナがあります。無指向性アンテナはセットアップが⾮常に簡単で、⾼い位置に取り付けさえすれば、ほとんど調整が不要ですが、トレードオフとしては信号が全⽅位に送られるため、ソースに対して信号を集中できません。指向性アンテナには、⼀⽅向に対して狭いエネルギー・ビームを集中できるという特⻑があるため、接続できる距離を⼤幅に伸ばすことができます。トレードオフとしては、設置時にアンテナを360°回転させて最適な位置を⾒つけるという作業、時間が必要になります。
Wi-Fi モジュールの組み込みにRF エンジニアは不要？
無線技術多くの製造メーカは、設計にWi-Fi モジュールを組込んだM2M デバイスを構築しようとしています。ここで問題となるのは、キッチン・コンロ、冷蔵庫などを製造している従来の⾮無線機器製造メーカには、ネットワーク・デバイスを構築するだけのRF 知識が⼗分でない場合があるということです。幸いなことに、Wi-Fi モジュール、特に組込みM2M マーケットに特化したモジュールを設計し、製造している数多くのRF モジュール・メーカがあり、モジュール組込みにおけるRF 問題を相談できます。
しかし、製品の開発エンジニアがすべてのRF 問題の解決をRF モジュール・メーカに依存するのも現実的ではありません。テクトロニクスなどのテスト／計測器の専⾨メーカに相談することも必要かもしれません。
現在、および将来の802.11 仕様に対するテスト・ニーズに応えるため、テクトロニクスは独⾃のニーズに対応するさまざまなツールを提供しています。MDO4000B シリーズは、スペクトラム・アナライザ 機能を組込んだ、世界で初めてのオシロスコープ であり、アナログ信号、デジタル信号、RF 信号を、時間相関をとりながら取込むことができるため、デバイスのシステム・レベルでの解析が可能になります。また、最新のMSO4/5/6シリーズ・オシロスコープにはSpectrum View機能が搭載されており、最大8チャンネルまで時間相関が取れるミックスド・シグナル解析が可能です。エンジニアの多くは、組込み設計におけるアナログ／デジタル回路のデバッグにオシロスコープを使⽤しますが、無線LAN やRF のテスト機器の操作経験のあるエンジニアは、⼈数が限られている場合があります。上記製品を使⽤することで、1 台の計測器で複雑なコンポーネントやシステム・レベルの問題の検証、デバッグが⾏え、複数の計測器の使⽤に⽐べて使いやすく、操作が容易で、低コストでの導⼊が可能です。
- テストの最初の段階では、3シリーズMDOを使⽤し、最初にRF 信号をオンにするときに電源やバスのチェックなどが⾏えます。
- 次の段階では 4/5/6シリーズMSOとSignalVu PC ソフトウェアを使⽤し、規格適合性試験を⾏います。
- デバッグでは、4/5/6シリーズMSOに搭載されているSpectrum View機能を使⽤することで、時間ドメインと周波数ドメインの信号が簡単に時間相関をとって観測できます。時間ドメインの信号には、電源ライン、PLL、シリアル・バスが含まれます。周波数ドメインの信号はスペクトラムまたはスペクトログラムであり、時間に伴う信号の履歴が観測できます。
- 最後に、無線LAN 信号の復調にはSignalVu PC ソフトウェアを使⽤し、データ・スループットに関する問題を調べます。MDO は、世界初のスペクトラム・アナライザ統合オシロスコープです。この強⼒な組合せにより、ハードウェア問題を解決し、ソフトウェアに関する問題を特定することができます。
Spectrum View機能搭載のオシロスコープ
Sepctrum View 機能を搭載している、テクトロニクスのオシロスコープをご紹介します。
4シリーズMSOミックスド・シグナル・オシロスコープ
クラス最大のディスプレイとクラス最多のチャンネルを装備した4シリーズは、ベンチでの使用に最適な小型サイズでありながら、優れた解析機能を提供します。タッチ操作用に設計されたユーザ・インタフェースにより、直感的な操作を実現しています。
5シリーズB MSOミックスド・シグナル・オシロスコープ
忠実度に優れた波形、多彩な測定表示、独自のスペクトラム解析、柔軟なプローブ技術により、設計の全体像を把握することができます。世界中のエンジニアに支持されている、直感的なユーザ・インタフェースをご体験ください。
6シリーズ B MSOミックスド・シグナル・オシロスコープ
1GHz～10GHzの帯域幅での高速設計のトラブルシューティング／検証。低ノイズ、最大50GS/sのサンプル・レートで正確な測定を実現。6チャンネル／8チャンネルの機種で設計のより詳細な解析が可能。