本文分析了機器間(M2M)無線通訊市場的發展過程，以及如何在競爭日益激烈的市場中最佳化無線通訊的實施。還介紹了CMX990及其評估套件，說明瞭現代整合技術可讓低成本產品受益，並維持最佳的性能。
M2M市場
M2M通訊市場正經歷迅速擴展的階段，這種擴展是由希望擴大其現有網路使用(從而提高利潤)的行動通訊運營商推動的。由於資料資訊長度較短，可加入其現有的語音通話中，而對其網路載荷影響很小。所以，該市場對行動通訊運營商特別有吸引力。然而無線網路並不是唯一的載波機制，多數情況下也不是最佳的。還有一個較大的傳統的無線電載波市場，特別是在獨立性與安全性都很重要的沒有行動網路覆蓋區域，或行動網路成本過高的場合。
某些潛在的應用M2M通訊有安全監控與警報觸發、AVL、停車收費器狀態、自動售貨機狀態、遠端抄表、銷售終端(POS)驗證、遠端遙測記錄及感測器網路等。
短距應用(1m至100m)經常採用藍牙或Zigbee系統，而大範圍及國際的應用一般採用行動網路。某些系統不採用上述的任一種，由於其距離超出1km，又沒有行動網路或資料網路，安全及可靠性、成本及速度等問題。
在這種情況下，可採用客製化的資料通訊鏈路，特別是可採用標準元件低成本、低功耗地構建，並符合廣泛接受的國際標準。
太陽能很適合無線監控，只要配備了太陽能電池板和內部電池。無線的設置使建置過程產為迅速，對所建置的環境影響很小，不需要挖掘土石來安裝電纜進行電源或通訊傳輸。無線監控可保證迅速地將機器的任何故障(如收銀箱裝滿、缺少紙張等)報告到中央控制室，以進行維修，迅速，而不會引起公眾的報怨或收益損失。
許可授權還是免許可授權?
有很多頻帶可作為免許可授權使用(如在歐盟，可使用433MHz)。但在些波段使用的設備必須要滿足ETSI EN 300 220所規定的某些要求。而其他的波段通常要支付一定的運營商許可授權費用，或要求設備滿足ETSI EN 300 113(對於12.5kHz 或25kHz運行)、EN 301 166(較窄的通道)標準。兩種頻帶類型的差異如{0>Table<}100{><0}免許可授權(基於EN 300 220)與許可授權(基於EN 300 113)系統間的一些差異。
所示。全球各地區的法規要求不盡相同，但基本的許可授權原則都適用。
免許可授權 許可授權
發射功率 最高達500mW 500mW至5W(典型)
發射ACP -60dB(12.5kHz通道)
接收靈敏度 無強制規定 -110dBm
接收選擇性 無強制規定 -60dB(12.5kHz通道)
接收互調幹擾 無強制規定 70dB
接收等待 無強制規定 84dB
資料速率12.5kHz 9600(典型) 9600(典型)
解調 通常採用FSK或GMSK 通常採用GMSK或4FSK
通道接入 通常採用LBT 未指定
表2： 免許可授權(基於 EN 300 220)與許可授權(基於EN 300 113)系統間的一些差異。
免許可授權
免許可授權運行較低的發射功率限制了設備的有效發射距離 ，但便於系統的現場建置。根據歐盟的調和標準或美國的FCC 法規，並不必須要求運行符合特定的接收參數。但由於單元可能用在有多種設備運行的波段中，接收器必須有良好的接收性能。因此，接收器的抗幹擾是非常重要，以確保系統可以持續可靠的工作。運行在2.4GHz的設備還會受到藍牙及無線 LAN設備的幹擾。
許可授權
使用許可授權無線電通道可以確保無線傳輸能以較大的功率、傳輸到更遠的距離。但這並不要向地方當局申請或付費，有些管理當局正在嘗試簡化取得許可授權的過程(如Ofcom近期的提議可能簡化英國的此項流程)。
許可授權網路
在許多國家，資料網路可能已經存在(如Mobitex)，可以提供更多的服務，(如準時提供及最佳化的提供時間)。這些是行動通訊運營商所不能提供的。這種服務的缺點是成本高，且必須要使用資料網路運營商授權的設備。
設計發展歷程
象多數的科技產品一樣，資料無線數據機的設計經過了多年的發展。早期的設備實際上就是現在的PMR無線電，採用金屬盒重新封裝，增加了數據機子卡來提供資料介面。儘管這種設備很便宜，但由於資料傳輸速度常常受到無線電單元的限制，整合度較低，且性能也不盡理想。 典型的數據機設備是CML Microcircuits推出的CMX589 IC，在很小的封裝中提供了GMSK資料泵，並只消耗較低的功耗。
後期的設備從頭開始作為單純資料設備而設計的，發揮了經過最佳化的無線電與基頻設計的優勢，提高了整合度和所支援的資料傳輸速率。在二十世紀八十年代後期，建置了許多無線電資料網路(Mobitex與Paknet)，這些網路引發了對大產量、低成本產品的需要，並能滿足無線電管理機構的要求。 多數的主要無線電廠商自行展開設計，用於Mobitex網路的Maxon DM200是一個典型的示例，它含有一個靈活的無線電設計和基頻數據機，以板載的資料包處理硬體及強大的處理器來控制較高的協議層。此設計中採用了CML Microcirucits的CMX909IC，由於春結合了資料泵和大量的資料格式、編碼與誤差校正功能(這些是Mobitex網路成功的主要因素)，而提供了安全而可靠的資料通訊。 其他產品採用可程式的DSP和大功率處理器，儘管也實現了一定數量的生產規模，但幾乎從未達到將成本降到合適水準的所需的產量，且都有較高的功耗。
圖1顯示了二十世紀九十年代初開發的Mobitex(406MHz至465MHz,10W, 8kbps)和Paknet(VHF,5W,9.6kbps)數據機。儘管這兩種單元都使用相同的微控制器，Mobitex單元的體積與功耗都比Paknet設備小得多，主要是由於使用CML Microcircuits CMX909數據機IC，具有強大的低級資料處理能力。而在Paknet設備中是用微處理器來實現這些功能，所以需要更多的記憶體和額外的介面。
實施
市場上如今有很多的晶片組和模組設計，但多數都只能提供有限的資料傳輸速率或免許可授權運行。 許可授權的無線電資料單元可提供較大的功率(因而可實現較大的距離)，可實現更高的吞吐量，但成本較高。 為了降低這些單元的成本，必須提高基礎設計的整合度，進而改進可靠性與功耗。
整合了多數無線數據機功能的理想設備，是CML的CMX990整合數據機。主要是針對M2M而設計的，包括以16kbps工作的數據機RF和基頻處理能力。大量的格式與誤差校正在晶片上完成，從而降低了主微控制器的處理需求，而降低了成本(可使用價格較低的微處理器) 和功耗。圖2顯示了近期的硬體設計，其中無線與數據機部分佔用一張信用卡大小的面積。
發射資料
傳統的無線電轉換方式是將轉換器訊號施加到VCO上，然後將其傳遞到PA並輸出到天線。 但使用鎖相迴路(PLL)VCO會從環路中消除低頻成分(對資料傳輸非常重要)。為了補償這種損耗，需要為環路的參考震盪器提供一個額外的解調路徑，以恢復這些低頻成分。這些電路可實現所需級別的匹配，實現生產線精簡。如果實施得當，這種兩點解調方案是一種非常有效可靠的傳輸方式。
另一種方式是透過一對正交混頻器將I與Q格式的訊號升頻到RF訊號。這樣可準確地確定解調特點。必要時，可對訊號數位域進行校正，以補償硬體路徑中的缺陷。這種方式的缺點是增加了複雜程度。
CMX990採用offset-PLL方式，它具有矽整合的優勢，結合上述兩種架構的多種優點，實現了準確的數字轉換，而保持了直接 VCO解調的成本與性能優勢。
接收資料
傳統的超外差接收器架構提供了一種低成本、低功耗的解決方案。傳統的類比濾波用在頻率解調之前，但必須慎重選用通道選擇元件，以保證資料訊號不會降級。該問題在資料傳輸速度提高時更為嚴重(對特定的無線通道頻寬)，不同批次間元件的差異、時間及溫度也會引發問題。 在此發射器中，訊號頻寬必須保持到接近DC，這就需要數據機跟蹤並校正輸入DC強度。
適當IF部分的IQ解調器結合了傳統超外差設計的優點及在數位域進行最終通道濾波的能力，消除了類比方式中固有的元件差異問題。數位濾波器也可透過軟體控制來調節，以實現對特定通道頻寬的最佳回應。
CMX990使用超外差與IQ降頻轉換器來減少元件數量，允許以數位元方式實施最終濾波階。 此外，還採用高級的DC跟蹤演算法來消除IQ降頻轉換器硬體中固有的不精確問題。 CMX990的深一層功能是使用鏡像抑制混頻器，可簡化RF濾波。這些功能共同提供了最佳解決方案，將成本和元件數量降到最低，並保持最大的性能。
訊號處理
無線環境會受到各種幹擾，有些幹擾是自然形成，有些是人為的。訊號傳輸距離的越大，位差出現的可能性越高。這不僅是由於接收器端訊號強度降低了(進而降低了信噪比)，而且還由於多路徑的幹擾(反射)及Doppler效應 (如果鏈路中有一端在行動)。其他幹擾可能是來自於附近的其他無線或電氣設備直接或透過混合而形成的帶內幹擾。良好的無線設計可降低這種影響。 最理想的情況是，在臨時損失訊號時，資料數據機不會丟失整個消息而需要重新傳輸，否則會影響總體的資料傳輸速率，並增加設備的功耗。
CMX990系統採用前向偵錯(FEC)與迴圈冗餘校驗碼(CRC)，對資料進行加擾與交錯，以降低短時損耗訊號的影響，從而維持資料連結的完整性。此過程非常有效，但為了保證最大的彈性，CMX990 也可以原始資料模式運行，使主機可實施其自己特定的協議。
整合解決方案
對此類M2M解決方案的主要市場需求，是一種低成本、且不影響性能的產品。為了讓廠商實現此目標，更高級別的功能性整合半導體設備改進了前一代的技術。
CMX990在較小的64針VQFN封裝中集中了儘量多的RF與訊號處理能力。增加主微控制器、一些VCO，一個簡單的IF濾波器和PA部分，可以很容易地實現一個成本、複雜性低、體積小的無線數據機。 CMX990 無線數據機的的廣塊圖如圖3所示。
將所有上述功能到一個設備中，保證了最終設計的性能都針對應用進行了最佳化，讓設備設計師可以集中研究最終設計的高級協議、應用層及用戶介面，這些因素都會增強產品在市場上的競爭力。CMX990強大的資料解碼能力還讓主/應用處理器在接收到一個有效的消息之前，維持在低功耗的“睡眠”模式。從而降低設計的總體功耗。由於主/應用處理器並不需要進行任何資料 解碼運行，處理能力所需的功耗顯著降低了，從而可實現體積更小、成本更低、功耗低的主處理器。
設計解決方案
為了讓用戶試用CMX990，CML Microcircuits提供了一個評估套件EV9900A，如圖4所示。 它在連接到一個適當的主處理器在400MHz頻寬時，提供了按ETSI EN 300 113標準測試無線數據機性能的所有的功能。該板卡在更換元件後，可以適應800MHz的頻寬。
如果添加適當的微控制器，兩個相同單元可以背靠背(Back to Back)模式工作。CML還提供了一個採用Hyperstone微處理器的單獨開發套件，使開發人員不必直接接取主控制器。
高度整合設計實現低成本終端產品
低成本終端設備已成為無線資料應用不可忽視的市場區隔，儘管技術的發展可以滿足這些低功耗、免許可授權市場的需求，但只到了近期出現了CMX990一類的低成本高度整合的設計後，才實現了為專業資料市場提供真正的低成本產品。
Click here for Illustrations:
Figure 1, Figure 2, Figure 3, Figure 4, Table 1
