當設計工程師選擇於產品中加入無線技術時，常須面臨應選擇既有的無線模組或重啟新的無線設計。實際上，利用既有無線模組與開始新的無線模組設計各有其優勢，在成本上也有不同的支出比重，不過，無線通訊涉及複雜的頻譜，勢必得進行認證工作，才能確保產品品質，然認證過程繁瑣，若全新的產品開發計畫時程迫在眉睫，則建議採用廠商已推出的無線模組，除可減少認證費用，開發時間也可縮短。
近幾年來，無線連接成為許多應用的賣點，其不需複雜交錯的導線即能控制設備的特性相當吸引使用者。然而，對設計人員、特別是沒有經驗的工程師而言，將無線功能融入到一個新的或現有的產品中是一項艱鉅的任務。本文將針對「自行設計無線功能還是購買現成已過認證的無線模組？」這個問題進行討論，並試著分析這兩種選擇及區別。
分析全新設計/既有解決方案成本
無線通訊涉及複雜電磁波頻譜(Electromagnetic Spectrum)，每個譜域的功能特色各不相同。無線電波的傳播因電磁波譜不同，所以波長也不相同，而天線提供與無線電波匹配的阻抗，目前市面上的無線設備種類齊全，使用者須根據使用的頻率、調變和資料編碼方式選擇適當的技術。
設計一個新的無線方案或是購買現成的、已過認證的模組，哪個更好呢？單顆無線IC的價格範圍約為1～5美元，取決於設備的數量和複雜度而略有不同。若設計工程師打算自行設計一個無線解決方案，就須評估系統的總成本，包含IC周圍所有元件的成本。另一種方式是採用無線模組設計作為無線解決方案，同樣地，根據其數量和複雜度的不同，成本範圍約為每個10～100美元不等。
乍看之下，無線模組的成本似乎比自行設計解決方案高，但仍須評估整體系統成本才能做出比較。以下分析整體系統成本所包含的項目。
測試設備為主要研發成本支出來源
無論選擇自行設計解決方案還是購買模組，射頻(RF)測試設備都不可少，原因在於設計人員須看到無線電波、測量訊號數量從而評估無線解決方案的性能。表1列出基本射頻測試設備的大致價格，每個設備皆配備許多功能元件、配件和支援設備。
頻譜分析儀是必要的設備，用來顯示頻率與功率。為檢查設備的第十次諧波，頻率範圍應為基本頻率的十倍，美國聯邦通訊傳播委員會(FCC)認證過程最高將檢查至第十次諧波。
向量網路分析儀測量網路中傳輸訊號的振幅和相位特性，尤其能協助設計人員衡量、評估濾波器和天線特性。向量網路分析器能加速匹配電路阻抗(Matching Circuit Impedances)，為射頻測試中非常普遍的做法。頻率範圍應是基本頻率的兩倍，從而可以分析第二次的諧波頻率。射頻工程師抑制諧波以符合無線電法規。
若無線電設計中涉及到複雜訊號，如正交分頻多工(OFDM)和正交相位偏移(QPSK)，設計人員則須進一步考慮訊號分析儀或頻譜分析儀的訊號分析功能，此外，工程師也要思考如何從訊號產生器輸出複雜訊號的辦法，當然，以上幾個考量都會增加測試設備的整體成本。
符合無線電法規產品方能銷售
無線電法規規定設備在特定頻段內可執行的操作，法規條文因不同國家而有差別並由政府機構統一管理。在美國，該機構是FCC；在台灣則由國家通訊傳播委員會(NCC)主導，這些機構發布並認證能在該國運作的無線電設備。
在每個國家或地區中銷售「輻射主體(Intentional Radiator)」須經過某種形式的監督認證，設計人員必須熟悉無線電法規並能確切指明設備工作的方法。然而，無線電法規僅是為律師，而不是為工程師而寫，即使是經驗豐富的射頻工程師，也無法從這些法規中確定技術規範，而必須與專門測試是否符合法規標準的機構密切配合，以獲知最新規範並進而改良並符合法規要求。
表2分別列出在美國、加拿大和歐洲進行無線電認證的成本，這些成本為一次性成本，重新測試將付出額外費用。然而，在美國，FCC支持「模組化認證」，讓企業能自行設計射頻模組並在美國進行認證，在此同時，其他包含該模組的「輻射主體」也毋須進行額外的無線電認證，省去多餘的時間和費用。毋須擔心FCC認證將解除設計人員最大的負擔，而認證成本已包含在模組成本中。
軟體亦須列為考量
選擇自行設計還是購買現成模組時，須考慮的其他要素包括參考設計、上市時間與軟體成本。很多時候廠商會附上該無線解決方案的參考設計，若能重現設計即能輕鬆通過認證，然而，工程師須負責進行無線電認證，若經驗不足，很難發現其中細微的差別而無法解決問題。預先經過認證的射頻模組確實會加速上市時程。但從長期來看是否為最經濟的方法？若自行設計，約需12～18個月方能完成設計、驗證並通過法規認可。
到目前為止，本文僅集中討論硬體部分，然而無線解決方案包含軟體，因此軟體的設計人員也面對獨特的設計挑戰。簡單的無線遠端控制只要對資料進行編解碼即可，但如採用ZigBee協定或更複雜的無線網路，則需要更強大的軟體編寫技巧。
模組設計已包含認證成本
在什麼情況下模組比自行設計更具優勢？自行設計須考量到雇用工程師、顧問諮詢或委託設計公司相關的所有成本、測試設備和無線電法規認證的成本，投資報酬率將隨時間和量的變化而呈現損益平衡。另一種則是以預認證的射頻模組開始，且當經濟規模呈現時，將其作為參考設計，把模組設計轉化為內部生產。而企業開始自行設計時，就須為射頻設計進行認證，但從長遠來看，花費這樣的成本仍值得。
為找到盈虧平衡點，需更精確的衡量設計與購買的成本。可以發現，若出貨量相對較少，比方說10～20K個單元，通常採用模組是較經濟的解決方案；若所需數量大於此，則自行設計將更為經濟。
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| 圖1 廠商ZigBee認證模組有助於降低開發成本。 |
舉例來說，微芯(Microchip)MRF24J40MA模組(圖1)即符合IEEE 802.15.4規範，專門針對ZigBee或專屬無線協定系統而設計，適用於2.4GHz免執照工業、科學與醫療(ISM)短程無線頻段。其包含分立式偏壓元件和整合印刷電路板(PCB)天線，以用於感測器和控制網路環境中。該模組通過美國FCC、加拿大工業部(IC)和歐洲通訊標準協會(ETSI)監管機構的認證，能為設計人員節省通過認證的時間和成本。
衡量各式因素做出決策
本文圍繞著設計或購買無線模組的議題進行討論，然而最終結果仍須取決於個別專案中的優先順序。經過認證的無線模組將最快進入市場，並能為特定數量的產品保證其最低的成本，本文中所提到的種種衡量標準將能協助設計人員權衡各項設計需求，並做出選擇。
(本文作者為微芯射頻產品部門應用工程經理)