丢失的链路-如何通过简单的链路预算分析对在室内和室外环.PDFVIP

丢失的链路 - 如何通过简单的链路预算分析对在室内和室外环境中使 用sub-GHz 模块的无线传输进行评估 ___________________________________________ Pradeep Shamanna 在家庭、楼宇和工业应用市场，短距离无线尤其是sub-GHz （低于1 GHz）频 带的无线应用日益普及。这意味着系统设计人员需要了解所涉及的方法、估 算、成本和权衡。除了距离估算公式，最好还要了解与sub-GHz 相关的无线信 道和传播环境。 通常，射频（RF）和无线工程师会在开始RF 设计之前进行链路预算。链路预 算要考虑距离、发射功率、接收器灵敏度、天线增益、频率、可靠性、传播介 质 （其中包括与电磁波反射、衍射、散射相关的物理学原理）和环境等因素， 以便计算sub-GHz RF 射频链路的性能。 在从简单的点对点连接到更大的网状网络等任何低数据速率系统中，Sub- GHz 无线网络都可以实现高成本效益，其中长距离、可靠的射频链路和延 长的电池寿命是其显著优势。更高其合规的输出功率、降低的能量吸收、 较少的频谱污染和窄带运行都能提高传输距离。而改进的信号传播、优秀 的电路设计以及更低的内存使用均可以减少电量消耗，从而延长电池寿 命。 一般来说，sub-GHz 信道属于免许可证ISM （工业、科学和医疗）频带的 一部分。sub-GHz 节点通常针对低成本系统，与高级无线系统相比，每个 节点可减少成本约30〜40 ％，同时它们的协议栈所需要的存储空间也更 少。许多协议都占用这一个频带，例如基于IEEE 802.15.4 标准的ZigBee （目前在868 和900 MHz 频带提供2.4 GHz 和sub-GHz 版本的唯一协 议）、自动化协议、无绳电话、无线Modbus、遥控门禁（RKE）、轮胎 压力监测系统和大量专有协议（包括MiWi）。然而，在sub-GHz ISM 频 带运行会导致与使用同一频谱的其它协议之间的射频干扰，包括来自移动 电话、授权无绳电话等的威胁。 链路预算 链路预算是对从发射器 （TX ）通过介质（自由空间）到接收器 （RX）的整个 无线通信系统中所有增益和损耗的核算。链路预算考虑的是决定到达接收器信 1 号强度的各个参数。为了进行链路预算的分析和估算，还必须测定包括天线增 益水平、射频发射功率水平和接收器灵敏度数据等在内的因素。 同时还应考虑天线类型和尺寸以及其它包括要求的距离、可用的带宽、数 据速率、协议、干扰和互操作性在内的次要因素。虽然接收器灵敏度不在 链路预算的考虑范围之内，但是还需要阈值来决定接收信号能力。 简单链路预算公式为：接收功率（dBm ）等于发射功率（dBm ）与增益（dB ） 和损耗（dB ）差之和。借助链路预算评估，就有可能在预期成本范围内设计出 一个即满足要求又实现功能性的系统。某些损耗可能会随着时间而变化。例 如，数字系统的误码率（BER）会随时间增加；而模拟系统的信噪比（SNR ） 会随时间降低。 测试要求 我们可以使用基于Microchip MRF89XA模块和MRF49XA sub-GHz收发器 的PICtailTM板来进行性能测量。MRF89XA模块已获FCC、ETSI和IC认 证。不同于其它嵌入式sub-GHz模块，它们提供各种合规和经过模块化认 证的PCB天线（蛇形）。PICtail板基于导线型（/4）天线，用于不同的 频率，这些天线通常安装在开发板或子板上。 PIC®单片机与收发器模块之间的硬件接口通常被称为无线节点，如图1和 图2所示。无线节点可以通过组合PIC MCU开发板和PICtail子板来实现。 图1：单片机与MRF89XA 模块之间的接口；无线和RF 节点图 2 距离和性能实验需要至少两个无线节点以便用于测试。测量装置使用两 块开发板中的任意一块，为了简单起见，它们都带有相同的sub-GHz 模块。或者，可以基于应用将这些模块组合起来用于测量和分析。 图2：单片机与MRF49XA 收发器和PICtail 卡之间的接口；无线和RF 节点图 测量环境 工作环境对波的传播影响很大。距离测试应在各种室内和室外环境中进 行，以获取对模块性能的基本了解。选择测试环境时要考虑平坦和不平 坦地形中的无障碍路径和有障碍路径。 测量还基于PCB 天线