如何通過簡單的鏈路預(yù)算分析對在室內(nèi)和室外環(huán)境中使用sub

在家庭、樓宇和工業(yè)應(yīng)用市場，短距離無線尤其是sub-GHz（低于1 GHz）頻帶的無線應(yīng)用日益普及。這意味著系統(tǒng)設(shè)計人員需要了解所涉及的方法、估算、成本和權(quán)衡。除了距離估算公式，最好還要了解與sub-GHz相關(guān)的無線信道和傳播環(huán)境。

通常，射頻（RF）和無線工程師會在開始RF設(shè)計之前進行鏈路預(yù)算。鏈路預(yù)算要考慮距離、發(fā)射功率、接收器靈敏度、天線增益、頻率、可靠性、傳播介質(zhì)（其中包括與電磁波反射、衍射、散射相關(guān)的物理學(xué)原理）和環(huán)境等因素，以便計算sub-GHz RF射頻鏈路的性能。

在從簡單的點對點連接到更大的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)等任何低數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)中，Sub-GHz無線網(wǎng)絡(luò)都可以實現(xiàn)高成本效益，其中長距離、可靠的射頻鏈路和延長的電池壽命是其顯著優(yōu)勢。更高其合規(guī)的輸出功率、降低的能量吸收、較少的頻譜污染和窄帶運行都能提高傳輸距離。而改進的信號傳播、優(yōu)秀的電路設(shè)計以及更低的內(nèi)存使用均可以減少電量消耗，從而延長電池壽命。

一般來說，sub-GHz信道屬于免許可證ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）頻帶的一部分。sub-GHz節(jié)點通常針對低成本系統(tǒng)，與高級無線系統(tǒng)相比，每個節(jié)點可減少成本約30?40％，同時它們的協(xié)議棧所需要的存儲空間也更少。許多協(xié)議都占用這一個頻帶，例如基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee（目前在868和900 MHz頻帶提供2.4 GHz和sub-GHz版本的唯一協(xié)議）、自動化協(xié)議、無繩電話、無線Modbus、遙控門禁（RKE）、輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)和大量專有協(xié)議（包括MiWi）。然而，在sub-GHz ISM頻帶運行會導(dǎo)致與使用同一頻譜的其它協(xié)議之間的射頻干擾，包括來自移動電話、授權(quán)無繩電話等的威脅。

鏈路預(yù)算
鏈路預(yù)算是對從發(fā)射器（TX）通過介質(zhì)（自由空間）到接收器（RX）的整個無線通信系統(tǒng)中所有增益和損耗的核算。鏈路預(yù)算考慮的是決定到達接收器信號強度的各個參數(shù)。為了進行鏈路預(yù)算的分析和估算，還必須測定包括天線增益水平、射頻發(fā)射功率水平和接收器靈敏度數(shù)據(jù)等在內(nèi)的因素。

同時還應(yīng)考慮天線類型和尺寸以及其它包括要求的距離、可用的帶寬、數(shù)據(jù)速率、協(xié)議、干擾和互操作性在內(nèi)的次要因素。雖然接收器靈敏度不在鏈路預(yù)算的考慮范圍之內(nèi)，但是還需要閾值來決定接收信號能力。

簡單鏈路預(yù)算公式為：接收功率（dBm）等于發(fā)射功率（dBm）與增益（dB）和損耗（dB）差之和。借助鏈路預(yù)算評估，就有可能在預(yù)期成本范圍內(nèi)設(shè)計出一個即滿足要求又實現(xiàn)功能性的系統(tǒng)。某些損耗可能會隨著時間而變化。例如，數(shù)字系統(tǒng)的誤碼率（BER）會隨時間增加；而模擬系統(tǒng)的信噪比（SNR）會隨時間降低。

測試要求
我們可以使用基于Microchip MRF89XA模塊和MRF49XA sub-GHz收發(fā)器的PICtail?板來進行性能測量。MRF89XA模塊已獲FCC、ETSI和IC認證。不同于其它嵌入式sub-GHz模塊，它們提供各種合規(guī)和經(jīng)過模塊化認證的PCB天線（蛇形）。PICtail板基于導(dǎo)線型天線，用于不同的頻率，這些天線通常安裝在開發(fā)板或子板上。

PIC?單片機與收發(fā)器模塊之間的硬件接口通常被稱為無線節(jié)點，如圖1和圖2所示。無線節(jié)點可以通過組合PIC MCU開發(fā)板和PICtail子板來實現(xiàn)。

圖 1：單片機與MRF89XA模塊之間的接口；無線和RF節(jié)點圖


距離和性能實驗需要至少兩個無線節(jié)點以便用于測試。測量裝置使用兩塊開發(fā)板中的任意一塊，為了簡單起見，它們都帶有相同的sub-GHz模塊?；蛘?，可以基于應(yīng)用將這些模塊組合起來用于測量和分析。

圖2：單片機與MRF49XA收發(fā)器和PICtail卡之間的接口；無線和RF節(jié)點圖


測量環(huán)境
工作環(huán)境對波的傳播影響很大。距離測試應(yīng)在各種室內(nèi)和室外環(huán)境中進行，以獲取對模塊性能的基本了解。選擇測試環(huán)境時要考慮平坦和不平坦地形中的無障礙路徑和有障礙路徑。

測量還基于PCB天線方向（垂直或水平）、sub-GHz模塊的輸出功率（最大或默認）、功率放大器或低噪聲放大器（啟用或禁用值）、天線（PCB、導(dǎo)線或標(biāo)準(zhǔn)）偶極子類型，以及天線（蛇形、導(dǎo)線、鞭狀或偶極子）。

影響室內(nèi)測量的因素包括辦公設(shè)備和附近是否有Wi-Fi?、藍牙或微波信號?；炷两Y(jié)構(gòu)、墻壁、附近的玻璃、木材和金屬都可以產(chǎn)生影響。

對于距離測試而言，主要的區(qū)別因素是模塊安裝、天線方向和恒定電池電源。

圖3展示的是天線在基板上的垂直安裝。垂直安裝為仰角波瓣和平面；水平安裝為方位角波瓣和平面。

圖3： PICtail?板的垂直安裝


天線采用垂直安裝還是水平安裝方式取決于達到的有效輸出功率、應(yīng)用空間需求和限制，比如具有一個基于中心基波頻率的強大主瓣和基于其第三次諧波頻率的副瓣。若要降低射頻頻率，天線尺寸應(yīng)相應(yīng)按比例增加。導(dǎo)線天線的長度可以通過7500除以頻率來換算得出（單位為厘米）。因此，433 MHz的頻率就對應(yīng)17.3 cm長的導(dǎo)線，而915 MHz的頻率則對應(yīng)8.2 cm長的導(dǎo)線。在天線導(dǎo)線尺寸不超過波長的四分之一時，這個公式都是成立的。

距離測量步驟
為了實施距離測量，首先將MiWi P2P演示代碼編程至兩個基于sub-GHz頻帶的RF和無線收發(fā)器節(jié)點。然后，在配置好特定工作信道后將一個RF節(jié)點放置在一根1.5到2m長的桿子上的支架上。這個無線節(jié)點默認處于接收模式。

將一個類似的RF節(jié)點放在另一個架子上，并設(shè)為相同的工作信道。其中一個節(jié)點保持靜止不動，而另一個節(jié)點作為活動節(jié)點。對節(jié)點進行設(shè)置，以確保它們彼此連接。移動活動節(jié)點，并測試發(fā)射和接收。每隔1.5至3米的距離進行一次測量。

一旦獲得臨界點后，測量從發(fā)射器到接收器的實際和徑向距離。在臨界點位置，發(fā)射器和接收器通信時斷時續(xù)。從臨界點處返回約1.5米，再次檢查通信是否穩(wěn)定。距離測量方法如圖4所示，距離值的增加隨著各種變量的變化而變化，其中發(fā)射器模塊的高度是最敏感的一個變量。

圖4：距離測量方法

數(shù)據(jù)包錯誤率（PER）測試分析兩個無線節(jié)點之間的室內(nèi)與室外的有效數(shù)據(jù)覆蓋。PER測試裝置類似于開放式現(xiàn)場測試裝置。

兩個設(shè)備之間的PER測試以單次迭代方式進行，數(shù)據(jù)包數(shù)量預(yù)先設(shè)定。根據(jù)ISM（IEEE 802.15.4）規(guī)范定義，每收發(fā)1000個數(shù)據(jù)包，PER值低于或等于1%的即視作可靠鏈路。PER測量的是一個設(shè)備接收信號時不會被其它頻率的干擾信號所影響的能力。所需信號的PER必須低于1%，或者BER必須低于0.1%。如需要，PER測試可以通過增加數(shù)據(jù)包之間的延遲來進行。

BER的測量是通過無線節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，然后對輸出和輸入進行比較進行的。在極長的一段時間里，數(shù)據(jù)傳輸通常都被假設(shè)成為一個隨機的過程。因此，BER測試使用了偽隨機數(shù)據(jù)序列。稱它為“偽”隨機是因為真正隨機的信號是無法使用確定性的（運算的）方法來產(chǎn)生的，但是存在少量近似隨機的行為可以進行精確的BER測量。調(diào)制模式提供了低信噪比時良好的BER性能。然而，還沒有一種簡單的測試方法可以實現(xiàn)BER的直接測量。公認的一種簡單方法就是基于PER來計算BER。測量PER和BER的裝置類似于距離測量裝置。

靈敏度測試裝置用于獲取靈敏度極限的指征。接收器的輸入功率水平借助衰減器不斷降低，直到PER低于1%，此時就無需繼續(xù)測量接收器的PER了。該測試裝置包含兩個sub-GHz模塊，見圖5。

圖5：靈敏度測試裝置

Sub-GHz發(fā)射模塊通過一個電子衰減器與接收模塊連接。兩個模塊使用USB線纜或通過RS232串行端口連接到PC。PC使用驅(qū)動程序?qū)嵱密浖韴?zhí)行帶有PER測試腳本的測試工具。所有的PER測試都是在沒有重發(fā)的情況下進行的。PER靈敏度測試使得用戶可以自由增加兩個節(jié)點之間的距離，查明在跨信道補償存在的情況下能將PER保持在低于1%的水平的最大通信距離。

結(jié)論
Sub-GHz射頻可以創(chuàng)建相對簡單的無線產(chǎn)品，這些產(chǎn)品單憑電池電源可以不間斷運行長達20年。

在任何低數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)中，Sub-GHz無線網(wǎng)絡(luò)都可以實現(xiàn)高成本效益，其中長距離、可靠的射頻鏈路和延長的電池壽命是其顯著優(yōu)勢。更高且合規(guī)的輸出功率、降低的能量吸收、較少的頻譜污染和窄帶運行都能提高傳輸距離。更佳的電路效率、改進的信號傳播以及占用更少的存儲空間可以使電池供電運行時間達數(shù)年之久。

Sub-GHz射頻的窄帶運行可以確保傳輸距離達到一公里甚至更遠。這使得sub-GHz節(jié)點可以和遠距離的集線器進行直接通信而無需從一個節(jié)點跳轉(zhuǎn)到另一個節(jié)點。成就Sub-GHz長距離性能的主要原因為較低的衰減率和較少的信號減弱，以及幫助sub-GHz信號繞過障礙物從而減輕阻塞效應(yīng)的衍射等影響。

建議專有低占空比鏈路使用sub-GHz ISM頻帶，這樣它們不會互相干擾。低噪聲頻譜意味著傳輸更容易，重試次數(shù)也更少，這不僅提高了效率，還節(jié)省了電池電量。

電源效率和系統(tǒng)距離二者隨著接收器靈敏度和發(fā)射頻率的變化而變化。靈敏度和信道帶寬是成反比的，帶寬更窄時接收器靈敏度就更高，這就在傳輸速率較低時保障了運行的高效。例如在433 MHz時，如果發(fā)射器和接收器晶振誤差均為10 ppm，那么它們各自的誤差即為4.33 kHz。對于需要確保收發(fā)高效性的應(yīng)用而言，信道帶寬至少要達到誤差率的兩倍，或8 kHz，哪一個對窄帶應(yīng)用更為理想就選擇哪一個。

對于城市環(huán)境，使用12分貝是一個很好的經(jīng)驗法則，可以滿足在加倍延長傳輸距離時所需增加的鏈路預(yù)算。為了增加傳輸距離，接收器靈敏度是整個系統(tǒng)中必須第一個進行優(yōu)化的變量。系統(tǒng)中的其它變量也會被傳輸距離產(chǎn)生影響，但它們必須做出數(shù)倍的改變才能達到和改變接收器靈敏度一樣的效果。

由于多路造成的信號衰減可使得信號強度減小超過30到40 dB，因此我們強烈建議在設(shè)計無線系統(tǒng)時，鏈路預(yù)算應(yīng)將足夠的鏈路余量考慮進去以補償這種損耗。