2.4GHz頻段模塊的路徑損耗計算解析

　2.4GHz頻段現(xiàn)已成為家庭、辦公室和工廠短距離無線應(yīng)用的普遍選擇。通常，2.4GHz信道隸屬于免許可的工業(yè)、科學和醫(yī)學（ISM）頻 段。ZigBee（IEEE 802.15.4）、Bluetooth（IEEE 802.15.1）、Wi-Fi（IEEE 802.11 b/g/n）、無線通用串行總線（WUSB）和私有協(xié)議（如MiWi）等許多協(xié)議以及部分無繩電話均采用此頻段。然而，在2.4GHz ISM頻段運行的不同協(xié)議會相互干擾。
　　因此，評估無線傳輸?shù)姆秶托阅芤詣?chuàng)建相關(guān)模型來估算模塊用于室內(nèi)外短距離傳輸時的路徑損耗就顯得極為重要。借助創(chuàng)建的模型，設(shè)計人員可初步估 算出無線通信系統(tǒng)的性能。性能參數(shù)包括范圍、路徑損耗、接收器靈敏度、誤碼率（BER）和誤包率（PER），這些參數(shù)在任何通信系統(tǒng)中都非常重要。
　　以功率和天線類型各不相同的三個模塊為例——Microchip的MRF24J40MA、MRF24J40MB和MRF24J40MC。 MRF24J40MA是一款經(jīng)認證的集成PCB天線的2.4GHz IEEE 802.15.4無線收發(fā)器模塊，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭自動化、樓宇自動化和消費類電子應(yīng)用。
　　MRF24J40MB與MRF24J40MA類似，不過更適合自動讀表系統(tǒng)等長距離應(yīng)用。MRF24J40MC配有外部天線（如圖1所示），同樣適用于長距離應(yīng)用。這三個模塊已通過各項法規(guī)和模塊化認證，它們通過四線制SPI接口與單片機相連。
　　路徑損耗模型
　　大尺寸模型用來預估長距離傳輸時的平均性能。大尺寸模型取決于距離以及與頻率關(guān)系不大的重要環(huán)境特性。隨著距離縮短，該模型會徹底瓦解，但其對 于確定無線系統(tǒng)的工作范圍并粗略規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)容量很有用。小尺寸（衰落）模型描述了一對一的信號變化。這類模型主要涉及多路徑效應(yīng)（相位抵消）。路徑衰減被視 為保持恒定，但主要取決于頻率和帶寬。
　　不過，最初的重點通常是信號在短距離或短時間內(nèi)快速變化的小尺寸模型。如果估算的接收功率足夠大（通常與接收器靈敏度有關(guān)，也可能與使用的通信協(xié)議有關(guān)），則這條鏈路便可用于發(fā)送數(shù)據(jù)。接收功率超出接收器靈敏度的量稱為鏈路余量。
　　鏈路余量或衰落余量被定義為確保發(fā)送器與接收器間可靠無線鏈路所需的超出接收器靈敏度水平的功率（余量）。在理想條件下（天線已精確對準、不存 在多路徑或反射并且沒有損耗），必需的鏈路余量為0dB。需要的確切衰落余量取決于鏈路所需達到的可靠性，但根據(jù)經(jīng)驗，最好始終保持22dB至28dB的 衰落余量。如果衰落余量在良好天氣條件下不小于15dB，則可充分保證RF系統(tǒng)在惡劣條件（因天氣、日光和射頻干擾所致）下繼續(xù)有效運行。
　　接收天線與發(fā)送天線之間的路徑損耗通常通過使距離對波長的關(guān)系歸一化，以無量綱形式記錄。但是，有時分別考慮距離和波長引起的損耗更方便。這種情況下，關(guān)注使用的單位特別重要，因為選擇的單位不同，涉及的偏移常數(shù)也不同。
　　舉例來說，評估一個包含兩個RF節(jié)點（節(jié)點1和節(jié)點2）的1km鏈路（范圍）的可行性，其中節(jié)點使用MRF24J40MB模塊，輸出功率為 20dBm。節(jié)點1與增益為1dBi的全向PCB天線相連，節(jié)點2也與增益為1dBi的類似PCB天線相連。節(jié)點1的發(fā)射功率為100mW（或 20dBm），靈敏度為-102dBm。節(jié)點2的發(fā)射功率為100mW（或20dBm），靈敏度與節(jié)點1相似。電纜長度很短，兩端的損耗各為1dB左右。 之后，將所有增益相加并減去節(jié)點1到節(jié)點2鏈路的所有損耗（僅考慮1km鏈路路徑的自由空間損耗）。
　　由于-60dB大于節(jié)點2的最小接收靈敏度（-102dBm），因此信號級別剛好足以使節(jié)點2與節(jié)點1通信。此時的余量為42dB（102dB～60dB），這可在良好的天氣條件下實現(xiàn)有效傳輸，但在惡劣的天氣條件下可能不足以實現(xiàn)可靠通信。
　　由于往返路徑上的路徑損耗相同，因此，節(jié)點1處接收到的信號級別為-60dB。而節(jié)點1的接收靈敏度為-102dBm，故衰落余量為 42dB（102 dB～60dB）。此外，還存在因環(huán)境［在視距（LoS）內(nèi)］導致的損耗（衰落），這會使信號級別進一步降低20dB，此時符合通信要求但沒有任何附加增 益。
　　
　　圖1：帶子板和外部天線的MRF24J40MC模塊
　　現(xiàn)在，我們將節(jié)點2替換為增益（輸出功率）為0dB的MRF24J40MA模塊。由于節(jié)點1的接收靈敏度為-95dBm，故衰落余量為 35dBm（95dB~60dB）。此外，還存在因環(huán)境［在視距（LoS）內(nèi)］導致的損耗（衰落），這會使信號級別進一步降低20dB，此時的通信僅有 15dB到20dB的附加增益。