ISM RF產(chǎn)品的無線鏈路預(yù)算表 - 全文

鏈路預(yù)算表用于計算Maxim工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)療無線頻段(ISM-RF)產(chǎn)品(Tx、Rx、TRx)的鏈路性能，估算特定的射頻電路在幾種環(huán)境下的通信覆蓋范圍和鏈路裕量。該Excel®表格還可用于估算100MHz至10GHz載頻范圍的其它射頻系統(tǒng)的鏈路裕量。利用該表格計算時，用戶需要輸入以下信息：
· 載波頻率
· 發(fā)射功率
· 電纜和連接器損耗
· 天線增益和效率(接收和發(fā)射)
· 自由空間和平地的傳輸延時
· 接收機(jī)和發(fā)射機(jī)高度
· 接收機(jī)靈敏度
· 障礙損耗
· 多徑損耗

我們還將對該鏈路預(yù)算表格進(jìn)行升級，加入新的功能進(jìn)一步豐富現(xiàn)有特性，包括：
· 連接器的損耗信息
· 利用散射模型計算多徑損耗
· 傳輸介質(zhì)(濕度、電導(dǎo)率、介電常數(shù)、人體/動物表面組織、樹葉等)損耗

本文簡要介紹了關(guān)于傳輸路徑的一些假設(shè)及數(shù)學(xué)背景知識，并提供了該鏈路預(yù)算表格的使用方法。

傳輸路徑損耗

該計算表格包含兩條基本傳輸路徑：自由空間和平地路徑。而對于大廈內(nèi)部和城市街道的無線通信，還須考慮多徑、障礙物和穿透損耗。Maxim的ISM-RF產(chǎn)品非常適合停車場、街道、空曠場地和樓宇內(nèi)部等無線單元位于地面以上的場所。這意味著平地模型比較適合估算這類場合的通信鏈路。對于收發(fā)信機(jī)位于塔臺或屋頂?shù)膽?yīng)用場所，天線為窄波束，采用自由空間模型進(jìn)行計算比較恰當(dāng)。 

如果射頻信號的傳輸相對于所要求的水平傳輸距離而言在垂直方向非常接近地面，則其傳輸路徑需要考慮兩部分信號：直接(延視線方向)傳輸信號和地面反射信號。地面反射的電磁波相位與直接傳輸?shù)碾姶挪ㄏ辔幌喾?。自由空間的傳輸模型沒有考慮地面反射。

自由空間的傳輸路徑損耗公式為：

PR = PTGTGRλ²/(4πR)² (式1)

其中PR為接收功率，PT為發(fā)射功率，GT為發(fā)射機(jī)的天線增益，GR為接收機(jī)的天線增益，R為傳輸距離，λ為波長。

平地的傳輸路徑損耗公式為：

PR = ½PTGTGRλ²/(4πR)² (1 + a² - 2acos(2πΔR/λ)) (式2)

其中ΔR為直接傳播路徑和地面反射路徑的距離差，“a” (≤ 1)為地面反射路徑的相對強(qiáng)度。

ΔR = √(R² + (h2 + h1)²) - √(R² + (h2 - h1)²) (式3)

注意，式2由式1推導(dǎo)產(chǎn)生。考慮地面反射損耗的影響，計算如下：

LGB = ½(1 + a² - 2acos(2πΔR/λ)) (式4)

在近距離通信的情況下，路徑距離差ΔR大于等于波長的一半，LGB隨R快速變化，接收功率波動非常明顯。在遠(yuǎn)距離(通常超過30米)通信中，LGB隨R-2變化，接收功率在平地(式2)與傳輸距離的4次方成反比。

鏈路預(yù)算表中提供了兩種路徑損耗的計算公式，用戶可自行選擇。

用戶表格說明

計算表中有五個表格用于計算或?yàn)橛脩籼峁┲笇?dǎo)信息：
· 鏈路預(yù)算
· 鏈路圖
· 地面多徑
· 電纜損耗
· 障礙物損耗

這些表格中，只有鏈路預(yù)算和地面多徑表格需要用戶輸入信息；電纜損耗表格包含常用電纜和連接器的損耗指標(biāo)；障礙物表格包含建筑物內(nèi)部墻壁和玻璃的衰減，以及室外建筑、森林、植被的損耗?？衫眠@些數(shù)值進(jìn)行計算，在鏈路預(yù)算表格中輸入電纜和障礙物的損耗。連接器的損耗通常小于1dB，可以直接輸入，無需額外的表格。鏈路圖表格描述了硬件和板上傳輸引入的損耗。

地面多徑表格需要用戶輸入發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的高度，路徑損耗和距離的關(guān)系，以及與地表傳輸相關(guān)的損耗。

計算表的輸入，用不同顏色區(qū)分不同的參數(shù)來源。 

黑色：用戶的輸入數(shù)據(jù)
暗紅色：常數(shù)，比如：光速
藍(lán)色：計算結(jié)果
綠色：從其它表格得到的數(shù)值

計算表格的使用

打開計算表格的鏈路預(yù)算表，在本文最后有屏幕截圖。
1、輸入載波頻率，單位為MHz。計算表將計算波長。
2、輸入發(fā)射機(jī)功放的發(fā)射功率，通過測量或估算得到該功率值，盡可能靠近功放的功率輸出引腳進(jìn)行測量。
3、輸入Tx匹配損耗(如果存在的話)。大多數(shù)發(fā)射機(jī)需要幾個無源器件對天線阻抗進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以優(yōu)化發(fā)射器的匹配。
4、輸入發(fā)射電路和天線之間的任何電纜、連接器損耗。計算表會顯示發(fā)射天線的輸入功率。
5、輸入發(fā)射天線的增益，包括天線的效率、額外的阻抗匹配損耗和天線方向模板的變化。任何尺寸小于0.1倍波長的天線將引入衰減，而不是增益。
6、輸入所要求的傳輸距離，單位為米。
7、必要時，輸入傳輸介質(zhì)損耗。比如，通過介質(zhì)而非空氣傳輸信號；或者是信號頻率過高(大于2GHz)時，水蒸氣和分子會吸收信號能量。
8、在地面多徑表輸入發(fā)射機(jī)天線和接收機(jī)天線的高度。
9、返回鏈路預(yù)算表，表中將給出指定距離下自由空間和平地模型的路徑損耗。
10、基于自由空間損耗計算得到的天線接收功率位于依據(jù)平地模型損耗計算結(jié)果的上面幾行。如果鏈路是自由空間鏈路，則使用自由空間損耗進(jìn)行計算，無需考慮平地模型的損耗。
11、輸入多徑損耗(反射和路徑上的散射)的估算值。除非路徑平坦、空曠(例如：開闊區(qū)域或空曠的停車場)，否則損耗會高于20dB。
12、輸入障礙物損耗的估算值。
13、基于平地模型損耗計算得到的天線接收功率位于依據(jù)自由空間損耗計算結(jié)果的下面幾行。
14、輸入接收天線的增益，發(fā)射天線增益的效率規(guī)則同樣適用于此處。
15、輸入天線和接收電路之間的任何連接器、電纜損耗，接收機(jī)輸入的最終Rx功率表示為自由空間損耗和平地模型損耗。
16、Rx功率右側(cè)的輸入?yún)^(qū)域?yàn)榻邮諜C(jī)靈敏度，這是接收機(jī)正確處理鏈路信息時的最小信號電平。當(dāng)由通路(自由空間或平地模型)接收到的信號電平等于該靈敏度值時，輸入的距離表示最大鏈路范圍。根據(jù)需要調(diào)節(jié)該范圍，使接收信號電平與靈敏度保持一致。
17、為確定輸入該區(qū)域的靈敏度數(shù)值，使用鏈路預(yù)算表中的接收機(jī)靈敏度計算功能，或者從鏈路圖的最大RX表中選擇一個數(shù)值。計算接收機(jī)靈敏度和SNR所需的三個輸入?yún)?shù)為噪聲系數(shù)、接收帶寬和工作溫度。

例1：遠(yuǎn)端門禁(RKE)控制鏈路

圖1所示為針對315MHz RKE控制鏈路的鏈路預(yù)算表；圖2和圖3為地面多徑表在給定Tx和Rx高度時的鏈路損耗與距離關(guān)系圖，隨后將討論這些表格的含義。

圖1. 315MHz RKE控制鏈路的鏈路預(yù)算表

圖2. 地面多徑表，顯示RKE控制鏈路中，平坦地面損耗與Tx和Rx高度的關(guān)系

RKE示例考察與分析

上述鏈路預(yù)算表中的輸入數(shù)據(jù)針對RKE應(yīng)用，Tx和Rx具有非常低的天線增益(-15dB)，發(fā)射功率只有+10dBm甚至更低。只有鑰匙大小的天線，尺寸不會超過1in × 1in (40mm × 40mm)，與950mm的波長相比非常小，所以，天線的效率非常低。接收天線的尺寸可以稍大一些，但通常位于車的內(nèi)部或儀表盤的后方，會受到遮擋或屏蔽。為了節(jié)省電池功耗、滿足FCC對天線輻射功率的限制條件，發(fā)射功率一般在+10dBm左右。最大值通常是在距離發(fā)射器3米遠(yuǎn)處測得的峰值場強(qiáng)。如果發(fā)射器保持足夠低的發(fā)射占空比，通常測到的數(shù)據(jù)是60mV/m (等效于天線的+0.4dBm的輻射功率)。

地面多徑表中需要輸入的數(shù)據(jù)包括發(fā)射器和接收器的高度，由此確定地面反射的影響。上述示例中，假設(shè)發(fā)送器和接收器的高度為1m，一般是人手握鑰匙的位置，接收器的高度則是車載接收器的典型位置。

在表格中輸入以上數(shù)據(jù)后，考慮到-114dBm的接收靈敏度，可以估算出空曠區(qū)域的傳輸距離近似為175米。這一結(jié)果可以通過更改鏈路預(yù)算表中的“Distance”數(shù)值，直到接收功率近似等于接收靈敏度得到。

例2：室內(nèi)自動監(jiān)測傳感器和鍵盤控制

圖4所示是針對433.92MHz家庭自動化應(yīng)用鏈路得到的鏈路預(yù)算表，圖5和圖6所示為地面多徑表在給定Tx、Rx高度時的無線鏈路損耗與距離的關(guān)系。該鏈路通常是室內(nèi)安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器與墻上鍵盤控制盒之間的距離，也可以是遠(yuǎn)端調(diào)溫器或亮度調(diào)節(jié)裝置的信號傳輸鏈路。這類應(yīng)用與RKE控制鏈路不同的是，需要考慮障礙物衰減和多徑損耗，由于在通信鏈路產(chǎn)生較大衰減，而縮短了傳輸距離。另一方面，由于可以使用尺寸略大的天線，收發(fā)器也可安裝在較高位置，所以可以得到高效的天線功率輻射。但總體來講，這種應(yīng)用場合的傳輸距離要近一些。

圖5. 地面多徑表，顯示家庭自動化鏈路中，平坦地面損耗與Tx和Rx高度的關(guān)系

圖6. 家庭自動化控制鏈路中，平坦地面損耗與傳輸距離的關(guān)系

家庭自動化示例考察與分析

鏈路預(yù)算表中的輸入數(shù)據(jù)針對于家庭自動化應(yīng)用，Tx天線增益為-10dB，Rx天線增益為-5dB，發(fā)射功率為+10dBm。遠(yuǎn)端Tx天線尺寸取決于傳感器的封裝限制，但通常會比汽車鑰匙大一些。此外，433MHz的波長小于315MHz的波長，因此，家庭自動化應(yīng)用中的天線增益會大于RKE應(yīng)用，但天線的功率輻射效率仍然較低。由于接收器機(jī)殼通常安裝在墻壁上，可以占用較大的空間，所以，多數(shù)情況下接收器的天線尺寸可以做得很大，但一般不超過四分之一波長(17.5cm或7in)。這種情況下，接收器天線的增益仍小于0dB。為了節(jié)省電池功耗(有些發(fā)射器可能采用“室內(nèi)電源”供電)、滿足FCC對天線輻射功率的限制條件，發(fā)射功率一般在+10dBm左右。最大值通常是在距離發(fā)射器3米遠(yuǎn)處測得的峰值場強(qiáng)，433MHz下的峰值高于315MHz下的峰值。如果發(fā)射器保持足夠低的發(fā)射占空比，通常測到的數(shù)據(jù)是110mV/m，產(chǎn)生該場強(qiáng)需要的功率為+5.6dBm。在上述兩個應(yīng)用實(shí)例中(家庭自動化和RKE)，輸入到表格中的發(fā)射功率遠(yuǎn)低于FCC限制的功率，因?yàn)樘炀€尺寸較小，而且輻射效率較低。在允許使用大尺寸天線的前提下，可有效延長通信距離。

地面多徑表中需要輸入的數(shù)據(jù)包括發(fā)射器和接收器的高度，由此確定地面反射的影響。上述示例中，假設(shè)發(fā)送器和接收器的高度為1.5m，即使在高度上比RKE增加了一點(diǎn)(分別為1.5m和1m)，也有助于提高傳輸距離，這是由于地面反射產(chǎn)生的鏈路衰減幾乎與天線高度的平方成反比。實(shí)際應(yīng)用中，收發(fā)器在不同場合下所放置的高度可能不同。例如，有些傳感器安裝在天花板上，此時需要增大表格中的高度數(shù)值。

室內(nèi)環(huán)境下增加了多徑損耗(室內(nèi)或樓宇內(nèi)部的目標(biāo)反射)和障礙物(墻壁和天花板)的衰減。多徑損耗估算為25dB，傳輸過程中需要穿過3堵墻壁(10.2dB阻擋損耗)。

在表格中輸入相關(guān)條件下的數(shù)據(jù)后，考慮到-114dBm的接收靈敏度，可以估算出空曠區(qū)域的傳輸距離近似為80米。這一結(jié)果可以通過更改鏈路預(yù)算表中的“Distance”數(shù)值，直到接收功率近似等于接收靈敏度得到。由此可以看出多徑衰減和障礙物對室內(nèi)通信鏈路的影響。