Austin Harney 和 Conor O'Mahony

短程設(shè)備（SRD）一詞旨在涵蓋提供單向或雙向通信且對(duì)其他無(wú)線電設(shè)備造成干擾的能力很小的無(wú)線電發(fā)射機(jī)。人們無(wú)法列出SRD的所有應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兲峁┝嗽S多不同的服務(wù)。他們更受歡迎的應(yīng)用包括：

家庭或其他樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制

無(wú)線傳感器系統(tǒng)

警報(bào)

汽車，包括遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入和遠(yuǎn)程汽車啟動(dòng)

無(wú)線語(yǔ)音和視頻

SRD無(wú)線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員在選擇無(wú)線電的通信頻率時(shí)需要格外小心。在大多數(shù)情況下，選擇僅限于頻譜中允許免許可操作的部分，因?yàn)闈M足某些使用規(guī)范和條件。表I列出了全球可用的頻段。

表 I. 全球 SRD 頻率分配

2.4 GHz頻段被希望構(gòu)建可在全球范圍內(nèi)運(yùn)行的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員廣泛使用。事實(shí)上，它已成為藍(lán)牙、WLAN 和 ZigBee 等標(biāo)準(zhǔn)的首選頻段。5.8 GHz頻段也引起了一些關(guān)注，例如無(wú)繩電話或802.11a版本的WLAN。

然而，對(duì)于需要更寬范圍和更低功率的系統(tǒng)，由于共存問(wèn)題減少和傳輸范圍擴(kuò)大，低于1 GHz頻段仍然引人注目，因?yàn)檫@兩者都會(huì)影響功耗 - 這是電池供電應(yīng)用中的一個(gè)重要考慮因素。

低頻輻射器傳播范圍的改善可以通過(guò)弗里斯傳輸方程的簡(jiǎn)化版本來(lái)顯示，該方程涉及接收天線中的可用功率，Pr，傳送到發(fā)射天線的功率，Pt:

該公式假設(shè)兩個(gè)天線都有單位增益。它表明，對(duì)于固定的發(fā)射功率，Pt，接收功率將隨距離的平方d和頻率的平方f而減?。ɑ螂S波長(zhǎng)平方λ的增加而增加）。如果接收功率低于正確解調(diào)信號(hào)所需的最小功率（稱為靈敏度點(diǎn)），鏈路將發(fā)生故障。

低于 1 GHz 的全球頻率分配

表 II 給出了各種 sub-1 GHz 標(biāo)準(zhǔn)的更詳細(xì)描述。這不是一個(gè)詳盡的列表，但可以通過(guò)表中提供的鏈接找到更多詳細(xì)信息。

表二.一些常見(jiàn)的區(qū)域 SRD 頻段

433 MHz頻段是全球使用的一種選擇，日本需要稍作頻率修改（大多數(shù)現(xiàn)代頻率靈活的收發(fā)器都可以輕松處理，例如ADF7020（如下圖1所示）或ADF7021）。然而，可用的帶寬小于2 MHz，并且該頻段通常不允許語(yǔ)音，視頻，音頻和連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用，從而限制了其使用。因此，它更常用于無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)和基本遙控。

圖1.ADF7020 SRD收發(fā)器的框圖

868 MHz（歐洲）和 902 MHz 至 928 MHz（美國(guó)）周圍的頻段更有用;它們不限制應(yīng)用，并且允許更緊湊的天線實(shí)現(xiàn)。其他地區(qū)，如澳大利亞和加拿大，已經(jīng)采用了這些規(guī)范的版本，從而使頻段成為多區(qū)域頻段，盡管不是完全全球化的。

然而，在最新的EN 300 220規(guī)范之前，美國(guó)和歐洲機(jī)構(gòu)采取了截然不同的監(jiān)管方法。美國(guó)采用跳頻方法，而歐洲則在ERC REC-70文件中描述的每個(gè)子頻段中應(yīng)用占空比限制。這兩種實(shí)現(xiàn)都有助于最大限度地減少干擾，但為這兩個(gè)區(qū)域設(shè)計(jì)系統(tǒng)的制造商需要完全重寫系統(tǒng)通信協(xié)議中的媒體訪問(wèn)層（MAC）。

幸運(yùn)的是，最新的歐洲EN 300 220法規(guī)（將于2006年<>月發(fā)布）擴(kuò)展了頻段，以允許跳頻擴(kuò)頻（FHSS）或直接序列擴(kuò)頻（DSSS）。這使得MAC實(shí)現(xiàn)更類似于為美國(guó)設(shè)計(jì)的MAC實(shí)現(xiàn)，但仍需要進(jìn)行一些微調(diào)。以下各節(jié)介紹新規(guī)范的某些方面，涵蓋 SRD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要考慮的領(lǐng)域。

跳頻系統(tǒng)

跳頻擴(kuò)頻（FHSS）傳輸技術(shù)通過(guò)將頻譜劃分為多個(gè)通道，以偽隨機(jī)序列或“跳頻碼”在它們之間切換，從而在時(shí)域中傳播能量，接收器和發(fā)射器都知道。為了歡迎新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，控制器節(jié)點(diǎn)會(huì)定期發(fā)出信標(biāo)信號(hào)，新節(jié)點(diǎn)可以同步到該信號(hào)。同步時(shí)間取決于信標(biāo)間隔和跳頻通道數(shù)。美國(guó)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了相似數(shù)量的跳頻通道，最大停留時(shí)間（在任何單跳期間在特定頻率上花費(fèi)的時(shí)間）為 400 毫秒。

表III顯示了使用FHSS時(shí)歐洲擴(kuò)展頻段（低于870 MHz）的信道數(shù)量、有效輻射功率（ERP）和占空比要求。與之前可用的 7 MHz 范圍相比，一旦滿足先聽(tīng)后說(shuō) （LBT） 或占空比限制，可提供高達(dá) 2 MHz 的帶寬。

表三.歐洲渠道要求

先聽(tīng)后說(shuō)是一種“禮貌”通信協(xié)議，在開(kāi)始傳輸之前掃描信道的活動(dòng)。也稱為清晰信道評(píng)估（CCA），將其與跳頻一起使用的系統(tǒng)沒(méi)有占空比限制。

寬帶調(diào)制：DSSS

除FHSS外，歐洲新法規(guī)還涉及直接序列擴(kuò)頻（DSSS）。在DSSS系統(tǒng)中，窄帶信號(hào)乘以高速偽隨機(jī)數(shù)（PRN）序列以產(chǎn)生擴(kuò)頻信號(hào)。每個(gè)PRN脈沖稱為“芯片”，序列的速率稱為“芯片速率”。原始窄帶信號(hào)的傳播程度稱為處理增益;它是芯片速率（Rc）到窄帶數(shù)據(jù)符號(hào)速率。FHSS和DSSS的頻譜在圖2中進(jìn)行了比較。

圖2.FHSS和DSSS的頻譜。

在接收器處，輸入的擴(kuò)頻信號(hào)與相同的PRN碼相乘以去擴(kuò)頻信號(hào)，從而提取原始窄帶信號(hào)。同時(shí)，接收器上的任何窄帶干擾源都會(huì)擴(kuò)散，在解調(diào)器看來(lái)是寬帶噪聲。為系統(tǒng)中的每個(gè)用戶分配不同的PRN碼允許在同一頻段的用戶之間進(jìn)行隔離。這稱為碼分多址 （CDMA）。

使用DSSS調(diào)制的系統(tǒng)的一些示例包括IEEE 802.15.4（WPAN），IEEE 802.11（WLAN）和GPS。DSSS的主要優(yōu)點(diǎn)是：

抗干擾能力 – DSSS 抗干擾能力的本質(zhì)是有用信號(hào)乘以 PRN 代碼兩次（擴(kuò)增和去擴(kuò)增），而任何干擾源僅乘以一次（擴(kuò)增）。

低功率頻譜密度 – 對(duì)現(xiàn)有窄帶系統(tǒng)的干擾最小。

安全性 – 由于擴(kuò)散/分散，非常抗干擾。

緩解多路徑效應(yīng)

除DSSS或FHSS以外的寬帶調(diào)制。

歐洲新法規(guī)的一個(gè)有趣方面是，除了FHSS和DSSS之外，它們還提供了其他寬帶擴(kuò)頻調(diào)制方案。FSK/GFSK（高斯頻移鍵控）調(diào)制，占用帶寬大于200 kHz，根據(jù)歐洲法規(guī)被視為寬帶調(diào)制。表IV突出顯示了適用于歐洲寬帶調(diào)制方案（包括DSSS）的主要規(guī)格：

表四.擴(kuò)頻調(diào)制（FHSS）和寬帶調(diào)制的最大輻射功率密度、帶寬和占空比限制

利用FSK調(diào)制的寬帶標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)示例是ISM頻段收發(fā)器ADF7025。要在 865 MHz 至 870MHz 子頻段內(nèi)工作，設(shè)計(jì)必須符合最大占用帶寬 （99%） 和最大功率密度限制。還規(guī)定了–36 dBm的通道邊沿（或頻段）最大功率限制。

如表V所示設(shè)置ADF7025時(shí)，滿足所有三個(gè)限值。圖3顯示占用帶寬為1.7569 MHz，峰值頻譜密度為–1.41 dBm/100 kHz。

圖3.ADF7025寬帶調(diào)制實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（a）FSK調(diào)制信號(hào)，99%占用帶寬測(cè)量，（b）放大視圖（a）測(cè)量最大功率譜密度。

表 V. ADF7025 寬帶參數(shù)

ADF7025采用寬帶調(diào)制，可實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率（本例中為384 kbps），允許在低于1 GHz的歐洲ISM頻段內(nèi)傳輸音頻和中等質(zhì)量視頻（每秒幾幀）。

美國(guó)法規(guī)（FCC 第 15.247 部分）的分配與歐洲類似，它規(guī)定了在 902 MHz 至 928 MHz、2400 MHz 至 2483.5 MHz 和 5725 MHz 至 5850 MHz 頻段運(yùn)行的跳頻系統(tǒng)，同時(shí)還提供“數(shù)字調(diào)制”信號(hào)。這是一個(gè)松散的術(shù)語(yǔ)，涵蓋了擴(kuò)頻（DSSS）和其他更簡(jiǎn)單的調(diào)制形式（如FSK，GFSK），因此類似于歐洲法規(guī)中的“寬帶調(diào)制”規(guī)范。兩個(gè)主要要求是：

最小 6 dB 帶寬應(yīng)至少為 500 kHz。

對(duì)于數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，在任何連續(xù)傳輸?shù)臅r(shí)間間隔內(nèi)，從有意輻射器傳導(dǎo)到天線的功率譜密度在任何 8 kHz 頻段中不得大于 3 dBm。

任何希望使用FHSS以外系統(tǒng)的人通常都必須將場(chǎng)強(qiáng)限制在50 mV/m（–1.5 dBm ERP）。但在“數(shù)字調(diào)制”的情況下，一旦達(dá)到最大功率譜密度限制，最大輸出功率為1 W。因此，使用FSK頻率偏差足夠?qū)挼腁DF7025，以確保6 dB帶寬大于500 kHz，允許使用1 W ERP。此外，由于信號(hào)帶寬較寬，可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率（ADF384的最大數(shù)據(jù)速率為7025 kbps）。

ADF7025的同通道抑制在同信道范圍內(nèi)變化，范圍為–2 dB（最壞情況）至+24 dB，具體取決于干擾源的帶寬。這可以與市售的802.15.4 DSSS收發(fā)器進(jìn)行比較，后者的同信道抑制為–4 dB，其中干擾信號(hào)是IEEE 802.15.4調(diào)制信號(hào)。

使用這些方法，類似的寬帶調(diào)制系統(tǒng)現(xiàn)在可以在美國(guó)和歐洲使用，從而簡(jiǎn)化了面向全球市場(chǎng)的產(chǎn)品工程。ADF7025收發(fā)器架構(gòu)適合在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中定義的“數(shù)字調(diào)制”模式和新歐洲法規(guī)中定義的“寬帶調(diào)制”模式下工作。

瞬態(tài)功率要求

工程師還應(yīng)該了解歐洲法規(guī)中的一項(xiàng)新規(guī)范，該規(guī)范對(duì)瞬態(tài)功率施加了限制，瞬態(tài)功率定義為在正常工作期間打開(kāi)和關(guān)閉發(fā)射器時(shí)落入相鄰頻譜的功率。此限制已添加到最新法規(guī)中，以防止光譜飛濺。

當(dāng)流向功率放大器 （PA） 的電流增加（打開(kāi)）或減少（關(guān)閉）時(shí)，壓控振蕩器 （VCO） 看到的負(fù)載會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致鎖相環(huán) （PLL） 瞬間解鎖并產(chǎn)生雜散發(fā)射或頻譜飛濺，而環(huán)路則試圖重新獲取鎖。在單元僅間隔傳輸?shù)南到y(tǒng)中，飛濺可以顯著增加落入相鄰?fù)ǖ赖墓β省?/p>

圖4突出顯示了光譜飛濺的問(wèn)題。黃色跡線表示當(dāng)PA每7020 ms打開(kāi)和關(guān)閉一次，而頻譜分析儀保持最大保持狀態(tài)時(shí)，ADF100發(fā)射器的PA輸出頻譜。很明顯，巨大的功率正在落入載波兩側(cè)的通道中。藍(lán)色跡線顯示PA輸出每64 ms以100步斜坡打開(kāi)和關(guān)閉，并表示落入相鄰?fù)ǖ赖墓β蚀蠓档?。最新的EN 8 5法規(guī)的規(guī)范300.220規(guī)定了落入這些相鄰?fù)ǖ赖墓β柿康南拗啤?/p>

圖4.ADF7020輸出頻譜用于文中描述的測(cè)試。

測(cè)量過(guò)程要求變送器在最大輸出功率下打開(kāi)和關(guān)閉五次;并測(cè)量落入載波兩側(cè)的第二、第四和第十通道的功率。

確保符合此規(guī)范的最簡(jiǎn)單方法是使PA逐漸關(guān)閉或打開(kāi)到關(guān)閉。這通常是通過(guò)使用微控制器分階段打開(kāi)/關(guān)閉PA來(lái)實(shí)現(xiàn)的。使用ADF7020收發(fā)器，最多可以14步將PA從關(guān)斷步進(jìn)至+63 dBm。一種更快、更簡(jiǎn)單的方法是使用具有自動(dòng)PA斜坡的收發(fā)器。ADF7021具有可編程斜坡，用戶可以設(shè)置每個(gè)步驟的步數(shù)和持續(xù)時(shí)間。

通信協(xié)議注意事項(xiàng)

ADI公司目前正在更新ADIismLINK（2.0版）協(xié)議軟件，該軟件可與任何ADF702x收發(fā)器配合使用。該協(xié)議旨在用于全球sub-1 GHz頻段，并納入了新的歐洲法規(guī)。它基于圖 255 所示的星型網(wǎng)絡(luò)（最多 5 個(gè)端點(diǎn)）。

圖5.星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/strong>