我們生活在一個無線世界中，從我們的短程無線電玩具到我們的車庫開門器，它們成為我們自己的個人物聯(lián)網(wǎng)，環(huán)繞著我們整個家。這些無線電工具和玩具通過短距離無線發(fā)射器和接收器連接我們的生活。這些應(yīng)用中的每一個都為無線電設(shè)計(jì)人員帶來了挑戰(zhàn)，從最大化連接距離到應(yīng)對 Wi-Fi 或藍(lán)牙監(jiān)管叢林(圖 1)。

圖 1：無線家庭或樓宇系統(tǒng)在與所有功能通信時變成了無線電叢林。

免許可的超高頻(UHF) sub-GHz 短程設(shè)備 (SRD) 是這些無線家庭鏈路的重要組成部分。為了與社區(qū)保持同步，家庭中的 SRD 數(shù)量正在迅速增加。然而，SRD 家庭系統(tǒng)遇到與其通信范圍相關(guān)的幾個挑戰(zhàn)，例如正確考慮平地/多路徑傳輸現(xiàn)象、發(fā)射器功率和接收器靈敏度。

本文重點(diǎn)介紹 SRD 傳輸模塊，提供有用的環(huán)境傳輸見解和提高傳輸功率的技術(shù)，以及降低電源電流的技巧。

UHF sub-GHz SRD 網(wǎng)絡(luò)

短距離無線電設(shè)備可以是單向或雙向無線電發(fā)射器。SRD 發(fā)射器和接收器的頻段通常在 sub-GHz 范圍內(nèi)，低于競爭無線監(jiān)管技術(shù)的頻段，例如 Wi-Fi(900 MHz、2.4 GHz、5.9 GHz 等)和藍(lán)牙(2.4 GHz 至 2.4835)赫茲)。

SRD 一詞適用于設(shè)計(jì)用于在 100 m 的合理距離上運(yùn)行的低功率、sub-GHz 無線電設(shè)備。一個簡單的 SRD 系統(tǒng)，例如車庫開門器，由一個發(fā)送到接收的單通道組成，兩側(cè)帶有智能和電源(圖 2)。

圖 2：SRD 框圖包含一個射頻發(fā)射器和接收器。

在圖 2中，發(fā)射器和接收器之間的通信通過一個簡單的按鈕或開關(guān)傳遞信息。圖 2 的底部顯示了一個 SRD 發(fā)射器塊，它具有射頻 (RF) 發(fā)射器、微控制器、按鈕或開關(guān)以及紐扣電池。圖 2 的上半部分顯示了 SRD 的接收器模塊，該模塊具有 RF 接收器、帶命令模塊的微控制器和電源模塊。

在圖 2所示的系統(tǒng)中，發(fā)射器模塊(底部)由電池供電，需要低功率組件來支持紐扣電池的使用壽命，同時仍允許射頻發(fā)射器發(fā)送足夠強(qiáng)的信號以在所需距離內(nèi)保持鏈路。

SRD 通信鏈路

SRD 傳輸通道位于地面，與遠(yuǎn)程、開放空間傳輸不同。因此，在典型的 SRD 傳輸中需要考慮兩條信號路徑(圖 3)。

圖 3：平地多徑圖形傳輸動力學(xué)。

在圖 3中，發(fā)射器從發(fā)射器天線 (TX) 開始向接收器發(fā)送信號。到接收天線 (RX) 的主要路徑是信號傳播距離等于 d2(藍(lán)線)或 R 的直接路徑。

等式 1 和 2(Friis 計(jì)算)有助于確定直接路徑傳輸余量。

等式 1 計(jì)算信號傳輸功率。請注意，接收器的功率下降了 1/d2 2倍。

在 100 米傳輸路徑上使用 434 MHz 信號時，發(fā)射器到接收器的路徑衰減為 –62 dB。

通過平地多路徑或接地反射路徑生成輔助信號路徑。該距離等于 d3 + d4，除了額外距離造成的微小相位變化外，地面反射還會導(dǎo)致 180° 相位反轉(zhuǎn)。多徑信號的損耗進(jìn)一步降低了接收器看到的信號的整體傳輸功率。

應(yīng)用筆記“ ISM-RF 產(chǎn)品的無線電鏈路預(yù)算計(jì)算”中強(qiáng)調(diào)的鏈路預(yù)算電子表格 (下載)提供了這種多徑信號損耗的可靠計(jì)算。

傳輸損耗

SRD 通信范圍的改進(jìn)可以通過改變發(fā)射器和接收器以及改進(jìn)天線設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。信號衰減是通過錯誤的硬件連接、設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)奶炀€、直接路徑通道或物理結(jié)構(gòu)的障礙物發(fā)生的。圖 4說明了 100 米傳輸信道的完整 433.92 兆赫鏈路預(yù)算。

圖 4. 100 m 處的典型 SRD 433.92-MHz 鏈路預(yù)算，提供 –110 dBm 有效靈敏度。

在圖 4中，在家庭 SRD 應(yīng)用的 100 米距離上以 434 MHz 頻率傳輸?shù)墓I(yè)、科學(xué)和醫(yī)療無線電頻段 (ISM) 信號功率具有 –65 dB 的直接路徑衰減。鏈路預(yù)算計(jì)算中包含的 RF 環(huán)境 SRD 變量是發(fā)射機(jī)功率 (TX)、發(fā)射機(jī)天線增益 (TX_Ant)、直接路徑衰減 (DP)、多路徑衰減 (MP)、障礙物衰減 (OB)、接收機(jī)天線增益 (RX_Ant) 和接收器余量 (RX_SNR)。

從圖 4中的發(fā)射機(jī)開始，發(fā)射機(jī)的功率放大器具有 10 dBm 的輸出。然后信號通過天線 (TX_Ant) 傳播，導(dǎo)致信號衰減 –17 dBi。信號通過兩條路徑穿過通道，直接路徑 (DP) 信號占 65 dB 的衰減，多路徑 (MP) 路徑導(dǎo)致額外的 18 dB 衰減。物理障礙物會從信號中吸收另外 13 dB 的功率。到達(dá)接收器模塊后，RX 天線 (RX_Ant) 會造成 6-dB 的損耗，從而導(dǎo)致總接收信號強(qiáng)度為 –109 dBm。

當(dāng)使用指定靈敏度級別為 –110 dBm 的接收器時，此系統(tǒng)配置在嘗試解碼傳輸信號時僅提供 1 dB 余量 (RX_SNR)。在本例中，TX_Ant 和 RX_Ant 值包括連接濾波、損耗和阻抗匹配誤差。

接收信號強(qiáng)度 (RSS) 可以通過從原始發(fā)射功率中減去每個元素的損耗來計(jì)算(公式 3)。

計(jì)算出的 RSS 與接收器的有效靈敏度之間的差異是余量，即 RX_SNR。

此計(jì)算中經(jīng)常被忽視的變量是平地多路徑和物理障礙物，例如磚墻和內(nèi)墻。在前面的討論中，平地多路徑和物理障礙物都存在。從圖4可以看出，發(fā)射信號中只剩下極少量的RSS，容易受到噪聲干擾。

從理論角度來看，鏈路預(yù)算電子表格及其相關(guān)應(yīng)用說明“ ISM-RF 產(chǎn)品的無線電鏈路預(yù)算計(jì)算”是了解和計(jì)算 SRD 信道評估的良好起點(diǎn)。正如無線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員會發(fā)現(xiàn)的那樣，這個 SRD 系統(tǒng)預(yù)算計(jì)算器有助于確定幾個有用的權(quán)衡，例如接收器靈敏度與估計(jì)范圍。

交易技巧

通過更高功率的發(fā)射器 (TX) 輸出、更好的天線(TX_Ant、RX_Ant)和更好的接收器 (RX) 靈敏度，可以增強(qiáng)該系統(tǒng)提供的無線范圍。

更高功率的發(fā)射器： 更高功率的發(fā)射器可以有效地在接收器處轉(zhuǎn)換成更多的分貝。通常，這種 TX 功率的增加轉(zhuǎn)化為需要來自發(fā)射器電源或電池的更多電流。反過來，增加的電流會縮短電池壽命或使用更大的電池增加遠(yuǎn)程封裝尺寸。例如，MAX41460-MAX41464 系列發(fā)射器與傳統(tǒng)發(fā)射器相比可提供額外 6 dB 的輸出功率，而不會影響器件的電源要求。

MAX4146x 系列器件包括高輸出功率、低電流發(fā)射器，發(fā)射功率高達(dá) 16 dBm，采用 3 V 紐扣電池供電。這是在將 ASK 調(diào)制(434 MHz，3.0 V)的電源電流保持在 12 mA 以下和 FSK 調(diào)制(434 MHz，3.0 V)的電源電流保持在 12 mA 以下的同時實(shí)現(xiàn)的，這對功率預(yù)算幾乎沒有影響。這些器件通過高功率匹配或使用電流通常低于 45 mA 的“升壓模式”提供超過 16-dBm 的輸出功率。

這些發(fā)射器允許超過 30 m 的額外范圍，而不會對電池供電系統(tǒng)造成任何損失。通過使用優(yōu)化的高功率匹配和/或升壓模式操作，可以實(shí)現(xiàn)多達(dá) 60 m 的附加范圍。

更好的天線： 更好的天線設(shè)計(jì)通常涉及更大的天線尺寸。常見的 SRD 工作頻率為 315 MHz、434 MHz 或 868 MHz/915 MHz。對于這些頻率，天線的理想長度應(yīng)為 1/4 波長天線，相當(dāng)于 23.8 厘米、17.9 厘米或 8.6 厘米/8.2 厘米(含)。對于小尺寸、電池供電的發(fā)射器，這些長度在視覺上都沒有吸引力或?qū)嵱眯?，因此設(shè)計(jì)最終得到的發(fā)射器天線比理想的要小但“足夠好”。

在接收端，可以為更大的天線尺寸找到空間。同樣，對于全向 1/4 波長單極天線(PCB 走線環(huán)路或彎曲單極天線)，存在信號增益而非衰減的潛力。改變接收天線可以將圖 4 中的信號功率從 –6 分貝提高到 1 分貝或更高。

更好的 RX 靈敏度： 接收機(jī)靈敏度的提高直接提高了系統(tǒng)的 SNR 或鏈路余量。RX 靈敏度從 –110 dBm 到 –115 dBm 的變化直接提供了額外的 5 dB SNR。這種提高靈敏度的折衷通常是以增加電源電流為代價的。更敏感的 SRD 接收器通常也會影響解決方案的成本。

總體而言，增加 SRD 系統(tǒng)范圍的最佳選擇取決于設(shè)計(jì)時間、物料清單 (BOM) 成本和功率預(yù)算。這些考慮指向使用更高輸出功率的發(fā)射器。

圖 5 顯示了改進(jìn)的 433.92-MHz SRD 系統(tǒng)，通過實(shí)施所有這些建議的改進(jìn)獲得了更好的鏈路余量 (SNR)。

圖 5. 100 m 處的典型 SRD 433.92-MHz 鏈路預(yù)算提供 –116-dBm 的有效靈敏度。

圖 4 和圖 5 之間的區(qū)別在于使用 16-dBm 與 10-dBm 發(fā)射器，這不僅提供了 TX_Ant 衰減從 –17 dBi 到 –15 dBi 的改進(jìn)，而且 RX_Ant 從 –6 改進(jìn)dBi 至 –5 dBi，接收機(jī)靈敏度從 –110 dBm 提高至 –116 dBm。所有這些改進(jìn)都將 SNR 從 1 dB 提高到 16 dB。

結(jié)論

SRD 出現(xiàn)在各種需要短距離和低功率數(shù)據(jù)傳輸通道的應(yīng)用中。在許多情況下，Wi-Fi 或 Zigbee 等現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)并不適用，主要是因?yàn)殡娫措娏饕?。這些設(shè)計(jì)約束為使用 SRD 開辟了道路。本文展示了如何使用高增益、低功率射頻發(fā)射器來最大化傳輸范圍。

審核編輯：湯梓紅