丢失的链路 - 如何通过简单的链路预算分析对在室内和室外环境中使用sub-GHz模块的无线传输进行评估

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Microchip Technology Inc.
无线产品部
Pradeep Shamanna

在家庭、楼宇和工业应用市场,短距离无线尤其是sub-GHz(低于1 GHz)频带的无线应用日益普及。这意味着系统设计人员需要了解所涉及的方法、估算、成本和权衡。除了距离估算公式,最好还要了解与sub-GHz相关的无线信道和传播环境。

通常,射频(RF)和无线工程师会在开始RF设计之前进行链路预算。链路预算要考虑距离、发射功率、接收器灵敏度、天线增益、频率、可靠性、传播介质(其中包括与电磁波反射、衍射、散射相关的物理学原理)和环境等因素,以便计算sub-GHz RF射频链路的性能。

在从简单的点对点连接到更大的网状网络等任何低数据速率系统中,Sub-GHz无线网络都可以实现高成本效益,其中长距离、可靠的射频链路和延长的电池寿命是其显著优势。更高其合规的输出功率、降低的能量吸收、较少的频谱污染和窄带运行都能提高传输距离。而改进的信号传播、优秀的电路设计以及更低的内存使用均可以减少电量消耗,从而延长电池寿命。

一般来说,sub-GHz信道属于免许可证ISM(工业、科学和医疗)频带的一部分。sub-GHz节点通常针对低成本系统,与高级无线系统相比,每个节点可减少成本约30〜40%,同时它们的协议栈所需要的存储空间也更少。许多协议都占用这一个频带,例如基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee(目前在868和900 MHz频带提供2.4 GHz和sub-GHz版本的唯一协议)、自动化协议、无绳电话、无线Modbus、遥控门禁(RKE)、轮胎压力监测系统和大量专有协议(包括MiWi)。然而,在sub-GHz ISM频带运行会导致与使用同一频谱的其它协议之间的射频干扰,包括来自移动电话、授权无绳电话等的威胁。

链路预算
链路预算是对从发射器(TX)通过介质(自由空间)到接收器(RX)的整个无线通信系统中所有增益和损耗的核算。链路预算考虑的是决定到达接收器信号强度的各个参数。为了进行链路预算的分析和估算,还必须测定包括天线增益水平、射频发射功率水平和接收器灵敏度数据等在内的因素。

同时还应考虑天线类型和尺寸以及其它包括要求的距离、可用的带宽、数据速率、协议、干扰和互操作性在内的次要因素。虽然接收器灵敏度不在链路预算的考虑范围之内,但是还需要阈值来决定接收信号能力。

简单链路预算公式为:接收功率(dBm)等于发射功率(dBm)与增益(dB)和损耗(dB)差之和。借助链路预算评估,就有可能在预期成本范围内设计出一个即满足要求又实现功能性的系统。某些损耗可能会随着时间而变化。例如,数字系统的误码率(BER)会随时间增加;而模拟系统的信噪比(SNR)会随时间降低。

测试要求
我们可以使用基于Microchip MRF89XA模块和MRF49XA sub-GHz收发器的PICtail™板来进行性能测量。MRF89XA模块已获FCC、ETSI和IC认证。不同于其它嵌入式sub-GHz模块,它们提供各种合规和经过模块化认证的PCB天线(蛇形)。PICtail板基于导线型天线,用于不同的频率,这些天线通常安装在开发板或子板上。

PIC®单片机与收发器模块之间的硬件接口通常被称为无线节点,如图1和图2所示。无线节点可以通过组合PIC MCU开发板和PICtail子板来实现。

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图 1:单片机与MRF89XA模块之间的接口;无线和RF节点图


距离和性能实验需要至少两个无线节点以便用于测试。测量装置使用两块开发板中的任意一块,为了简单起见,它们都带有相同的sub-GHz模块。或者,可以基于应用将这些模块组合起来用于测量和分析。

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图2:单片机与MRF49XA收发器和PICtail卡之间的接口;无线和RF节点图


测量环境
工作环境对波的传播影响很大。距离测试应在各种室内和室外环境中进行,以获取对模块性能的基本了解。选择测试环境时要考虑平坦和不平坦地形中的无障碍路径和有障碍路径。

测量还基于PCB天线方向(垂直或水平)、sub-GHz模块的输出功率(最大或默认)、功率放大器或低噪声放大器(启用或禁用值)、天线(PCB、导线或标准)偶极子类型,以及天线(蛇形、导线、鞭状或偶极子)。

影响室内测量的因素包括办公设备和附近是否有Wi-Fi®、蓝牙或微波信号。混凝土结构、墙壁、附近的玻璃、木材和金属都可以产生影响。

对于距离测试而言,主要的区别因素是模块安装、天线方向和恒定电池电源。

图3展示的是天线在基板上的垂直安装。垂直安装为仰角波瓣和平面;水平安装为方位角波瓣和平面。

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图3: PICtail™板的垂直安装


天线采用垂直安装还是水平安装方式取决于达到的有效输出功率、应用空间需求和限制,比如具有一个基于中心基波频率的强大主瓣和基于其第三次谐波频率的副瓣。若要降低射频频率,天线尺寸应相应按比例增加。导线天线的长度可以通过7500除以频率来换算得出(单位为厘米)。因此,433 MHz的频率就对应17.3 cm长的导线,而915 MHz的频率则对应8.2 cm长的导线。在天线导线尺寸不超过波长的四分之一时,这个公式都是成立的。

距离测量步骤
为了实施距离测量,首先将MiWi P2P演示代码编程至两个基于sub-GHz频带的RF和无线收发器节点。然后,在配置好特定工作信道后将一个RF节点放置在一根1.5到2m长的杆子上的支架上。这个无线节点默认处于接收模式。

将一个类似的RF节点放在另一个架子上,并设为相同的工作信道。其中一个节点保持静止不动,而另一个节点作为活动节点。对节点进行设置,以确保它们彼此连接。移动活动节点,并测试发射和接收。每隔1.5至3米的距离进行一次测量。

一旦获得临界点后,测量从发射器到接收器的实际和径向距离。在临界点位置,发射器和接收器通信时断时续。从临界点处返回约1.5米,再次检查通信是否稳定。距离测量方法如图4所示,距离值的增加随着各种变量的变化而变化,其中发射器模块的高度是最敏感的一个变量。

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图4:距离测量方法

数据包错误率(PER)测试分析两个无线节点之间的室内与室外的有效数据覆盖。PER测试装置类似于开放式现场测试装置。

两个设备之间的PER测试以单次迭代方式进行,数据包数量预先设定。根据ISM(IEEE 802.15.4)规范定义,每收发1000个数据包,PER值低于或等于1%的即视作可靠链路。PER测量的是一个设备接收信号时不会被其它频率的干扰信号所影响的能力。所需信号的PER必须低于1%,或者BER必须低于0.1%。如需要,PER测试可以通过增加数据包之间的延迟来进行。

BER的测量是通过无线节点发送数据,然后对输出和输入进行比较进行的。在极长的一段时间里,数据传输通常都被假设成为一个随机的过程。因此,BER测试使用了伪随机数据序列。称它为“伪”随机是因为真正随机的信号是无法使用确定性的(运算的)方法来产生的,但是存在少量近似随机的行为可以进行精确的BER测量。调制模式提供了低信噪比时良好的BER性能。然而,还没有一种简单的测试方法可以实现BER的直接测量。公认的一种简单方法就是基于PER来计算BER。测量PER和BER的装置类似于距离测量装置。

灵敏度测试装置用于获取灵敏度极限的指征。接收器的输入功率水平借助衰减器不断降低,直到PER低于1%,此时就无需继续测量接收器的PER了。该测试装置包含两个sub-GHz模块,见图5。

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图5:灵敏度测试装置

Sub-GHz发射模块通过一个电子衰减器与接收模块连接。两个模块使用USB线缆或通过RS232串行端口连接到PC。PC使用驱动程序实用软件来执行带有PER测试脚本的测试工具。所有的PER测试都是在没有重发的情况下进行的。PER灵敏度测试使得用户可以自由增加两个节点之间的距离,查明在跨信道补偿存在的情况下能将PER保持在低于1%的水平的最大通信距离。

结论
Sub-GHz射频可以创建相对简单的无线产品,这些产品单凭电池电源可以不间断运行长达20年。

在任何低数据速率系统中,Sub-GHz无线网络都可以实现高成本效益,其中长距离、可靠的射频链路和延长的电池寿命是其显著优势。更高且合规的输出功率、降低的能量吸收、较少的频谱污染和窄带运行都能提高传输距离。更佳的电路效率、改进的信号传播以及占用更少的存储空间可以使电池供电运行时间达数年之久。

Sub-GHz射频的窄带运行可以确保传输距离达到一公里甚至更远。这使得sub-GHz节点可以和远距离的集线器进行直接通信而无需从一个节点跳转到另一个节点。成就Sub-GHz长距离性能的主要原因为较低的衰减率和较少的信号减弱,以及帮助sub-GHz信号绕过障碍物从而减轻阻塞效应的衍射等影响。

建议专有低占空比链路使用sub-GHz ISM频带,这样它们不会互相干扰。低噪声频谱意味着传输更容易,重试次数也更少,这不仅提高了效率,还节省了电池电量。

电源效率和系统距离二者随着接收器灵敏度和发射频率的变化而变化。灵敏度和信道带宽是成反比的,带宽更窄时接收器灵敏度就更高,这就在传输速率较低时保障了运行的高效。例如在433 MHz时,如果发射器和接收器晶振误差均为10 ppm,那么它们各自的误差即为4.33 kHz。对于需要确保收发高效性的应用而言,信道带宽至少要达到误差率的两倍,或8 kHz,哪一个对窄带应用更为理想就选择哪一个。

对于城市环境,使用12分贝是一个很好的经验法则,可以满足在加倍延长传输距离时所需增加的链路预算。为了增加传输距离,接收器灵敏度是整个系统中必须第一个进行优化的变量。系统中的其它变量也会被传输距离产生影响,但它们必须做出数倍的改变才能达到和改变接收器灵敏度一样的效果。

由于多路造成的信号衰减可使得信号强度减小超过30到40 dB,因此我们强烈建议在设计无线系统时,链路预算应将足够的链路余量考虑进去以补偿这种损耗。

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