如何擴(kuò)展低功耗RF設(shè)備通信距離

本文中，在遵守FCC有關(guān)開(kāi)放式 ISM 頻帶(915MHz 或 2.4GHz)通用單通道無(wú)線電設(shè)備規(guī)定的前提下，我們將討論優(yōu)化低功耗無(wú)線系統(tǒng)傳輸距離的一些方法。FCC規(guī)定，對(duì)于這些器件，基頻輸出功率不應(yīng)超出 -1.25dBm。如果需要額外增加鏈路裕量，則會(huì)簡(jiǎn)要介紹 FCC 規(guī)范要求。

典型低功耗無(wú)線鏈路

典型的低功耗無(wú)線鏈路由一個(gè)發(fā)送器件和一個(gè)或多個(gè)接收器件組成。發(fā)送器件由一個(gè)調(diào)制器、合成器、升頻混頻器和一個(gè)功率放大器(PA)組成。接收機(jī)由互逆器件、低噪聲放大器(LNA)、降頻混頻器、合成器和解調(diào)器組成。

圖 1：典型低功耗無(wú)線發(fā)送器(頂部)和接收器(底部)結(jié)構(gòu)圖。

這是低功耗無(wú)線設(shè)備在性能和功耗之間的一種折中方法。

外部放大器(不管是外部 LNA 還是外部 PA)添加到需要遠(yuǎn)距離通信的系統(tǒng)中以增加鏈路裕量。圖 1 給出了在接收端添加一個(gè)外部 LNA 來(lái)優(yōu)化無(wú)線鏈路裕量的方法。這樣即符合 FCC 規(guī)定，又可以在不增加發(fā)射端復(fù)雜性的情況下提升鏈路裕量。

低功耗無(wú)線鏈路的理論通信距離

無(wú)線鏈路通信距離的理論極限值由弗里斯(Friis)方程式?jīng)Q定(請(qǐng)參見(jiàn)式1)：

通信距離=天線距離(米)。

弗里斯方程式定義了無(wú)線鏈路的理論極限。然而，在所有現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，實(shí)際鏈路做不到如此。

例如，如果使用弗里斯方程式計(jì)算一個(gè)2.45GHz 無(wú)線鏈路的最大通信距離，其發(fā)射功率為-1.25dBm，接收靈敏度為-100dBm 以及兩個(gè)天線增的益都是2.14dBi。需要注意的是，2.14dBi 是偶極天線的理論增益，而考慮損耗時(shí)一般達(dá)不到這一值。

然而，如果您想在真實(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)這些結(jié)果，您會(huì)很快發(fā)現(xiàn)這是不切實(shí)際的。主要原因是，自由空間輻射的假設(shè)并不適用于地面系統(tǒng)。就一些可視距離應(yīng)用而言，100-200 米距離的無(wú)線鏈路應(yīng)用效果較好，而典型多路徑環(huán)境中50-100 米距離效果較好。

要增加系統(tǒng)的通信距離，您可以選擇下面的一種或多種方法。每種方法都有系統(tǒng)增益，但卻是以功耗或者總系統(tǒng)成本為代價(jià)。

首先，需要考慮工作頻率和天線。兩者均不產(chǎn)生電流消耗，因此應(yīng)該在添加外部功率放大器和/ 或低噪聲放大器之前對(duì)其進(jìn)行*估。

1、通信距離與RX 和TX 天線增益的平方根有關(guān)，而且，隨著天線規(guī)格的提高，尺寸和價(jià)格也隨之增加。

2、工作頻率與通信距離存在線性關(guān)系。工作頻率越低，通信距離越遠(yuǎn)。但是，可用帶寬會(huì)隨頻率降低而減少，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸速率降低。

以下兩種方法也可以增加系統(tǒng)通信距離，但同時(shí)也增加功耗和總系統(tǒng)成本。

1、增加發(fā)送器(Pt)輸出功率可以增加通信距離，通信距離與輸出功率的平方根有關(guān)。例如，CC2590 可提供14dBm 功率，電流消耗為25mA，這樣可為系統(tǒng)帶來(lái)15.25dB 的改善，CC2591 可提供22dBm， 可以為系統(tǒng)帶來(lái)23.25dB 的改善，但是電流消耗高達(dá)112mA。

2、通信距離也與輸入靈敏度(Pr)的平方根有關(guān)，所以可以增加輸入靈敏度來(lái)增加通信距離。典型的外部LNA 消耗約2-4mA 的電流。因此，如果能獲得滿意的性能，在不考慮FCC/ETSI 規(guī)定的情況下，相比外部PA，這種方法具有一定的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于發(fā)射功率要求超過(guò)-1.25dBm 的系統(tǒng)而言，F(xiàn)CC 要求使用跳頻方案來(lái)滿足規(guī)范[1]。這種方案為處理器密集型，實(shí)施起來(lái)具有一定的挑戰(zhàn)性。因此，對(duì)于真正的低功耗無(wú)線系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，使用其他方法增加通信距離可能更好一些。

為了*估提高接收靈敏度的可能性，我們使用了CC1101(一款工作在915MHz 的低功耗無(wú)線收發(fā)器)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。我們之所以選擇這款器件是因?yàn)樗ぷ髟谖覀兇颂幱懻摰膬蓚€(gè)頻帶以下。

優(yōu)化接收靈敏度的方法

接收機(jī)的接收靈敏度值受接收機(jī)鏈中許多構(gòu)件的影響。請(qǐng)參見(jiàn)圖1 所示的低功耗無(wú)線接收機(jī)的典型架構(gòu)。如果忽略線纜和匹配損耗，接收機(jī)中便只剩下四個(gè)子系統(tǒng)：內(nèi)部LNA、降頻混頻器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和探測(cè)器。

式中，F(xiàn)=總系統(tǒng)噪聲系數(shù)，F(xiàn)n=每個(gè)子系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，Gn=每個(gè)子系統(tǒng)的增益(損耗)。

在給定每個(gè)子系統(tǒng)的噪聲數(shù)(Fn)和增益(Gn)情況下，式2 代表接收級(jí)的級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)。請(qǐng)注意， 首個(gè)子系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為總噪聲系數(shù)的主要組成部分。如果首個(gè)子系統(tǒng)表現(xiàn)為高增益，則系統(tǒng)其余部分的噪聲系數(shù)就變得沒(méi)有意義。這是因?yàn)?，每個(gè)后續(xù)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)均被前一子系統(tǒng)的增益整除了。

通過(guò)測(cè)量某個(gè)系統(tǒng)給定比特率下的誤碼率(BER)性能，已知接收機(jī)(RX)濾波帶寬以后，那么就可以求解系統(tǒng)噪聲系數(shù)。CC1101和CC2500收發(fā)器的結(jié)果約為18dB。相比高級(jí)的外部LNA[3]其并非為最佳結(jié)果，但它比其它一些低功耗無(wú)線收發(fā)器更有競(jìng)爭(zhēng)力。

在此實(shí)驗(yàn)中，我們使用英飛凌BGB707L7 LNA添加到工作頻率為915MHz的CC1101無(wú)線電器件。CC1101無(wú)線電器件針對(duì)使用了9.6kHz頻率偏移FSK調(diào)制的38.4kbps低數(shù)據(jù)速率進(jìn)行配置。外部LNA具有低于1dB的噪聲系數(shù)和20dB的增益，同時(shí)消耗2.5mA的電流[3]。極低噪聲系數(shù)和高增益的組合是此類(lèi)尋求高接收靈敏度應(yīng)用的理想選擇。

圖2顯示了近15dB的接收靈敏度改善，這一改善是在CC1101收發(fā)器前面使用英飛凌BGB707L7 LNA時(shí)獲得的。這些結(jié)果可移植到許多TI器件，其中包括CC2500和其他TI低功耗RF SoC器件(例如：CC2430和CC2530)。

圖2：有/無(wú)外部LNA的低功耗無(wú)線接收機(jī)的誤包率對(duì)比。本例中實(shí)現(xiàn)了15dB的增益改善。

本例中，通過(guò)使用CC2590添加一個(gè)外部LNA或增加一個(gè)外部PA得到了相同的鏈路裕量增益，即15dB。因此，將性能提高和功耗之間作對(duì)比就變得較為容易了。值得一提的是，CC2590要消耗25mA的電流才能增加15dB的鏈路裕量，而LNA僅消耗2.5mA的電流。因此，在增加更多輸出功率之前，給系統(tǒng)添加一個(gè)性能不錯(cuò)的LNA是大有好處的。

本文小結(jié)

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)，在增加輸出功率以前，添加一個(gè)低噪聲放大器有助于優(yōu)化接收機(jī)靈敏度，這是因?yàn)?)在增加相同通信距離的情況下，其具有更低的功耗；2)由于不需要任何跳頻方案[1]，其降低了發(fā)送器的復(fù)雜性。

在后續(xù)的文章中，我將討論多路徑衰減的影響以及在這些環(huán)境下獲得可靠無(wú)線鏈路的一些常用方法。