本文中，在遵守FCC有關(guān)開放式 ISM 頻帶(915MHz 或 2.4GHz)通用單通道無線電設(shè)備規(guī)定的前提下，我們將討論優(yōu)化低功耗無線系統(tǒng)傳輸距離的一些方法。FCC規(guī)定，對于這些器件，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，則會簡要介紹 FCC 規(guī)范要求。
典型低功耗無線鏈路
典型的低功耗無線鏈路由一個發(fā)送器件和一個或多個接收器件組成。發(fā)送器件由一個調(diào)制器、合成器、升頻混頻器和一個功率放大器(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：典型低功耗無線發(fā)送器(頂部)和接收器(底部)結(jié)構(gòu)圖。
這是低功耗無線設(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外部 LNA 來優(yōu)化無線鏈路裕量的方法。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。
低功耗無線鏈路的理論通信距離
無線鏈路通信距離的理論極限值由弗里斯(Friis)方程式?jīng)Q定(請參見式1)：
通信距離=天線距離(米)。
弗里斯方程式定義了無線鏈路的理論極限。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算一個2.45GHz 無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。
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15.25dB 的改善，CC2591 可提供22dBm， 可以為系統(tǒng)帶來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。
對于發(fā)射功率要求超過-1.25dBm 的系統(tǒng)而言，F(xiàn)CC 要求使用跳頻方案來滿足規(guī)范[1]。這種方案為處理器密集型，實(shí)施起來具有一定的挑戰(zhàn)性。因此，對于真正的低功耗無線系統(tǒng)來說，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 的低功耗無線收發(fā)器)來進(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€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。請參見圖1 所示的低功耗無線接收機(jī)的典型架構(gòu)。如果忽略線纜和匹配損耗，接收機(jī)中便只剩下四個子系統(tǒng)：內(nèi)部LNA、降頻混頻器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和探測器。
式中，F(xiàn)=總系統(tǒng)噪聲系數(shù)，F(xiàn)n=每個子系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，Gn=每個子系統(tǒng)的增益(損耗)。
在給定每個子系統(tǒng)的噪聲數(shù)(Fn)和增益(Gn)情況下，式2 代表接收級的級聯(lián)噪聲系數(shù)。請注意，首個子系統(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)就變得沒有意義。這是因?yàn)椋總€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。
通過測量某個系統(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線收發(fā)器更有競爭力。
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無線電器件。CC1101無線電器件針對使用了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/無外部LNA的低功耗無線接收機(jī)的誤包率對比。本例中實(shí)現(xiàn)了15dB的增益改善。
本例中，通過使用CC2590添加一個外部LNA或增加一個外部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)添加一個性能不錯的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)境下獲得可靠無線鏈路的一些常用方法。