扩展低功耗RF设备通信距离的设计

本文中，在遵守FCC有关开放式 ISM 频带(915MHz 或 2.4GHz)通用单通道无线电设备规定的前提下，我们将讨论优化低功耗无线系统传输距离的一些方法。FCC规定，对于这些器件，基频输出功率不应超出-1.25dBm。如果需要额外增加链路裕量，则会简要介绍 FCC 规范要求。

　　典型低功耗无线链路

　　典型的低功耗无线链路由一个发送器件和一个或多个接收器件组成。发送器件由一个调制器、合成器、升频混频器和一个功率放大器(PA)组成。接收机由互逆器件、低噪声放大器(LNA)、降频混频器、合成器和解调器组成。

 

图 1：典型低功耗无线发送器(顶部)和接收器(底部)结构图。

　　这是低功耗无线设备在性能和功耗之间的一种折中方法。

　　外部放大器(不管是外部 LNA 还是外部 PA)添加到需要远距离通信的系统中以增加链路裕量。图 1 给出了在接收端添加一个外部 LNA 来优化无线链路裕量的方法。这样即符合 FCC 规定，又可以在不增加发射端复杂性的情况下提升链路裕量。

　　低功耗无线链路的理论通信距离

　　无线链路通信距离的理论极限值由弗里斯(Friis)方程式决定(请参见式1)：

 

　　通信距离=天线距离(米)。

　　弗里斯方程式定义了无线链路的理论极限。然而，在所有现实系统中，实际链路做不到如此。

　　例如，如果使用弗里斯方程式计算一个2.45GHz 无线链路的最大通信距离，其发射功率为-1.25dBm，接收灵敏度为-100dBm 以及两个天线增的益都是2.14dBi。需要注意的是，2.14dBi 是偶极天线的理论增益，而考虑损耗时一般达不到这一值。

 

　　然而，如果您想在真实环境中实现这些结果，您会很快发现这是不切实际的。主要原因是，自由空间辐射的假设并不适用于地面系统。就一些可视距离应用而言，100-200 米距离的无线链路应用效果较好，而典型多路径环境中50-100 米距离效果较好。

　　要增加系统的通信距离，您可以选择下面的一种或多种方法。每种方法都有系统增益，但却是以功耗或者总系统成本为代价。

　　首先，需要考虑工作频率和天线。两者均不产生电流消耗，因此应该在添加外部功率放大器和/ 或低噪声放大器之前对其进行评估。

　　1、通信距离与RX 和TX 天线增益的平方根有关，而且，随着天线规格的提高，尺寸和价格也随之增加。

　　2、工作频率与通信距离存在线性关系。工作频率越低，通信距离越远。但是，可用带宽会随频率降低而减少，从而导致数据传输速率降低。以下两种方法也可以增加系统通信距离，但同时也增加功耗和总系统成本。

　　1、增加发送器(Pt)输出功率可以增加通信距离，通信距离与输出功率的平方根有关。例如，CC2590 可提供14dBm 功率，电流消耗为25mA，这样可为系统带来15.25dB 的改善，CC2591 可提供22dBm， 可以为系统带来23.25dB 的改善，但是电流消耗高达112mA。

　　2、通信距离也与输入灵敏度(Pr)的平方根有关，所以可以增加输入灵敏度来增加通信距离。典型的外部LNA 消耗约2-4mA 的电流。因此，如果能获得满意的性能，在不考虑FCC/ETSI 规定的情况下，相比外部PA，这种方法具有一定的优势。

　　对于发射功率要求超过-1.25dBm 的系统而言，FCC 要求使用跳频方案来满足规范[1]。这种方案为处理器密集型，实施起来具有一定的挑战性。因此，对于真正的低功耗无线系统来说，使用其他方法增加通信距离可能更好一些。

　　为了*估提高接收灵敏度的可能性，我们使用了CC1101(一款工作在915MHz 的低功耗无线收发器)来进行实验。我们之所以选择这款器件是因为它工作在我们此处讨论的两个频带以下。

　　优化接收灵敏度的方法

　　接收机的接收灵敏度值受接收机链中许多构件的影响。请参见图1 所示的低功耗无线接收机的典型架构。如果忽略线缆和匹配损耗，接收机中便只剩下四个子系统：内部LNA、降频混频器、模数转换器(ADC)和探测器。

 

　　式中，F=总系统噪声系数，Fn=每个子系统的噪声系数，Gn=每个子系统的增益(损耗)。

　　在给定每个子系统的噪声数(Fn)和增益(Gn)情况下，式2 代表接收级的级联噪声系数。请注意， 首个子系统的噪声系数为总噪声系数的主要组成部分。如果首个子系统表现为高增益，则系统其余部分的噪声系数就变得没有意义。这是因为，每个后续系统的噪声系数均被前一子系统的增益整除了。

　　通过测量某个系统给定比特率下的误码率(BER)性能，已知接收机(RX)滤波带宽以后，那么就可以求解系统噪声系数。CC1101和CC2500收发器的结果约为18dB。相比高级的外部LNA[3]其并非为最佳结果，但它比其它一些低功耗无线收发器更有竞争力。

　　在此实验中，我们使用英飞凌BGB707L7 LNA添加到工作频率为915MHz的CC1101无线电器件。CC1101无线电器件针对使用了9.6kHz频率偏移FSK调制的38.4kbps低数据速率进行配置。外部LNA具有低于1dB的噪声系数和20dB的增益，同时消耗2.5mA的电流[3]。极低噪声系数和高增益的组合是此类寻求高接收灵敏度应用的理想选择。

　　图2显示了近15dB的接收灵敏度改善，这一改善是在CC1101收发器前面使用英飞凌BGB707L7 LNA时获得的。这些结果可移植到许多TI器件，其中包括CC2500和其他TI低功耗RF SoC器件(例如：CC2430和CC2530)。

 

图2：有/无外部LNA的低功耗无线接收机的误包率对比。本例中实现了15dB的增益改善。

　　本例中，通过使用CC2590添加一个外部LNA或增加一个外部PA得到了相同的链路裕量增益，即15dB。因此，将性能提高和功耗之间作对比就变得较为容易了。值得一提的是，CC2590要消耗25mA的电流才能增加15dB的链路裕量，而LNA仅消耗2.5mA的电流。因此，在增加更多输出功率之前，给系统添加一个性能不错的LNA是大有好处的。

　　本文小结

　　根据本实验，在增加输出功率以前，添加一个低噪声放大器有助于优化接收机灵敏度，这是因为1)在增加相同通信距离的情况下，其具有更低的功耗；2)由于不需要任何跳频方案[1]，其降低了发送器的复杂性。

　　在后续的文章中，我将讨论多路径衰减
的影响以及在这些环境下获得可靠无线链路的一些常用方法。