擴展低功耗RF設備通信距離的設計

本文中，在遵守FCC有關開放式 ISM 頻帶(915MHz 或 2.4GHz)通用單通道無線電設備規(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)送器件由一個調制器、合成器、升頻混頻器和一個功率放大器(PA)組成。接收機由互逆器件、低噪聲放大器(LNA)、降頻混頻器、合成器和解調器組成。

圖 1：典型低功耗無線發(fā)送器(頂部)和接收器(底部)結構圖。

　　這是低功耗無線設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)實系統(tǒng)中，實際鏈路做不到如此。

　　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不到這一值。

　　然而，如果您想在真實環(huán)境中實現(xiàn)這些結果，您會很快發(fā)現(xiàn)這是不切實際的。主要原因是，自由空間輻射的假設并不適用于地面系統(tǒng)。就一些可視距離應用而言，100-200 米距離的無線鏈路應用效果較好，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，因此應該在添加外部功率放大器和/ 或低噪聲放大器之前對其進行評估。

　　1、通信距離與RX 和TX 天線增益的平方根有關，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系。工作頻率越低，通信距離越遠。但是，可用帶寬會隨頻率降低而減少，從而導致數(shù)據(jù)傳輸速率降低。