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ISM RF產(chǎn)品的無線鏈路預(yù)算表

2013-07-09 來源:微波射頻網(wǎng) 作者:Maxim/Martin Stoehr 字號(hào):

鏈路預(yù)算表用于計(jì)算Maxim工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)療無線頻段(ISM-RF)產(chǎn)品(Tx、Rx、TRx)的鏈路性能,估算特定的射頻電路在幾種環(huán)境下的通信覆蓋范圍和鏈路裕量。該Excel®表格還可用于估算100MHz至10GHz載頻范圍的其它射頻系統(tǒng)的鏈路裕量。利用該表格計(jì)算時(shí),用戶需要輸入以下信息:
· 載波頻率
· 發(fā)射功率
· 電纜和連接器損耗
· 天線增益和效率(接收和發(fā)射)
· 自由空間和平地的傳輸延時(shí)
· 接收機(jī)和發(fā)射機(jī)高度
· 接收機(jī)靈敏度
· 障礙損耗
· 多徑損耗

我們還將對(duì)該鏈路預(yù)算表格進(jìn)行升級(jí),加入新的功能進(jìn)一步豐富現(xiàn)有特性,包括:
· 連接器的損耗信息
· 利用散射模型計(jì)算多徑損耗
· 傳輸介質(zhì)(濕度、電導(dǎo)率、介電常數(shù)、人體/動(dòng)物表面組織、樹葉等)損耗

本文簡(jiǎn)要介紹了關(guān)于傳輸路徑的一些假設(shè)及數(shù)學(xué)背景知識(shí),并提供了該鏈路預(yù)算表格的使用方法。

傳輸路徑損耗

該計(jì)算表格包含兩條基本傳輸路徑:自由空間和平地路徑。而對(duì)于大廈內(nèi)部和城市街道的無線通信,還須考慮多徑、障礙物和穿透損耗。Maxim的ISM-RF產(chǎn)品非常適合停車場(chǎng)、街道、空曠場(chǎng)地和樓宇內(nèi)部等無線單元位于地面以上的場(chǎng)所。這意味著平地模型比較適合估算這類場(chǎng)合的通信鏈路。對(duì)于收發(fā)信機(jī)位于塔臺(tái)或屋頂?shù)膽?yīng)用場(chǎng)所,天線為窄波束,采用自由空間模型進(jìn)行計(jì)算比較恰當(dāng)。 

如果射頻信號(hào)的傳輸相對(duì)于所要求的水平傳輸距離而言在垂直方向非常接近地面,則其傳輸路徑需要考慮兩部分信號(hào):直接(延視線方向)傳輸信號(hào)和地面反射信號(hào)。地面反射的電磁波相位與直接傳輸?shù)碾姶挪ㄏ辔幌喾础W杂煽臻g的傳輸模型沒有考慮地面反射。

自由空間的傳輸路徑損耗公式為:

PR = PTGTGRλ²/(4πR)² (式1)

其中PR為接收功率,PT為發(fā)射功率,GT為發(fā)射機(jī)的天線增益,GR為接收機(jī)的天線增益,R為傳輸距離,λ為波長(zhǎng)。

平地的傳輸路徑損耗公式為:

PR = ½PTGTGRλ²/(4πR)² (1 + a² - 2acos(2πΔR/λ)) (式2)

其中ΔR為直接傳播路徑和地面反射路徑的距離差,“a” (≤ 1)為地面反射路徑的相對(duì)強(qiáng)度。

ΔR = √(R² + (h2 + h1)²) - √(R² + (h2 - h1)²) (式3)

注意,式2由式1推導(dǎo)產(chǎn)生。考慮地面反射損耗的影響,計(jì)算如下:

LGB = ½(1 + a² - 2acos(2πΔR/λ)) (式4)

在近距離通信的情況下,路徑距離差ΔR大于等于波長(zhǎng)的一半,LGB隨R快速變化,接收功率波動(dòng)非常明顯。在遠(yuǎn)距離(通常超過30米)通信中,LGB隨R-2變化,接收功率在平地(式2)與傳輸距離的4次方成反比。

鏈路預(yù)算表中提供了兩種路徑損耗的計(jì)算公式,用戶可自行選擇。

用戶表格說明

計(jì)算表中有五個(gè)表格用于計(jì)算或?yàn)橛脩籼峁┲笇?dǎo)信息:
· 鏈路預(yù)算
· 鏈路圖
· 地面多徑
· 電纜損耗
· 障礙物損耗

這些表格中,只有鏈路預(yù)算和地面多徑表格需要用戶輸入信息;電纜損耗表格包含常用電纜和連接器的損耗指標(biāo);障礙物表格包含建筑物內(nèi)部墻壁和玻璃的衰減,以及室外建筑、森林、植被的損耗。可利用這些數(shù)值進(jìn)行計(jì)算,在鏈路預(yù)算表格中輸入電纜和障礙物的損耗。連接器的損耗通常小于1dB,可以直接輸入,無需額外的表格。鏈路圖表格描述了硬件和板上傳輸引入的損耗。

地面多徑表格需要用戶輸入發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的高度,路徑損耗和距離的關(guān)系,以及與地表傳輸相關(guān)的損耗。

計(jì)算表的輸入,用不同顏色區(qū)分不同的參數(shù)來源。 

黑色:用戶的輸入數(shù)據(jù)
暗紅色:常數(shù),比如:光速
藍(lán)色:計(jì)算結(jié)果
綠色:從其它表格得到的數(shù)值

計(jì)算表格的使用

打開計(jì)算表格的鏈路預(yù)算表,在本文最后有屏幕截圖。
1、輸入載波頻率,單位為MHz。計(jì)算表將計(jì)算波長(zhǎng)。
2、輸入發(fā)射機(jī)功放的發(fā)射功率,通過測(cè)量或估算得到該功率值,盡可能靠近功放的功率輸出引腳進(jìn)行測(cè)量。
3、輸入Tx匹配損耗(如果存在的話)。大多數(shù)發(fā)射機(jī)需要幾個(gè)無源器件對(duì)天線阻抗進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以優(yōu)化發(fā)射器的匹配。
4、輸入發(fā)射電路和天線之間的任何電纜、連接器損耗。計(jì)算表會(huì)顯示發(fā)射天線的輸入功率。
5、輸入發(fā)射天線的增益,包括天線的效率、額外的阻抗匹配損耗和天線方向模板的變化。任何尺寸小于0.1倍波長(zhǎng)的天線將引入衰減,而不是增益。
6、輸入所要求的傳輸距離,單位為米。
7、必要時(shí),輸入傳輸介質(zhì)損耗。比如,通過介質(zhì)而非空氣傳輸信號(hào);或者是信號(hào)頻率過高(大于2GHz)時(shí),水蒸氣和分子會(huì)吸收信號(hào)能量。
8、在地面多徑表輸入發(fā)射機(jī)天線和接收機(jī)天線的高度。
9、返回鏈路預(yù)算表,表中將給出指定距離下自由空間和平地模型的路徑損耗。
10、基于自由空間損耗計(jì)算得到的天線接收功率位于依據(jù)平地模型損耗計(jì)算結(jié)果的上面幾行。如果鏈路是自由空間鏈路,則使用自由空間損耗進(jìn)行計(jì)算,無需考慮平地模型的損耗。
11、輸入多徑損耗(反射和路徑上的散射)的估算值。除非路徑平坦、空曠(例如:開闊區(qū)域或空曠的停車場(chǎng)),否則損耗會(huì)高于20dB。
12、輸入障礙物損耗的估算值。
13、基于平地模型損耗計(jì)算得到的天線接收功率位于依據(jù)自由空間損耗計(jì)算結(jié)果的下面幾行。
14、輸入接收天線的增益,發(fā)射天線增益的效率規(guī)則同樣適用于此處。
15、輸入天線和接收電路之間的任何連接器、電纜損耗,接收機(jī)輸入的最終Rx功率表示為自由空間損耗和平地模型損耗。
16、Rx功率右側(cè)的輸入?yún)^(qū)域?yàn)榻邮諜C(jī)靈敏度,這是接收機(jī)正確處理鏈路信息時(shí)的最小信號(hào)電平。當(dāng)由通路(自由空間或平地模型)接收到的信號(hào)電平等于該靈敏度值時(shí),輸入的距離表示最大鏈路范圍。根據(jù)需要調(diào)節(jié)該范圍,使接收信號(hào)電平與靈敏度保持一致。
17、為確定輸入該區(qū)域的靈敏度數(shù)值,使用鏈路預(yù)算表中的接收機(jī)靈敏度計(jì)算功能,或者從鏈路圖的最大RX表中選擇一個(gè)數(shù)值。計(jì)算接收機(jī)靈敏度和SNR所需的三個(gè)輸入?yún)?shù)為噪聲系數(shù)、接收帶寬和工作溫度。

例1:遠(yuǎn)端門禁(RKE)控制鏈路

圖1所示為針對(duì)315MHz RKE控制鏈路的鏈路預(yù)算表;圖2和圖3為地面多徑表在給定Tx和Rx高度時(shí)的鏈路損耗與距離關(guān)系圖,隨后將討論這些表格的含義。

圖1. 315MHz RKE控制鏈路的鏈路預(yù)算表

2. 地面多徑表,顯示RKE控制鏈路中,平坦地面損耗與TxRx高度的關(guān)系



3. RKE控制鏈路中,平坦地面損耗與傳輸距離的關(guān)系

RKE示例考察與分析

上述鏈路預(yù)算表中的輸入數(shù)據(jù)針對(duì)RKE應(yīng)用,Tx和Rx具有非常低的天線增益(-15dB),發(fā)射功率只有+10dBm甚至更低。只有鑰匙大小的天線,尺寸不會(huì)超過1in × 1in (40mm × 40mm),與950mm的波長(zhǎng)相比非常小,所以,天線的效率非常低。接收天線的尺寸可以稍大一些,但通常位于車的內(nèi)部或儀表盤的后方,會(huì)受到遮擋或屏蔽。為了節(jié)省電池功耗、滿足FCC對(duì)天線輻射功率的限制條件,發(fā)射功率一般在+10dBm左右。最大值通常是在距離發(fā)射器3米遠(yuǎn)處測(cè)得的峰值場(chǎng)強(qiáng)。如果發(fā)射器保持足夠低的發(fā)射占空比,通常測(cè)到的數(shù)據(jù)是60mV/m (等效于天線的+0.4dBm的輻射功率)。

地面多徑表中需要輸入的數(shù)據(jù)包括發(fā)射器和接收器的高度,由此確定地面反射的影響。上述示例中,假設(shè)發(fā)送器和接收器的高度為1m,一般是人手握鑰匙的位置,接收器的高度則是車載接收器的典型位置。

在表格中輸入以上數(shù)據(jù)后,考慮到-114dBm的接收靈敏度,可以估算出空曠區(qū)域的傳輸距離近似為175米。這一結(jié)果可以通過更改鏈路預(yù)算表中的“Distance”數(shù)值,直到接收功率近似等于接收靈敏度得到。

例2:室內(nèi)自動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器和鍵盤控制

圖4所示是針對(duì)433.92MHz家庭自動(dòng)化應(yīng)用鏈路得到的鏈路預(yù)算表,圖5和圖6所示為地面多徑表在給定Tx、Rx高度時(shí)的無線鏈路損耗與距離的關(guān)系。該鏈路通常是室內(nèi)安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器與墻上鍵盤控制盒之間的距離,也可以是遠(yuǎn)端調(diào)溫器或亮度調(diào)節(jié)裝置的信號(hào)傳輸鏈路。這類應(yīng)用與RKE控制鏈路不同的是,需要考慮障礙物衰減和多徑損耗,由于在通信鏈路產(chǎn)生較大衰減,而縮短了傳輸距離。另一方面,由于可以使用尺寸略大的天線,收發(fā)器也可安裝在較高位置,所以可以得到高效的天線功率輻射。但總體來講,這種應(yīng)用場(chǎng)合的傳輸距離要近一些。

  

  圖4. 433.92MHz家庭自動(dòng)化應(yīng)用的鏈路預(yù)算表

圖5. 地面多徑表,顯示家庭自動(dòng)化鏈路中,平坦地面損耗與Tx和Rx高度的關(guān)系

6. 家庭自動(dòng)化控制鏈路中,平坦地面損耗與傳輸距離的關(guān)系

家庭自動(dòng)化示例考察與分析

鏈路預(yù)算表中的輸入數(shù)據(jù)針對(duì)于家庭自動(dòng)化應(yīng)用,Tx天線增益為-10dB,Rx天線增益為-5dB,發(fā)射功率為+10dBm。遠(yuǎn)端Tx天線尺寸取決于傳感器的封裝限制,但通常會(huì)比汽車鑰匙大一些。此外,433MHz的波長(zhǎng)小于315MHz的波長(zhǎng),因此,家庭自動(dòng)化應(yīng)用中的天線增益會(huì)大于RKE應(yīng)用,但天線的功率輻射效率仍然較低。由于接收器機(jī)殼通常安裝在墻壁上,可以占用較大的空間,所以,多數(shù)情況下接收器的天線尺寸可以做得很大,但一般不超過四分之一波長(zhǎng)(17.5cm或7in)。這種情況下,接收器天線的增益仍小于0dB。為了節(jié)省電池功耗(有些發(fā)射器可能采用“室內(nèi)電源”供電)、滿足FCC對(duì)天線輻射功率的限制條件,發(fā)射功率一般在+10dBm左右。最大值通常是在距離發(fā)射器3米遠(yuǎn)處測(cè)得的峰值場(chǎng)強(qiáng),433MHz下的峰值高于315MHz下的峰值。如果發(fā)射器保持足夠低的發(fā)射占空比,通常測(cè)到的數(shù)據(jù)是110mV/m,產(chǎn)生該場(chǎng)強(qiáng)需要的功率為+5.6dBm。在上述兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例中(家庭自動(dòng)化和RKE),輸入到表格中的發(fā)射功率遠(yuǎn)低于FCC限制的功率,因?yàn)樘炀€尺寸較小,而且輻射效率較低。在允許使用大尺寸天線的前提下,可有效延長(zhǎng)通信距離。

地面多徑表中需要輸入的數(shù)據(jù)包括發(fā)射器和接收器的高度,由此確定地面反射的影響。上述示例中,假設(shè)發(fā)送器和接收器的高度為1.5m,即使在高度上比RKE增加了一點(diǎn)(分別為1.5m和1m),也有助于提高傳輸距離,這是由于地面反射產(chǎn)生的鏈路衰減幾乎與天線高度的平方成反比。實(shí)際應(yīng)用中,收發(fā)器在不同場(chǎng)合下所放置的高度可能不同。例如,有些傳感器安裝在天花板上,此時(shí)需要增大表格中的高度數(shù)值。

室內(nèi)環(huán)境下增加了多徑損耗(室內(nèi)或樓宇內(nèi)部的目標(biāo)反射)和障礙物(墻壁和天花板)的衰減。多徑損耗估算為25dB,傳輸過程中需要穿過3堵墻壁(10.2dB阻擋損耗)。

在表格中輸入相關(guān)條件下的數(shù)據(jù)后,考慮到-114dBm的接收靈敏度,可以估算出空曠區(qū)域的傳輸距離近似為80米。這一結(jié)果可以通過更改鏈路預(yù)算表中的“Distance”數(shù)值,直到接收功率近似等于接收靈敏度得到。由此可以看出多徑衰減和障礙物對(duì)室內(nèi)通信鏈路的影響。
 

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