【無(wú)線(xiàn)射頻電路】-計(jì)算2.4GHz頻段模塊的路徑損耗

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----如何計(jì)算2.4GHz頻段模塊的路徑損耗2.4GHz頻段現(xiàn)已成為家庭、辦公室和工廠短距離無(wú)線(xiàn)應(yīng)用的普遍選擇。通常，2.4GHz信道隸屬于免許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)（ISM）頻段。ZigBee（IEEE802.15.4）、Bluetooth（IEEE802.15.1）、Wi-Fi（IEEE802.11b/g/n）、無(wú)線(xiàn)通用串行總線(xiàn)（WUSB）和私有協(xié)議（如MiWi）等很多協(xié)議以及部分無(wú)繩電話(huà)均采納此頻段。然而，在2.4GHzISM頻段運(yùn)行的不同協(xié)議會(huì)相互干擾。

因此，評(píng)估無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆秶托阅芤詣?chuàng)建相關(guān)模型來(lái)估算模塊用于室內(nèi)外短距離傳輸時(shí)的路徑損耗就顯得極為重要。借助創(chuàng)建的模型，設(shè)計(jì)人員可初步估算出無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的性能。性能參數(shù)包括范圍、路徑損耗、接收器靈敏度、誤碼率（BER）和誤包率（PER），這些參數(shù)在任何通信系統(tǒng)中都特別重要。

以功率和天線(xiàn)類(lèi)型各不相同的三個(gè)模塊為例Microchip的MRF24J40MA、MRF24J40MB和MRF24J40MC。MRF24J40MA是一款經(jīng)認(rèn)證的集成PCB天線(xiàn)的2.4GHzIEEE802.15.4無(wú)線(xiàn)收發(fā)器模塊，適用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化和消費(fèi)類(lèi)電子應(yīng)用。

MRF24J40MB與MRF24J40MA類(lèi)似，不過(guò)更適合自動(dòng)讀表系統(tǒng)等長(zhǎng)距離應(yīng)用。MRF24J40MC配有外部天線(xiàn)（如圖1所示），同樣適用于長(zhǎng)距離應(yīng)用。這三個(gè)模塊已通過(guò)各項(xiàng)法規(guī)和模塊化認(rèn)證，它們通過(guò)四線(xiàn)制SPI接口與單片機(jī)相連。

路徑損耗模型

大尺寸模型用來(lái)預(yù)估長(zhǎng)距離傳輸時(shí)的平均性能。大尺寸模型取決于距離以及與頻率關(guān)系不大的重要環(huán)境特性。隨著距離縮短，該模型會(huì)徹底瓦解，但其對(duì)于確定無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的工作范圍并粗略規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)容量很有用。小尺寸（衰落）模型描述了一對(duì)一的信號(hào)變化。這類(lèi)模型主要涉及多路徑效應(yīng)（相位抵消）。路徑衰減被視為保持恒定，但主要取決于頻率和帶寬。

不過(guò)，最初的重點(diǎn)通常是信號(hào)在短距離或短時(shí)間內(nèi)快速變化的小尺寸模型。假如估算的接收功率足夠大（通常與接收器靈敏度有關(guān)，也可能與使用的通信協(xié)議有關(guān)），則這條鏈路便可用于發(fā)送數(shù)據(jù)。接收功率超出接收器靈敏度的量稱(chēng)為鏈路余量。

鏈路余量或衰落余量被定義為確保發(fā)送器與接收器間牢靠無(wú)線(xiàn)鏈路所需的超出接收器靈敏度水平的功率（余量）。在抱負(fù)條件下（天線(xiàn)已精確對(duì)準(zhǔn)、不存在多路徑或反射并且沒(méi)有損耗），必需的鏈路余量為0dB。需要的準(zhǔn)確衰落余量取決于鏈路所需達(dá)到的牢靠性，但依據(jù)閱歷，最好始終保持22dB至28dB的衰落余量。假如衰落余量在良好天氣條件下不小于15dB，則可充分保證RF系統(tǒng)在惡劣條件（因天氣、日光和射頻干擾所致）下連續(xù)有效運(yùn)行。

接收天線(xiàn)與發(fā)送天線(xiàn)之間的路徑損耗通常通過(guò)使距離對(duì)波長(zhǎng)的關(guān)系歸一化，以綱形式記錄。但是，有時(shí)分別考慮距離和波長(zhǎng)引起的損耗更便利。這種狀況下，關(guān)注使用的單位特殊重要，由于選擇的單位不同，涉及的偏移常數(shù)也不同。

舉例來(lái)說(shuō)，評(píng)估一個(gè)包含兩個(gè)RF節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2）的1km鏈路（范圍）的可行性，其中節(jié)點(diǎn)使用MRF24J40MB模塊，輸出功率為20dBm。節(jié)點(diǎn)1與增益為1dBi的全向PCB天線(xiàn)相連，節(jié)點(diǎn)2也與增益為1dBi的類(lèi)似PCB天線(xiàn)相連。節(jié)點(diǎn)1的放射功率為100mW（或20dBm），靈敏度為-102dBm。節(jié)點(diǎn)2的放射功率為100mW（或20dBm），靈敏度與節(jié)點(diǎn)1相像。電纜長(zhǎng)度很短，兩端的損耗各為1dB左右。之后，將全部增益相加并減去節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)2鏈路的全部損耗（僅考慮1km鏈路路徑的自由空間損耗）。

由于-60dB大于節(jié)點(diǎn)2的最小接收靈敏度（-102dBm），因此信號(hào)級(jí)別剛好足以使節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)1通信。此時(shí)的余量為42dB（102dB～60dB），這可在良好的天氣條件下實(shí)現(xiàn)有效傳輸，但在惡劣的天氣條件下可能不足以實(shí)現(xiàn)牢靠通信。

由于來(lái)回路徑上的路徑損耗相同，因此，節(jié)點(diǎn)1處接收到的信號(hào)級(jí)別為-60dB。而節(jié)點(diǎn)1的接收靈敏度為-102dBm，故衰落余量為42dB（102dB～60dB）。此外，還存在因環(huán)境［在視距（LoS）內(nèi)］導(dǎo)致的損耗（衰落），這會(huì)使信號(hào)級(jí)別進(jìn)一步降低20dB，此時(shí)符合通信要求但沒(méi)有任何附加增益。

圖1、帶子板和外部天線(xiàn)的MRF24J40MC模塊

現(xiàn)在，我們將節(jié)點(diǎn)2替換為增益（輸出功率）為0dB的MRF24J40MA模塊。由于節(jié)點(diǎn)1的接收靈敏度為-95dBm，故衰落余量為35dBm（95dB~60dB）。此外，還存在因環(huán)境［在視距（LoS）內(nèi)］導(dǎo)致的損耗（衰落），這會(huì)使信號(hào)級(jí)別進(jìn)一步降低20dB，此時(shí)的通信僅有15dB到20dB的附加增益。

菲涅爾區(qū)

菲涅爾區(qū)是指無(wú)線(xiàn)電波離開(kāi)天線(xiàn)后在可視距離四周傳播的區(qū)域，如圖2所示。擁有視距對(duì)于保持強(qiáng)度有利，對(duì)于2.4GHz無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)更是如此，緣由在于2.4GHz波易被水汲取。依據(jù)閱歷，必需有60%的菲涅爾區(qū)不存在障礙物。通常，20%的菲涅爾區(qū)被阻擋時(shí)幾乎不會(huì)引起鏈路信號(hào)損耗，而這一比例超過(guò)40%時(shí)信號(hào)損耗將特別明顯。

圖2、菲涅爾區(qū)

計(jì)算出可被阻擋的菲涅爾區(qū)的比例特別重要。通常，20%到40%的菲涅爾區(qū)被阻擋時(shí)幾乎不會(huì)對(duì)通信鏈路造成干擾。被阻擋的菲涅爾區(qū)最好不要超過(guò)20%。

由于存在墻壁和天花板等障礙物，建筑物中室內(nèi)的傳播損耗明顯更高。這種損耗是墻壁和天花板引起的衰減，以及設(shè)備、家具和人為干預(yù)造成的阻擋共同作用的結(jié)果。

徑直道路上每棵樹(shù)木造成的衰減損耗約為8dB到18dB。這種衰減取決于樹(shù)木的大小、外形和種類(lèi)。兩面均干燥的木質(zhì)墻壁會(huì)導(dǎo)致約6dB的衰減。由于材料和視距等緣由，相對(duì)較老的建筑物的內(nèi)部損耗可能比新建筑物大?；炷翂?dǎo)致的損耗為10dB到15dB，詳細(xì)取決于墻面的大小和形狀。建筑物地板導(dǎo)致的損耗為12dB到27dB。鋼筋混凝土地板導(dǎo)致的損耗大于木質(zhì)地板。鏡面墻造成的損耗特別高，由于它采納了導(dǎo)電的反射涂層。

有時(shí)，菲涅爾區(qū)能夠很好地指示室內(nèi)環(huán)境范圍的測(cè)量結(jié)果。通常，視距傳播的有效范圍僅為前3m左右。超過(guò)3m后，在密集的辦公室環(huán)境下，室內(nèi)傳播損耗將升至30dB/30m。保守地說(shuō)，大多數(shù)狀況下對(duì)路徑損耗的估算有所夸大。實(shí)際傳播損耗與估算結(jié)果的偏差可能特別大，詳細(xì)取決于建筑物的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)和布局。

此外，還有一些可能導(dǎo)致菲涅爾區(qū)內(nèi)發(fā)生傳播損耗的其他緣由，例如與其他放射器間的沖突、放射器的誤差向量幅度（EVM）較弱（通常在20%到24%RMS范圍內(nèi)）以及物體或人員移動(dòng)引起的反射等。

圖3顯示了視距環(huán)境下的接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）。

圖3、視距環(huán)境中的位置和距離

結(jié)論

選擇路徑損耗模型來(lái)猜測(cè)RF系統(tǒng)性能時(shí)應(yīng)非常謹(jǐn)慎。除極少數(shù)受限狀況外，大多數(shù)狀況下選擇自由空間路徑損耗（FreeSpacePathLoss，F(xiàn)SPL）模型會(huì)發(fā)生嚴(yán)峻錯(cuò)誤。對(duì)于城市環(huán)境，使用ITU室內(nèi)傳播模型更能反映真實(shí)場(chǎng)景。

在城市環(huán)境中，最好使用10dB到12dB來(lái)猜測(cè)傳輸距離加倍時(shí)所需增加的鏈路預(yù)算。接收器靈敏度是系統(tǒng)中最重要