应用笔记 5142

ISM RF产品的无线链路计算


摘要 : 本文提供了一个可定制表格,用于计算Maxim工业、科学与医疗无线频段(ISM-RF)产品的链路性能。该表格的输入信息包括:频率、发射器和接收器的参数指标以及射频通道的性能,用于计算自由空间、室外平地和室内三种场景下的传输性能。该计算表还可用于估算100MHz至10GHz载频范围的链路裕量。

概述

链路预算表用于计算Maxim工业、科学与医疗无线频段(ISM-RF)产品(Tx、Rx、TRx)的链路性能,估算特定的射频电路在几种环境下的通信覆盖范围和链路裕量。该Excel®表格还可用于估算100MHz至10GHz载频范围的其它射频系统的链路裕量。利用该表格计算时,用户需要输入以下信息:
  • 载波频率
  • 发射功率
  • 电缆和连接器损耗
  • 天线增益和效率(接收和发射)
  • 自由空间和平地的传输延时
  • 接收机和发射机高度
  • 接收机灵敏度
  • 障碍损耗
  • 多径损耗
我们还将对该链路预算表格进行升级,加入新的功能进一步丰富现有特性,包括:
  • 连接器的损耗信息
  • 利用散射模型计算多径损耗
  • 传输介质 (湿度、电导率、介电常数、人体/动物表面组织、树叶等)损耗
本文简要介绍了关于传输路径的一些假设及数学背景知识,并提供了该链路预算表格的使用方法。

传输路径损耗

该计算表格包含两条基本传输路径:自由空间和平地路径。而对于大厦内部和城市街道的无线通信,还须考虑多径、障碍物和穿透损耗。Maxim的ISM-RF产品非常适合停车场、街道、空旷场地和楼宇内部等无线单元位于地面以上的场所。这意味着平地模型比较适合估算这类场合的通信链路。对于收发信机位于塔台或屋顶的应用场所,天线为窄波束,采用自由空间模型进行计算比较恰当。
如果射频信号的传输相对于所要求的水平传输距离而言在垂直方向非常接近地面,则其传输路径需要考虑两部分信号:直接(延视线方向)传输信号和地面反射信号。地面反射的电磁波相位与直接传输的电磁波相位相反。自由空间的传输模型没有考虑地面反射。
自由空间的传输路径损耗公式为:
PR = PTGTGRλ²/(4πR)² (式1)
其中PR为接收功率,PT为发射功率,GT为发射机的天线增益,GR为接收机的天线增益,R为传输距离,λ为波长。
平地的传输路径损耗公式为:
PR = ½PTGTGRλ²/(4πR)² (1 + a² - 2acos(2πΔR/λ)) (式2)
其中ΔR为直接传播路径和地面反射路径的距离差,“a” (≤ 1)为地面反射路径的相对强度。
ΔR = √(R² + (h2 + h1)²) - √(R² + (h2 - h1)²) (式3)
注意,式2由式1推导产生。考虑地面反射损耗的影响,计算如下:
LGB = ½(1 + a² - 2acos(2πΔR/λ)) (式4)
在近距离通信的情况下,路径距离差ΔR大于等于波长的一半,LGB随R快速变化,接收功率波动非常明显。在远距离(通常超过30米)通信中,LGBR-2变化,接收功率在平地(式2)与传输距离的4次方成反比。
链路预算表中提供了两种路径损耗的计算公式,用户可自行选择。

用户表格说明

计算表中有五个表格用于计算或为用户提供指导信息:
  • 链路预算
  • 链路图
  • 地面多径
  • 电缆损耗
  • 障碍物损耗
这些表格中,只有链路预算地面多径表格需要用户输入信息;电缆损耗表格包含常用电缆和连接器的损耗指标;障碍物表格包含建筑物内部墙壁和玻璃的衰减,以及室外建筑、森林、植被的损耗。可利用这些数值进行计算,在链路预算表格中输入电缆和障碍物的损耗。连接器的损耗通常小于1dB,可以直接输入,无需额外的表格。链路图表格描述了硬件和板上传输引入的损耗。
地面多径表格需要用户输入发射机和接收机的高度,路径损耗和距离的关系,以及与地表传输相关的损耗。
计算表的输入,用不同颜色区分不同的参数来源。
黑色:用户的输入数据
暗红色:常数,比如:光速
蓝色:计算结果
绿色:从其它表格得到的数值

计算表格的使用

打开计算表格的链路预算表,在本文最后有屏幕截图。
  1. 输入载波频率,单位为MHz。计算表将计算波长。
  2. 输入发射机功放的发射功率,通过测量或估算得到该功率值,尽可能靠近功放的功率输出引脚进行测量。
  3. 输入Tx匹配损耗(如果存在的话)。大多数发射机需要几个无源器件对天线阻抗进行转换,以优化发射器的匹配。
  4. 输入发射电路和天线之间的任何电缆、连接器损耗。计算表会显示发射天线的输入功率。
  5. 输入发射天线的增益,包括天线的效率、额外的阻抗匹配损耗和天线方向模板的变化。任何尺寸小于0.1倍波长的天线将引入衰减,而不是增益。
  6. 输入所要求的传输距离,单位为米。
  7. 必要时,输入传输介质损耗。比如,通过介质而非空气传输信号;或者是信号频率过高(大于2GHz)时,水蒸气和分子会吸收信号能量。
  8. 地面多径表输入发射机天线和接收机天线的高度。
  9. 返回链路预算表,表中将给出指定距离下自由空间和平地模型的路径损耗。
  10. 基于自由空间损耗计算得到的天线接收功率位于依据平地模型损耗计算结果的上面几行。如果链路是自由空间链路,则使用自由空间损耗进行计算,无需考虑平地模型的损耗。
  11. 输入多径损耗(反射和路径上的散射)的估算值。除非路径平坦、空旷(例如:开阔区域或空旷的停车场),否则损耗会高于20dB。
  12. 输入障碍物损耗的估算值。
  13. 基于平地模型损耗计算得到的天线接收功率位于依据自由空间损耗计算结果的下面几行。
  14. 输入接收天线的增益,发射天线增益的效率规则同样适用于此处。
  15. 输入天线和接收电路之间的任何连接器、电缆损耗,接收机输入的最终Rx功率表示为自由空间损耗和平地模型损耗。
  16. Rx功率右侧的输入区域为接收机灵敏度,这是接收机正确处理链路信息时的最小信号电平。当由通路(自由空间或平地模型)接收到的信号电平等于该灵敏度值时,输入的距离表示最大链路范围。根据需要调节该范围,使接收信号电平与灵敏度保持一致。
  17. 为确定输入该区域的灵敏度数值,使用链路预算表中的接收机灵敏度计算功能,或者从链路图的最大RX表中选择一个数值。计算接收机灵敏度和SNR所需的三个输入参数为噪声系数、接收带宽和工作温度。

例1:远端门禁(RKE)控制链路

图1所示为针对315MHz RKE控制链路的链路预算表;图2图3地面多径表在给定Tx和Rx高度时的链路损耗与距离关系图,随后将讨论这些表格的含义。
图1. 315MHz RKE控制链路的链路预算表
图1. 315MHz RKE控制链路的链路预算表
图2. 地面多径表,显示RKE控制链路中,平坦地面损耗与Tx和Rx高度的关系
图2. 地面多径表,显示RKE控制链路中,平坦地面损耗与Tx和Rx高度的关系
图3. RKE控制链路中,平坦地面损耗与传输距离的关系
图3. RKE控制链路中,平坦地面损耗与传输距离的关系

RKE示例考察与分析

上述链路预算表中的输入数据针对RKE应用,Tx和Rx具有非常低的天线增益(-15dB),发射功率只有+10dBm甚至更低。只有钥匙大小的天线,尺寸不会超过1in × 1in (40mm × 40mm),与950mm的波长相比非常小,所以,天线的效率非常低。接收天线的尺寸可以稍大一些,但通常位于车的内部或仪表盘的后方,会受到遮挡或屏蔽。为了节省电池功耗、满足FCC对天线辐射功率的限制条件,发射功率一般在+10dBm左右。最大值通常是在距离发射器3米远处测得的峰值场强。如果发射器保持足够低的发射占空比,通常测到的数据是60mV/m (等效于天线的+0.4dBm的辐射功率)。
地面多径表中需要输入的数据包括发射器和接收器的高度,由此确定地面反射的影响。上述示例中,假设发送器和接收器的高度为1m,一般是人手握钥匙的位置,接收器的高度则是车载接收器的典型位置。
在表格中输入以上数据后,考虑到-114dBm的接收灵敏度,可以估算出空旷区域的传输距离近似为175米。这一结果可以通过更改链路预算表中的“Distance”数值,直到接收功率近似等于接收灵敏度得到。

例2:室内自动监测传感器和键盘控制

图4所示是针对433.92MHz家庭自动化应用链路得到的链路预算表,图5图6所示为地面多径表在给定Tx、Rx高度时的无线链路损耗与距离的关系。该链路通常是室内安全监控系统的传感器与墙上键盘控制盒之间的距离,也可以是远端调温器或亮度调节装置的信号传输链路。这类应用与RKE控制链路不同的是,需要考虑障碍物衰减和多径损耗,由于在通信链路产生较大衰减,而缩短了传输距离。另一方面,由于可以使用尺寸略大的天线,收发器也可安装在较高位置,所以可以得到高效的天线功率辐射。但总体来讲,这种应用场合的传输距离要近一些。
图4. 433.92MHz家庭自动化应用的链路预算表
图4. 433.92MHz家庭自动化应用的链路预算表
图5. 地面多径表,显示家庭自动化链路中,平坦地面损耗与Tx和Rx高度的关系
图5. 地面多径表,显示家庭自动化链路中,平坦地面损耗与Tx和Rx高度的关系
图6. 家庭自动化控制链路中,平坦地面损耗与传输距离的关系
图6. 家庭自动化控制链路中,平坦地面损耗与传输距离的关系

家庭自动化示例考察与分析

链路预算表中的输入数据针对于家庭自动化应用,Tx天线增益为-10dB,Rx天线增益为-5dB,发射功率为+10dBm。远端Tx天线尺寸取决于传感器的封装限制,但通常会比汽车钥匙大一些。此外,433MHz的波长小于315MHz的波长,因此,家庭自动化应用中的天线增益会大于RKE应用,但天线的功率辐射效率仍然较低。由于接收器机壳通常安装在墙壁上,可以占用较大的空间,所以,多数情况下接收器的天线尺寸可以做得很大,但一般不超过四分之一波长(17.5cm或7in)。这种情况下,接收器天线的增益仍小于0dB。为了节省电池功耗(有些发射器可能采用“室内电源”供电)、满足FCC对天线辐射功率的限制条件,发射功率一般在+10dBm左右。最大值通常是在距离发射器3米远处测得的峰值场强,433MHz下的峰值高于315MHz下的峰值。如果发射器保持足够低的发射占空比,通常测到的数据是110mV/m,产生该场强需要的功率为+5.6dBm。在上述两个应用实例中(家庭自动化和RKE),输入到表格中的发射功率远低于FCC限制的功率,因为天线尺寸较小,而且辐射效率较低。在允许使用大尺寸天线的前提下,可有效延长通信距离。
地面多径表中需要输入的数据包括发射器和接收器的高度,由此确定地面反射的影响。上述示例中,假设发送器和接收器的高度为1.5m,即使在高度上比RKE增加了一点(分别为1.5m和1m),也有助于提高传输距离,这是由于地面反射产生的链路衰减几乎与天线高度的平方成反比。实际应用中,收发器在不同场合下所放置的高度可能不同。例如,有些传感器安装在天花板上,此时需要增大表格中的高度数值。
室内环境下增加了多径损耗(室内或楼宇内部的目标反射)和障碍物(墙壁和天花板)的衰减。多径损耗估算为25dB,传输过程中需要穿过3堵墙壁(10.2dB阻挡损耗)。
在表格中输入相关条件下的数据后,考虑到-114dBm的接收灵敏度,可以估算出空旷区域的传输距离近似为80米。这一结果可以通过更改链路预算表中的“Distance”数值,直到接收功率近似等于接收灵敏度得到。由此可以看出多径衰减和障碍物对室内通信链路的影响。