如何正確計算2.4GHz頻段模塊的路徑損耗
發布時間：2015-4-15 14:59
發布者：chengong
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作者: Michael Parker 2.4GHz頻段現已成為家庭、辦公室和工廠短距離無線應用的普遍選擇。通常，2.4GHz信道隸屬于免許可的工業、科學和醫學(ISM)頻段。ZigBee(IEEE 802.15.4)、Bluetooth(IEEE 802.15.1)、Wi-Fi(IEEE 802.11 b/g/n)、無線通用串行總線(WUSB)和私有協議(如MiWi)等許多協議以及部分無繩電話均采用此頻段。然而，在2.4GHz ISM頻段運行的不同協議會相互干擾。 因此，評估無線傳輸的范圍和性能以創建相關模型來估算模塊用于室內外短距離傳輸時的路徑損耗就顯得極為重要。借助創建的模型，設計人員可初步估算出無線通信系統的性能。性能參數包括范圍、路徑損耗、接收器靈敏度、誤碼率(BER)和誤包率(PER)，這些參數在任何通信系統中都非常重要。 以功率和天線類型各不相同的三個模塊為例——Microchip的MRF24J40MA、MRF24J40MB和MRF24J40MC。MRF24J40MA是一款經認證的集成PCB天線的2.4GHz IEEE 802.15.4無線收發器模塊，適用于無線傳感器網絡、家庭自動化、樓宇自動化和消費類電子應用。 MRF24J40MB與MRF24J40MA類似，不過更適合自動讀表系統等長距離應用。MRF24J40MC配有外部天線(如圖1所示)，同樣適用于長距離應用。這三個模塊已通過各項法規和模塊化認證，它們通過四線制SPI接口與單片機相連。 路徑損耗模型 大尺寸模型用來預估長距離傳輸時的平均性能。大尺寸模型取決于距離以及與頻率關系不大的重要環境特性。隨著距離縮短，該模型會徹底瓦解，但其對于確定無線系統的工作范圍并粗略規劃網絡容量很有用。小尺寸(衰落)模型描述了一對一的信號變化。這類模型主要涉及多路徑效應(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，最初的重點通常是信號在短距離或短時間內快速變化的小尺寸模型。如果估算的接收功率足夠大(通常與接收器靈敏度有關，也可能與使用的通信協議有關)，則這條鏈路便可用于發送數據。接收功率超出接收器靈敏度的量稱為鏈路余量。 鏈路余量或衰落余量被定義為確保發送器與接收器間可靠無線鏈路所需的超出接收器靈敏度水平的功率(余量)。在理想條件下(天線已精確對準、不存在多路徑或反射并且沒有損耗)，必需的鏈路余量為0dB。需要的確切衰落余量取決于鏈路所需達到的可靠性，但根據經驗，最好始終保持22dB至28dB的衰落余量。如果衰落余量在良好天氣條件下不小于15dB，則可充分保證RF系統在惡劣條件(因天氣、日光和射頻干擾所致)下繼續有效運行。 接收天線與發送天線之間的路徑損耗通常通過使距離對波長的關系歸一化，以無量綱形式記錄。但是，有時分別考慮距離和波長引起的損耗更方便。這種情況下，關注使用的單位特別重要，因為選擇的單位不同，涉及的偏移常數也不同。 舉例來說，評估一個包含兩個RF節點(節點1和節點2)的1km鏈路(范圍)的可行性，其中節點使用MRF24J40MB模塊，輸出功率為20dBm。節點1與增益為1dBi的全向PCB天線相連，節點2也與增益為1dBi的類似PCB天線相連。節點1的發射功率為100mW(或20dBm)，靈敏度為-102dBm。節點2的發射功率為100mW(或20dBm)，靈敏度與節點1相似。電纜長度很短，兩端的損耗各為1dB左右。之后，將所有增益相加并減去節點1到節點2鏈路的所有損耗(僅考慮1km鏈路路徑的自由空間損耗)。 由于-60dB大于節點2的最小接收靈敏度(-102dBm)，因此信號級別剛好足以使節點2與節點1通信。此時的余量為42dB(102dB～60dB)，這可在良好的天氣條件下實現有效傳輸，但在惡劣的天氣條件下可能不足以實現可靠通信。 由于往返路徑上的路徑損耗相同，因此，節點1處接收到的信號級別為-60dB。而節點1的接收靈敏度為-102dBm，故衰落余量為42dB(102 dB～60dB)。此外，還存在因環境[在視距(LoS)內]導致的損耗(衰落)，這會使信號級別進一步降低20dB，此時符合通信要求但沒有任何附加增益。 
圖1：帶子板和外部天線的MRF24J40MC模塊 現在，我們將節點2替換為增益(輸出功率)為0dB的MRF24J40MA模塊。由于節點1的接收靈敏度為-95dBm，故衰落余量為35dBm(95dB~60dB)。此外，還存在因環境[在視距(LoS)內]導致的損耗(衰落)，這會使信號級別進一步降低20dB，此時的通信僅有15dB到20dB的附加增益。 菲涅爾區 菲涅爾區是指無線電波離開天線后在可視距離周圍傳播的區域，如圖2所示。擁有視距對于保持強度有利，對于2.4GHz無線系統更是如此，原因在于2.4GHz波易被水吸收。根據經驗，必須有60%的菲涅爾區不存在障礙物。通常，20%的菲涅爾區被阻擋時幾乎不會引起鏈路信號損耗，而這一比例超過40%時信號損耗將非常明顯。
圖2：菲涅爾區 計算出可被阻擋的菲涅爾區的比例非常重要。通常，20%到40%的菲涅爾區被阻擋時幾乎不會對通信鏈路造成干擾。被阻擋的菲涅爾區最好不要超過20%。 由于存在墻壁和天花板等障礙物，建筑物中室內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，以及設備、家具和人為干預造成的阻擋共同作用的結果。 徑直道路上每棵樹木造成的衰減損耗約為8dB到18dB。這種衰減取決于樹木的大小、形狀和種類。兩面均干燥的木質墻壁會導致約6 dB的衰減。由于材料和視距等原因，相對較老的建筑物的內部損耗可能比新建筑物大�；炷翂е碌膿p耗為10dB到15dB，具體取決于墻面的大小和形狀。建筑物地板導致的損耗為12dB到27dB。鋼筋混凝土地板導致的損耗大于木質地板。鏡面墻造成的損耗非常高，因為它采用了導電的反射涂層。 有時，菲涅爾區能夠很好地指示室內環境范圍的測量結果。通常，視距傳播的有效范圍僅為前3m左右。超過3m后，在密集的辦公室環境下，室內傳播損耗將升至30dB/30m。保守地說，大多數情況下對路徑損耗的估算有所夸大。實際傳播損耗與估算結果的偏差可能非常大，具體取決于建筑物的構造、結構和布局。 此外，還有一些可能導致菲涅爾區內發生傳播損耗的其他原因，例如與其他發射器間的沖突、發射器的誤差向量幅度(EVM)較弱(通常在20%到24% RMS范圍內)以及物體或人員移動引起的反射等。 圖3顯示了視距環境下的接收信號強度指示(RSSI)。
圖3：視距環境中的位置和距離 結論 選擇路徑損耗模型來預測RF系統性能時應十分謹慎。除極少數受限情況外，大多數情況下選擇自由空間路徑損耗(Free Space Path Loss, FSPL)模型會發生嚴重錯誤。對于城市環境，使用ITU室內傳播模型更能反映真實場景。 在城市環境中，最好使用10dB到12dB來預測傳輸距離加倍時所需增加的鏈路預算。接收器靈敏度是系統中最重要的變量，必須謹慎對待并相應優化以延長傳輸距離。另外，任意無線系統中的其他變量也會影響傳輸距離，但僅在大幅變化時，其造成的影響才與接收器靈敏度變化產生的影響相當。 多路徑效應引起的衰落可導致大于30dB到40dB的信號衰減，因此在設計無線系統時，強烈建議在鏈路預算中留出足夠的鏈路余量來解決這一損耗問題。 |
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