優(yōu)化嵌入式設(shè)備的 LoRa 無線電性能

無論是開發(fā)可穿戴設(shè)備還是工業(yè)電池供電設(shè)備，在最小化功耗的同時(shí)最大化范圍和穩(wěn)健性都至關(guān)重要。優(yōu)化 RF 性能可提高靈活性，并在尺寸、電池壽命和 RF 性能之間實(shí)現(xiàn)更具吸引力的權(quán)衡。

優(yōu)化射頻性能后，產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)可以考慮降低發(fā)射功率以延長電池壽命，或減少電池容量以減小產(chǎn)品尺寸，或者完全依靠收集的電能運(yùn)行并完全消除電池。

鏈路預(yù)算和路徑損耗

那么，哪些因素決定了射頻范圍和性能?讓我們從檢查鏈路預(yù)算開始。鏈路預(yù)算是發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度與接收器所需的最小信號(hào)之間的差值，等于最大范圍內(nèi)所有源的總損耗。鏈路預(yù)算最簡單的公式是(圖 1)：

圖 1：LinkBudget 基本元素

對(duì)于典型的 LoRa 無線電實(shí)現(xiàn)：

此配置提供 150dB 的鏈路預(yù)算。

在使用路徑損耗計(jì)算估算范圍之前，還需要考慮其他因素：

· 發(fā)射機(jī)天線增益(以 dB 為單位)如果為正，則會(huì)增加鏈路預(yù)算

· 接收天線增益(以 dB 為單位)如果為正，則會(huì)增加鏈路預(yù)算

· 發(fā)射機(jī)輸出和天線之間的損耗會(huì)降低鏈路預(yù)算

· 接收器輸入和天線之間的損耗會(huì)降低鏈路預(yù)算

考慮到所有這些因素，就可以提供可用于路徑損耗的鏈路預(yù)算(圖 2)：

圖 2：LinkBudget 中間元素

天線增益通常以 dB 表示，相對(duì)于全向天線 (dBi)，即在所有方向上均勻輻射的天線。通常，天線數(shù)據(jù)表會(huì)指定“峰值增益”，表示天線在最佳方向上的輻射效果，以及“平均增益”，表示天線在所有方向上的平均有效輻射。通常，除非可以控制設(shè)備的方向以實(shí)現(xiàn)“峰值增益”，否則應(yīng)使用平均增益。平均天線增益相當(dāng)于效率，因此，平均增益為 -3dB 的天線效率為 50%，這是一種更直觀的方式來可視化天線性能的影響。天線增益(發(fā)射器或接收器)為 -4dB 是緊湊型 LoRa 設(shè)備的典型值。如果精心緊湊地實(shí)施，接收器和發(fā)射器的損耗應(yīng)分別約為 1dB。但是，如果天線與發(fā)射器和接收器電路的匹配度不高，損耗可能會(huì)更高。

只有當(dāng)發(fā)射器的輸出阻抗與發(fā)射器看到的輸入阻抗“負(fù)載”緊密匹配時(shí)，功率才能有效地從發(fā)射器傳輸?shù)教炀€。該負(fù)載包括 PCB 走線、天線和連接到發(fā)射器輸出引腳的 RF 路徑中的任何組件。通常，有一個(gè)匹配電路用于將天線阻抗(在所需頻率下)轉(zhuǎn)換為 PCB 上的傳輸線特性阻抗，另一個(gè)匹配電路用于將 PCB 傳輸線阻抗(通常為 50Ω)轉(zhuǎn)換為發(fā)射器的最佳阻抗。如果天線和放大器匹配不佳，則發(fā)射信號(hào)將無法有效地傳輸?shù)教炀€，從而縮小范圍。當(dāng)匹配不佳時(shí)，發(fā)射器將消耗更多電流，縮短電池壽命，并可能產(chǎn)生更多的諧波。額外的諧波輻射加劇了監(jiān)管審批的挑戰(zhàn)，可能需要額外的濾波來緩解——這會(huì)增加 PCB 面積、增加損耗并增加成本。

將典型數(shù)字與上面提到的 LoRa 示例相結(jié)合得出(圖 3)：

圖 3：LinkBudget 詳細(xì)元素

應(yīng)從鏈路預(yù)算中至少減去 6dB，以便為實(shí)際條件和操作穩(wěn)健性提供余量。因此，在此示例中，最大范圍內(nèi)的傳播損耗約為 134 dB。

開發(fā)團(tuán)隊(duì)的決策直接影響鏈路預(yù)算的許多組成部分，團(tuán)隊(duì)可以做出權(quán)衡以增加范圍或降低功耗。選項(xiàng)包括增加發(fā)射器輸出功率或天線增益、提高接收器靈敏度或最大限度地減少損耗。這些選擇可能會(huì)增加無線電實(shí)現(xiàn)、電池或天線的尺寸和成本，但重要的是要認(rèn)真考慮每個(gè)決策對(duì)性能的影響。優(yōu)化性能可能會(huì)在監(jiān)管功率限制內(nèi)實(shí)現(xiàn)所需范圍或被迫在范圍上做出妥協(xié)以保持在允許的范圍內(nèi)之間產(chǎn)生差異。

在開發(fā)可穿戴設(shè)備時(shí)，這些權(quán)衡可能尤其困難，因?yàn)榭纱┐髟O(shè)備的尺寸和成本受到極大限制，需要最長的電池壽命和最小的尺寸，并且還受到監(jiān)管 (FCC、RED) 要求的進(jìn)一步限制，以盡量減少用戶吸收的射頻能量，即“比吸收率”或 SAR。運(yùn)營商和行業(yè)要求進(jìn)一步復(fù)雜化了蜂窩設(shè)備，這些要求需要高度優(yōu)化的天線性能和高發(fā)射功率(與藍(lán)牙或 WiFi 相比)，同時(shí)仍滿足 SAR 限制。在商業(yè)上可行的封裝內(nèi)滿足這些要求極具挑戰(zhàn)性。

接收器靈敏度

開發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)接收器靈敏度的影響不太明顯。接收器靈敏度由無線電調(diào)制、比特率和接收器實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)決定。一如既往，更大、功率更高、更昂貴的接收器通常性能更好。降低比特率是提高接收器靈敏度的另一種方法。

下表 1 說明了調(diào)制和比特率如何影響接收器性能。請(qǐng)記住，負(fù)靈敏度越小/越大越好：

表 1：FSK 和 LoRa 比特率與靈敏度

LoRa 擴(kuò)頻因子(SF)表示用于傳輸數(shù)據(jù)的物理層 CHIRP 的持續(xù)時(shí)間。擴(kuò)頻因子越大，CHIRP 越長，比特率越低。

通過確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量最少，開發(fā)團(tuán)隊(duì)可以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以最小化所需的比特率，從而提高靈敏度和范圍。通過在接收器功耗、尺寸或成本方面進(jìn)行額外投資，也可以提高靈敏度。例如，添加額外的濾波器或低噪聲放大器。降低比特率將增加傳輸時(shí)間并可能縮短電池壽命。最小化所需的吞吐量還可以最小化所需的傳輸時(shí)間(在任何比特率下)，并允許團(tuán)隊(duì)在平衡范圍、傳輸時(shí)間和電池壽命的同時(shí)最大化靈敏度。對(duì)于固定的傳輸功率，更高的比特率會(huì)產(chǎn)生更短的傳輸時(shí)間，但范圍更短，這為團(tuán)隊(duì)提供了另一種權(quán)衡，可用于平衡 RF 性能與其他要求。如果通過最大化發(fā)射機(jī)效率、接收機(jī)靈敏度和天線增益來優(yōu)化射頻實(shí)現(xiàn)，那么多余的鏈路預(yù)算也可以“花費(fèi)”在較便宜的組件或性能較低的天線上，以實(shí)現(xiàn)更理想的產(chǎn)品外觀或降低發(fā)射機(jī)功率以延長電池壽命。

上述討論假設(shè)無線電實(shí)現(xiàn)符合制造商的規(guī)格。要達(dá)到這一性能水平，必須遵守制造商的建議，并盡量減少會(huì)降低性能的干擾源。同樣，產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)必須在性能與尺寸和成本之間進(jìn)行權(quán)衡?？紤]常見的噪聲源和緩解技術(shù)：

· 來源

· 處理器，尤其是外部存儲(chǔ)器總線

· 開關(guān)電源

· 隔離 RS-485/232 驅(qū)動(dòng)器

· 顯示器和視頻驅(qū)動(dòng)程序

· D 類音頻放大器

· 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

· 減輕

· 屏蔽罐和屏蔽電纜

· 附加濾波器和放大器

· 額外的 PCB 層

· 線路終端和斜率控制

這些緩解措施中的大多數(shù)都會(huì)增加產(chǎn)品成本和尺寸，但如果它們能夠擴(kuò)大范圍或降低其他成本或尺寸(例如更小或更弱的電池)，則可能是合適的選擇。還應(yīng)考慮積極緩解潛在問題，以最大限度地降低監(jiān)管測(cè)試失敗的風(fēng)險(xiǎn)并縮短上市時(shí)間。解決和預(yù)防噪音將最大限度地提高實(shí)際靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)最大范圍和最小發(fā)射功率。

范圍和傳播

既然我們已經(jīng)討論了如何優(yōu)化系統(tǒng)性能，那么讓我們討論一下傳播和范圍估計(jì)。在理想情況下，通常稱為“自由空間”，信號(hào)從天線向各個(gè)方向傳播，沒有反射、大氣折射或吸收。在這種情況下，損耗由以下公式給出(圖 4)：

其中f 是頻率(單位為兆赫)，d 是距離(單位為公里)。

圖 4：距離和頻率上的信號(hào)損耗

請(qǐng)注意，頻率是該等式的關(guān)鍵組成部分，降低頻率可減少損耗。如果其他所有條件保持不變，將頻率從 2.4Ghz(藍(lán)牙、WiFi)降低到 900Mhz 可將路徑損耗降低 9dB，并且范圍應(yīng)增加一倍以上。理解這一點(diǎn)揭示了另一個(gè)權(quán)衡——降低信號(hào)頻率可以增加范圍。但是，對(duì)于給定的音量，天線效率會(huì)隨著頻率的降低而降低，這可能會(huì)抵消較低頻率帶來的部分好處。

不幸的是，現(xiàn)實(shí)世界中的范圍受到許多其他因素的影響，例如各種障礙物的反射和吸收?，F(xiàn)實(shí)世界中有各種傳播模型，大多數(shù)基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)集。Okumura -Hata 模型是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，它為各種環(huán)境(城市、郊區(qū)、農(nóng)村)和各種天線高度提供了選項(xiàng)。在農(nóng)村或開放環(huán)境中，路徑損耗公式為(圖 5)：

在哪里：

h B = 基站天線高度。單位：米(m)

h M = 移動(dòng)站天線高度。單位：米(m)

f = 傳輸頻率。單位： 兆赫 (MHz)

C H = 天線 高度校正系數(shù)

d = 基站與移動(dòng)站之間的距離。單位：公里(km)。

基于之前的 LoRa 示例并使用此處提供的 IEEE 工作表，HATA 模型預(yù)測(cè)當(dāng)天線距離地面 2 米時(shí)，3 公里處的路徑損耗為 134dB。

功耗權(quán)衡

除了上面提到的一階權(quán)衡(發(fā)射機(jī)功率、比特率與傳輸時(shí)間和靈敏度、降噪、成本、尺寸)之外，還有許多其他考慮因素可以最大限度地降低功耗。無論是在接收模式還是發(fā)射模式下，最大限度地縮短無線電接通時(shí)間都是最大限度延長電池壽命的關(guān)鍵。雖然直觀地看，發(fā)射會(huì)消耗大量能量，但由于需要進(jìn)行大量信號(hào)處理，許多現(xiàn)代接收器的功耗與發(fā)射機(jī)功率相當(dāng)。必須精心設(shè)計(jì)無線協(xié)議和同步算法，以確?？焖倏煽康耐健㈩l率對(duì)齊和最短接通時(shí)間。使用更高精度的晶體可以最大限度地降低時(shí)間或頻率錯(cuò)位的風(fēng)險(xiǎn)，并確保無線電更快地“鎖定”。最大限度地減少噪音和重發(fā)，尤其是考慮到溫度和老化時(shí)。必須特別注意初始精度、所需溫度范圍內(nèi)的精度以及老化引起的頻率漂移，以確保您的設(shè)計(jì)能夠長期工作。

優(yōu)化無線協(xié)議只是一個(gè)例子。應(yīng)仔細(xì)考慮所有觸發(fā)設(shè)備偏離最低功耗狀態(tài)的事件，包括與所有輸入、輸出以及任何“指示器”或 UI 元素的交互。只要有可能，就應(yīng)在每個(gè)喚醒周期處理多個(gè)事件，以盡量減少喚醒周期的頻率。同樣，必須在更高的時(shí)鐘速度之間進(jìn)行功耗權(quán)衡，這會(huì)導(dǎo)致更高的功耗，但持續(xù)時(shí)間較短;而較低的時(shí)鐘速度會(huì)導(dǎo)致更長的持續(xù)時(shí)間內(nèi)更低的功耗。

電源設(shè)計(jì)的各個(gè)方面也必須考慮。最先進(jìn)的開關(guān)電源已經(jīng)有了很大的改進(jìn)，但當(dāng)負(fù)載只有幾微安時(shí)，例如當(dāng)設(shè)備在傳輸之間處于休眠狀態(tài)時(shí)，仍然效率低下。然而，非常低的靜態(tài)線性穩(wěn)壓器通常具有令人驚訝的差的瞬態(tài)響應(yīng)特性，因此必須仔細(xì)考慮這些組件。

通常，在低功耗狀態(tài)下，許多子電路都會(huì)關(guān)閉，但是，必須檢查每條 IO 線的狀態(tài)和子電路之間的連接，以確保沒有活動(dòng)信號(hào)連接到已斷電的組件，否則會(huì)出現(xiàn)意外的漏電流(可能是幾毫安)，并且由于漏電流部分為某些組件供電，可能會(huì)出現(xiàn)意外行為。

圖 6：優(yōu)化無線電設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素和權(quán)衡因素

總之，應(yīng)該清楚的是，為了最大限度地提高范圍和電池壽命，必須考慮設(shè)備的幾乎所有方面。設(shè)備的尺寸限制了天線效率、電池容量和 PCB 面積，以實(shí)現(xiàn)最佳 RF 實(shí)現(xiàn)。RF 電路的設(shè)計(jì)是否合理限制了范圍，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)縮短電池壽命。同樣，在設(shè)計(jì)操作狀態(tài)時(shí)投入的精力，以最大限度地延長睡眠時(shí)間并最大限度地縮短空中時(shí)間，可以增加范圍并延長電池壽命。實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)需要不斷協(xié)商，以實(shí)現(xiàn)技術(shù)優(yōu)化和商業(yè)上可行的尺寸、成本和性能(圖 6)。