如何計算2.4GHz頻段模塊的路徑損耗

　　2.4GHz頻段現已成為家庭、辦公室和工廠(chǎng)短距離無(wú)線(xiàn)應用的普遍選擇。通常，2.4GHz信道隸屬于免許可的工業(yè)、科學(xué)和醫學(xué)(ISM)頻 段。ZigBee(IEEE 802.15.4)、Bluetooth(IEEE 802.15.1)、Wi-Fi(IEEE 802.11 b/g/n)、無(wú)線(xiàn)通用串行總線(xiàn)(WUSB)和私有協(xié)議(如MiWi)等許多協(xié)議以及部分無(wú)繩電話(huà)均采用此頻段。然而，在2.4GHz ISM頻段運行的不同協(xié)議會(huì )相互干擾。

　　因此，評估無(wú)線(xiàn)傳輸的范圍和性能以創(chuàng )建相關(guān)模型來(lái)估算模塊用于室內外短距離傳輸時(shí)的路徑損耗就顯得極為重要。借助創(chuàng )建的模型，設計人員可初步估算出無(wú)線(xiàn)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(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)認證的集成PCB天線(xiàn)的2.4GHz IEEE 802.15.4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)化和消費類(lèi)電子應用。

　　MRF24J40MB與MRF24J40MA類(lèi)似，不過(guò)更適合自動(dòng)讀表系統等長(cháng)距離應用。MRF24J40MC配有外部天線(xiàn)(如圖1所示)，同樣適用于長(cháng)距離應用。這三個(gè)模塊已通過(guò)各項法規和模塊化認證，它們通過(guò)四線(xiàn)制SPI接口與單片機相連。

　　路徑損耗模型

　　大尺寸模型用來(lái)預估長(cháng)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(zhù)距離縮短，該模型會(huì )徹底瓦解，但其對 于確定無(wú)線(xiàn)系統的工作范圍并粗略規劃網(wǎng)絡(luò )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(lèi)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(guò)，最初的重點(diǎn)通常是信號在短距離或短時(shí)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(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)送數據。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)送器與接收器間可靠無(wú)線(xiàn)鏈路所需的超出接收器靈敏度水平的功率(余量)。在理想條件下(天線(xiàn)已精確對準、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。需要的確切衰落余量取決于鏈路所需達到的可靠性，但根據經(jīng)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(xiàn)與發(fā)送天線(xiàn)之間的路徑損耗通常通過(guò)使距離對波長(cháng)的關(guān)系歸一化，以無(wú)量綱形式記錄。但是，有時(shí)分別考慮距離和波長(cháng)引起的損耗更方便。這種情況下，關(guān)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(lái)說(shuō)，評估一個(gè)包含兩個(gè)RF節點(diǎn)(節點(diǎn)1和節點(diǎn)2)的1km鏈路(范圍)的可行性，其中節點(diǎn)使用MRF24J40MB模塊，輸出功率為20dBm。節點(diǎn)1與增益為1dBi的全向PCB天線(xiàn)相連，節點(diǎn)2也與增益為1dBi的類(lèi)似PCB天線(xiàn)相連。節點(diǎn)1的發(fā)射功率為100mW(或 20dBm)，靈敏度為-102dBm。節點(diǎn)2的發(fā)射功率為100mW(或20dBm)，靈敏度與節點(diǎn)1相似。電纜長(cháng)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(diǎn)1到節點(diǎn)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(diǎn)2的最小接收靈敏度(-102dBm)，因此信號級別剛好足以使節點(diǎn)2與節點(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)現有效傳輸，但在惡劣的天氣條件下可能不足以實(shí)現可靠通信。

　　由于往返路徑上的路徑損耗相同，因此，節點(diǎn)1處接收到的信號級別為-60dB。而節點(diǎn)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(huán)境[在視距(LoS)內]導致的損耗(衰落)，這會(huì )使信號級別進(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

　　現在，我們將節點(diǎn)2替換為增益(輸出功率)為0dB的MRF24J40MA模塊。由于節點(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]導致的損耗(衰落)，這會(huì )使信號級別進(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

　　菲涅爾區是指無(wú)線(xiàn)電波離開(kāi)天線(xiàn)后在可視距離周?chē)鷤鞑サ膮^域，如圖2所示。擁有視距對于保持強度有利，對于2.4GHz無(wú)線(xiàn)系統更是如此，原因在 于2.4GHz波易被水吸收。根據經(jīng)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(shí)幾乎不會(huì )引起鏈路信號損耗，而這一比例超過(guò) 40%時(shí)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(shí)幾乎不會(huì )對通信鏈路造成干擾。被阻擋的菲涅爾區最好不要超過(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(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、形狀和種類(lèi)。兩面均干燥的木質(zhì)墻壁會(huì )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(zhì)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(shí)，菲涅爾區能夠很好地指示室內環(huán)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(guò)3m后，在密集的辦公室環(huán)境下，室內傳播 損耗將升至30dB/30m。保守地說(shuō)，大多數情況下對路徑損耗的估算有所夸大。實(shí)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(fā)生傳播損耗的其他原因，例如與其他發(fā)射器間的沖突、發(fā)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(dòng)引起的反射等。

　　圖3顯示了視距環(huán)境下的接收信號強度指示(RSSI)。

　　圖3 視距環(huán)境中的位置和距離

　　結論

　　選擇路徑損耗模型來(lái)預測RF系統性能時(shí)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(FreeSpace Path Loss， FSPL)模型會(huì )發(fā)生嚴重錯誤。對于城市環(huán)境，使用ITU室內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)預測傳輸距離加倍時(shí)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(yōu) 化以延長(cháng)傳輸距離。另外，任意無(wú)線(xiàn)系統中的其他變量也會(huì )影響傳輸距離，但僅在大幅變化時(shí)，其造成的影響才與接收器靈敏度變化產(chǎn)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(wú)線(xiàn)系統時(shí)，強烈建議在鏈路預算中留出足夠的鏈路余量來(lái)解決這一損耗問(wèn)題。