ISM RF產(chǎn)品的無(wú)線(xiàn)鏈路預算表

鏈路預算表用于計算Maxim工業(yè)、科學(xué)與醫療無(wú)線(xiàn)頻段(ISM-RF)產(chǎn)品(Tx、Rx、TRx)的鏈路性能，估算特定的射頻電路在幾種環(huán)境下的 通信覆蓋范圍和鏈路裕量。該Excel表格還可用于估算100MHz至10GHz載頻范圍的其它射頻系統的鏈路裕量。利用該表格計算時(shí)，用戶(hù)需要輸入以 下信息：

• 載波頻率
• 發(fā)射功率
• 電纜和連接器損耗
• 天線(xiàn)增益和效率(接收和發(fā)射)
• 自由空間和平地的傳輸延時(shí)
• 接收機和發(fā)射機高度
• 接收機靈敏度
• 障礙損耗
• 多徑損耗

我們還將對該鏈路預算表格進(jìn)行升級，加入新的功能進(jìn)一步豐富現有特性，包括：

• 連接器的損耗信息
• 利用散射模型計算多徑損耗
• 傳輸介質(zhì)(濕度、電導率、介電常數、人體/動(dòng)物表面組織、樹(shù)葉等)損耗

本文簡(jiǎn)要介紹了關(guān)于傳輸路徑的一些假設及數學(xué)背景知識，并提供了該鏈路預算表格的使用方法。

傳輸路徑損耗

該計算表格包含兩條基本傳輸路徑：自由空間和平地路徑。而對于大廈內部和城市街道的無(wú)線(xiàn)通信，還須考慮多徑、障礙物和穿透損耗。Maxim的ISM-RF產(chǎn)品非常適合停車(chē)場(chǎng)、街道、空曠場(chǎng)地和樓宇內部等無(wú)線(xiàn)單元位于地面以上的場(chǎng)所。這意味著(zhù)平地模型比較適合估算這類(lèi)場(chǎng)合的通信鏈路。對于收發(fā)信機位于塔臺或屋頂的應用場(chǎng)所，天線(xiàn)為窄波束，采用自由空間模型進(jìn)行計算比較恰當。

如果射頻信號的傳輸相對于所要求的水平傳輸距離而言在垂直方向非常接近地面，則其傳輸路徑需要

考慮兩部分信號：直接(延視線(xiàn)方向)傳輸信號和地面反射信號。地面反射的電磁波相位與直接傳輸的電磁波相位相反。自由空間的傳輸模型沒(méi)有考慮地面反射。

自由空間的傳輸路徑損耗公式為：

PR = PTGTGRλ²/(4πR)²(式1)

其中PR為接收功率，PT為發(fā)射功率，GT為發(fā)射機的天線(xiàn)增益，GR為接收機的天線(xiàn)增益，R為傳輸距離，λ為波長(cháng)。

平地的傳輸路徑損耗公式為：

PR = ½PTGTGRλ²/(4πR)² (1 + a² - 2acos(2πΔR/λ))(式2)

其中ΔR為直接傳播路徑和地面反射路徑的距離差，“a” (≤ 1)為地面反射路徑的相對強度。

ΔR = √(R² + (h2 + h1)²) - √(R² + (h2 - h1)²)(式3)

注意，式2由式1推導產(chǎn)生?？紤]地面反射損耗的影響，計算如下：

LGB = ½(1 + a² - 2acos(2πΔR/λ))(式4)

在近距離通信的情況下，路徑距離差ΔR大于等于波長(cháng)的一半，LGB隨R快速變化，接收功率波動(dòng)非常明顯。在遠距離(通常超過(guò)30米)通信中，LGB隨R-2變化，接收功率在平地(式2)與傳輸距離的4次方成反比。

鏈路預算表中提供了兩種路徑損耗的計算公式，用戶(hù)可自行選擇。

用戶(hù)表格說(shuō)明

計算表中有五個(gè)表格用于計算或為用戶(hù)提供指導信息：

• 鏈路預算
• 鏈路圖
• 地面多徑
• 電纜損耗
• 障礙物損耗

這些表格中，只有鏈路預算和地面多徑表格需要用戶(hù)輸入信息；電纜損耗表格包含常用電纜和連接器的損耗指標；障礙物表格包含建筑物內部墻壁和玻璃的衰減，以及室外建筑、森林、植被的損耗?？衫眠@些數值進(jìn)行計算，在鏈路預算表格中輸入電纜和障礙物的損耗。連接器的損耗通常小于1dB，可以直接輸入，無(wú)需額外的表格。鏈路圖表格描述了硬件和板上傳輸引入的損耗。

地面多徑表格需要用戶(hù)輸入發(fā)射機和接收機的高度，路徑損耗和距離的關(guān)系，以及與地表傳輸相關(guān)的損耗。

計算表的輸入，用不同顏色區分不同的參數來(lái)源。

黑色：用戶(hù)的輸入數據
暗紅色：常數，比如：光速
藍色：計算結果
綠色：從其它表格得到的數值

計算表格的使用

打開(kāi)計算表格的鏈路預算表，在本文最后有屏幕截圖。
1、輸入載波頻率，單位為MHz。計算表將計算波長(cháng)。
2、輸入發(fā)射機功放的發(fā)射功率，通過(guò)測量或估算得到該功率值，盡可能靠近功放的功率輸出引腳進(jìn)行測量。
3、輸入Tx匹配損耗(如果存在的話(huà))。大多數發(fā)射機需要幾個(gè)無(wú)源器件對天線(xiàn)阻抗進(jìn)行轉換，以?xún)?yōu)化發(fā)射器的匹配。
4、輸入發(fā)射電路和天線(xiàn)之間的任何電纜、連接器損耗。計算表會(huì )顯示發(fā)射天線(xiàn)的輸入功率。
5、輸入發(fā)射天線(xiàn)的增益，包括天線(xiàn)的效率、額外的阻抗匹配損耗和天線(xiàn)方向模板的變化。任何尺寸小于0.1倍波長(cháng)的天線(xiàn)將引入衰減，而不是增益。
6、輸入所要求的傳輸距離，單位為米。
7、必要時(shí)，輸入傳輸介質(zhì)損耗。比如，通過(guò)介質(zhì)而非空氣傳輸信號；或者是信號頻率過(guò)高(大于2GHz)時(shí)，水蒸氣和分子會(huì )吸收信號能量。
8、在地面多徑表輸入發(fā)射機天線(xiàn)和接收機天線(xiàn)的高度。
9、返回鏈路預算表，表中將給出指定距離下自由空間和平地模型的路徑損耗。
10、基于自由空間損耗計算得到的天線(xiàn)接收功率位于依據平地模型損耗計算結果的上面幾行。如果鏈路是自由空間鏈路，則使用自由空間損耗進(jìn)行計算，無(wú)需考慮平地模型的損耗。
11、輸入多徑損耗(反射和路徑上的散射)的估算值。除非路徑平坦、空曠(例如：開(kāi)闊區域或空曠的停車(chē)場(chǎng))，否則損耗會(huì )高于20dB。
12、輸入障礙物損耗的估算值。
13、基于平地模型損耗計算得到的天線(xiàn)接收功率位于依據自由空間損耗計算結果的下面幾行。
14、輸入接收天線(xiàn)的增益，發(fā)射天線(xiàn)增益的效率規則同樣適用于此處。
15、輸入天線(xiàn)和接收電路之間的任何連接器、電纜損耗，接收機輸入的最終Rx功率表示為自由空間損耗和平地模型損耗。
16、Rx功率右側的輸入區域為接收機靈敏度，這是接收機正確處理鏈路信息時(shí)的最小信號電平。當由通路(自由空間或平地模型)接收到的信號電平等于該靈敏度值時(shí)，輸入的距離表示最大鏈路范圍。根據需要調節該范圍，使接收信號電平與靈敏度保持一致。
17、為確定輸入該區域的靈敏度數值，使用鏈路預算表中的接收機靈敏度計算功能，或者從鏈路圖的最大RX表中選擇一個(gè)數值。計算接收機靈敏度和SNR所需的三個(gè)輸入參數為噪聲系數、接收帶寬和工作溫度。

例1：遠端門(mén)禁(RKE)控制鏈路

圖1所示為針對315MHz RKE控制鏈路的鏈路預算表；圖2和圖3為地面多徑表在給定Tx和Rx高度時(shí)的鏈路損耗與距離關(guān)系圖，隨后將討論這些表格的含義。

圖1. 315MHz RKE控制鏈路的鏈路預算表

圖2. 地面多徑表，顯示RKE控制鏈路中，平坦地面損耗與Tx和Rx高度的關(guān)系

圖3. RKE控制鏈路中，平坦地面損耗與傳輸距離的關(guān)系

RKE示例考察與分析

上 述鏈路預算表中的輸入數據針對RKE應用，Tx和Rx具有非常低的天線(xiàn)增益(-15dB)，發(fā)射功率只有+10dBm甚至更低。只有鑰匙大小的天線(xiàn)，尺寸 不會(huì )超過(guò)1in × 1in (40mm × 40mm)，與950mm的波長(cháng)相比非常小，所以，天線(xiàn)的效率非常低。接收天線(xiàn)的尺寸可以稍大一些，但通常位于車(chē)的內部或儀表盤(pán)的后方，會(huì )受到遮擋或屏 蔽。為了節省電池功耗、滿(mǎn)足FCC對天線(xiàn)輻射功率的限制條件，發(fā)射功率一般在+10dBm左右。最大值通常是在距離發(fā)射器3米遠處測得的峰值場(chǎng)強。如果發(fā) 射器保持足夠低的發(fā)射占空比，通常測到的數據是60mV/m (等效于天線(xiàn)的+0.4dBm的輻射功率)。

地面多徑表中需要輸入的數據包括發(fā)射器和接收器的高度，由此確定地面反射的影響。上述示例中，假設發(fā)送器和接收器的高度為1m，一般是人手握鑰匙的位置，接收器的高度則是車(chē)載接收器的典型位置。

在表格中輸入以上數據后，考慮到-114dBm的接收靈敏度，可以估算出空曠區域的傳輸距離近似為175米。這一結果可以通過(guò)更改鏈路預算表中的“Distance”數值，直到接收功率近似等于接收靈敏度得到。

例2：室內自動(dòng)監測傳感器和鍵盤(pán)控制

圖 4所示是針對433.92MHz家庭自動(dòng)化應用鏈路得到的鏈路預算表，圖5和圖6所示為地面多徑表在給定Tx、Rx高度時(shí)的無(wú)線(xiàn)鏈路損耗與距離的關(guān)系。該 鏈路通常是室內安全監控系統的傳感器與墻上鍵盤(pán)控制盒之間的距離，也可以是遠端調溫器或亮度調節裝置的信號傳輸鏈路。這類(lèi)應用與RKE控制鏈路不同的是， 需要考慮障礙物衰減和多徑損耗，由于在通信鏈路產(chǎn)生較大衰減，而縮短了傳輸距離。另一方面，由于可以使用尺寸略大的天線(xiàn)，收發(fā)器也可安裝在較高位置，所以 可以得到高效的天線(xiàn)功率輻射。但總體來(lái)講，這種應用場(chǎng)合的傳輸距離要近一些。

圖4. 433.92MHz家庭自動(dòng)化應用的鏈路預算表

圖5. 地面多徑表，顯示家庭自動(dòng)化鏈路中，平坦地面損耗與Tx和Rx高度的關(guān)系

圖6. 家庭自動(dòng)化控制鏈路中，平坦地面損耗與傳輸距離的關(guān)系

家庭自動(dòng)化示例考察與分析

鏈 路預算表中的輸入數據針對于家庭自動(dòng)化應用，Tx天線(xiàn)增益為-10dB，Rx天線(xiàn)增益為-5dB，發(fā)射功率為+10dBm。遠端Tx天線(xiàn)尺寸取決于傳感器 的封裝限制，但通常會(huì )比汽車(chē)鑰匙大一些。此外，433MHz的波長(cháng)小于315MHz的波長(cháng)，因此，家庭自動(dòng)化應用中的天線(xiàn)增益會(huì )大于RKE應用，但天線(xiàn)的 功率輻射效率仍然較低。由于接收器機殼通常安裝在墻壁上，可以占用較大的空間，所以，多數情況下接收器的天線(xiàn)尺寸可以做得很大，但一般不超過(guò)四分之一波長(cháng) (17.5cm或7in)。這種情況下，接收器天線(xiàn)的增益仍小于0dB。為了節省電池功耗(有些發(fā)射器可能采用“室內電源”供電)、滿(mǎn)足FCC對天線(xiàn)輻射 功率的限制條件，發(fā)射功率一般在+10dBm左右。最大值通常是在距離發(fā)射器3米遠處測得的峰值場(chǎng)強，433MHz下的峰值高于315MHz下的峰值。如 果發(fā)射器保持足夠低的發(fā)射占空比，通常測到的數據是110mV/m，產(chǎn)生該場(chǎng)強需要的功率為+5.6dBm。在上述兩個(gè)應用實(shí)例中(家庭自動(dòng)化和 RKE)，輸入到表格中的發(fā)射功率遠低于FCC限制的功率，因為天線(xiàn)尺寸較小，而且輻射效率較低。在允許使用大尺寸天線(xiàn)的前提下，可有效延長(cháng)通信距離。

地 面多徑表中需要輸入的數據包括發(fā)射器和接收器的高度，由此確定地面反射的影響。上述示例中，假設發(fā)送器和接收器的高度為1.5m，即使在高度上比RKE增 加了一點(diǎn)(分別為1.5m和1m)，也有助于提高傳輸距離，這是由于地面反射產(chǎn)生的鏈路衰減幾乎與天線(xiàn)高度的平方成反比。實(shí)際應用中，收發(fā)器在不同場(chǎng)合下 所放置的高度可能不同。例如，有些傳感器安裝在天花板上，此時(shí)需要增大表格中的高度數值。

室內環(huán)境下增加了多徑損耗(室內或樓宇內部的目標反射)和障礙物(墻壁和天花板)的衰減。多徑損耗估算為25dB，傳輸過(guò)程中需要穿過(guò)3堵墻壁(10.2dB阻擋損耗)。

在表格中輸入相關(guān)條件下的數據后，考慮到-114dBm的接收靈敏度，可以估算出空曠區域的傳輸距離近似為80米。這一結果可以通過(guò)更改鏈路預算表中的“Distance”數值，直到接收功率近似等于接收靈敏度得到。由此可以看出多徑衰減和障礙物對室內通信鏈路的影響。