射频设计中常用的经验法则 - 怎样选择适合您应用的无线网络？

　　射频设计中常用的经验法则是：链路预算增加6 dB会使数据传输距离大致翻一番。利用该经验法则就不难看出，运行频率为915MHz的系统的数据传输距离将是运行频率为2.4GHz的系统的数据传输距离的两倍多。运行频率为433MHz的系统的数据传输距离将是运行频率为915MHz的系统的数据传输距离的一倍。因此，运行频率较低的系统可实现较长距离的数据传输。

　　此外，数据传输速率在工业网络的运行频率和调制类型选择中也扮演着重要角色。如之前所述，远程温度监控和致动等应用最好应采用以低功率运行较小的软件栈的专线网络。为预期应用定制数据包可大幅简化这些专线网络。

　　采用ISM频段专线网络的无线解决方案的数据传输范围或覆盖范围通常要比ZigBee、蓝牙或WLAN的数据传输范围或覆盖范围好很多。除了专线网络以低频率运行降低路径损耗之外，其它因素也可增大专线网络的数据传输范围。数据包小、数据传输速率低和能够发送多份数据副本是专线网络通常优于基于标准网络的原因。图4为各无线网络的覆盖范围与技术的对比。

　　

　　图4：各射频网络的覆盖范围与技术

　　ZigBee和ISM频段专线网络的功耗更符合工业网络中对温度、压力和致动数据的远程监控的期望。ZigBee节点用一对AA电池可运行一年左右，而使用专线ISM频段协议的节点在同样的电源支持下可轻松将寿命延长至10年。ISM频段解决方案的电池寿命较长的原因是设计者能够选择数据的占空比，从而针对特定情况定制解决方案。

　　全球公认的ZigBee 802.15.4系统运行频率为2.4GHz，采用DSSS（直接序列扩频，偏移四相相移键控）作为调制方案。ZigBee无线电设备还能在美洲地区以 915MHz DSSS运行，并在欧洲地区以868MHz DSSS运行；这些频率的调制方案为BPSK（二进制相移键控）。目前，大部分ZigBee解决方案的运行频率均为2.4GHz。由于2.4GHz频段在全球范围内被广泛用于众多无线标准和微波炉中，它已变得日益拥挤。不太拥挤的ISM 915、868频段或433MHz频段可成为拥挤的2.4GHz无线解决方案的替代方案，应予以考虑。

　　与915MHz或更低的频率相比，运行频率为2.4GHz的系统的天线波长较短。这就是许多WLAN路由器需要两根天线（运行频率为5.6GHz的802.11g需要三根天线）的原因。反射和多路径会导致运行频率为2.4GHz的系统在数据传输过程中出现零位。以915MHz等较低的运行频率实现网络通信不会显示多路径和置零，因而只需一根天线就能良好运行。运行频率为915MHz或更低的很多应用可使用板载带状PCB天线实现网络通信。减少天线数量有助于降低整个系统的成本，也是运行频率超出2.4GHz的网络通常会选择成本低、数据传输范围长的工业网络的另一个原因。

　　那么，ISM频段内可用的其它方案有哪些？ 这些年来，工程师们创造出了采用OOK（开关键控）、ASK（振幅键控）和FSK（频移键控）调制方案的专线射频网络。很多时候，这些网络具有工程师不容忽视的优点。麦瑞目前提供频段为310MHz到950MHz的收发器，可在ISM频段内执行遥控无钥匙进入（PKE）和双向无线网络协议。无线网络最复杂的地方是微处理器使用的软件栈。这最后一部分的设计会让许多射频设计超出标准。

　　麦瑞已利用MICRF505 FSK收发器芯片使通用型C源代码成为了用于调频扩频技术（FHSS）的FCC 15.247兼容式协议。 该软件名为MicrelNet，调制方案采用FHSS，带宽为250KHz，跳频为25。MICRF505芯片配备板载功率放大器 （PA），无需外部传送/接收开关即可实现-3dBm到+10dBm的信号强度至天线的传输。使用设置为10dBm的MICRF505的板载功率放大器，在200米以内，数据传输速率即可轻松达到9.6Kbps。

　　图 5给出了FHSS系统中的各载波频率。所有节点均同步运行，以实现跳频。如有频率出现故障或被占用，系统将跳至下一频率获取信息。软件栈最终负责重组节点间发送的数据包。可根据MicrelNet中的IP地址方案轻松识别数据包的源地址和目标地址类型格式。软件CRC用于确保数据传输安全。

　　

　　图5：跳频扩频技术（FHSS）

　　FCC 15.247可使FHSS无线电设备以915MHz的频率运行时输出功率达到250mW，相当于以24dBm的信号强度传输至电阻为50ohm的天线内。如果再配备外部功率放大器和传送/接收开关，MICRF505收发器的芯片功率可达250mW。在视线应用中，当输出功率为250mW时，MICRF505的覆盖范围可达2公里，数据传输速率将达到10Kbps左右。

　　MicrelNet代码栈可使用8位微处理器以 8KByte的速度运行。现在新增了许多工业无线网络，来增强现有的由每个节点上的小型低功率微处理器控制的RS232型网络。由于小型低功率微处理器的闪存大小有限，往往不能选择添加大段代码。MicreNet的代码为8Kbyte，比相应的802.11 WLAN（1MByte）或ZigBee（32K–70KByte） 的要小得多。

　　MicrelNet在树状网络中运行，网络主机能够与从属节点达65，000的网络中的其它主机通信。这与ZigBee类似，但ZigBee属于在任何节点间均可实现相互通信的网状网络。网状网络适用于MICRF505，但需要额外的软件资源，类似于为部署ZigBee所讨论的资源。图6展示了各种无线网络的拓扑结构及其支持的节点数量。

　　

　　图6：多种网络示例

　　在无线工业网络中，哪种类型的网络能够取胜最终取决于其具体应用和环境。频率、协议和功耗均会影响数据传输的范围、系统资源和解决方案的最终成本，因此，它们是决策过程中的关键元素。

　　802.11、ZigBee等协议和专线方案（如 MicrelNet）均可共存。图6所示“网关控制器”能够使各种无线网络在所有网络中最常见的网络——10/100铜缆以太网——中通信。这种网关控制器的其中一种已完成装配并已经过验证。