扩展低功耗RF设备通信距离的设计

本文中，在遵守FCC有关开放式 ISM 频带(915MHz 或 2.4GHz)通用单通道无线电设备规定的前提下，我们将讨论优化低功耗无线系统传输距离的一些方法。FCC规定，对于这些器件，基频输出功率不应超出-1.25dBm。如果需要额外增加链路裕量，则会简要介绍 FCC 规范要求。

　　典型低功耗无线链路

　　典型的低功耗无线链路由一个发送器件和一个或多个接收器件组成。发送器件由一个调制器、合成器、升频混频器和一个功率放大器(PA)组成。接收机由互逆器件、低噪声放大器(LNA)、降频混频器、合成器和解调器组成。

 

图 1：典型低功耗无线发送器(顶部)和接收器(底部)结构图。

　　这是低功耗无线设备在性能和功耗之间的一种折中方法。

　　外部放大器(不管是外部 LNA 还是外部 PA)添加到需要远距离通信的系统中以增加链路裕量。图 1 给出了在接收端添加一个外部 LNA 来优化无线链路裕量的方法。这样即符合 FCC 规定，又可以在不增加发射端复杂性的情况下提升链路裕量。

　　低功耗无线链路的理论通信距离

　　无线链路通信距离的理论极限值由弗里斯(Friis)方程式决定(请参见式1)：

 

　　通信距离=天线距离(米)。

　　弗里斯方程式定义了无线链路的理论极限。然而，在所有现实系统中，实际链路做不到如此。

　　例如，如果使用弗里斯方程式计算一个2.45GHz 无线链路的最大通信距离，其发射功率为-1.25dBm，接收灵敏度为-100dBm 以及两个天线增的益都是2.14dBi。需要注意的是，2.14dBi 是偶极天线的理论增益，而考虑损耗时一般达不到这一值。

 

　　然而，如果您想在真实环境中实现这些结果，您会很快发现这是不切实际的。主要原因是，自由空间辐射的假设并不适用于地面系统。就一些可视距离应用而言，100-200 米距离的无线链路应用效果较好，而典型多路径环境中50-100 米距离效果较好。

　　要增加系统的通信距离，您可以选择下面的一种或多种方法。每种方法都有系统增益，但却是以功耗或者总系统成本为代价。

　　首先，需要考虑工作频率和天线。两者均不产生电流消耗，因此应该在添加外部功率放大器和/ 或低噪声放大器之前对其进行评估。

　　1、通信距离与RX 和TX 天线增益的平方根有关，而且，随着天线规格的提高，尺寸和价格也随之增加。

　　2、工作频率与通信距离存在线性关系。工作频率越低，通信距离越远。但是，可用带宽会随频率降低而减少，从而导致数据传输速率降低。