掌握內外環境連線估算　Sub-GHz無線互通無阻礙

在從簡單的點對點連接到更大的網狀網路等任何低速率資料系統中，Sub-GHz無線網路都可以實現高成本效益，其中，長距離、可靠的射頻連結和延長的電池壽命是其顯著優勢。合於規範的較高輸出功率、降低能量吸收、較少的頻譜污染和窄頻運作都能提高傳輸距離。而良好的訊號傳播、優秀的電路設計以及更低的記憶體使用均可以減少電量消耗，從而延長電池壽命。

一般來說，Sub-GHz通道屬於免許可證工業、科學和醫療(ISM)頻段的一部分。Sub-GHz節點通常針對低成本系統，與高階無線系統相比，每個節點可減少成本約30∼40％，同時它們的協定堆疊所需要的存儲空間也更少。許多協議都占用這一個頻段，例如基於IEEE 802.15.4標準的ZigBee(目前在868和900MHz頻段提供2.4GHz和Sub-GHz版本的唯一協定)、自動化協定、無線電話、無線Modbus、遙控門禁(RKE)、輪胎壓力監測系統和大量專有協定(包括MiWi)。然而，在Sub-GHz ISM頻段運行會導致與使用同一頻譜的其他協定之間的射頻干擾，包括來自行動電話、授權無線電話等的威脅。

連結估算

連結估算是對從發射器(Tx)通過介質(自由空間)到接收器(Rx)的整個無線通訊系統中所有增益和損耗的核算。連結估算考慮的是決定到達接收器訊號強度的各個參數。為了進行連結估算的分析和估計，還必須測定包括天線增益準位、射頻發射功率準位和接收器靈敏度數據等在內的因素。

同時還應考慮天線類型和尺寸以及其他包括要求的距離、可用的頻寬、資料速率、協定、干擾和互通性在內的次要因素。雖然接收器靈敏度不在連結估算的考慮範圍之內，但是還需要門檻值來決定接收訊號能力。

簡單連結估算公式為：接收功率(dBm)等於發射功率(dBm)與增益(dB)和損耗(dB)差之和。借助連結估算評估，就有可能在預期成本範圍內設計出一個既滿足要求又實現功能性的系統。某些斷訊現象可能會隨著時間而改變。例如，數位系統的位元錯誤率(BER)會隨時間而增加；而類比系統的訊噪比(SNR)會隨時間而降低。

測試要求

本文以微芯(Microchip)模組為例，透過使用基於MRF89XA模組和MRF49XA Sub-GHz收發器的PICtail板進行性能測量。MRF89XA模組已獲美國聯邦通訊委員會(FCC)、歐洲電信標準協會(ETSI)和IC認證。不同於其他嵌入式Sub-GHz模組，它們提供合於規範和經過認證的模組化印刷電路板(PCB)天線(蛇形)。PICtail板基於導線型(1/4λ)天線，用於不同頻率，這些天線通常安裝在開發板或子板上。

微控制器與收發器模組之間的硬體介面通常被稱為無線節點，如圖1和圖2所示。無線節點可以通過組合PIC微控制器(MCU)開發板和PICtail子板來實現。

圖1 微控制器與MRF89XA模組之間的介面；無線和RF節點圖

圖2 微控制器與MRF49XA收發器和PICtail卡之間的介面；無線和RF節點圖

距離和性能實驗需要至少兩個無線節點以便用於測試。測量裝置使用兩塊開發板中的任意一塊，為了簡單起見，它們都帶有相同的Sub-GHz模組。或者，可以基於應用將這些模組組合起來用於測量和分析。

測量環境

工作環境對波的傳播影響很大。距離測試應在各種室內和室外環境中進行，以獲取對模組性能的基本了解。選擇測試環境時要考慮平坦和不平坦地形中的無障礙路徑和有障礙路徑。

測量還基於PCB天線方向(垂直或水平)、Sub-GHz模組的輸出功率(最大或內定)、功率放大器或低雜訊放大器(啟用或禁用值)、天線(PCB、導線或標準)雙極類型，以及天線(蛇形、導線、鞭狀或雙極)。

影響室內測量的因素包括辦公設備和附近是否有Wi-Fi、藍牙或微波訊號。混凝土結構、牆壁、附近的玻璃、木材和金屬都可以產生影響。

對於距離測試而言，主要的區別因素是模組安裝、天線方向和恆定電池電源。

此外，天線採用垂直安裝還是水平安裝方式取決於達到的有效輸出功率、應用空間需求和限制，比如具有一個基於中心基波頻率的強大主頻譜和基於其第三次諧波頻率的副頻譜。若要降低射頻的頻率，天線尺寸應相應按比例增加。導線天線的長度可以通過7500除以頻率來換算得出(單位為公分)。因此，433MHz的頻率就對應17.3公分長的導線，而915MHz的頻率則對應8.2公分長的導線。在天線導線尺寸不超過波長的四分之一時，這個公式都是成立的。

距離測量步驟

為了實施距離測量，首先將MiWi點到點(P2P)示範程式燒錄至兩個基於Sub-GHz頻段的RF和無線收發器節點。然後，在配置好特定工作通道後將一個RF節點放置在一根1.5∼2公尺長的杆子上的支架上。這個無線節點預設處於接收模式。

將一個類似的RF節點放在另一個架子上，並設為相同的工作通道。其中一個節點保持靜止不動，而另一個節點作為活動節點。對節點進行設置，以確保它們彼此連接。移動活動節點，並測試發射和接收。每隔1.5∼3公尺的距離進行一次測量。

一旦獲得臨界點後，測量從發射器到接收器的實際和徑向距離。在臨界點位置，發射器和接收器通訊將時斷時續。從臨界點處返回約1.5公尺，再次檢查通訊是否穩定。距離測量方法如圖3所示，距離值的增加隨著各種變數的變化而變化，其中發射器模組的高度是最敏感的一個變數。

圖3 距離測量方法

資料封包錯誤率(PER)測試分析兩個無線節點之間的室內與室外的有效資料覆蓋。PER測試裝置類似於開放式現場測試裝置。

兩個設備之間的PER測試以單次反覆運算方式進行，資料封包數量預先設定。根據ISM(IEEE 802.15.4)規範定義，每收發1,000個資料封包，PER值低於或等於1%的即視為可靠連結。PER測量的是一個設備接收訊號時不會被其他頻率的干擾訊號所影響的能力。所需訊號的PER必須低於1%，或者位元錯誤率(BER)必須低於0.1%。如需要，PER測試可以透過增加資料封包之間的延遲來進行。

BER的測量是透過無線節點發送資料，然後對輸出和輸入進行比較進行的。在極長的一段時間裡，資料傳輸通常都被假設成為一個隨機的過程。因此，BER測試使用了偽亂數序列。稱它「偽」隨機是因為真正隨機的訊號是無法使用確定性的(運算的)方法來產生的，但是存在少量近似隨機的行為可以進行精確的BER測量。調製模式提供了低訊噪比時良好的BER性能。然而，還沒有一種簡單的測試方法可以實現BER的直接測量。公認的一種簡單方法就是基於PER來計算BER。測量PER和BER的裝置類似於距離測量裝置。

靈敏度測試裝置用於獲取靈敏度極限的指標。接收器的輸入功率準位借助衰減器不斷降低，直到PER低於1%，此時就無需繼續測量接收器的PER了。該測試裝置包含兩個Sub-GHz模組，見圖4。

圖4 靈敏度測試裝置

Sub-GHz發射模組透過一個電子衰減器與接收模組連接。兩個模組使用USB纜線或通過RS232序列埠連接到個人電腦(PC)。PC使用驅動程式公用軟體來執行帶有PER測試腳本的測試工具。所有的PER測試都是在沒有重發的情況下進行的。PER靈敏度測試使得用戶可以自由增加兩個節點之間的距離，查明在跨通道補償存在的情況下能將PER保持在低於1%的準位的最大通訊距離。

Sub-GHz頻段引領新氣象　物聯網裝置開發添戰力

Sub-GHz射頻可以創建相對簡單的無線產品，這些產品單憑電池電源可以不間斷運行長達20年。在任何低資料速率系統中，Sub-GHz無線網路都可以實現高成本效益，其中長距離、可靠的射頻鏈結和延長的電池壽命是其顯著優勢。較高的合於規範輸出功率、降低能量吸收、較少的頻譜污染和窄頻運作都能提高傳輸距離。更佳的電路效率、改進的訊號傳播以及占用更少的存儲空間可以使電池供電執行時間達數年之久。

Sub-GHz射頻的窄頻運作可以確保傳輸距離達到一公里甚至更遠。這使得Sub-GHz節點可以和遠距離的集線器進行直接通訊而無需從一個節點跳轉到另一個節點。成就Sub-GHz長距離性能的主要原因為較低的衰減率和較少的訊號減弱，以及Sub-GHz訊號繞過障礙物從而減輕阻塞效應的衍射等影響。

建議專有低占空比連結使用Sub-GHz ISM頻段，這樣它們不會互相干擾。低雜訊頻譜意味著傳輸更容易，重試次數也更少，這不僅提高了效率，還節省了電池電量。

電源效率和系統距離二者隨著接收器靈敏度和發射頻率的變化而變化。靈敏度和通道頻寬是成反比的，頻寬更窄時接收器靈敏度就更高，這就在傳輸速率較低時保障了運行的高效。例如在433MHz時，如果發射器和接收器石英振盪頻率誤差為10ppm，那麼它們各自的誤差即為4.33kHz。對於需要確保收發高效性的應用而言，通道頻寬至少要達到誤差率的兩倍，或8kHz，哪一個對窄頻應用更為理想就選擇哪一個。

對於城市環境，使用12dB是一個很好的經驗法則，可以滿足在加倍延長傳輸距離時所需增加的連結估算。為了增加傳輸距離，接收器靈敏度是整個系統中必須第一個進行優化的變數。系統中的其他變數也會被傳輸距離產生影響，但它們必須做出數倍的改變才能達到和改變接收器靈敏度一樣的效果。

由於多路造成的訊號衰減可使得訊號強度減小超過30到40dB，因此我們強烈建議在設計無線系統時，連結估算應將足夠的連結餘量考慮進去以補償這種損耗。

(本文作者任職於Microchip)