優(yōu)化嵌入式設備的 LoRa 無線電性能

介紹

無論是開發(fā)可穿戴設備還是工業(yè)電池供電設備，最大限度地提高范圍和魯棒性，同時最大限度地降低功耗都至關重要。 優(yōu)化射頻性能可提高靈活性，并在尺寸、電池壽命和射頻性能方面實現更具吸引力的權衡。

優(yōu)化射頻性能后，產品開發(fā)團隊可以考慮降低發(fā)射功率以延長電池壽命，或減少電池容量以減小產品尺寸，或者可能僅依靠收集的功率運行并完全消除電池。

鏈路預算和路徑損耗

那么，哪些因素決定射頻范圍和性能呢? 讓我們首先檢查鏈路預算。 鏈路預算是傳輸信號強度與接收器所需的最小信號強度之間的差值，等于最大范圍內所有信號源的總損耗。

此配置提供 150dB 的鏈路預算。

在使用路徑損耗計算來估計范圍之前，還需要考慮其他因素：

· 發(fā)射機天線增益(以 dB 為單位)如果為正，則會增加鏈路預算

· 接收器天線增益(以 dB 為單位)如果為正，則會增加鏈路預算

· 發(fā)射機輸出和天線之間的損耗會減少鏈路預算

· 接收器輸入和天線之間的損耗會減少鏈路預算

天線增益通常以相對于各向同性天線 (dBi) 的 dB 表示，各向同性天線是一種在所有方向上輻射均勻的天線。 通常，天線數據表會指定“峰值增益”(表示天線在最佳方向上的輻射效果)和“平均增益”(表示天線在所有方向上的有效輻射的平均值)。 通常應使用平均增益，除非可以控制器件的方向以實現“峰值增益”。 平均天線增益相當于效率，因此，平均增益為-3dB的天線效率為50%，可以更直觀地體現天線性能的影響。對于緊湊型 LoRa 設備，典型的天線增益(發(fā)射機或接收機)為 -4dB。 如果仔細而緊湊地實施，接收器和發(fā)射器損耗應各約為 1dB。 然而，如果天線與發(fā)射器和接收器電路不匹配，損耗可能會更高。

只有當發(fā)射器輸出阻抗與發(fā)射器看到的輸入阻抗“負載”緊密匹配時，功率才能有效地從發(fā)射器傳輸到天線。 該負載包括 PCB 走線、天線以及連接到發(fā)射器輸出引腳的 RF 路徑中的任何組件。 通常，有一個匹配電路用于將天線阻抗(在所需頻率)轉換為 PCB 上的傳輸線特性阻抗，另一個匹配電路用于將 PCB 傳輸線阻抗(通常為 50Ω)轉換為發(fā)射器的最佳阻抗。 如果天線和放大器匹配不良，則發(fā)射信號將無法有效地傳輸到天線，從而縮小范圍。當匹配不良時，發(fā)射器將消耗更多電流，從而縮短電池壽命，并可能產生增加的諧波。 額外的諧波輻射加劇了監(jiān)管審批的挑戰(zhàn)，并且可能需要額外的濾波來緩解——這會增加 PCB 面積、增加損耗并增加成本。

應從鏈路預算中至少減去 6dB，以便為現實條件和操作穩(wěn)健性提供余量。 因此，在此示例中，最大范圍內的傳播損耗約為 134 dB。

開發(fā)團隊的決策直接影響鏈路預算的許多組成部分，并且團隊可以做出權衡以增加范圍或降低功耗。選項包括增加發(fā)射機輸出功率或天線增益、提高接收機靈敏度或最小化損耗。這些選擇可能會增加無線電實施、電池或天線的尺寸和成本，但仔細考慮每個決定對性能的影響非常重要。優(yōu)化性能可能會在監(jiān)管功率限制內實現所需范圍或被迫在范圍上做出妥協以保持在允許的限制內之間產生差異。

在開發(fā)可穿戴設備時，這些權衡可能尤其困難，因為可穿戴設備的尺寸和成本都受到極大限制，需要最長的電池壽命、最小的尺寸，并且還受到監(jiān)管(FCC、RED)要求的進一步限制，以盡量減少用戶吸收的射頻能量，已知稱為“比吸收率”或 SAR。運營商和行業(yè)要求使蜂窩設備變得更加復雜，這些要求需要高度優(yōu)化的天線性能和高發(fā)射功率(與藍牙或 WiFi 相比)，同時仍滿足 SAR 限制。在商業(yè)上可行的封裝中滿足這些要求極具挑戰(zhàn)性。

接收靈敏度

不太明顯的是開發(fā)團隊對接收器靈敏度的影響。 接收器靈敏度由無線電調制、比特率和接收器實現細節(jié)決定。 一如既往，更大、更高功率和更昂貴的接收器通常會表現更好。降低比特率是提高接收器靈敏度的另一種方法。

LoRa 擴頻因子 (SF) 指示用于傳輸數據的物理層 CHIRP 的持續(xù)時間。擴頻因子越大，CHIRP 越長，比特率越低。 LoRa 的詳細描述可以在Semtech 的此應用說明中找到。

開發(fā)團隊可以優(yōu)化系統設計，最大限度地降低所需的比特率，從而通過確保傳輸最少的數據量來提高靈敏度和范圍。 還可以通過對接收器功耗、尺寸或成本進行額外投資來提高靈敏度。例如，添加額外的濾波或低噪聲放大器。 降低比特率會增加傳輸時間并可能縮短電池壽命。 最大限度地減少所需的吞吐量還可以最大限度地減少所需的傳輸時間(在任何比特率下)，并使團隊能夠最大限度地提高靈敏度，同時平衡范圍、傳輸時間和電池壽命。 對于固定的發(fā)射功率，更高的比特率會產生更短的傳輸時間，但范圍更短，這為團隊提供了另一種權衡，可以用來平衡射頻性能與其他要求。如果通過最大化發(fā)射器效率、接收器靈敏度和天線增益來優(yōu)化射頻實現，則多余的鏈路預算也可以“花費”在較便宜的組件或較低性能的天線上，從而實現更理想的產品外觀或降低發(fā)射器功率，從而改善電池壽命。

上述討論假設無線電實現符合制造商的規(guī)范。 為了達到這種性能水平，遵守制造商的建議并盡量減少可能降低性能的干擾源至關重要。 同樣，產品開發(fā)團隊必須在性能與尺寸和成本之間進行權衡?？紤]常見的噪聲源和緩解技術：

· 來源

· 處理器，尤其是外部存儲器總線

· 開關電源

· 隔離式 RS-485/232 驅動器

· 顯示器和視頻驅動程序

· D 類音頻放大器

· 電機驅動器

· 減輕

· 屏蔽罐和屏蔽電纜

· 附加濾波器和放大器

· 額外的 PCB 層數

· 線路終端和轉換速率控制

這些緩解措施中的大多數都會增加產品成本和尺寸，但如果它們能夠提高續(xù)航里程或降低其他成本或尺寸(例如較小或功率較低的電池)，則可能是合適的選擇。還應考慮積極緩解潛在問題，以最大限度地降低監(jiān)管測試失敗的風險并縮短上市時間。 解決和防止噪聲將最大限度地提高靈敏度，從而實現最大范圍和最小發(fā)射功率。

范圍和傳播

現在我們已經討論了如何優(yōu)化系統性能，接下來我們來討論傳播和范圍估計。 用一個理想的詞來說，通常被稱為“自由空間”，信號從天線向各個方向傳播，沒有反射、大氣折射或吸收。

請注意，頻率是該方程的關鍵組成部分，降低頻率會減少損耗。如果其他條件保持不變，將頻率從 2.4Ghz(藍牙、WiFi)降低到 900Mhz 可將路徑損耗減少 9dB，并且范圍應增加一倍以上。了解這一點揭示了另一個權衡——降低信號頻率可以增加范圍。 然而，對于給定的體積，天線效率隨著頻率的降低而降低，可能抵消較低頻率的一些好處。

不幸的是，現實世界中的范圍受到許多其他因素的影響，例如各種障礙物的反射和吸收?，F實世界中有多種傳播模型，大多數基于經驗數據集。

功耗權衡

除了上面提到的一階權衡(發(fā)射機功率、比特率與發(fā)射時間和靈敏度、降噪、成本、尺寸)之外，還有許多其他考慮因素可以最大限度地降低功耗。無論是在接收還是發(fā)射模式下，最大限度地縮短無線電接通時間是最大限度延長電池壽命的關鍵。盡管直觀上認為發(fā)射會消耗大量能量，但由于需要大量的信號處理，許多現代接收器的功耗與發(fā)射器功率相當。 必須仔細設計無線協議和同步算法，以確?？焖倏煽康耐健㈩l率對準和最短的接通時間。使用更高精度的晶體可以最大限度地降低時間或頻率錯位的風險，并確保無線電更快地“鎖定”，最大限度地減少噪音并最大限度地減少重傳，特別是在考慮溫度和老化的情況下。必須仔細注意初始精度、所需溫度范圍內的精度以及由于老化引起的頻率漂移，以確保您的設計能夠長期工作。

優(yōu)化無線協議只是一個例子。 應仔細考慮觸發(fā)設備偏離最低功耗狀態(tài)的所有事件，包括與所有輸入、輸出以及任何“指示器”或 UI 元素的交互。 只要有可能，每個喚醒周期都應處理多個事件，以最大限度地減少喚醒周期的頻率。 類似地，必須就較高的時鐘速度進行功耗權衡，較高的時鐘速度導致較高的功耗但持續(xù)時間較短，而較低的時鐘速度導致較長的持續(xù)時間較低的功耗。

還必須考慮電源設計的各個方面。 最先進的開關電源已經有了巨大的改進，但當負載只有幾微安時，例如當設備在傳輸之間處于睡眠狀態(tài)時，效率仍然很低。 然而，極低靜態(tài)線性穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應特性通常非常差，因此必須仔細考慮這些組件。

通常，在低功耗狀態(tài)下，許多子電路都會關閉，但是，必須檢查每條 IO 線的狀態(tài)以及子電路之間的連接，以確保沒有活動信號連接到斷電的組件，否則會出現意外泄漏電流，可能是幾毫安，并且由于漏電流部分為某些組件供電，可能會發(fā)生意外行為。

總之，應該清楚的是，為了最大限度地提高續(xù)航里程和電池壽命，必須考慮設備的幾乎所有方面。 設備的尺寸限制了天線效率、電池體積和 PCB 面積，以實現最佳 RF 實施。 射頻電路的精心設計限制了范圍，如果設計不當，將會降低電池壽命。同樣，在操作狀態(tài)設計上進行精心投入，以最大限度地延長睡眠時間并最大限度地縮短播出時間，可以增加續(xù)航里程并延長電池壽命?，F實產品開發(fā)需要不斷協商，以實現技術優(yōu)化和商業(yè)上可行的尺寸、成本和性能。