突破低功耗专业系统设计的瓶颈.doc
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1、突破低功耗RF系统设计瓶颈05月27日作者:Louis E. Frenzel 在任何产品中增长无线连接功能都不是件容易事。然而,虽然在某种无线解决方案看起来不起作用时候,也仍也许存在可用方案,并以合理成本在产品中增长意想不到价值和灵活性。但如果你不是无线工程师该怎么办?不用紧张,由于在许多状况下,无线芯片和模块公司能协助你轻松实现这种无线连接。 选取一种无线技术 表1是一份详尽可用无线技术列表。这些技术都是已经实际应用验证过,并且可以提供芯片或模块。它们都不需要允许证,由于大某些工作在免允许频段。 某些无线原则为了满足特定应用规定而具备相称复杂合同。例如,Wi-Fi 802.11是专门针对局域
2、网(LAN)连接设计,与以太网连接相对比较容易。除了超宽带(UWB)和60GHz原则外,Wi-Fi速度也是最快。芯片或模块形式Wi-Fi已经得到广泛应用,但它很复杂,并且功耗很大。 ZigBee对工业和商业监视与控制来说是一种很棒无线技术。在需要监视或控制大网络节点场合,ZigBee网状网功能使得ZigBee是一种较好选取。ZigBee是一种复杂合同,可以解决某些复杂操作。它基本是IEEE 802.15.4原则,但这个原则不涉及网状网或其他特性,比较适合复杂性较低项目。 如果你需要简朴某些技术,可以试试使用433MHz或915MHz芯片或模块工业、科学和医疗(ISM)频段产品。这些产品规定你创
3、立自己合同。某些供应商为合同创立提供了软件工具。这是一种较好方式,由于你可以针对实际需求优化设计,而不必去适应某些过度复杂既有合同。 对于规定可靠很长距离应用,可以考虑采用机器到机器(M2M)技术。这些蜂窝电话模块使用现成蜂窝网络数据服务,如GSM网络中GPRS或EDGE,或CDMA网络1xRTT和EV-DO。你需要自己设计接口,并与运营商或中间公司签约,由它们负责蜂窝连接建立和管理。虽然比较昂贵,但这种技术具备较高可靠性,并且可以覆盖更远距离。 赛普拉斯半导体公司专有WirelessUSB技术工作在2.4GHz频段,重要用于像键盘和鼠标等人机界面设备(HID)。WirelessUSB技术可以
4、提供62.5kbps数据速率,覆盖范畴为10米至50米。 Z-Wave是Sigma Design Zensys公司专有原则,重要用于家庭自动化设备,工作频段在美国是908.42MHz,在欧洲是868.42MHz。它能在约30米范畴内提供9,600bps或40kbps数据速率。这种技术也具备网状网功能。 创立还是购买? 在增长无线功能时决定是创立还是购买很重要,这普通与经验关于。当经验较少时,最佳购买现成模块或电路板。如果有丰富高频或射频经验,可以考虑自己做设计。无论如何,启动时几乎都要借助于现成芯片,技巧某些在于版图设计。 在自己做设计时,从芯片供应商那里争取到任何可用参照设计均有助于你节约时
5、间、金钱和减轻烦恼。重要设计问题涉及天线选取、与天线阻抗匹配、发送/接受开关、电池或其他电源以及封装等。 测试时间和成本分析是另一种重要设计环节。新设计任何产品都必要通过测试符合FCC Part 15规范规定。你要配备适当仪器,特别是频谱分析仪、射频功率计、场强计以及配备了天线和探头电磁干扰/电磁兼容(EMI/EMC)测试仪。第三方公司也可以做测试,但价格昂贵,时间也长。要考虑如果测试失败需要修改设计时间。大多数模块要通过预测试,因而很大限度上取决于封装以及与产品剩余某些接口。 核心考虑事项和建议 如果更远距离和可靠性是第一优先级,那么采用较低频率,例如915MHz要比2.4GHz好得多,43
6、3MHz则更好。这完全是物理学方面因素。唯一缺陷是天线尺寸,在较低频率点天线尺寸相对较大。但是如果你想传播几公里或几英里,这也没什么不好。虽然在2.4GHz时不是不也许传这样远距离,但它规定更大功率和方向性增益最大天线。 至于数据速率,慢速是优先考虑对象。较低数据速率链路普通具备较高可靠性。通过减少数据速率还能覆盖更远距离。更低数据速率在高噪声环境中也能更好地生存。 分析无线电波途径是建立鲁棒和可靠链路必要环节。第一步应当是预计途径损耗。某些基本经验公式可以提供比较接近数据给你使用。在懂得途径损耗后,你就可以考虑其他某些事情,例如发送器输出功率、天线增益、接受器敏捷度、电缆损耗,始终到各种硬件
7、需求。为预计发送器和接受器之间途径损耗,可以使用下列公式: 损耗(dB)=37dB+20log(f)+20log(d) 工作频率(f)单位是MHz,范畴或距离(d)单位是英里。此外一种公式是: 损耗(dB)=20log(4/)+20log(d) 波长()和范畴或距离单位都是米。依照这两个公式计算出来成果是非常接近。请注意,这是无障碍自由空间损耗。距离每增长一倍,损耗增长约6dB。 如果存在障碍物,就必要加入某些修正系数。平均损耗系数对墙来说是3dB,对窗户来说是2dB,对外墙建筑来说是10dB。 在途径损耗拟定之前,还要加入衰落余量。这个“附加因素”可以保证在恶劣天气、太阳事件或异常噪声和干扰
8、条件下仍有良好链路可靠性。这样,发送器功率和接受器敏捷度将足以克服这些暂时状况。 衰落余量系数只是一种猜测值。某些保守设计师以为应当是15dB,也有设计师以为10dB是可接受。如果异常天气或其他条件不用考虑,那么5dB也许就可以了。将这个系数增长到途径损耗中,然后再对其他各项作进一步调节。 此外一种有助于评估需求便利公式是Friis公式: PR= PT*GR*GT*2/(162*d2)其中PR是以瓦为单位接受功率,PT是以瓦为单位发送功率,GR是接受天线增益,GT是发送天线增益,是以米为单位波长,d也是以米为单位距离。发送和接受增益用功率比表达。对于双极子或地平面天线来说等于1.64。像波导天
9、线或片状天线等方向性天线均有方向增益,通惯用dB表达,但必要转换为功率比。这个公式也阐明了为什么更低频率(更长波长)可以覆盖更大范畴(=300/fMHz)。 发送器输出功率是另一种核心参数,通惯用dBm表达。某些常用输出功率值为0dBm(1mW)、10dBm(10mW)、20dBm(100mW)和30dBm(1 W)。接受器敏捷度普通也用dBm表达,代表接受器可以辨别和解调最小信号功率,典型值在-70dBm至-120dBm范畴内。 最后一种要考虑因素是电缆损耗。大多数工程中使用同轴电缆将发送器和接受器连接到天线。工作在UHF和微波频率电缆损耗出奇高。在2.4GHz或以上时电缆损耗高达每英尺几种
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