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          1GHz以下全球免許可頻段短距離無線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮

          作者: 時(shí)間:2010-04-12 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          設(shè)備一詞涵蓋了能實(shí)現(xiàn)單向或雙向通信且不會(huì)對(duì)其它設(shè)備造成干擾的收發(fā)器。SRD應(yīng)用廣泛,能提供多種不同的服務(wù),比較流行的應(yīng)用是:家庭或樓宇自動(dòng)化中的遙控應(yīng)用、無線傳感器、報(bào)警、汽車(包括遠(yuǎn)程無鑰匙車門鎖和遠(yuǎn)程汽車啟動(dòng))以及語音和視頻的無線傳輸在選擇無線通信頻率時(shí),無線設(shè)備的無線人員必須非常小心。在大多數(shù)情況下,假設(shè)特定的規(guī)范和使用條件可得到滿足的話,可選擇的頻率范圍局限于免。表1列出了范圍內(nèi)無線設(shè)備的可用。
          通用系統(tǒng)時(shí),者通常選用2.4GHz 。事實(shí)上,2.4GHz已經(jīng)成為藍(lán)牙、WLAN和
          ZigBee等標(biāo)準(zhǔn)首選的工作頻段。在無線電話或802.11a 版本的WLAN應(yīng)用中,5.8GHz頻段也占據(jù)了一些地位。
          不過,對(duì)于那些需要更遠(yuǎn)傳輸距離和更低功耗的系統(tǒng)來說,的頻段由于共存性問題較少、傳輸距離較遠(yuǎn)而倍受關(guān)注,因?yàn)檫@兩方面性能都會(huì)影響功耗,而功耗是電池供電應(yīng)用中一個(gè)重要的因素。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/157513.htm

          低頻發(fā)射機(jī)傳輸距離的增加可以通過簡(jiǎn)化的Friis 傳輸方程來表示,該方程給出了接收天線上的功率Pr與輸送給發(fā)射天線的功率Pt之間的關(guān)系。

          這里假設(shè)兩條天線都具有單位增益。這個(gè)方程顯示,對(duì)于固定的發(fā)射功率Pt來說,接收到的功率將隨距離d的平方以及頻率f的平方而降低(或隨著波長(zhǎng)λ的平方而增加)。如果接收到的功率低于對(duì)信號(hào)正確解調(diào)所需的最小功率(稱為靈敏度),該鏈路就會(huì)被中斷。
          范圍內(nèi)頻率的分配
          表2對(duì)的短距離無線設(shè)備的通訊頻率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行更詳細(xì)的描述。這里沒有羅列出全部的標(biāo)準(zhǔn),更多細(xì)節(jié)請(qǐng)查看相關(guān)鏈接。

          433MHz頻段是能在全球范圍內(nèi)使用的頻率之一。在日本,需要對(duì)頻率作少許調(diào)整,大多數(shù)頻率調(diào)諧靈活的收發(fā)器能夠輕松處理這一問題,如圖1所示的ADF7020,或ADF7021)。不過,433MHz頻段的可用帶寬不到2MHz,且通常不能用作語音、視頻、音頻和連續(xù)數(shù)據(jù)的傳輸,因此常被用于如無鑰匙門鎖系統(tǒng)和基本的遠(yuǎn)程控制等應(yīng)用。
          圖1:短距離無線設(shè)備收發(fā)器ADF7020的結(jié)構(gòu)框圖
          868MHz(歐洲)及902~928MHz(美國(guó))頻段非常有用,它們沒有限制應(yīng)用,且允許采用更緊湊的天線方案。其它地區(qū)(如澳大利亞和加拿大)已經(jīng)采用了符合這些規(guī)范的版本。雖然還未實(shí)現(xiàn)全球化通用,但這些頻段可以在多個(gè)地區(qū)使用。
          不過,在最新的EN300 220規(guī)范出現(xiàn)以前,美國(guó)和歐洲采取了迥然不同的方案。美國(guó)采用跳頻的方法,而歐洲則對(duì)每個(gè)子頻段的占空比進(jìn)行了限制,正如ERC REC-70文件中所描述的那樣。這兩種方案在減少干擾方面都很有成效,但對(duì)于系統(tǒng)制造商來說,如果設(shè)計(jì)要同時(shí)針對(duì)兩個(gè)地區(qū)的產(chǎn)品,那么他們就必須完全重寫系統(tǒng)中的媒體訪問層(MAC)。
          幸運(yùn)的是,歐洲EN 300 220規(guī)范擴(kuò)展了頻帶并允許跳頻擴(kuò)頻(FHSS)或直接序列擴(kuò)頻(DSSS)),這使得MAC實(shí)現(xiàn)更接近美國(guó)的設(shè)計(jì)方案,雖然還需要一定的微調(diào)。下面將描述這一新規(guī)范的相關(guān)方面,涵蓋了短距離無線設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)者需要的問題。
          跳頻系統(tǒng)
          跳頻擴(kuò)頻(FHSS)發(fā)射技術(shù)通過將頻譜劃分為多個(gè)信道,并以接收機(jī)和發(fā)射機(jī)都認(rèn)可的偽隨機(jī)序列(或稱為“跳頻碼”)在這些信道之間進(jìn)行切換,在時(shí)域中將能量擴(kuò)展開來。為便于新的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò),控制器節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送信標(biāo)信號(hào),使新加入的節(jié)點(diǎn)能與其同步。所需的同步時(shí)間取決于信標(biāo)的發(fā)射間隔以及跳頻信道的數(shù)量。美國(guó)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的跳頻信道數(shù)量較為接近,最大駐留時(shí)間(即在單次跳頻期間停留在特定頻率上的時(shí)間)為400ms。
          表3給出了采用FHSS技術(shù)時(shí)歐洲標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展頻段(低于870MHz)所需的信道數(shù)量、有效輻射功率(ERP)和占空比。當(dāng)滿足先聽后說(LBT)或占空比限制時(shí),帶寬均可高達(dá)7MHz,而在以往只能獲得2MHz的帶寬范圍。
          先聽后說是一種“有禮貌”的,在啟動(dòng)發(fā)送之前會(huì)先掃描信道上的活動(dòng),也被稱為空閑信道評(píng)估(CCA),采用該協(xié)議的跳頻系統(tǒng)不受占空比的限制。
          除了FHSS,直接序列擴(kuò)頻(DSSS)也在新的歐洲規(guī)范中得到采用。在DSSS系統(tǒng)中,窄帶信號(hào)與高速偽隨機(jī)數(shù)(PRN)序列相乘,得到擴(kuò)頻信號(hào)。每個(gè)PRN脈沖被稱為一個(gè)“碼片”,序列的速率被稱為“碼片速率(chip rate)”。初始的窄帶信號(hào)被擴(kuò)展的程度被稱為處理增益,等于碼片速率(Rc)與窄帶數(shù)據(jù)符號(hào)速率之間的比。圖2對(duì)FHSS和DSSS的頻譜進(jìn)行了比較。
          寬帶調(diào)制:DSSS
          在接收機(jī),接收到的擴(kuò)頻信號(hào)與相同的PRN碼相乘,以對(duì)信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)頻,從而提取出初始的窄帶信號(hào)。同時(shí),接收機(jī)端的任何窄帶干擾信號(hào)會(huì)被擴(kuò)展,并以寬帶噪聲的形式出現(xiàn)在解調(diào)器上。系統(tǒng)中的每個(gè)用戶分配有不同的PRN碼,從而在相同的頻帶中實(shí)現(xiàn)用戶隔離。這種方法被稱為碼分多址(CDMA)。

          圖2:FHSS和DSSS的頻譜對(duì)比圖
          一些使用DSSS調(diào)制技術(shù)的系統(tǒng)實(shí)例包括IEEE 802.15.4(WPAN)、IEEE 802.11(WLAN)以及GPS系統(tǒng)。DSSS的主要優(yōu)勢(shì)包括:
          1. 抗干―DSSS抗干擾能力的基本原理是將有用信號(hào)與PRN碼相乘兩次(擴(kuò)頻和解擴(kuò)頻),而任何干擾信號(hào)只相乘一次(擴(kuò)頻);
          2. 低功率譜密度―在現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)引入的干擾最??;
          3. 安全性―由于實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)頻/解擴(kuò)頻,所以對(duì)干擾有很強(qiáng)的抵御能力;
          4. 緩解多徑效應(yīng)。
          DSSS或FHSS之外的寬帶調(diào)制方法
          除FHSS和DSSS寬帶擴(kuò)頻調(diào)制方法外,歐洲規(guī)范還支持帶寬大于200kHz的FSK/GFSK(高斯頻移鍵控)調(diào)制技術(shù)。表4給出了適用于歐洲寬帶調(diào)制方案(包括DSSS)的主要規(guī)范。

          ADF7025 ISM頻段收發(fā)器是支持采用FSK調(diào)制寬帶標(biāo)準(zhǔn)的器件。為了能在865~870MHz子頻段內(nèi)工作,器件設(shè)計(jì)必須滿足最大占用帶寬(99%)和最大功率密度的限制以及信道(或頻段)邊沿的最大功率為-36dBm的限制。如果按照表4中的參數(shù)對(duì)ADF7025進(jìn)行設(shè)置,器件可以滿足這三個(gè)限制條件。圖3是ADF7025的寬帶調(diào)制試驗(yàn)結(jié)果,其占用帶寬為1.7569MHz,峰值頻譜密度為-1.41dBm/100kHz。
          圖3:ADF7025的寬帶調(diào)制試驗(yàn)結(jié)果:(a)FSK調(diào)制信號(hào),99%占用帶寬,(b)將(a)圖進(jìn)行放大,以測(cè)量最大功率譜密度。
          ADF7025采用寬帶調(diào)制方式,可以實(shí)現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)速率(在這種情況下為384kbps),從而能夠在1GHz以下的歐洲ISM頻段中傳輸音頻和中等品質(zhì)的視頻(每秒數(shù)幀)。
          美國(guó)規(guī)范(FCC Part 15.247)具有與歐洲規(guī)范類似的頻率分配方式,它規(guī)定了工作在902~928MHz、2,400~2,483.5MHz以及5,725~5,850MHz頻段的跳頻系統(tǒng),同時(shí)還規(guī)定了“數(shù)字化調(diào)制”信號(hào)。這個(gè)寬松的規(guī)范涵蓋了擴(kuò)頻(DSSS)和其它更簡(jiǎn)單的調(diào)制形式(如FSK和GFSK),因此它類似于歐洲規(guī)范中的“寬帶調(diào)制”。該規(guī)范的兩個(gè)主要要求為:
          1. 最小6dB帶寬至少為500kHz;
          2. 對(duì)于數(shù)字調(diào)制系統(tǒng),在任意連續(xù)發(fā)射間隔期間的任意3kHz帶寬內(nèi),從發(fā)射端到天線傳導(dǎo)的功率譜密度不大于8dBm。
          任何希望采用非FHSS系統(tǒng)的人通常都必須將輻射場(chǎng)強(qiáng)限制在50mV/m(-1.5dBm
          ERP)內(nèi),但在“數(shù)字調(diào)制”的場(chǎng)合中,只要能滿足最大功率譜密度限制,則最大輸出功率為1W。因此,當(dāng)使用ADF7025時(shí),由于其FSK頻率偏差的寬度足以確保6dB帶寬大于500kHz,所以允許1W的 ERP。此外,由于信號(hào)帶寬較寬,系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率(對(duì)ADF7025而言,最高可達(dá)384kbps)。
          ADF7025的同信道抑制在同信道中的變化范圍是-2dB(最差)到+24dB之間,具體取決于干擾源的帶寬。這可以與同信道抑制為-4dB的商用802.15.4 DSSS收發(fā)器相媲美,后者采用的人為干擾信號(hào)為IEEE 802.15.4調(diào)制信號(hào)。
          采用這些方法后,美國(guó)和歐洲就可以使用相似的寬帶調(diào)制系統(tǒng),從而簡(jiǎn)化面向全球市場(chǎng)的產(chǎn)品開發(fā)。ADF7025收發(fā)器架構(gòu)既能工作在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)定義的“數(shù)字調(diào)制”模式,又工作在歐洲規(guī)范定義的“寬帶調(diào)制”模式。

          瞬態(tài)功率要求
          設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該了解歐洲規(guī)范中的一項(xiàng)新的技術(shù)指標(biāo)要求,即對(duì)瞬態(tài)功率的限制。瞬態(tài)功率被定義為當(dāng)發(fā)射機(jī)在正常工作期間開啟和關(guān)斷時(shí)落到鄰近頻譜中的功率。最新的規(guī)范加入了這一限制條件,以防止頻譜散射。
          隨著輸送到功率放大器的電流的增大或減小,從壓控振蕩器(VCO)端所看到的負(fù)載也在發(fā)生變化,這使得鎖相環(huán)(PLL)在瞬間發(fā)生失鎖,并在環(huán)路試圖重新恢復(fù)鎖定狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生雜散輻射或頻譜散射。在那些僅斷續(xù)發(fā)射的系統(tǒng)中,頻譜散散會(huì)導(dǎo)致落入鄰近信道中的功率顯著增加。
          圖4顯示了頻譜散射問題。綠線代表ADF7020發(fā)射機(jī)的PA每隔100ms開啟、關(guān)斷一次時(shí)的PA輸出頻譜,很顯然有較大的功率落入了載波兩側(cè)的信道中,測(cè)試時(shí)頻譜分析儀維持在最大保持狀態(tài)。紅線代表PA輸出在每個(gè)100ms以63步進(jìn)逐步上升和下降時(shí)的輸出,由此可見落入鄰近信道的功率顯著下降。EN 300 220規(guī)范中的Specification 8.5對(duì)落入這些鄰近信道的功率進(jìn)行了限制。
          圖4:ADF7020輸出頻譜的測(cè)試曲線
          測(cè)試流程要求發(fā)射機(jī)在最大輸出功率條件下開啟和關(guān)斷5次,并測(cè)量落入載波任意一側(cè)的第二、第四和第十信道的功率。
          為確保滿足這個(gè)規(guī)范,最簡(jiǎn)單的方法是讓PA從關(guān)斷狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)換到開啟狀態(tài),或從開啟狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)換到關(guān)斷狀態(tài),這通??梢岳梦⒖刂破鞣蛛A段地開/關(guān)PA來實(shí)現(xiàn)。通過采用ADF7020收發(fā)器,可以讓PA以最多63步階從關(guān)斷調(diào)節(jié)到輸出+14dBm。一個(gè)更快和更簡(jiǎn)單的方法是使用具有自動(dòng)PA功率斜坡控制的收發(fā)器,比如ADF7021具有可編程功率斜坡控制功能,用戶可以設(shè)置步進(jìn)數(shù)量和每次步進(jìn)的持續(xù)時(shí)間。
          圖5:星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/div>

          ADI公司的ADIsimLINK協(xié)議軟件可用于任意的ADF702x收發(fā)器。這個(gè)計(jì)劃用于全球1GHz以下頻段的協(xié)議融入了新的歐洲規(guī)范,基于如圖5所示的星形網(wǎng)絡(luò)(多達(dá)255個(gè)端點(diǎn))。
          該協(xié)議的核心是一個(gè)無間隙(nonslotted)、非持續(xù)、防碰撞的載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)方案,其端點(diǎn)(EP)可在發(fā)射前對(duì)信道進(jìn)行監(jiān)聽(LBT),以避免碰撞。
          協(xié)議中的無間隙特性意味著端點(diǎn)可以在擁有數(shù)據(jù)后立即發(fā)送,因此要先執(zhí)行“先聽后說”的操作。這一方法也可以確保無需同步。如果端點(diǎn)檢測(cè)到信道正處于忙碌狀態(tài),它就會(huì)在執(zhí)行下一次LBT之前等待一段長(zhǎng)度隨機(jī)的時(shí)間。等待的次數(shù)是有限的,因此協(xié)議還具有非持續(xù)特性。在FHSS模式下,協(xié)議在每個(gè)跳頻信道上都使用了這種CSMA/CA系統(tǒng),因此能滿足新歐洲規(guī)范的LBT需求。
          ADIismLINK協(xié)議的物理層(PHY)和媒體訪問層(MAC)參數(shù)具有很高的可配置性,這允許對(duì)器件和系統(tǒng)進(jìn)行充分的評(píng)估。ADI同時(shí)還提供源代碼以簡(jiǎn)化系統(tǒng)開發(fā)流程。該協(xié)議作為ADF702x開發(fā)套件(ADF70xxMB2)的一部分進(jìn)行提供,圖6是ADIismLINK的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。
          圖6:ADIismLINK系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖
          本文小結(jié)
          新的歐洲規(guī)范對(duì)863~870MHz頻段的無線傳輸協(xié)議提出了非常具體的要求。無論系統(tǒng)是使用單信道協(xié)議,還是使用FHSS或者DSSS,都必須遵守特定規(guī)則,這使得協(xié)議設(shè)計(jì)變得更復(fù)雜。但是,這些新規(guī)范的優(yōu)點(diǎn)在于它們?cè)诤芏喾矫骖愃艶CC Part 15 247規(guī)范,能簡(jiǎn)化針對(duì)多地區(qū)應(yīng)用的協(xié)議設(shè)計(jì)。ADI公司的開發(fā)套件包括了各種協(xié)議范例,能夠緩解短距離無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。


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