ISM頻段ZigBee傳輸距離的估算

　　900-MHz 和 2.4-GHz 頻段短距離無線設(shè)備的設(shè)計(jì)人員需要了解，公式中的參數(shù)對傳輸距離的影響以及這些參數(shù)如何影響傳輸距離，同時(shí)還要能將這些參數(shù)應(yīng)用到公式中，用于統(tǒng)計(jì)計(jì)算出室內(nèi)和戶外環(huán)境下的路徑損耗及傳輸距離。

　　隨著家庭、建筑及工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中無線技術(shù)的應(yīng)用，短距離無線設(shè)備正倍受關(guān)注。通常，這些應(yīng)用使用專用頻段或以標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議為基礎(chǔ)的頻段，例如：900-MHz 和 2.4-GHz 的 ISM(工業(yè)/科學(xué)/醫(yī)學(xué))頻段 ZigBee。隨著短距離無線設(shè)備應(yīng)用的不斷普及，對于終端設(shè)備設(shè)計(jì)人員來說，充分了解無線通信距離比以往變得更為重要。這篇文章討論了無線傳播，并開發(fā)了一些模型，用來估算室內(nèi)環(huán)境下短距離無線設(shè)備的路徑損耗和距離。這些模型讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以對無線通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行一個(gè)初步的估算。

　　在探討距離估算公式之前，設(shè)計(jì)人員需要了解無線信道及傳播環(huán)境。無線通信信道為發(fā)送器和目標(biāo)接收機(jī)之間的傳輸通道。不同于固定的且可預(yù)知的有線信道，無線信道具有隨機(jī)性和時(shí)變性，以及建模的困難性的特點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)人員需要對這些隨機(jī)信道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)建模。

　　無線電波傳播模型的重點(diǎn)一般是在給定發(fā)送

　　器距離的路徑下預(yù)測出接收信號的平均強(qiáng)度，以及接近一個(gè)方位點(diǎn)上的信號強(qiáng)度的變化。對任意發(fā)送器-接收機(jī)間的平均信號強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測的傳播模型為大型傳播模型，其在估算發(fā)送器距離方面極為有用。相反地，在一些波長內(nèi)接收信號強(qiáng)度的傳播模型為小型模型，或?yàn)樗p模型，其具有快速波動(dòng)的特點(diǎn)。這篇文章重點(diǎn)討論大型傳播模型，該模型可對無線傳輸?shù)木嚯x進(jìn)行估算。

　　當(dāng)發(fā)送器和接收機(jī)之間具有一條暢通無阻的可視路徑時(shí)，自由空間傳播模型可對接收信號的強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測。自由空間傳播模型會做出這樣的預(yù)測，接收信號強(qiáng)度“衰減”為發(fā)送器-接收機(jī)間隔距離的函數(shù)，強(qiáng)度衰減升至 N 次冪——“冪律函數(shù)”。接收機(jī)天線所接收到的自由空間功率與發(fā)射天線隔開一段距離，F(xiàn)riis 自由空間方程式把此段距離定義為：

　　在這個(gè)方程式中，PT　為發(fā)送器功率;PR(d) 為接收功率，并為發(fā)射-接收間隔距離 d 的一個(gè)函數(shù);GT　為發(fā)送器天線增益;GR　為接收機(jī)天線增益;d 為發(fā)送器和接收機(jī)之間的間隔距離，單位為米;λ 為波長，單位為米。

　　Friis 自由空間方程式說明了隨著發(fā)送器至接收機(jī)間隔距離平方值的增加，接收功率不斷下降。這一結(jié)果表明接收功率隨著距離的增加將以 20 dB/decade 的速率衰減。

　　在對無線傳輸距離進(jìn)行估算時(shí)重要的一項(xiàng)是路徑損耗，路徑損耗以 dB 為單位，表示信號衰減程度。路徑損耗為以 dB 為單位計(jì)量的發(fā)送器天線功率與接收機(jī)天線功率之間的差分。通過方程式 1，您可以推算出路徑損耗為發(fā)送功率除以接收機(jī)功率。方程式 2 將路徑損耗定義為：

　　在這個(gè)方程式中，PL　為路徑損耗。對方程式 2 進(jìn)行簡化，假設(shè)發(fā)射天線和接收天線具有相同的增益，那么這一假設(shè)得出的結(jié)果為：

　　您也可以使用如下可行的方式表達(dá)出這一方程式：

　　PL=20log10(fMHz+20log10(d)–28, (4)

　　或

　　PR=PT–PL, (5)

　　在這一方程式中，d 為距離，單位為米。

　　只有當(dāng) d 的值處于發(fā)射天線遠(yuǎn)場 (far field) 內(nèi)，F(xiàn)riis 自由空間公式才能對接收功率電平做出估算。發(fā)射天線的遠(yuǎn)場，即Fraunhofer 區(qū)，指的是超出遠(yuǎn)場距離 dF　的區(qū)域。對于一個(gè)天線來說，dF　為 2D2/λ，其中 D 為天線的最長物理線性尺寸。另外，dF　必須大于 D，并且必須處于遠(yuǎn)場內(nèi)。這一路徑損耗公式僅適用于可視路徑暢通無阻的理想化系統(tǒng)，并且您應(yīng)該只是利用這一公式進(jìn)行初步估算。

　　傳播模型將近場 (close-in) 距離d0　作為接收功率的參考點(diǎn)。在任何大于與 PR(d0) 相關(guān)的接收功率參考點(diǎn)的距離的情況下，您必須計(jì)算出接收功率PR(d)，PR(d0) 的值可以通過方程式 1 和方程式 4 計(jì)算得出。作為一種選擇，您可以通過鄰近發(fā)送器的許多點(diǎn)上求取平均接收功率，測算出無線通信環(huán)境下的值。您必須選擇一個(gè)近距參考距離，從而使遠(yuǎn)場區(qū)大于近場距離。

　　通過了解這些知識，您可以使用如下的公式計(jì)算出任何距離的接收功率：

　　在 1 至 2 GHz 之間運(yùn)行的應(yīng)用系統(tǒng)其參考距離為室內(nèi)環(huán)境下 1 米，室外環(huán)境下 100 米。

　　大部分射頻功率電平單位為毫瓦分貝，或者為瓦分貝，而不僅僅是絕對功率電平。您可以將方程式 6 重新整理為：

　　下面的示例闡明了這些概念。 假設(shè)發(fā)射頻率為 900 MHz，發(fā)射功率為 6.3 mW (8 dBm)，且發(fā)射和接收天線具有相同的增益，則可以測算出室外可視環(huán)境下 1200 米處的接收功率。室外環(huán)境下，參考距離為 100 米，同時(shí)您必須測定出 100 米處的接收功率。波長為 900 MHz 時(shí)是 0.33 米。

　　使用方程式 1 中的值，您將得出：

　　如果以毫瓦分貝為單位計(jì)算功率，那么您必須這樣表達(dá)以毫瓦分貝為單位的功率：

　　PR(100)=0.44