優化嵌入式設備的LoRa無線電性能
時間：2020-05-07 來源：原創
無論是開發可穿戴設備還是工業電池供電的設備，最大化范圍和堅固性同時最小化功耗都是至關重要的。優化RF性能可提高靈活性，并在尺寸，電池壽命和RF性能方面進行更具吸引力的折衷。
在優化RF性能之后，產品開發團隊可以考慮降低發射功率以延長電池壽命，或降低電池容量以減小產品尺寸，或者可能僅依靠采集的功率工作并完全消除電池。
鏈接預算和路徑損耗
那么，哪些因素決定RF范圍和性能？讓我們開始檢查鏈接預算。鏈路預算是發射信號的強度與接收器上所需的最小信號之間的差，并且等于所有信號源在最大范圍內的總損耗。鏈路預算的最簡單公式為：
對于典型的LoRa無線電實現：
此配置可提供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：
發射機天線增益（以dB為單位）（如果為正）會增加鏈路預算
接收機天線增益（dB）（如果為正）會增加鏈路預算
發射機輸出和天線之間的損耗降低了鏈路預算
接收機輸入和天線之間的損耗降低了鏈路預算
包括所有這些因素，可提供可用于路徑損耗的鏈路預算：
天線增益通常相對于各向同性天線（dBi）的dB表示，該天線在各個方向上均等地輻射。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程度）和“平均增益”（表示在所有方向上平均的天線有效輻射）。通常應使用平均增益，除非可以控制設備的方向以實現“峰值增益”。平均天線增益等效于效率，因此，平均增益為-3dB的天線效率為50％，這可以是直觀顯示天線性能影響的更直觀的方法。緊湊型LoRa設備的天線增益（發射器或接收器）為-4dB。如果認真而緊湊地實施，接收器和發射器的損耗應分別約為1dB。但是，如果天線與發射器和接收器電路的匹配不佳，則損耗可能會更高。
僅當發射機的輸出阻抗與發射機看到的輸入阻抗“負載”緊密匹配時，功率才能有效地從發射機傳輸到天線。該負載包括PCB走線，天線以及連接到發射機輸出引腳的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（在所需頻率下）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）轉換為發射機的最佳阻抗。如果天線和放大器的匹配不良，則發射信號將無法有效地傳輸到天線，從而減小了范圍。匹配不良時，發射器會消耗更多電流，從而縮短電池壽命，并可能增加諧波。額外的諧波輻射加劇了監管審批的挑戰，并可能需要進行額外的濾波以減輕壓力-這會增加PCB面積，增加損耗并增加成本。
將典型數字與上面提到的LoRa示例結合起來可以得出：
鏈路預算應至少減去6dB，以為現實條件和操作魯棒性提供余量。因此，在此示例中，最大范圍的傳播損耗約為134 dB。
開發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。選項包括增加發射器輸出功率或天線增益，提高接收器靈敏度或最小化損耗。這些選擇可能會增加無線電實現，電池或天線的尺寸和成本，但有必要仔細考慮每個決策對性能的影響，這一點很重要。優化性能可能會在達到規定功率范圍內的期望范圍或被迫在范圍上折衷以保持在允許范圍內之間產生差異。
當開發可穿戴設備時，這些折衷會特別困難，因為可穿戴設備的尺寸和成本受到極大限制，要求最大的電池壽命，最小的尺寸，并且進一步受到法規（FCC，RED）要求的限制，以最大程度地減少用戶吸收的RF能量（已知）稱為“特定吸收率”或SAR。運營商和行業要求使蜂窩設備變得更加復雜，這些要求要求高度優化的天線性能和高發射功率（與藍牙或WiFi相比），同時仍要滿足SAR限制。在商業上可行的包裝中滿足這些要求是極具挑戰性的。
接收靈敏度
開發團隊對接收器敏感性的影響不太明顯。接收機靈敏度由無線電調制，比特率和接收機實現的細節決定。與往常一樣，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。
下表1說明了調制和比特率如何影響接收機性能。請記住，負靈敏度越小/ 越好：
LoRa擴展因子（SF）表示用于傳輸數據的物理層CHIRP的持續時間。較大的擴展因子表示更長的CHIRP和更低的比特率。
開發團隊可以通過確保傳輸最少的數據來優化系統設計，以最小化所需的比特率，從而提高靈敏度和范圍。靈敏度的提高還可以通過在接收器功耗，尺寸或成本上的額外投資來實現。例如，添加額外的濾波或低噪聲放大器。降低比特率將增加發送時間，并可能縮短電池壽命。最小化所需的吞吐量還可以最小化所需的傳輸時間（在任何比特率下），并允許團隊在平衡范圍，傳輸時間和電池壽命的同時最大化靈敏度。對于固定的發射功率，較高的比特率可以縮短發射時間，但可以縮短發射范圍，這是該團隊可以用來權衡RF性能與其他要求的另一個折衷方案。
上面的討論假定無線電實現符合制造商的規范。為了達到這一性能水平，至關重要的是要遵守制造商的建議，并盡量減少會降低性能的干擾源。同樣，產品開發團隊必須權衡性能與尺寸和成本。考慮常見的噪聲源和緩解技術：
這些緩解措施中的大多數會增加產品的成本和尺寸，但是如果它們能夠擴大范圍或減小其他成本或尺寸（例如較小或更不強大的電池），則可能是一個適當的選擇。還應考慮積極緩解潛在問題，以最大程度地減少失敗的法規測試風險并縮短上市時間。解決和防止噪聲將最大程度地提高靈敏度，從而實現最大范圍和最小發射功率。
范圍和傳播
現在我們已經討論了如何優化系統性能，讓我們討論傳播和范圍估計。用一個通常被稱為“自由空間”的理想詞來說，信號從天線沿所有方向傳播出去，沒有反射，大氣折射或吸收。這種情況下的損耗由下式給出：
其中f 是以兆赫茲為單位的頻率，d 是以千米為單位的距離。
注意，頻率是該方程式的關鍵組成部分，降低頻率可降低損耗。將頻率從2.4Ghz（藍牙，WiFi）降低到900Mhz，可將路徑損耗降低9dB，并且在其他所有條件不變的情況下，其范圍也應增加一倍以上。理解這一點將顯示出另一個折衷方案–降低信號頻率可以擴大范圍。但是，對于給定的體積，天線效率會隨著頻率的降低而降低，從而可能抵消了較低頻率的某些好處。
不幸的是，現實世界中的射程受到許多其他因素的影響，例如各種障礙物的反射和吸收。現實世界中存在多種傳播模型，其中大多數基于經驗數據集。在奧村-Hata模型是一個不錯的選擇，并提供了各種環境（城市，郊區，農村）以及各種天線高度的選擇。在農村或開放環境中，路徑損耗公式為：
哪里：
h B =基站天線的高度。單位：米（m）
h M =移動臺天線的高度。單位：米（m）
f =傳輸頻率。單位： 兆赫 （MHz）
C H = 天線 高度校正因子
d =基站與移動臺之間的距離。單位：公里（km）。
基于先前的LoRa示例并使用此處提供的IEEE工作表，HATA模型預測在距地面2m的天線的情況下3km處的路徑損耗為134dB。
功耗權衡
除了上面提到的一階權衡（發射器功率，比特率與發射時間和靈敏度，噪聲降低，成本，尺寸）之外，還有許多其他考慮因素可以使功耗最小化。在接收或發送模式下，最大限度地減少無線電接通時間是最大化電池壽命的關鍵。盡管直覺上發射會消耗大量能量，但是由于需要大量的信號處理，許多現代接收器的功耗與發射器功率相當。必須仔細設計空中協議和同步算法，以確保快速，可靠的同步，頻率對準和最短的接通時間。使用高精度晶體可以最大程度地降低時間或頻率未對準的風險，并確保無線電“鎖定”得更快，最小化噪聲并最大程度減少重傳，尤其是考慮到溫度和老化時。必須特別注意初始精度，所需溫度范圍內的精度以及由于老化引起的頻率漂移，以確保您的設計可以長期使用。
優化無線協議只是一個示例。應仔細考慮所有觸發設備偏離最小功耗狀態的事件，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，應在每個喚醒時段處理多個事件，以最大程度地減少喚醒時段的頻率。同樣，必須在較高的時鐘速度上進行功耗折衷，這會導致較高的功耗，但持續時間較短，而較低的時鐘速度則會導致較長的持續時間較低的功耗。
還必須考慮電源設計的所有方面。現有技術中的開關電源已經得到了極大的改善，但是當負載只有幾個微安時，例如當設備在兩次傳輸之間處于睡眠狀態時，開關電源仍然會效率低下。但是，非常低的靜態線性穩壓器通常具有令人驚訝的差的瞬態響應特性，因此必須仔細考慮這些組件。
通常，在低功率狀態下，許多子電路都被關閉，但是，必須檢查每條IO線的狀態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，否則會發生意外泄漏由于泄漏電流部分地為某些組件供電，因此可能會產生大約幾毫安的電流，并可能發生意外行為。
總而言之，應該清楚的是，要最大化范圍和電池壽命，必須考慮設備的幾乎所有方面。器件的尺寸限制了天線效率，電池容量和PCB面積，以實現最佳的RF實現。精心設計射頻電路會限制范圍，如果做得不好，則會降低電池壽命。同樣，在運行狀態的設計上進行投入以最大程度地延長睡眠時間并最大程度減少廣播時間的護理可以擴大范圍并延長電池壽命。現實生活中的產品開發需要不斷進行談判，以實現技術優化以及商業可行的尺寸，成本和性能。
