優化嵌入式設備的LoRa射頻性能

無論是開發可穿戴設備，還是工業用電池供電設備，最大限度地提高通信範圍和穩定性，同時最大限度地降低功耗至關重要。優化射頻性能可提高靈活性、並在尺寸、電池壽命和射頻性能方面實現更具吸引力的權衡取捨。

在優化RF性能之後，產品開發團隊可以考慮降低發射功率以延長電池壽命或減小電池容量，進一步縮小產品尺寸，或許能夠僅依靠採集到的能量工作，甚至完全去掉電池。

圖：遠程通信(來源：Pxhere.com/CC0)

鏈路預算和路徑損耗

那麼，什麼因素決定了射頻範圍和性能？我們首先檢查鏈路預算( Link Budget)。鏈路預算是發射信號強度與接收器所需最小信號強度之間的差值，等於所有誤差源在最大範圍內的總損耗。鏈路預算最簡單的等式是(圖1)：

鏈路預算=發射功率-接收器靈敏度

圖1：鏈路預算基本要素(來源：Device Solutions Inc)。

典型的LoRa射頻實現：

發射功率 = 13dBm

接收器靈敏度 = ?137dBm

這種配置提供了150dB的鏈路預算。

在使用路徑損耗計算來估算距離之前，還有其它因素需要考慮：

?發射天線增益以dB表示,如果為正值會增加鏈路預算

?發射器輸出和天線之間的損耗會降低鏈路預算

?接收器輸入和天線之間的損耗會降低鏈路預算

將所有這些因素計算在內，提供了可用於路徑損耗的鏈路預算(圖2)：

鏈路預算 = (發射功率 ? 接收器靈敏度)

• ( Gain_Tx+ Gain_Rx)
• ( Loss_Tx+ Loss_Rx)

圖2：鏈路預算中間元素(來源：Device Solutions Inc)。

天線增益通常以dB表示，相對於在各方向進行相同輻射的全向天線(isotropic antenna)的dBi。通常情況下，天線數據表指定了「峰值增益」、用以指示天線在最佳方向上輻射的程度；以及「平均增益」，表示天線在所有方向上的平均有效輻射。除非可以控制器件的方向來實現「峰值增益」，否則通常應該使用平均增益。天線平均增益相當於效率，因此平均增益為-3dB的天線的效率為50％，這可以更加直觀地顯示天線性能產生的影響。-4dB天線增益(發射器或接收器)通常用於小型LoRa設備。如果實施方案足夠仔細和緊湊，接收器和發射器的損耗應該分別大約為1dB。但是，如果天線與發射器和接收器電路匹配得不好，則損耗會高得多。

如果發射器輸出阻抗與從發射器方向來看的輸入阻抗「負載」良好匹配，那麼功率只會高效地從發射器傳送到天線。該負載包括PCB走線、天線和連接到發射器輸出引腳的RF路徑中的任何組件。通常，存在用於將天線阻抗(以所需頻率)轉換為PCB上的傳輸線路特性阻抗的匹配電路，以及用於將PCB傳輸線路阻抗(通常為50Ω)轉換為發送器最佳阻抗的另一匹配電路。如果天線和放大器匹配不好，則發射信號將不能有效地傳送到天線，從而縮小了範圍。當匹配不好時，發射器將消耗更多電流、縮短了電池壽命、並可能加大諧波。額外的諧波輻射加劇了通過監管批准的挑戰，並可能需要額外的濾波來減小其影響——這增加了PCB面積、加大了功耗、還會增加成本。

將上面提到的LoRa例子與典型的數值結合起來，得出(圖3)：

鏈路預算 = (13 ? ( ? 1377))+ (? 4.0 + ? 4.0)+ (? 1.0 + ? 1.0)= 140dB

圖3：鏈路預算詳細要素(來源：Device Solutions Inc)。

為了給現實世界工作條件和運行穩健性提供餘量，應從鏈路預算中至少減去6dB。因此，在這個例子中，最大範圍的傳播損耗約為134dB。

開發團隊的決策直接影響鏈路預算的許多組成部分，團隊可就加大範圍或降低功耗進行權衡取捨。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射頻實現方案、電池或天線的體積和成本，但重要的是要清醒認識到每項決定對性能的影響。優化性能可能會導致兩種不同的境遇：在規定的監管限制範圍內達到預期覆蓋範圍；或為保持在允許的限制範圍內，被迫對覆蓋範圍予以妥協。

當開發在尺寸和成本都極度受限的可穿戴設備時，這些取捨可能特別困難；可穿戴設備要求最長的電池壽命、最小的尺寸、並進一步受到監管(FCC、RED)要求的限制，以最小化用戶吸收的稱為「特定吸收率」或SAR的RF能量。運營商和行業要求，使蜂窩設備進一步複雜化，這些要求需要高度優化的天線性能和高發射功率(與藍牙或WiFi相比)，同時仍能滿足SAR限制要求。以一種商業上可行的方案滿足所有這些要求極具挑戰性。

接收靈敏度

開發團隊對接收器靈敏度的影響其實並不明顯。接收器靈敏度由射頻調製、比特率和接收器實現的細節決定。一如既往，更大、更高功率和更昂貴的接收器通常性能會更好。降低比特率是另一種提高接收靈敏度的方法。

表1說明了調製和比特率如何影響接收器的性能。請記住，更小/更負的靈敏度更好：

表1：FSK和LoRa比特率與靈敏度的比較。

LoRa擴頻因子(SF)表示用於傳輸數據的物理層CHIRP的持續時間。較大的擴頻因子表示較長的CHIRP和較低的比特率。

開發團隊可以通過優化系統設計來最小化所需的比特率，從而通過確保最少的數據傳輸量來提高靈敏度和範圍。還可以通過加大對接收器功率、體積或成本的投入來提高靈敏度。例如，增加額外的濾波或低雜訊放大器。

降低比特率會增加傳輸時間並可能縮短電池續航時間。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(以任何比特率)，並允許團隊在平衡範圍、傳輸時間和電池壽命的同時最大化靈敏度。更高的比特率支持更短的傳輸時間、但覆蓋距離也更短；對於固定的發射功率，提供另一個權衡，團隊可用來平衡RF性能與其它要求。

如果通過最大化發射器效率、接收器靈敏度和天線增益已對RF實現進行了優化，則可以將富裕的鏈路預算「花費」在不太昂貴的組件或性能較低的天線上，以實現更期望的產品外觀或降低發射器功率以延長電池壽命。

上面的討論假設射頻實現符合製造商的規範。要達到這種性能水平，遵守製造商的建議，並盡量減少會降低性能的干擾源至關重要。再次，產品開發團隊必須通盤考量，權衡性能與大小和成本之間的關係。還需要考慮下面的常見雜訊源和反制技術：

?雜訊源

o處理器，特別是外部存儲器匯流排

o開關電源

o隔離的RS-485/232驅動器

o顯示器和視頻驅動器

oD類音頻放大器

o電機驅動器

?反制舉措

o屏蔽腔和屏蔽電纜

o增加濾波器和放大器

o額外的PCB層

o線端接和壓擺率控制

大部分這些反制措施會增加產品成本和尺寸，但如果它們能夠加大範圍，或者降低其它成本或尺寸(例如體積或容量更小的電池)，則可能是合適的選擇。還應該積極考慮發生潛在問題時的應對方案，以盡量降低無法通過監管測試的風險、並盡量縮短上市時間。解決並防範雜訊將最大化已實現的靈敏度，從而支持最大範圍和最小發射功率。

範圍和傳播

現在我們已經討論了如何優化系統性能，我們接著討論傳播和範圍估算。在通常被稱為「自由空間」的理想表述中，信號從天線向各個方向傳播，沒有反射、大氣折射或吸收。這種情況下的損耗由(圖4)給出：

路徑損耗 = 20log₁₀( d ) +20log₁₀( f ) ? 32.45

其中f是以MHz為單位的頻率，d是以Km為單位的距離。

圖4：相對於距離和頻率的信號損耗(來源：Device Solutions Inc)。

注意，頻率是這個方程的關鍵組成部分，降低頻率會減少損耗。頻率從2.4GHz(藍牙、WiFi)降低到900Mhz、路徑損耗減少了9dB，如果其它條件保持不變，應該使發送距離翻一番還遠。了解這一點揭示了又一個取捨——降低信號的頻率可以增加範圍。但是，對於給定的體積(volume)，天線效率隨頻率的降低而降低，這可能抵消較低頻率帶來的一些好處。

遺憾的是，現實世界的傳送範圍受許多其它因素的影響，比如各種障礙物的反射和吸收。現實世界有許多傳播模型，大部分基於經驗數據集。 Okumura-Hata模型是個不錯選擇，可為各種環境(城市、郊區、農村)和各種天線高度提供選擇。在農村或開放環境中，路徑損耗公式是(圖5)：

PL_Rural= PL_SmallCity? 4.78( log₁₀f )²+18log₁₀f ? 40.94

其中：

h_B=基站天線的高度。單位：m(米)

h_M=移動站天線的高度。單位：m(米)

f =發送頻率。單位：MHz(兆赫)

C_H=天線高度修正係數

d =基站和移動站之間的距離。單位：km(公里)。

圖5：多因素造成的信號丟失(來源：Device Solutions Inc)。

基於以前的LoRa示例並使用IEEE工作表，HATA模型預測距地面2m高的天線在3km遠處的路徑損耗為134dB。

功耗權衡

除了上述的一階取捨(發射器功率、比特率與發射時間和靈敏度、雜訊降低、成本、尺寸)之外，還有許多其它考慮可以降低功耗。無論是接收還是發送模式，盡量縮短射頻接通時間是延長電池壽命的關鍵。儘管發送需要大量能量是顯而易見的，但由於許多現代接收器所需的信號處理量顯著增加，其功率已與發射器功率旗鼓相當。精心設計射頻協議和同步演算法對於確保快速和可靠的同步、頻率對準以及最短的接通時間是必要的。使用更高精度的晶體可以最大限度地減少時間或頻率錯位的風險，並確保射頻更快地「鎖定」、以最大限度地降低雜訊、並最大限度地減少重新發送，特別是考慮到溫度和老化時。要特別關注初始精度、所需溫度範圍內的精度，以及由於老化引起的頻率漂移，必須確保你的設計長期可靠運行。

優化射頻協議只是個例子。所有引發設備偏離最小功耗狀態的事件都應仔細考慮，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，應該在每個喚醒周期處理多個事件以最小化喚醒周期的頻率。類似地，必須對功耗和更高時鐘速率進行權衡取捨——高速率導致高功耗，但射頻接通時間短；低速率導致低功耗，但射頻接通時間長。

還必須考慮電源設計的方方面面。最先進技術的開關電源已經取得了巨大進步，但當負載只有幾μA時(例如當設備在發射之間處於休眠狀態)，仍然可能是低效的。然而，具有極低靜態電流的線性穩壓器往往具有差得驚人的瞬態響應特性，因此若打算選用線性穩壓器，必須仔細考慮這些特性。

通常，在低功率狀態下，許多子電路被關閉；然而，必須檢查每個IO線的狀態以及子電路之間的連接，以確保沒有連接到斷電部件的有源信號，否則會出現意外漏電流，也許是幾mA；並且由於漏電流可為某些組件部分供電，所以可能會出現意想不到的行為。

圖6：優化射頻設計時的選擇考量和權衡(來源：Device Solutions Inc)。

總之，應該清楚的是，為了最大化覆蓋範圍和電池壽命，必須要考慮設備的方方面面。設備的尺寸限定了用於最佳RF實現的天線效率、電池大小和PCB面積。設計射頻電路時的細心和審慎決定了覆蓋範圍，如果做得不好，會縮短電池壽命。類似，為最大化休眠時間並使射頻接通時間最小化而在運行狀態設計上投入的精力可增加範圍並延長電池壽命。現實生活中的產品開發需要不斷協商，以實現技術優化和商業上可行的大小、成本和性能(圖6)。

本文來自《電子工程專輯》2018年3月刊，版權所有，謝絕轉載

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