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1GHz以下全球免许可频段短距离无线系统的设计考虑

作者:时间:2010-04-12来源:网络收藏

设备一词涵盖了能实现单向或双向通信且不会对其它设备造成干扰的收发器。SRD应用广泛,能提供多种不同的服务,比较流行的应用是:家庭或楼宇自动化中的遥控应用、无线传感器、报警、汽车(包括远程无钥匙车门锁和远程汽车启动)以及语音和视频的无线传输在选择无线通信频率时,无线设备的无线人员必须非常小心。在大多数情况下,假设特定的规范和使用条件可得到满足的话,可选择的频率范围局限于免。表1列出了范围内无线设备的可用
通用系统时,者通常选用2.4GHz 。事实上,2.4GHz已经成为蓝牙、WLAN和
ZigBee等标准首选的工作频段。在无线电话或802.11a 版本的WLAN应用中,5.8GHz频段也占据了一些地位。
不过,对于那些需要更远传输距离和更低功耗的系统来说,的频段由于共存性问题较少、传输距离较远而倍受关注,因为这两方面性能都会影响功耗,而功耗是电池供电应用中一个重要的因素。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/157513.htm

低频发射机传输距离的增加可以通过简化的Friis 传输方程来表示,该方程给出了接收天线上的功率Pr与输送给发射天线的功率Pt之间的关系。

这里假设两条天线都具有单位增益。这个方程显示,对于固定的发射功率Pt来说,接收到的功率将随距离d的平方以及频率f的平方而降低(或随着波长λ的平方而增加)。如果接收到的功率低于对信号正确解调所需的最小功率(称为灵敏度),该链路就会被中断。
范围内频率的分配
表2对的短距离无线设备的通讯频率标准进行更详细的描述。这里没有罗列出全部的标准,更多细节请查看相关链接。

433MHz频段是能在全球范围内使用的频率之一。在日本,需要对频率作少许调整,大多数频率调谐灵活的收发器能够轻松处理这一问题,如图1所示的ADF7020,或ADF7021)。不过,433MHz频段的可用带宽不到2MHz,且通常不能用作语音、视频、音频和连续数据的传输,因此常被用于如无钥匙门锁系统和基本的远程控制等应用。
图1:短距离无线设备收发器ADF7020的结构框图
868MHz(欧洲)及902~928MHz(美国)频段非常有用,它们没有限制应用,且允许采用更紧凑的天线方案。其它地区(如澳大利亚和加拿大)已经采用了符合这些规范的版本。虽然还未实现全球化通用,但这些频段可以在多个地区使用。
不过,在最新的EN300 220规范出现以前,美国和欧洲采取了迥然不同的方案。美国采用跳频的方法,而欧洲则对每个子频段的占空比进行了限制,正如ERC REC-70文件中所描述的那样。这两种方案在减少干扰方面都很有成效,但对于系统制造商来说,如果设计要同时针对两个地区的产品,那么他们就必须完全重写系统中的媒体访问层(MAC)。
幸运的是,欧洲EN 300 220规范扩展了频带并允许跳频扩频(FHSS)或直接序列扩频(DSSS)),这使得MAC实现更接近美国的设计方案,虽然还需要一定的微调。下面将描述这一新规范的相关方面,涵盖了短距离无线设备系统设计者需要的问题。
跳频系统
跳频扩频(FHSS)发射技术通过将频谱划分为多个信道,并以接收机和发射机都认可的伪随机序列(或称为“跳频码”)在这些信道之间进行切换,在时域中将能量扩展开来。为便于新的节点加入网络,控制器节点周期性地发送信标信号,使新加入的节点能与其同步。所需的同步时间取决于信标的发射间隔以及跳频信道的数量。美国和欧洲标准规定的跳频信道数量较为接近,最大驻留时间(即在单次跳频期间停留在特定频率上的时间)为400ms。
表3给出了采用FHSS技术时欧洲标准的扩展频段(低于870MHz)所需的信道数量、有效辐射功率(ERP)和占空比。当满足先听后说(LBT)或占空比限制时,带宽均可高达7MHz,而在以往只能获得2MHz的带宽范围。
先听后说是一种“有礼貌”的,在启动发送之前会先扫描信道上的活动,也被称为空闲信道评估(CCA),采用该协议的跳频系统不受占空比的限制。
除了FHSS,直接序列扩频(DSSS)也在新的欧洲规范中得到采用。在DSSS系统中,窄带信号与高速伪随机数(PRN)序列相乘,得到扩频信号。每个PRN脉冲被称为一个“码片”,序列的速率被称为“码片速率(chip rate)”。初始的窄带信号被扩展的程度被称为处理增益,等于码片速率(Rc)与窄带数据符号速率之间的比。图2对FHSS和DSSS的频谱进行了比较。
宽带调制:DSSS
在接收机,接收到的扩频信号与相同的PRN码相乘,以对信号进行解扩频,从而提取出初始的窄带信号。同时,接收机端的任何窄带干扰信号会被扩展,并以宽带噪声的形式出现在解调器上。系统中的每个用户分配有不同的PRN码,从而在相同的频带中实现用户隔离。这种方法被称为码分多址(CDMA)。

图2:FHSS和DSSS的频谱对比图
一些使用DSSS调制技术的系统实例包括IEEE 802.15.4(WPAN)、IEEE 802.11(WLAN)以及GPS系统。DSSS的主要优势包括:
1. 抗干―DSSS抗干扰能力的基本原理是将有用信号与PRN码相乘两次(扩频和解扩频),而任何干扰信号只相乘一次(扩频);
2. 低功率谱密度―在现有的窄带系统引入的干扰最小;
3. 安全性―由于实现了扩频/解扩频,所以对干扰有很强的抵御能力;
4. 缓解多径效应。
DSSS或FHSS之外的宽带调制方法
除FHSS和DSSS宽带扩频调制方法外,欧洲规范还支持带宽大于200kHz的FSK/GFSK(高斯频移键控)调制技术。表4给出了适用于欧洲宽带调制方案(包括DSSS)的主要规范。

ADF7025 ISM频段收发器是支持采用FSK调制宽带标准的器件。为了能在865~870MHz子频段内工作,器件设计必须满足最大占用带宽(99%)和最大功率密度的限制以及信道(或频段)边沿的最大功率为-36dBm的限制。如果按照表4中的参数对ADF7025进行设置,器件可以满足这三个限制条件。图3是ADF7025的宽带调制试验结果,其占用带宽为1.7569MHz,峰值频谱密度为-1.41dBm/100kHz。
图3:ADF7025的宽带调制试验结果:(a)FSK调制信号,99%占用带宽,(b)将(a)图进行放大,以测量最大功率谱密度。
ADF7025采用宽带调制方式,可以实现很高的数据速率(在这种情况下为384kbps),从而能够在1GHz以下的欧洲ISM频段中传输音频和中等品质的视频(每秒数帧)。
美国规范(FCC Part 15.247)具有与欧洲规范类似的频率分配方式,它规定了工作在902~928MHz、2,400~2,483.5MHz以及5,725~5,850MHz频段的跳频系统,同时还规定了“数字化调制”信号。这个宽松的规范涵盖了扩频(DSSS)和其它更简单的调制形式(如FSK和GFSK),因此它类似于欧洲规范中的“宽带调制”。该规范的两个主要要求为:
1. 最小6dB带宽至少为500kHz;
2. 对于数字调制系统,在任意连续发射间隔期间的任意3kHz带宽内,从发射端到天线传导的功率谱密度不大于8dBm。
任何希望采用非FHSS系统的人通常都必须将辐射场强限制在50mV/m(-1.5dBm
ERP)内,但在“数字调制”的场合中,只要能满足最大功率谱密度限制,则最大输出功率为1W。因此,当使用ADF7025时,由于其FSK频率偏差的宽度足以确保6dB带宽大于500kHz,所以允许1W的 ERP。此外,由于信号带宽较宽,系统也能实现更高的数据速率(对ADF7025而言,最高可达384kbps)。
ADF7025的同信道抑制在同信道中的变化范围是-2dB(最差)到+24dB之间,具体取决于干扰源的带宽。这可以与同信道抑制为-4dB的商用802.15.4 DSSS收发器相媲美,后者采用的人为干扰信号为IEEE 802.15.4调制信号。
采用这些方法后,美国和欧洲就可以使用相似的宽带调制系统,从而简化面向全球市场的产品开发。ADF7025收发器架构既能工作在美国标准定义的“数字调制”模式,又工作在欧洲规范定义的“宽带调制”模式。

瞬态功率要求
设计工程师应该了解欧洲规范中的一项新的技术指标要求,即对瞬态功率的限制。瞬态功率被定义为当发射机在正常工作期间开启和关断时落到邻近频谱中的功率。最新的规范加入了这一限制条件,以防止频谱散射。
随着输送到功率放大器的电流的增大或减小,从压控振荡器(VCO)端所看到的负载也在发生变化,这使得锁相环(PLL)在瞬间发生失锁,并在环路试图重新恢复锁定状态时产生杂散辐射或频谱散射。在那些仅断续发射的系统中,频谱散散会导致落入邻近信道中的功率显著增加。
图4显示了频谱散射问题。绿线代表ADF7020发射机的PA每隔100ms开启、关断一次时的PA输出频谱,很显然有较大的功率落入了载波两侧的信道中,测试时频谱分析仪维持在最大保持状态。红线代表PA输出在每个100ms以63步进逐步上升和下降时的输出,由此可见落入邻近信道的功率显著下降。EN 300 220规范中的Specification 8.5对落入这些邻近信道的功率进行了限制。
图4:ADF7020输出频谱的测试曲线
测试流程要求发射机在最大输出功率条件下开启和关断5次,并测量落入载波任意一侧的第二、第四和第十信道的功率。
为确保满足这个规范,最简单的方法是让PA从关断状态逐渐转换到开启状态,或从开启状态逐渐转换到关断状态,这通常可以利用微控制器分阶段地开/关PA来实现。通过采用ADF7020收发器,可以让PA以最多63步阶从关断调节到输出+14dBm。一个更快和更简单的方法是使用具有自动PA功率斜坡控制的收发器,比如ADF7021具有可编程功率斜坡控制功能,用户可以设置步进数量和每次步进的持续时间。
图5:星形网络拓扑

ADI公司的ADIsimLINK协议软件可用于任意的ADF702x收发器。这个计划用于全球1GHz以下频段的协议融入了新的欧洲规范,基于如图5所示的星形网络(多达255个端点)。
该协议的核心是一个无间隙(nonslotted)、非持续、防碰撞的载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)方案,其端点(EP)可在发射前对信道进行监听(LBT),以避免碰撞。
协议中的无间隙特性意味着端点可以在拥有数据后立即发送,因此要先执行“先听后说”的操作。这一方法也可以确保无需同步。如果端点检测到信道正处于忙碌状态,它就会在执行下一次LBT之前等待一段长度随机的时间。等待的次数是有限的,因此协议还具有非持续特性。在FHSS模式下,协议在每个跳频信道上都使用了这种CSMA/CA系统,因此能满足新欧洲规范的LBT需求。
ADIismLINK协议的物理层(PHY)和媒体访问层(MAC)参数具有很高的可配置性,这允许对器件和系统进行充分的评估。ADI同时还提供源代码以简化系统开发流程。该协议作为ADF702x开发套件(ADF70xxMB2)的一部分进行提供,图6是ADIismLINK的系统总体结构。
图6:ADIismLINK系统的总体结构框图
本文小结
新的欧洲规范对863~870MHz频段的无线传输协议提出了非常具体的要求。无论系统是使用单信道协议,还是使用FHSS或者DSSS,都必须遵守特定规则,这使得协议设计变得更复杂。但是,这些新规范的优点在于它们在很多方面类似FCC Part 15 247规范,能简化针对多地区应用的协议设计。ADI公司的开发套件包括了各种协议范例,能够缓解短距离无线网络的设计挑战。


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