如何通过简单的链路预算分析对在室内和室外环境中使用sub-GHz模块的无线传输进行评估

     在家庭、楼宇和工业应用市场，短距离无线尤其是Sub-GHz（低于1 GHz）频带的无线应用日益普及。这意味着系 统设计人员需要了解所涉及的方法、估算、成本和权衡。除 了距离估算公式，最好还要了解与sub-GHz相关的无线信道 和传播环境。
通常，射频（RF）和无线工程师会在开始RF设计之前 进行链路预算。链路预算要考虑距离、发射功率、接收器灵 敏度、天线增益、频率、可靠性、传播介质（其中包括与电 磁波反射、衍射、散射相关的物理学原理）和环境等因素， 以便计算sub-GHz RF射频链路的性能。
在从简单的点对点连接到更大的网状网络等任何低数 据速率系统中，Sub-GHz无线网络都可以实现高成本效益， 其中长距离、可靠的射频链路和延长的电池寿命是其显著优 势。更高其合规的输出功率、降低的能量吸收、较少的频谱 污染和窄带运行都能提高传输距离。而改进的信号传播、优

图1  单片机与MRF89XA模块之间的接口；无线和RF节点图    

图2  单片机与MRF49XA收发器和PICtail卡之间的接口；无线和RF节点图
秀的电路设计以及更低的内存使用均可以减少电量消耗，从而延长电池寿命。一般来说，sub-GHz信道属于免许可证ISM（工业、科 学和医疗）频带的一部分。sub-GHz节点通常针对低成本系 统，与高级无线系统相比，每个节点可减少成本约30％～40％，同时它们的协议栈所需要的存储空间也更少。许多协 议都占用这一个频带，例如基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee（目前在868和900 MHz频带提供2.4 GHz和sub-GHz版本的 唯一协议）、自动化协议、无绳电话、无线Modbus、遥控 门禁（RKE）、轮胎压力监测系统和大量专有协议（包括 MiWi）。然而，在sub-GHz ISM频带运行会导致与使用同一 频谱的其它协议之间的射频干扰，包括来自移动电话、授权 无绳电话等的威胁。

图3  PICtailTM板的垂直安装

图4  距离测量方法
1 链路预算
链路预算是对从发射器（TX）通过介质（自由空间） 到接收器（RX）的整个无线通信系统中所有增益和损耗的核 算。链路预算考虑的是决定到达接收器信号强度的各个参数。 为了进行链路预算的分析和估算，还必须测定包括天线增益水 平、射频发射功率水平和接收器灵敏度数据等在内的因素。
同时还应考虑天线类型和尺寸以及其它包括要求的距 离、可用的带宽、数据速率、协议、干扰和互操作性在内 的次要因素。虽然接收器灵敏度不在链路预算的考虑范围之 内，但是还需要阈值来决定接收信号能力。
简单链路预算公式为：接收功率（dBm）等于发射功率
（dBm）与增益（dB）和损耗（dB）差之和。借助链路预 算评估，就有可能在预期成本范围内设计出一个即满足要求 又实现功能性的系统。某些损耗可能会随着时间而变化。例 如，数字系统的误码率（BER）会随时间增加；而模拟系统 的信噪比（SNR）会随时间降低。

2 测试要求
我们可以使用基于Microchip MRF89XA模块和MRF49XA sub-GHz收发器的PICtailTM板来进行性能测量。MRF89XA模 块已获FCC、ETSI和IC认证。不同于其它嵌入式Sub-GHz模 块，它们提供各种合规和经过模块化认证的PCB天线（蛇 形）。PICtail板基于导线型天线，用于不同的频率，这些天 线通常安装在开发板或子板上。
PIC?单片机与收发器模块之间的硬件接口通常被称为无线节点， 如图1和图2所示。 无线节点可以通过组合PIC MCU开发板和PICtail子板来实现。距 离 和 性 能 实 验 需 要 至 少 两 个 无 线 节 点 以 便 用 于 测 试。测量装置使用两块开发板中的任意一块，为了简单起 见，它们都带有相同的Sub-GHz模块。或者，可以基于应用 将这些模块组合起来用于测量和分析。

3  测量环境
工作环境对波的传播影响很大。距离测试应在各种室 内和室外环境中进行，以获取对模块性能的基本了解。选择 测试环境时要考虑平坦和不平坦地形中的无障碍路径和有障 碍路径。
测量还基于PCB天线方向（垂直或水平）、sub-GHz模
块的输出功率（最大或默认）、功率放大器或低噪声放大 器（启用或禁用值）、天线（PCB、导线或标准）偶极子类 型，以及天线（蛇形、导线、鞭状或偶极子）。
影响室内测量的因素包括办公设备和附近是否有Wi-Fi?、蓝牙或微波信号。混凝土结构、墙壁、附近的玻璃、木材和金属都可以产生影响。对于距离测试而言，主要的区别因素是模块安装、天 线方向和恒定电池电源。图3展示的是天线在基板上的垂直安装。垂直安装为仰
角波瓣和平面；水平安装为方位角波瓣和平面。天线采用垂直安装还是水平安装方式取决于达到的有 效输出功率、应用空间需求和限制，比如具有一个基于中 心基波频率的强大主瓣和基于其第三次谐波频率的副瓣。若 要降低射频频率，天线尺寸应相应按比例增加。导线天线的 长度可以通过7500除以频率来换算得出（单位为厘米）。因 此，433 MHz的频率就对应17.3 cm长的导线，而915 MHz的 频率则对应8.2 cm长的导线。在天线导线尺寸不超过波长的 四分之一时，这个公式都是成立的。

4 距离测量步骤
为了实施距离测量，首先将MiWi P2P演示代码编程至 两个基于sub-GHz频带的RF和无线收发器节点。然后，在配 置好特定工作信道后将一个RF节点放置在一根1.5m到2m长 的杆子上的支架上。这个无线节点默认处于接收模式。
将一个类似的RF节点放在另一个架子上，并设为相同 的工作信道。其中一个节点保持静止不动，而另一个节点作 为活动节点。对节点进行设置，以确保它们彼此连接。移动