使用低功率射频系统 提高无线连接稳定性

无线设备的连接稳定度已成为备受关注的议题，尤其在无线传输系统的重要性日益增加的情况下，移动与静态接收的稳定性更是性能判断的重要指标。为改善无线信道的多重路径衰弱影响，在项目设计中采用灵活的回避技巧，将可有效克服此缺陷。

本文主要介绍如何在标准环境或称为无线频道中，扩大低功率射频(RF)系统的涵盖范围，其中使用室内及室外无线频道的实际测量，并探讨能够与低功率无线设备持续保持稳定通信的技术。

分集使用须考虑移动传输与静态位置

了解现有的全球移动通信系统(GSM)、欧规数字无线电话机技术(DECT)、无线局域网络(Wi-Fi)及蓝牙(Bluetooth)等无线标准后，便可得知现今的无线传输系统，或多或少均于产品中使用分集技术(Diversity Techniques)(图1)。任何技术都会因为机型和使用做法的不同而出现缺点。选择分集做法时，有两点必须考虑。首先是传输的数据属于何种类型，其一是严格实时的数据，例如传输音频与视频传输，另外是非严格实时的数据，例如温度测量；再者须考虑使用的无线通道属于何种类型，其一为移动的传输或接收位置，另一为静态或固定位置。

图1 多重接收器组成的分集系统

分集做法很多种类，以下将罗列最常见的做法，以显示其中优缺点。每一做法均会造成系统成本增加，此是因为需要额外硬件或因软件复杂度增加，另外，信息的重复性也会降低系统容量。

在空间与极化分集中，优点为可维持完整的系统数据速率，因为发送器不会有任何变化。而缺点为需要天线、开关与整体接收链而造成硬件成本增加；在频率分集中，优点为不须要增加硬件成本，但软件复杂度会随之增加。缺点为由于重复的数据数量而降低整体系统数据速率；在时间分集中，优点为不须要增加硬件成本，没有显著的软件复杂度。缺点为由于重复的数据数量而降低整体系统数据速率(图1)。

本文中的结果是以两个分集板的分集套件取得，此两个分集板分别有两个插槽可供插入收发板。收发板安装于微控制器(MCU)，以MSP430F2616为例，此微控制器具92KB闪存，及4KB随机存取内存(RAM)，并且以8MHz运作。

长距离低功耗无线连接衰落大

由于通过收发器(TX)路径的外部功率放大器，及接收器(RX)路径的外部低噪声放大器，可增加无线系统的理论范围，因此系统呈现视线范围(Line-of-sight)的可能性便降低。因此，系统性能提升时，多重路径衰落的效应更显重要，因此应在设计过程中详加考虑。

此范例使用两个相距6英寸的接收器同时接收信号。发送器每10毫秒传输64字节数据的已知准随机序列，每次突波大约持续2.5毫秒。对于各个接收器会记录接收的接收信号强度指示(RSSI)，以及接收数据封包的机载环重复检查码(Cyclic Redundancy Check, CRC)位状态，并指示有效CRC值。

如此的配置是CRC空间分集接收器的基础，因此此处呈现的结果均以空间分集为准。对于频率分集也可进行类似的分析，不过不在本文讨论范围。

在以2.45GHz运作的CC2500无线射频下进行的空间分集测量中，以下三组数据数据是使用CC2500EM开发工具包取得，总共传输五百个封包，各个封包都包含64字节的承载数据，而且有结尾检查CRC总和字节。所有的测量都是以 2450MHz取得，数据速率为250kbit/s，固定输出功率为0dBm。

室内RSSI及封包错误测量中，图2显示每5秒采集一次的资料，同时维持TX及RX稳态(Stationary)。此测试用例对于无线监控系统相当常见，其中一个或多个无线遥控会将测量的数据以无线回传给中央位置。这些数据是在住家中采集，各个接收器的RSSI及CRC状态也会予以记录和呈现。

图2 静态室内非直视线范围RSSI性能的最不理想条件状况性能。三条底线(1、2、3)分别表示传回的CRC状态。高=CRC有效，低= CRC错误。

图2显示最不理想条件的状况。Radio-1接收信号毫无问题，但是位于6英寸外的Radio-2则出现大幅衰落的情况，收到的封包数不到总封包数的3%。此范例显示使用分集的重要性，即使是稳态安装的情况也必须使用。

而每秒1英尺速率移动的室内RSSI及封包错误测量中，图3显示每5秒采集一次的数据，速率为每秒1英尺。上述数据是在住家中采集，过程中有一具CC2500无线电以2450MHz/0dBm的功率传输，另两具CC2500无线电负责接收。各个接收器在各次突波的RSSI及CRC状态也会予以记录和呈现。

图3 一般室内非直视线范围RSSI性能，速率为每秒1英尺。三条底线(1、2、3)分别表示传回的CRC状态。高=CRC有效，低=CRC错误。

图3显示超过25dB的大幅衰落相当常见，且Radio-1与Radio-2之间记录的RSSI值并无关联。例如在2.5秒时，两具无线电回传RSSI中超过20dB的差异。同时，