nrf401无线收发芯片的长距离通信设计-read.doc

nRF401无线收发芯片的长距离通信设计 哈尔滨工业大学 谭晖 摘要：nRF401系列高速单片无线收发芯片为短距离无线数传应用提供了较好的解决办法，在某些应用中需要尽可能长的通信距离，本文探讨影响nRF401通信距离的因素并提出设计的方法。关键词：单片无线收发芯片nRF401；长距离通信 1. 前言　　在无线应用中设计者通常会要求:“我需要在我的系统中达到最远的距离”，实际上设计者应该考虑的是“我需要的距离是多少”。因为距离与性能、以及成本等有密切关系。　　● 理论估算: 视线距离（LOS）　　● 选择合适的工作频段　　● 目标价格　　● 满足法规要求　　● 障碍物 (如室内)　　● 周围场地 (盒子, 其他应用中涉及的硬件)　　在某些场合下需要尽可能远的通信距离，如何达到这一点，需要进行多方面的考虑。 2. 影响无线通信距离的主要因素　　图1是一个无线通信系统的信道模型，在工作频率固定的前提下，影响工作距离的主要因素包括发射功率、发射天线增益、传播损耗、接收天线增益、接收机灵敏度等，通过加大发射功率，提高天线增益，提高接收机灵敏度均起到提高通信距离的作用， 　　在影响无线通信距离的以上几个因素中，作为设计者可以控制的因素有：　　● 接收灵敏度　　● RX — 天线增益(loss)　　● TX — 天线增益(loss)　　● 发射输出功率　　作为设计者不能控制的因素，以下这些因素是由无线电波的特点所决定的，无法由设计者改变及选择：　　● 传输损耗　　● 路径损耗　　● 多径损耗　　● 周围环境的吸收　　传输损耗包括自由空间损耗和其他传输损耗，所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件，自由空间传播损耗与距离和工作频率有关。下面的公式说明在自由空间下电波传播的损耗: 　　［Los］(dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz) 　　Los 是传播损耗，单位为dB；d是距离，单位是km；f是工作频率，单位是MHz。　　由上式可见，自由空间中电波传播损耗（亦称衰减）只与工作频率f和传播距离d有关，当f或d增大一倍时，［Los］将分别增加6dB。 3. 加大功率提高通信距离　　在设计者可以控制的因素中，接收灵敏度、天线增益、发射功率都是可以作为提高通信距离的手段，通常设计者会考虑采用加大发射功率的方式来提高通信距离，但这不是一个好的办法。有的设计者考虑到加大发射功率可以提高通信距离，但是没有考虑到其他不理想的因素： 　　（1）加大功率后，带来高电流消耗。由于功率放大器的转换效率较低，这对于便携设备是非常不利的。　　（2）增加系统的成本。图2是采用加大功率的方式，由图中可以看到需要增加LNA（低噪声放大器）、PA（功率放大器）、T/R（收发转换开关），这些部分大约需要增加40多个元件，会增加较高的成本，发射功率可能只增加一点，功耗增加很大，达数百毫安以上。　　（3）无线电噪声 　　由于加大功率会产生较大的谐波干扰和噪声，并会对通信造成其他影响，反而会影响通信距离。 4. 采用高增益天线提高通信距离　　用高增益天线来提高距离具有以下优点：（1）集成天线，体积较小；（2）成本低于采用增加功放的方式；（3）与其他方案相比非常简单；（4）无需增加额外的功耗和增加外围元件。 　　以下举例采用高增益天线与采用Loop低增益天线的通信距离对比：　　（1）采用环形天线:　　● f0: 434 MHz (λ= 0.69 m) 　　● Pt: 10 dBm　　● Gtx_ant:-17.7dB(35×20loop天线)　　● Grx_ant:-22dB(25×15loop天线)　　● S: -105 dBm　　 　　LP=S-Pt-Gtx_ant-Grx_ant= -75.3 dB　　（2）采用0dB增益天线　　● f0: 434 MHz (λ= 0.69 m) 　　● Pt: 10 dBm　　● Gtx_ant: 0 dB 天线　　● Grx_ant: 0 dB 天线　　● S: -105 dBm 　　LP=S-Pt-Gtx_ant-Grx_ant= -115 dB　　这是理想状况下的传输距离，实际的应用中是会低于该值，这是因为无线通信要受到各种外界因素的影响，如大气、阻挡物、多径等造成的损耗，将上述损耗的参考值计入上式中，即可计算出近似通信距离。 假定大气、遮挡等造成的损耗为25dB，可以计算得出通信距离为：d =1.7km。由此也可看出传播损耗对数据传输可靠性的影响是很大的。 5、典型应用　　图3所示的应用中即是采用高增益天线来达到远距离无线通信的设计。单片机采用AVR的Flash单片机AVR2313，这是一个