正确的路径计算24GHz频段模块的路径损耗.PDF

正确的路径 计算2.4 GHz 频段模块的路径损耗 _______________________________________________________________ Microchip Technology 无线产品部 主任应用工程师 Pradeep Shamanna 2.4 GHz 频段现已成为家庭、办公室和工厂短距离无线应用的普遍选择。通常，2.4 GHz 信道隶属于免许可的工业、科学和医学 （Industrial Scientific Medical，ISM） 频段。ZigBee® （IEEE 802.15.4）、Bluetooth® （IEEE 802.15.1）、Wi-Fi® （IEEE 802.11 b/g/n ）、无线通用串行总线（Wireless Universal Serial Bus ，WUSB ）和 私有协议（如MiWiTM ）等许多协议以及部分无绳电话均采用此频段。然而，在2.4 GHz ISM 频段运行的不同协议会相互干扰。 因此，评估无线传输的范围和性能以创建相关模型来估算模块用于室内外短距 离传输时的路径损耗就显得极为重要。借助创建的模型，设计人员可初步估算 出无线通信系统的性能。性能参数包括范围、路径损耗、接收器灵敏度、误码 率（Bit Error Rate，BER）和误包率（Packet Error Rate，PER），这些参数在 任何通信系统中都非常重要。 以功率和天线类型各不相同的三个模块为例——Microchip 的MRF24J40MA、 MRF24J40MB 和MRF24J40MC。MRF24J40MA 是一款经认证的集成PCB 天线的 2.4 GHz IEEE 802.15.4 无线收发器模块，适用于无线传感器网络、家庭自动化、 楼宇自动化和消费类电子应用。MRF24J40MB 与MRF24J40MA 类似，不过更适 合自动读表系统等长距离应用。MRF24J40MC 配有外部天线（如图1 所示），同 样适用于长距离应用。这三个模块已通过各项法规和模块化认证，它们通过四 线制SPI 接口与单片机相连。 1 图1：带子板和外部天线的MRF24J40MC 模块 路径损耗模型 大尺度模型用来预估长距离传输时的平均性能。大尺度模型取决于距离以及与 频率关系不大的重要环境特性。随着距离缩短，该模型会彻底瓦解，但其对于 确定无线系统的工作范围并粗略规划网络容量很有用。小尺度 （衰落）模型描 述了一对一的信号变化。这类模型主要涉及多路径效应（相位抵消）。路径衰 减被视为保持恒定，但主要取决于频率和带宽。 不过，最初的重点通常是信号在短距离或短时间内快速变化的小尺度模型。如 果估算的接收功率足够大（通常与接收器灵敏度有关，也可能与使用的通信协 议有关），则这条链路便可用于发送数据。接收功率超出接收器灵敏度的量称 为链路余量。 2 链路余量或衰落余量被定义为确保发送器与接收器间可靠无线链路所需的超出 接收器灵敏度水平的功率（余量）。在理想条件下（天线已精确对准、不存在多 路径或反射并且没有损耗），必需的链路余量为0 dB 。需要的确切衰落余量取决 于链路所需达到的可靠性，但根据经验，最好始终保持22 dB 至28 dB 的衰落 余量。如果衰落余量在良好天气条件下不小于15 dB，则可充分保证RF 系统在 恶劣条件（因天气、日光和射频干扰所致）下继续有效运行。 接收天线与发送天线之间的路径损耗通常通过使距离对波长的关系归一化，以 无量纲形式记录。但是，有时分别考虑距离和波长引起的损耗更方便。这种情 况下，关注使用的单位特别重要，因为选择的单位不同，涉及的偏移常数也不 同。 举例来说，评估一个包含两个RF节点 （节点1和节点2 ）的1 km链路（范围）的