优化嵌入式设备的 LoRa 无线电性能

无论是开发可穿戴设备还是工业电池供电设备，在最小化功耗的同时最大化范围和稳健性都至关重要。优化 RF 性能可提高灵活性，并在尺寸、电池寿命和 RF 性能之间实现更具吸引力的权衡。

优化射频性能后，产品开发团队可以考虑降低发射功率以延长电池寿命，或减少电池容量以减小产品尺寸，或者完全依靠收集的电能运行并完全消除电池。

链路预算和路径损耗

那么，哪些因素决定了射频范围和性能?让我们从检查链路预算开始。链路预算是发射信号强度与接收器所需的最小信号之间的差值，等于最大范围内所有源的总损耗。链路预算最简单的公式是(图 1)：

图 1：LinkBudget 基本元素

对于典型的 LoRa 无线电实现：

此配置提供 150dB 的链路预算。

在使用路径损耗计算估算范围之前，还需要考虑其他因素：

· 发射机天线增益(以 dB 为单位)如果为正，则会增加链路预算

· 接收天线增益(以 dB 为单位)如果为正，则会增加链路预算

· 发射机输出和天线之间的损耗会降低链路预算

· 接收器输入和天线之间的损耗会降低链路预算

考虑到所有这些因素，就可以提供可用于路径损耗的链路预算(图 2)：

图 2：LinkBudget 中间元素

天线增益通常以 dB 表示，相对于全向天线 (dBi)，即在所有方向上均匀辐射的天线。通常，天线数据表会指定“峰值增益”，表示天线在最佳方向上的辐射效果，以及“平均增益”，表示天线在所有方向上的平均有效辐射。通常，除非可以控制设备的方向以实现“峰值增益”，否则应使用平均增益。平均天线增益相当于效率，因此，平均增益为 -3dB 的天线效率为 50%，这是一种更直观的方式来可视化天线性能的影响。天线增益(发射器或接收器)为 -4dB 是紧凑型 LoRa 设备的典型值。如果精心紧凑地实施，接收器和发射器的损耗应分别约为 1dB。但是，如果天线与发射器和接收器电路的匹配度不高，损耗可能会更高。

只有当发射器的输出阻抗与发射器看到的输入阻抗“负载”紧密匹配时，功率才能有效地从发射器传输到天线。该负载包括 PCB 走线、天线和连接到发射器输出引脚的 RF 路径中的任何组件。通常，有一个匹配电路用于将天线阻抗(在所需频率下)转换为 PCB 上的传输线特性阻抗，另一个匹配电路用于将 PCB 传输线阻抗(通常为 50Ω)转换为发射器的最佳阻抗。如果天线和放大器匹配不佳，则发射信号将无法有效地传输到天线，从而缩小范围。当匹配不佳时，发射器将消耗更多电流，缩短电池寿命，并可能产生更多的谐波。额外的谐波辐射加剧了监管审批的挑战，可能需要额外的滤波来缓解——这会增加 PCB 面积、增加损耗并增加成本。

将典型数字与上面提到的 LoRa 示例相结合得出(图 3)：

图 3：LinkBudget 详细元素

应从链路预算中至少减去 6dB，以便为实际条件和操作稳健性提供余量。因此，在此示例中，最大范围内的传播损耗约为 134 dB。

开发团队的决策直接影响链路预算的许多组成部分，团队可以做出权衡以增加范围或降低功耗。选项包括增加发射器输出功率或天线增益、提高接收器灵敏度或最大限度地减少损耗。这些选择可能会增加无线电实现、电池或天线的尺寸和成本，但重要的是要认真考虑每个决策对性能的影响。优化性能可能会在监管功率限制内实现所需范围或被迫在范围上做出妥协以保持在允许的范围内之间产生差异。

在开发可穿戴设备时，这些权衡可能尤其困难，因为可穿戴设备的尺寸和成本受到极大限制，需要最长的电池寿命和最小的尺寸，并且还受到监管 (FCC、RED) 要求的进一步限制，以尽量减少用户吸收的射频能量，即“比吸收率”或 SAR。运营商和行业要求进一步复杂化了蜂窝设备，这些要求需要高度优化的天线性能和高发射功率(与蓝牙或 WiFi 相比)，同时仍满足 SAR 限制。在商业上可行的封装内满足这些要求极具挑战性。

接收器灵敏度

开发团队对接收器灵敏度的影响不太明显。接收器灵敏度由无线电调制、比特率和接收器实现的细节决定。一如既往，更大、功率更高、更昂贵的接收器通常性能更好。降低比特率是提高接收器灵敏度的另一种方法。

下表 1 说明了调制和比特率如何影响接收器性能。请记住，负灵敏度越小/越大越好：

表 1：FSK 和 LoRa 比特率与灵敏度

LoRa 扩频因子(SF)表示用于传输数据的物理层 CHIRP 的持续时间。扩频因子越大，CHIRP 越长，比特率越低。

通过确保传输的数据量最少，开发团队可以优化系统设计，以最小化所需的比特率，从而提高灵敏度和范围。通过在接收器功耗、尺寸或成本方面进行额外投资，也可以提高灵敏度。例如，添加额外的滤波器或低噪声放大器。降低比特率将增加传输时间并可能缩短电池寿命。最小化所需的吞吐量还可以最小化所需的传输时间(在任何比特率下)，并允许团队在平衡范围、传输时间和电池寿命的同时最大化灵敏度。对于固定的传输功率，更高的比特率会产生更短的传输时间，但范围更短，这为团队提供了另一种权衡，可用于平衡 RF 性能与其他要求。如果通过最大化发射机效率、接收机灵敏度和天线增益来优化射频实现，那么多余的链路预算也可以“花费”在较便宜的组件或性能较低的天线上，以实现更理想的产品外观或降低发射机功率以延长电池寿命。

上述讨论假设无线电实现符合制造商的规格。要达到这一性能水平，必须遵守制造商的建议，并尽量减少会降低性能的干扰源。同样，产品开发团队必须在性能与尺寸和成本之间进行权衡。考虑常见的噪声源和缓解技术：

· 来源

· 处理器，尤其是外部存储器总线

· 开关电源

· 隔离 RS-485/232 驱动器

· 显示器和视频驱动程序

· D 类音频放大器

· 电机驱动器

· 减轻

· 屏蔽罐和屏蔽电缆

· 附加滤波器和放大器

· 额外的 PCB 层

· 线路终端和斜率控制

这些缓解措施中的大多数都会增加产品成本和尺寸，但如果它们能够扩大范围或降低其他成本或尺寸(例如更小或更弱的电池)，则可能是合适的选择。还应考虑积极缓解潜在问题，以最大限度地降低监管测试失败的风险并缩短上市时间。解决和预防噪音将最大限度地提高实际灵敏度，从而实现最大范围和最小发射功率。

范围和传播

既然我们已经讨论了如何优化系统性能，那么让我们讨论一下传播和范围估计。在理想情况下，通常称为“自由空间”，信号从天线向各个方向传播，没有反射、大气折射或吸收。在这种情况下，损耗由以下公式给出(图 4)：

其中f 是频率(单位为兆赫)，d 是距离(单位为公里)。

图 4：距离和频率上的信号损耗

请注意，频率是该等式的关键组成部分，降低频率可减少损耗。如果其他所有条件保持不变，将频率从 2.4Ghz(蓝牙、WiFi)降低到 900Mhz 可将路径损耗降低 9dB，并且范围应增加一倍以上。理解这一点揭示了另一个权衡——降低信号频率可以增加范围。但是，对于给定的音量，天线效率会随着频率的降低而降低，这可能会抵消较低频率带来的部分好处。

不幸的是，现实世界中的范围受到许多其他因素的影响，例如各种障碍物的反射和吸收。现实世界中有各种传播模型，大多数基于经验数据集。Okumura -Hata 模型是一个不错的选择，它为各种环境(城市、郊区、农村)和各种天线高度提供了选项。在农村或开放环境中，路径损耗公式为(图 5)：

在哪里：

h B = 基站天线高度。单位：米(m)

h M = 移动站天线高度。单位：米(m)

f = 传输频率。单位： 兆赫 (MHz)

C H = 天线 高度校正系数

d = 基站与移动站之间的距离。单位：公里(km)。

基于之前的 LoRa 示例并使用此处提供的 IEEE 工作表，HATA 模型预测当天线距离地面 2 米时，3 公里处的路径损耗为 134dB。

功耗权衡

除了上面提到的一阶权衡(发射机功率、比特率与传输时间和灵敏度、降噪、成本、尺寸)之外，还有许多其他考虑因素可以最大限度地降低功耗。无论是在接收模式还是发射模式下，最大限度地缩短无线电接通时间都是最大限度延长电池寿命的关键。虽然直观地看，发射会消耗大量能量，但由于需要进行大量信号处理，许多现代接收器的功耗与发射机功率相当。必须精心设计无线协议和同步算法，以确保快速可靠的同步、频率对齐和最短接通时间。使用更高精度的晶体可以最大限度地降低时间或频率错位的风险，并确保无线电更快地“锁定”。最大限度地减少噪音和重发，尤其是考虑到温度和老化时。必须特别注意初始精度、所需温度范围内的精度以及老化引起的频率漂移，以确保您的设计能够长期工作。

优化无线协议只是一个例子。应仔细考虑所有触发设备偏离最低功耗状态的事件，包括与所有输入、输出以及任何“指示器”或 UI 元素的交互。只要有可能，就应在每个唤醒周期处理多个事件，以尽量减少唤醒周期的频率。同样，必须在更高的时钟速度之间进行功耗权衡，这会导致更高的功耗，但持续时间较短;而较低的时钟速度会导致更长的持续时间内更低的功耗。

电源设计的各个方面也必须考虑。最先进的开关电源已经有了很大的改进，但当负载只有几微安时，例如当设备在传输之间处于休眠状态时，仍然效率低下。然而，非常低的静态线性稳压器通常具有令人惊讶的差的瞬态响应特性，因此必须仔细考虑这些组件。

通常，在低功耗状态下，许多子电路都会关闭，但是，必须检查每条 IO 线的状态和子电路之间的连接，以确保没有活动信号连接到已断电的组件，否则会出现意外的漏电流(可能是几毫安)，并且由于漏电流部分为某些组件供电，可能会出现意外行为。

图 6：优化无线电设计时需要考虑的因素和权衡因素

总之，应该清楚的是，为了最大限度地提高范围和电池寿命，必须考虑设备的几乎所有方面。设备的尺寸限制了天线效率、电池容量和 PCB 面积，以实现最佳 RF 实现。RF 电路的设计是否合理限制了范围，如果设计不当，会缩短电池寿命。同样，在设计操作状态时投入的精力，以最大限度地延长睡眠时间并最大限度地缩短空中时间，可以增加范围并延长电池寿命。实际产品开发需要不断协商，以实现技术优化和商业上可行的尺寸、成本和性能(图 6)。