优化嵌入式设备的 LoRa 无线电性能

介绍

无论是开发可穿戴设备还是工业电池供电设备，最大限度地提高范围和鲁棒性，同时最大限度地降低功耗都至关重要。 优化射频性能可提高灵活性，并在尺寸、电池寿命和射频性能方面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，或者可能仅依靠收集的功率运行并完全消除电池。

链路预算和路径损耗

那么，哪些因素决定射频范围和性能呢? 让我们首先检查链路预算。 链路预算是传输信号强度与接收器所需的最小信号强度之间的差值，等于最大范围内所有信号源的总损耗。

此配置提供 150dB 的链路预算。

在使用路径损耗计算来估计范围之前，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

· 接收器天线增益(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减少链路预算

· 接收器输入和天线之间的损耗会减少链路预算

天线增益通常以相对于各向同性天线 (dBi) 的 dB 表示，各向同性天线是一种在所有方向上辐射均匀的天线。 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)和“平均增益”(表示天线在所有方向上的有效辐射的平均值)。 通常应使用平均增益，除非可以控制器件的方向以实现“峰值增益”。 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%，可以更直观地体现天线性能的影响。对于紧凑型 LoRa 设备，典型的天线增益(发射机或接收机)为 -4dB。 如果仔细而紧凑地实施，接收器和发射器损耗应各约为 1dB。 然而，如果天线与发射器和接收器电路不匹配，损耗可能会更高。

只有当发射器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、天线以及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)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良，则发射信号将无法有效地传输到天线，从而缩小范围。当匹配不良时，发射器将消耗更多电流，从而缩短电池寿命，并可能产生增加的谐波。 额外的谐波辐射加剧了监管审批的挑战，并且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。

应从链路预算中至少减去 6dB，以便为现实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，并且团队可以做出权衡以增加范围或降低功耗。选项包括增加发射机输出功率或天线增益、提高接收机灵敏度或最小化损耗。这些选择可能会增加无线电实施、电池或天线的尺寸和成本，但仔细考虑每个决定对性能的影响非常重要。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限制内之间产生差异。

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都受到极大限制，需要最长的电池寿命、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，已知称为“比吸收率”或 SAR。运营商和行业要求使蜂窝设备变得更加复杂，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中满足这些要求极具挑战性。

接收灵敏度

不太明显的是开发团队对接收器灵敏度的影响。 接收器灵敏度由无线电调制、比特率和接收器实现细节决定。 一如既往，更大、更高功率和更昂贵的接收器通常会表现更好。降低比特率是提高接收器灵敏度的另一种方法。

LoRa 扩频因子 (SF) 指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。 LoRa 的详细描述可以在Semtech 的此应用说明中找到。

开发团队可以优化系统设计，最大限度地降低所需的比特率，从而通过确保传输最少的数据量来提高灵敏度和范围。 还可以通过对接收器功耗、尺寸或成本进行额外投资来提高灵敏度。例如，添加额外的滤波或低噪声放大器。 降低比特率会增加传输时间并可能缩短电池寿命。 最大限度地减少所需的吞吐量还可以最大限度地减少所需的传输时间(在任何比特率下)，并使团队能够最大限度地提高灵敏度，同时平衡范围、传输时间和电池寿命。 对于固定的发射功率，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，可以用来平衡射频性能与其他要求。如果通过最大化发射器效率、接收器灵敏度和天线增益来优化射频实现，则多余的链路预算也可以“花费”在较便宜的组件或较低性能的天线上，从而实现更理想的产品外观或降低发射器功率，从而改善电池寿命。

上述讨论假设无线电实现符合制造商的规范。 为了达到这种性能水平，遵守制造商的建议并尽量减少可能降低性能的干扰源至关重要。 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

· 隔离式 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 层数

· 线路终端和转换速率控制

这些缓解措施中的大多数都会增加产品成本和尺寸，但如果它们能够提高续航里程或降低其他成本或尺寸(例如较小或功率较低的电池)，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。 解决和防止噪声将最大限度地提高灵敏度，从而实现最大范围和最小发射功率。

范围和传播

现在我们已经讨论了如何优化系统性能，接下来我们来讨论传播和范围估计。 用一个理想的词来说，通常被称为“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。

请注意，频率是该方程的关键组成部分，降低频率会减少损耗。如果其他条件保持不变，将频率从 2.4Ghz(蓝牙、WiFi)降低到 900Mhz 可将路径损耗减少 9dB，并且范围应增加一倍以上。了解这一点揭示了另一个权衡——降低信号频率可以增加范围。 然而，对于给定的体积，天线效率随着频率的降低而降低，可能抵消较低频率的一些好处。

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。现实世界中有多种传播模型，大多数基于经验数据集。

功耗权衡

除了上面提到的一阶权衡(发射机功率、比特率与发射时间和灵敏度、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。无论是在接收还是发射模式下，最大限度地缩短无线电接通时间是最大限度延长电池寿命的关键。尽管直观上认为发射会消耗大量能量，但由于需要大量的信号处理，许多现代接收器的功耗与发射器功率相当。 必须仔细设计无线协议和同步算法，以确保快速可靠的同步、频率对准和最短的接通时间。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并最大限度地减少重传，特别是在考虑温度和老化的情况下。必须仔细注意初始精度、所需温度范围内的精度以及由于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。 应仔细考虑触发设备偏离最低功耗状态的所有事件，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，每个唤醒周期都应处理多个事件，以最大限度地减少唤醒周期的频率。 类似地，必须就较高的时钟速度进行功耗权衡，较高的时钟速度导致较高的功耗但持续时间较短，而较低的时钟速度导致较长的持续时间较低的功耗。

还必须考虑电源设计的各个方面。 最先进的开关电源已经有了巨大的改进，但当负载只有几微安时，例如当设备在传输之间处于睡眠状态时，效率仍然很低。 然而，极低静态线性稳压器的瞬态响应特性通常非常差，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 线的状态以及子电路之间的连接，以确保没有活动信号连接到断电的组件，否则会出现意外泄漏电流，可能是几毫安，并且由于漏电流部分为某些组件供电，可能会发生意外行为。

总之，应该清楚的是，为了最大限度地提高续航里程和电池寿命，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、电池体积和 PCB 面积，以实现最佳 RF 实施。 射频电路的精心设计限制了范围，如果设计不当，将会降低电池寿命。同样，在操作状态设计上进行精心投入，以最大限度地延长睡眠时间并最大限度地缩短播出时间，可以增加续航里程并延长电池寿命。现实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。