無論是開發穿戴式裝置或是工業用電池供電設備,在盡可能降低功耗的同時,兼顧通訊範圍和穩定度的最佳化也至關重要。最佳化射頻(RF)性能可提高靈活性、並在尺寸、電池壽命和RF性能方面實現更具吸引力的權衡取捨。

在最佳化RF性能之後,產品開發團隊可以考慮降低發射功率以延長電池壽命或減少電池容量,進一步縮小產品尺寸,或許能夠僅依靠採集到的能量運作,甚至完全去掉電池。


遠端通訊(來源:Pxhere.com/CC0)

鏈路預算和路徑損耗

那麼,是什麼因素決定了RF範圍和性能?首先檢查鏈路預算(Link Budget)。鏈路預算是發射訊號強度與接收器所需最小訊號強度之間的差值,等於所有誤差源在最大範圍內的總損耗。鏈路預算最簡單的等式如下(圖1):

鏈路預算=發射功率-接收器靈敏度

20180423_DS_TA31P1 圖1:鏈路預算的基本要素(來源:Device Solutions)

典型的LoRa RF建置:

發射功率 = 13dBm 接收器靈敏度 = -13dBm

這種配置提供了150dB的鏈路預算。

在使用路徑損耗計算來估算距離之前,還有其它因素需要考慮:

  • 發射天線增益以dB表示,如果為正值,則會增加鏈路預算
  • 接收天線增益以dB表示,如果為正值,則會增加鏈路預算
  • 發射器輸出和天線之間的損耗會降低鏈路預算
  • 接收器輸入和天線之間的損耗會降低鏈路預算

將所有這些因素計算在內,提供了可用於路徑損耗的鏈路預算(圖2):

鏈路預算 = (發射功率 - 接收器靈敏度) + (增益Tx + 增益Rx) + (損耗Tx + 損耗Rx)

20180423_DS_TA31P2 圖2:鏈路預算中介元素(來源:Device Solutions)

天線增益通常以dB表示,相對於在各方向進行相同輻射的全向天線(isotropic antenna;dBi)。一般來說,天線資料表規定了「峰值增益」,以指示天線在最佳方向上輻射的程度;以及「平均增益」,用於表示天線在所有方向上的平均有效輻射。除非可以控制元件的方向以實現「峰值增益」,否則通常應該使用平均增益。天線平均增益相當於效率,因此,平均增益為-3dB的天線效率為50%,這可以更加直觀地顯示對於天線性能的影響。-4dB的天線增益(發射器或接收器)通常用於小型LoRa裝置。如果實施方案十分仔細和緊湊,接收器和發射器的損耗應該分別大約為1dB。但是,如果天線與發射器和接收器電路無法完美匹配,損耗就會高得多。

如果發射器輸出阻抗密切匹配至發射器而來的輸入阻抗「負載」,那麼功率只會從發射器有效率地傳送到天線。該負載包括PCB走線、天線和連接到發射器輸出接腳的RF路徑中任何元件。通常,存在用於將天線阻抗(以所需頻率)轉換為PCB上的傳輸線路特性阻抗的匹配電路,以及用於將PCB傳輸線路阻抗(通常為50Ω)轉換為發送器最佳阻抗的另一匹配電路。如果天線和放大器匹配不佳,則發射訊號就無法有效地傳送到天線,從而縮小了範圍。而當匹配不佳時,發射器將會消耗更多電流、縮短電池壽命,還可能增加諧波。額外的諧波輻射加劇了通過監管批准的挑戰,並可能需要額外的濾波來減輕影響——這增加了PCB的面積、功耗與成本。

將上面提到的LoRa例子與典型的數值結合起來,得出(圖3):

鏈路預算 = (13 –(-137)) + (-4.0 + -4.0) + (-1.0 + -1.0) = 140dB

20180423_DS_TA31P3 圖3:鏈路預算詳細要素

鏈路預算至少得減去6dB,才能為現實世界的情況和運作穩健性提供餘裕。因此,在這個例子中,最大範圍的傳播損耗約為134dB。

開發團隊的決策直接影響鏈路預算的許多組成部份,團隊可就加大範圍或降低功耗進行權衡取捨。選項包括增加發射器輸出功率或天線增益,提高接收器靈敏度或讓損耗減至最低。這些選擇可能會增加RF建置方案、電池或天線的尺寸和成本,但重要的是要清楚認識到每項決定對性能的影響。最佳化性能可能會導致兩種不同的情況:在規定的監管功率限制範圍內達到預期覆蓋範圍;或為保持在允許的限制範圍內,被迫在覆蓋範圍予以妥協。

在開發尺寸和成本都極度受限的穿戴式裝置時,這些取捨可能特別困難;穿戴式裝置通常要求最長電池壽命、最小尺寸,並進一步受到監管單位(FCC、RED)要求的限制,必須以最小化用戶吸收的「特定吸收率」(SAR) RF能量運作。營運商和業界對於高度最佳化天線性能和高發射功率(與藍牙或WiFi相比)的要求,同時又要能滿足SAR限制,使得蜂巢式裝置進一步複雜化。以一種商業上可行的方案滿足所有的要求極具挑戰性。

接收靈敏度

開發團隊對於接收器靈敏度的影響其實並不明顯。接收器的靈敏度由RF調變、位元速率和接收器實現的細節決定。一如既往,更大、更高功率和更昂貴的接收器通常性能會更好。降低位元速率是另一種提高接收靈敏度的方法。

表1說明調變和位元速率如何影響接收器的性能。請記住,數值越小/負值越大,靈敏度越好。

20180423_DS_TA31T1 表1:FSK和LoRa位元速率與靈敏度的比較

LoRa擴頻因數(SF)表示用於傳輸資料的實體層CHIRP持續時間。較大的擴頻因數表示較長的CHIRP以及較低的位元速率。

開發團隊可以透過最佳化系統設計,讓所需的位元速率最小化,從而透過確保最少的資料傳輸量以提高靈敏度和範圍。還可以增加對於接收器功率、體積或成本的投入而提高靈敏度。例如,增加額外的濾波或低雜訊放大器。

降低位元速率會增加傳輸時間,並可能縮短電池續航時間。盡可能地減少所需的輸送量還可以最大限度地減少所需的傳輸時間(以任何位元速率),並允許團隊在平衡範圍、傳輸時間和電池壽命的同時最大化靈敏度。更高的位元速率支援更短的傳輸時間,但覆蓋距離也更短;對於固定的發射功率,提供另一個權衡,讓開發團隊可用來平衡RF性能與其它要求。

如果透過最大化發射器效率、接收器靈敏度和天線增益已能為RF實現最佳化,則可以將過多的鏈路預算「花費」在不太昂貴的元件或性能較低的天線上,以實現更期望的產品外觀或降低發射器功率以延長電池壽命。

上面的討論假設RF建置符合製造商的規範。為了達到這種性能水準,參照製造商的建議,並儘量減少可能降低性能的干擾源至關重要。再者,產品開發團隊必須通盤考量,權衡性能與尺寸和成本之間的關係。此外,還必須考慮以下常見的雜訊源與反制技術:

‧ 雜訊源

  • 處理器,特別是外部記憶體匯流排
  • 開關電源
  • 隔離的RS-485/232驅動器
  • 顯示器和視訊驅動器
  • D類音訊放大器
  • 馬達驅動器

‧ 反制措施

  • 遮罩腔和遮罩電纜
  • 增加濾波器和放大器
  • 額外的PCB層
  • 線路端接和壓擺率控制

這些反制措施大多都會增加產品的成本和尺寸,但如果能夠擴增範圍或降低其它成本或尺寸(例如尺寸或容量更小的電池),則可能是合適的選擇。此外,還應該積極考慮發生潛在問題時的應對方案,以儘量降低無法通過監管測試的風險、並儘量縮短上市時間。解決並防範雜訊將最大化已實現的靈敏度,從而支援最大範圍和最小的發射功率。

範圍和傳播

現在我們已經討論了如何最佳化系統性能,接著討論傳播和範圍估算。在通常被稱為「自由空間」(free space)的理想情況下,訊號從天線向各個方向傳播,而不至於發生反射、大氣折射或吸收。在此情況下的損耗如圖4所示:

路徑損耗 = 20log10 ( d ) + 20log10 ( f ) − 32.45

路徑損耗

其中,f是以MHz為單位的頻率;d是以Km為單位的距離。

20180423_DS_TA31P4 圖4:相對於距離和頻率的訊號損耗(來源:Device Solutions)

注意,頻率是這個等式的關鍵組成部份,降低頻率則會減少損耗。頻率從2.4GHz(藍牙、Wi-Fi)降低到900Mhz,路徑損耗減少了9dB,如果其它條件保持不變,應該會使發送距離增加1倍。瞭解這一點揭示了另一個取捨——降低訊號的頻率能夠增加範圍。然而,對於特定的量(volume),天線效率隨頻率降低而下滑,因而可能抵銷較低頻率帶來的一些好處。

遺憾的是,現實世界的傳送範圍受到許多其它因素的影響,如各種障礙物的反射和吸收。現實世界有許多傳播模型,大部份基於經驗資料集。Okumura-Hata模型是一個不錯的選擇,可為各種環境(城市、郊區、農村)和各種天線高度提供選擇。在農村或開放環境中,路徑損耗公式如圖5:

DS_e5a

其中:

DS_e5b hB =基地台天線的高度;單位:公尺(m) hM =行動站天線的高度;單位:公尺(m) f =發送頻率;單位:兆赫(MHz) CH =天線高度校正因數 d =基地台和行動站之間的距離;單位:公里(km)

20180423_DS_TA31P5 圖5:多種因素造成的訊號損耗(來源:Device Solutions)

基於先前的LoRa示例並使用IEEE工作表,HATA模型預測距地面2m高的天線在3km遠處的路徑損耗為134dB。

功耗權衡

除了上述的一階取捨(發射器功率、位元速率與發射時間和靈敏度、雜訊降低、成本、尺寸)之外,還可以考慮其他降低功耗的方式。無論是接收還是發送模式,儘量縮短RF導通時間是延長電池壽命的關鍵。儘管進行發送顯然需要大量的能量,但由於許多現代接收器所需的訊號處理量顯著增加,其功率與發射器功率旗鼓相當。精心設計RF協議和同步演算法對於確保快速和可靠的同步、頻率校準以及最短導通時間是必要的。使用更高精度的晶體可以盡可能地減少時間或頻率錯位的風險,並確保RF更快地「鎖定」、讓雜訊降至最低以及最大限度地減少重新發送,特別是考慮到溫度和老化時。要特別關注初始精度、所需溫度範圍的精度,以及由於老化引起的頻率漂移,以確保設計能長期可靠運作。

最佳化RF協議只是一個例子。所有引發裝置偏離最小功耗狀態的事件都應仔細考慮,包括與所有的輸入、輸出以及任何「指標」或使用者介面(UI)元素的互動。只要有可能,應該在每個喚醒週期處理多個事件,以最小化喚醒週期的頻率。同樣地,也必須對功耗和更高時脈速率進行權衡取捨——高速率導致高功耗,但RF導通時間短;低速率導致低功耗,但RF導通時間長。

還必須考慮電源設計的各個層面。最先進技術的開關電源已經取得了巨大進步,但當負載只有幾μA時(例如當裝置在發射之間處於休眠狀態),仍然可能效率不彰。然而,具有極低靜態電流的線性穩壓器往往具有較差的瞬態回應特性,因此如果打算選用線性穩壓器,必須仔細考慮這些特性。

通常,在低功率狀態下,許多子電路被關閉 ;然而,必須檢查每個IO線路的狀態以及子電路之間的連接,以確保不存在連接到斷電元件的主動訊號,否則會出現意外漏電流,也許是幾毫安培(mA);並且由於漏電流可為某些元件部份供電,而可能會出現意想不到的行為。

20180423_DS_TA31P6 圖6:最佳化RF設計時的選擇考量和權衡(來源:Device Solutions)

總之,應該清楚的是,為了最大化覆蓋範圍和電池壽命,必須從各方面考慮裝置設計。裝置的尺寸限定了用於最佳RF建置的天線效率、電池容量和PCB面積。設計RF電路時的細心和審慎決定了覆蓋範圍,如果做得不好,則會縮短電池壽命。同樣地,為了最大化休眠時間並使RF導通時間最小化而費心設計運作狀態,則可增加範圍並延長電池壽命。現實生活中的產品開發需要不斷協商,以實現技術最佳化以及商業上可行的尺寸、成本和性能(圖6)。