优化嵌入式设备的LoRa射频性能

shuszhao

无论是开发可穿戴设备，还是工业用电池供电设备，最大限度地提高通信范围和稳定性，同时最大限度地降低功耗至关重要。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取舍。在优化RF性能之后，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小电池容量，进一步缩小产品尺寸，或许能够仅依靠采集到的能量工作，甚至完全去掉电池。本文将会介绍如何优化嵌入式设备的LoRa无线电性能。

无论是开发可穿戴设备，还是工业用电池供电设备，最大限度地提高通信范围和稳定性，同时最大限度地降低功耗至关重要。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取舍。
在优化RF性能之后，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小电池容量，进一步缩小产品尺寸，或许能够仅依靠采集到的能量工作，甚至完全去掉电池。

                               
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图：远程通信(来源：Pxhere.com/CC0)
链路预算和路径损耗
那么，什么因素决定了射频范围和性能？我们首先检查链路预算( Link Budget)。链路预算是发射信号强度与接收器所需最小信号强度之间的差值，等于所有误差源在最大范围内的总损耗。链路预算最简单的等式是(图1)：
链路预算=发射功率-接收器灵敏度

                               
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图1：链路预算基本要素(来源：Device Solutions Inc)。
典型的LoRa射频实现：
发射功率 = 13dBm
接收器灵敏度 = −137dBm
这种配置提供了150dB的链路预算。
在使用路径损耗计算来估算距离之前，还有其它因素需要考虑：
•    发射天线增益以dB表示,如果为正值会增加链路预算
•    发射器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
将所有这些因素计算在内，提供了可用于路径损耗的链路预算(图2)：
链路预算 = (发射功率 − 接收器灵敏度)

[li]( GainTx + GainRx)[/li][li]( LossTx + LossRx)[/li]

                               
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图2：链路预算中间元素(来源：Device Solutions Inc)。
天线增益通常以dB表示，相对于在各方向进行相同辐射的全向天线(isotropic antenna)的dBi。通常情况下，天线数据表指定了“峰值增益”、用以指示天线在最佳方向上辐射的程度；以及“平均增益”，表示天线在所有方向上的平均有效辐射。除非可以控制器件的方向来实现“峰值增益”，否则通常应该使用平均增益。天线平均增益相当于效率，因此平均增益为-3dB的天线的效率为50％，这可以更加直观地显示天线性能产生的影响。-4dB天线增益(发射器或接收器)通常用于小型LoRa设备。如果实施方案足够仔细和紧凑，接收器和发射器的损耗应该分别大约为1dB。但是，如果天线与发射器和接收器电路匹配得不好，则损耗会高得多。
如果发射器输出阻抗与从发射器方向来看的输入阻抗“负载”良好匹配，那么功率只会高效地从发射器传送到天线。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，存在用于将天线阻抗(以所需频率)转换为PCB上的传输线路特性阻抗的匹配电路，以及用于将PCB传输线路阻抗(通常为50Ω)转换为发送器最佳阻抗的另一匹配电路。如果天线和放大器匹配不好，则发射信号将不能有效地传送到天线，从而缩小了范围。当匹配不好时，发射器将消耗更多电流、缩短了电池寿命、并可能加大谐波。额外的谐波辐射加剧了通过监管批准的挑战，并可能需要额外的滤波来减小其影响——这增加了PCB面积、加大了功耗、还会增加成本。
将上面提到的LoRa例子与典型的数值结合起来，得出(图3)：
链路预算 = (13 − ( − 1377))+ (− 4.0 + − 4.0)+ (− 1.0 + − 1.0)= 140dB

                               
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图3：链路预算详细要素(来源：Device Solutions Inc)。
为了给现实世界工作条件和运行稳健性提供余量，应从链路预算中至少减去6dB。因此，在这个例子中，最大范围的传播损耗约为134dB。
开发团队的决策直接影响链路预算的许多组成部分，团队可就加大范围或降低功耗进行权衡取舍。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小化损耗。这些选择可能会增加射频实现方案、电池或天线的体积和成本，但重要的是要清醒认识到每项决定对性能的影响。优化性能可能会导致两种不同的境遇：在规定的监管限制范围内达到预期覆盖范围；或为保持在允许的限制范围内，被迫对覆盖范围予以妥协。
当开发在尺寸和成本都极度受限的可穿戴设备时，这些取舍可能特别困难；可穿戴设备要求最长的电池寿命、最小的尺寸、并进一步受到监管(FCC、RED)要求的限制，以最小化用户吸收的称为“特定吸收率”或SAR的RF能量。运营商和行业要求，使蜂窝设备进一步复杂化，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)，同时仍能满足SAR限制要求。以一种商业上可行的方案满足所有这些要求极具挑战性。
接收灵敏度
开发团队对接收器灵敏度的影响其实并不明显。接收器灵敏度由射频调制、比特率和接收器实现的细节决定。一如既往，更大、更高功率和更昂贵的接收器通常性能会更好。降低比特率是另一种提高接收灵敏度的方法。
表1说明了调制和比特率如何影响接收器的性能。请记住，更小/更负的灵敏度更好：

                               
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表1：FSK和LoRa比特率与灵敏度的比较。
LoRa扩频因子(SF)表示用于传输数据的物理层CHIRP的持续时间。较大的扩频因子表示较长的CHIRP和较低的比特率。
开发团队可以通过优化系统设计来最小化所需的比特率，从而通过确保最少的数据传输量来提高灵敏度和范围。还可以通过加大对接收器功率、体积或成本的投入来提高灵敏度。例如，增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续航时间。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(以任何比特率)，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。更高的比特率支持更短的传输时间、但覆盖距离也更短；对于固定的发射功率，提供另一个权衡，团队可用来平衡RF性能与其它要求。
如果通过最大化发射器效率、接收器灵敏度和天线增益已对RF实现进行了优化，则可以将富裕的链路预算“花费”在不太昂贵的组件或性能较低的天线上，以实现更期望的产品外观或降低发射器功率以延长电池寿命。
上面的讨论假设射频实现符合制造商的规范。要达到这种性能水平，遵守制造商的建议，并尽量减少会降低性能的干扰源至关重要。再次，产品开发团队必须通盘考量，权衡性能与大小和成本之间的关系。还需要考虑下面的常见噪声源和反制技术：
•    噪声源
o    处理器，特别是外部存储器总线
o    开关电源
o    隔离的RS-485/232驱动器
o    显示器和视频驱动器
o    D类音频放大器
o    电机驱动器
•    反制举措
o    屏蔽腔和屏蔽电缆
o    增加滤波器和放大器
o    额外的PCB层
o    线端接和压摆率控制
大部分这些反制措施会增加产品成本和尺寸，但如果它们能够加大范围，或者降低其它成本或尺寸(例如体积或容量更小的电池)，则可能是合适的选择。还应该积极考虑发生潜在问题时的应对方案，以尽量降低无法通过监管测试的风险、并尽量缩短上市时间。解决并防范噪声将最大化已实现的灵敏度，从而支持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，我们接着讨论传播和范围估算。在通常被称为“自由空间”的理想表述中，信号从天线向各个方向传播，没有反射、大气折射或吸收。这种情况下的损耗由(图4)给出：
路径损耗 = 20log10 ( d ) +20log10 ( f ) − 32.45
其中f是以MHz为单位的频率，d是以Km为单位的距离。

                               
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图4：相对于距离和频率的信号损耗(来源：Device Solutions Inc)。
注意，频率是这个方程的关键组成部分，降低频率会减少损耗。频率从2.4GHz(蓝牙、WiFi)降低到900Mhz、路径损耗减少了9dB，如果其它条件保持不变，应该使发送距离翻一番还远。了解这一点揭示了又一个取舍——降低信号的频率可以增加范围。但是，对于给定的体积(volume)，天线效率随频率的降低而降低，这可能抵消较低频率带来的一些好处。
遗憾的是，现实世界的传送范围受许多其它因素的影响，比如各种障碍物的反射和吸收。现实世界有许多传播模型，大部分基于经验数据集。 Okumura-Hata模型是个不错选择，可为各种环境(城市、郊区、农村)和各种天线高度提供选择。在农村或开放环境中，路径损耗公式是(图5)：
PLRural= PLSmallCity − 4.78( log10f ) 2 +18log10 f − 40.94
其中：
hB =基站天线的高度。单位：m(米)
hM =移动站天线的高度。单位：m(米)
f =发送频率。单位：MHz(兆赫)
CH =天线高度修正系数
d =基站和移动站之间的距离。单位：km(公里)。

                               
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图5：多因素造成的信号丢失(来源：Device Solutions Inc)。
基于以前的LoRa示例并使用IEEE工作表，HATA模型预测距地面2m高的天线在3km远处的路径损耗为134dB。
功耗权衡
除了上述的一阶取舍(发射器功率、比特率与发射时间和灵敏度、噪声降低、成本、尺寸)之外，还有许多其它考虑可以降低功耗。无论是接收还是发送模式，尽量缩短射频接通时间是延长电池寿命的关键。尽管发送需要大量能量是显而易见的，但由于许多现代接收器所需的信号处理量显著增加，其功率已与发射器功率旗鼓相当。精心设计射频协议和同步算法对于确保快速和可靠的同步、频率对准以及最短的接通时间是必要的。使用更高精度的晶体可以最大限度地减少时间或频率错位的风险，并确保射频更快地“锁定”、以最大限度地降低噪声、并最大限度地减少重新发送，特别是考虑到温度和老化时。要特别关注初始精度、所需温度范围内的精度，以及由于老化引起的频率漂移，必须确保你的设计长期可靠运行。
优化射频协议只是个例子。所有引发设备偏离最小功耗状态的事件都应仔细考虑，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，应该在每个唤醒周期处理多个事件以最小化唤醒周期的频率。类似地，必须对功耗和更高时钟速率进行权衡取舍——高速率导致高功耗，但射频接通时间短；低速率导致低功耗，但射频接通时间长。
还必须考虑电源设计的方方面面。最先进技术的开关电源已经取得了巨大进步，但当负载只有几μA时(例如当设备在发射之间处于休眠状态)，仍然可能是低效的。然而，具有极低静态电流的线性稳压器往往具有差得惊人的瞬态响应特性，因此若打算选用线性稳压器，必须仔细考虑这些特性。
通常，在低功率状态下，许多子电路被关闭    ；然而，必须检查每个IO线的状态以及子电路之间的连接，以确保没有连接到断电部件的有源信号，否则会出现意外漏电流，也许是几mA；并且由于漏电流可为某些组件部分供电，所以可能会出现意想不到的行为。

                               
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图6：优化射频设计时的选择考量和权衡(来源：Device Solutions Inc)。
总之，应该清楚的是，为了最大化覆盖范围和电池寿命，必须要考虑设备的方方面面。设备的尺寸限定了用于最佳RF实现的天线效率、电池大小和PCB面积。设计射频电路时的细心和审慎决定了覆盖范围，如果做得不好，会缩短电池寿命。类似，为最大化休眠时间并使射频接通时间最小化而在运行状态设计上投入的精力可增加范围并延长电池寿命。现实生活中的产品开发需要不断协商，以实现技术优化和商业上可行的大小、成本和性能(图6)。

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