如何延长2.45 GHz无线系统的范围

广泛使用2.45GHz的短程无线系统，诸如蓝牙低功耗和ZigBee是成熟的技术，特别适合的东西（IOT）应用因特网。虽然在这个波段收音机确实有很好的穿墙和范围性能，挑战出现在应用，如智能照明其中一些节点可以远离发射中心被定位，迫使系统设计者考虑其范围扩展选项。
解决方案，以提高这些系统的范围包括网状网络，由此信号被从一个节点到下一个，或技术中继诸如蓝牙5的纠错算法，这限制了误码率（BER）。然而，网状网络增加了复杂性，以及蓝牙5的范围扩展正值降低数据速率的成本。瞧，“ 蓝牙4.1，4.2和5个兼容的蓝牙低功耗SoC和工具符合物联网面临的挑战（第1部分） ”。
另一种解决方案，以增加的范围是通过具有RF芯片分组的低噪声放大器（LNA）和功率放大器（PA），以提高无线电装置的“链路预算”。设计在扩增是通过选择一个RF前端模块（FEM）包括所述LNA，或LNA + PA，RF开关和逻辑在预组装和测试包缓解。
也有一些缺点，这个解决方案，但是，包括增加的成本和尺寸，和更大的功耗。设计者还必须考虑美国FCC和关于在未经许可的RF频段发射功率等国际安规。
本文介绍RF前端模块如何增加的IoT应用短距离无线电系统的范围内，讨论了与替代相比的缺点，并提供应用程序的例子来说明的设计过程。
2.4 GHz的操作权衡无线技术，如蓝牙低功耗或ZigBee是基于一系列加起来限制范围的取舍。首先，该技术采用了“2.4 GHz的”（集中在2.45千兆赫）的优势工业，科学和医疗（ISM）免执照频段，这是全球公认的是免费的任何一方使用。
初始折衷的是，虽然千兆赫的频率支持更大的带宽，范围成比例地减小。这意味着，对于相同的功率输出，2.4GHz的无线电信号不只要那些从无线电在915MHz（替代US ISM频率）下操作行驶。
第二权衡是因为它共享与许多其他无线电源的频带，2.4GHz ISM频段的无线电面向上的发射功率的限制。这些规则是复杂的，但本质上决定了峰值发射功率，在一频率的天线输入端测量的跳频系统使用小于75个但至少15个跳频（蓝牙低能量具有40），必须限制为21 dBm时，与在输出降低，如果各向同性天线增益大于6 dBi的大。这允许最大等价各向同性辐射27 dBm的功率（EIRP）。1
第三，低功耗蓝牙和ZigBee旨在限制功耗以延长电池寿命。这样的属性适合有许多节点，如在大型写字楼，因为它降低了维护的无线照明应用。大量电力时通过限制时间的无线电是在高功率发送或接收状态是保守的，但RF芯片制造商也保存通过限制它们的蓝牙低功耗传输功率能量到4 dBm的（典型地，偶尔8 dBm时，远远低于+21 dBm的在法规允许）。
噪声比（SNR）的信号是一个接收器的正确地提取，并从环境噪声进行解码的信号的能力的量度。在阈值SNR时，BER超过无线电的说明书和通信失败。蓝牙低能量接收器，例如，被设计成容忍的只有约0.1％的最大BER。SNR是能量每比特噪声密度比（Eb / No的），数据速率（R）的函数，和接收的带宽（B），根据下式：

当代蓝牙低功耗和ZigBee收发器通过组合高接收与输出功率可调增加链路预算灵敏度最大化SNR。现代的2.4 GHz SoC的如Nordic半导体公司nRF52832和德州仪器 CC2538报价在100〜110 dBm的范围相似最大链路预算。根据具体的应用以及如何以及无线产品的RF电路和天线的设计，这样的芯片有助于实现的范围内的或许80至100米的完美条件下，和10至30米的典型的住宅，其中RF辐射可以通过被吸收墙壁和天花板，并且其中可发生从其它2.4GHz的源的干扰。在一个大的家中，无线照明节点，例如，可以容易地位于一个控制器集线器的范围的极限，破坏性能可靠和未来系统的扩展性。
推进范围有在蓝牙低能量或ZigBee的应用范围提升几个备选方案。之一是采用网状网络，其中信号是从节点转发到节点保证系统的外达到永远不能超出范围。网状网络还提供了内置的冗余（故障节点可能不会导致系统翻倒，因为信号很容易被重新路由）和简单的缩放的优点。缺点是复杂性和项目管理费用大幅增加。
另一种解决方案是在纠错建立到分组传输到按住BER中的情况下，当噪声通常会压倒信号。这是用来提高蓝牙低能量的范围在技术的最新版本（5）技术。缺点是修正包需要更大的系统开销影响带宽。
收发器的接收信号的灵敏度部分是由它的噪声系数（NF），其量化其以处理噪声的存在的信号的能力来确定。接口与LNA收发器降低NF并增加灵敏度。
采用组装，测试和验证的模块化RF FEM结合有LNA为简单的电路集成的最实用的方法。有适合这个工作了多种可供选择的RF前端模块的。Skyworks的，例如，提供了蓝牙低功耗，IEEE 802.15.4和ZigBee的应用程序（图1）的SKY66113-11。该芯片集成高增益LNA，发射旁通路径，和数字控制。增益通常12分贝和NF为2dB。

图1：Skyworks的SKY66113-11集成了数字控制的LNA。该器件还集成旁路开关，如果需要，以使系统操作，而LNA。（图像源：Skyworks的）
考虑包括Nordic半导体公司nRF52832和SKY66113-11的系统。根据本说明书中，RF芯片具有-96 dB的最大灵敏度和4分贝为100 dB的链路预算的最大输出功率。北欧的数据表不包括NF数字，但对于这类芯片的典型值大约是8分贝。
因此该系统的NF是：

这样的增加将显着增加范围。为了比较，在类似对等的应用中，在灵敏度6dB的增加可导致的范围增加了近一倍。
添加功率放大器除了使用的LNA升压灵敏度，范围可以同时使用在发射机侧的PA升压。RF前端模块是集成了LNA都和PA可用。ti，例如，提供了CC2592，一个范围扩展为它的2.4 GHz的RF收发器的蓝牙低功耗和ZigBee。除了LNA和PA中，CC2592 FEM进一步包含RF开关，RF匹配和一个片上平衡不平衡转换器与设备接口如CC2538的ZigBee / 6LoWPAN的（IEEE 802.15.4）收发器（图2）。

图2：这是简单的界面处的CC2592范围扩展至CC2538 RF SoC的。在这种布置中，天线和匹配电路被直接连接到所述范围扩展而不是RF SoC的。（图采用与Digi-Key绘制方案-IT®。德州仪器原始来源图片）

的CC2592的LNA具有11 dB和的NF4.7分贝，队内的典型系统的接收器由3到4dB灵敏度的增益。另外，PA可以高达22分贝提高发射机的输出功率。PA的设置将取决于SOC（0，4或8 DBM）和本地管理环境的输出功率限制的输出功率。的输出功率通过在CC2538 TXPOWER寄存器中的8位的值来设置。
应谨慎使用PA扩展无线产品的范围时，应考虑。如果范围是一个关键的设计标准，它可以是很有诱惑力为设计师的PA的输出曲柄最大限度地从系统得到最。然而，这可能导致产生杂散发射和谐波该超越法规限制放大器饱和。这反过来又会使合格符合性测试是不可能的。这往往是明智的降低PA输出和牺牲一定范围内平滑的路径，产品合格。
另外应谨慎设计范围扩展的无线系统，可能是受到了广泛的工作范围时，应小心。一个例子是无遮蔽的位置。低温和低电源电压的组合可以导致高的杂散发射。为了避免这样的情况，TI建议在低温下和电源电压（图3）上的收发器的输出功率限制（即，输入功率CC2592的PA）。

图3：限值必须放置在收发信机的输出功率（输入功率至CC2592 PA）在低的温度和电压，以避免杂散射频辐射。（图像源：德州仪器）
虽然低温影响CC2592的PA，高温对设备的LNA增益产生不利影响。在20℃下，增益为11分贝，而在80℃降至低于10分贝（图4）。

图4：高温对CC2592 LNA的增益，示出为在该曲线图中的黑色高增益模式（HGM）线有负面影响。该装置还具有一个低增益模式（LGM）这篇文章中没有讨论）（来源：德州仪器）
TI提供CC2538-CC2592评估模块（EM），其可以与它一起使用SmartRF06EBK工具运行的BER测试并通过将其与一比较建立在一个典型应用中CC2538-CC2592系统的最大范围CC2538EM（对EM的单独的一射频芯片）。这是很容易设置在SmartRF06EBK包括信道，发射功率，数据包数（比特）和分组速率的试验。该工具将运行测试并显示BER / PER为百分比（图5）。相同的测试也可以在两个新兴在不同的距离下运行，以显示CC2592范围扩展器如何限制了BER / PER作为范围增加而增加。

图5：从截图TI的SmartRF06EBK示出BER / PER测试展示如何一个CC2538-CC2592系统限制解码错误，范围增大。（图像源：德州仪器）
使用RF FEM升压范围当钥匙权衡是功率消耗（和电池寿命随后的减少）。例如，在不具有RF FEM典型蓝牙低功耗操作，北欧nRF52832消耗约7.5毫安TX（在4 DBM）和5.4毫安RX（1 Mb / s的）。为TI CC2538等效附图运行ZigBee协议是34毫安（7 DBM）和24毫安。
当与Skyworks的SKY66113-11配对，北欧RF芯片为基础的系统的RX电流消耗上升到9.4毫安。有一个在德克萨斯州目前没有增加，因为RF FEM不采用PA。对于TI RF芯片为基础的系统，随着CC2592 PA在22 dB工作，例如，TX电流上升从155毫安至189毫安，并与LNA操作，从4毫安至28毫安RX电流上升。
结论虽然越来越多地被用于多模工业，商业和消费应用中使用2.4 GHz的短距离无线技术，更大的范围，经常需要。对于在短短边远节点代表的问题和系统，改善与RF前端模块现有硬件的链路预算是一种简单实现和相对廉价的解决方案。
硬件与RF芯片接口简单，顶多需要几个简单的固件配置命令把事情的工作。其结果是增加了一倍，甚至从几十米三倍的有效范围为标准技术百米以上的扩展版本。
如所讨论的，存在权衡作为RF前端模块增加溶液的尺寸和成本。需要一定的照顾，以确保系统满足合规性，特别是在输出功率，并且设计者必须保证有在低温或电源电压无杂散发射。此外，升压放大的范围内，需要的能量，并因此缩短电池寿命到一定程度。
参考

• “ 蓝牙低功耗管理方面 ”，蓝牙特殊利益集团，2011年4月。
• “ 扩展的2.4 GHz ZigBee的短距离无线性能与Skyworks的SKY65336 / SKY65337前端模块 ”，Skyworks公司，2009年10月。