Missing link - Elektronikknett
microchip

Missing link

Hvordan kan man lage en enkel linkbudsjettanalyse for å evaluere trådløse overføringer med bruk av sub-GHz moduler i innendørs og utendørs omgivelser? Det skal vi ta en titt på i denne artikkelen.

Kortholds trådløs kommunikasjon øker i popularitet i hjem-, bygnings- og industrielle applikasjoner, spesielt i sub-GHz (mindre enn 1GHz) båndet. Det betyr at systemdesignere må ha foprståelse for metoder, estimering, kostnader og ulemper involvert. I tillegg til metoder for estimering av rekkevidde, er det nyttig å forstå hvordan trådløse kanaler og bølgeforplantning fungerer i sub-GHz området.

Som regel vil utviklere utarbeide et linkbudsjett når de starter et RF-design. Dette linkbudsjettet tar i betraktning rekkevidde, sendereffekt, mottagerens følsomhet, antennegain, frekvens, pålitelighet, bølgeforplantning (som omfatter de fysiske prinsippene knyttet til refleksjon, diffraksjon og scattering av elektromagnetiske bølger), samt miljfaktorer for å beregnen ytelsen til en sub-GHz RF radiolink.

Rekkevidde og strømbruk
Trådløse nettverk i sub-GHz området kan være kosteffektive i ethvert system med lav datarate, fra enkle punkt-til-punkt forbindelser til langt større meshnettverk, der langdistanse, robuste radiolinker og forlenget batterilevetid  erprioritet.  Høyere regulatorisk utgangseffekt, redusert absorpsjon, mindre spektral forurensing og bruk av smale bånd øker rekkevidden. Forbedret signalforplantning, godt kretsdesign og mindre minnebruk kan redusere energiforbruket, og dermed batteritiden.

Vanligvis inngår sub-GHz kanaler i ulisensierte ISM (Industrial Scientific Medical) frekvensbånd. Sub-GHz noder retter seg generelt mot lavkostsystemer, der hver node typisk koster omkring 30 til 40% mindre enn mer avanserte trådløse systemer, og de bruker mindre stakkminne. Mange protokoller, som IEEE 802.15.4 basert ZigBee (for tiden den eneste protokollen som tilbyr både 2,4GHz og sub-GHz versjoner i 868- og 900MHz båndene), automatiseringsprotokoller, trådløse telefoner, trådløs Modbus, fjernstyrt, nøkkelfri inngang (RKE), dekktrykkovervåkingssystemer og en rekke proprietære protokoller (inkludert MiWi), befinner seg i dette båndet. Imidlertid vil radioer i dette frekvensområdet kunne blande seg med andre protokoller som benytter samme spektrum, noe som innbefatter påvirkning fra mobiltelefoner, lisensierte trådløse telefoner osv. 

Linkbudsjett
Linkbudsjettet er regnskapet over all forsterkning og tap fra senderen (TX) via mediet (fritt rom) til mottakeren (RX) i et trådløst system. Linkbudsjettet betrakter alle parametre som er med på å bestemme signalstyrken som endelig når mottakeren. Faktorer som antennegainnivå, effektnivå i senderen, og mottagerfølsomheten må bestemmes for å kunne analysere og estimere linkbudsjettet.

Antennetyper og –størrelser bør også tas i betraktning, så vel som sekundere faktorer; ønsket rekkevidde, tilgjengelig båndbredde, datarater, protokoller, interferens og interoperabilitet. Følsomheten i senderen er ikke en del av linkbudsjettet, men terskelverdiene trengs for å bestemme signalkapasiteten.

Det enkle regnestykket for linkbudsjettet er at mottatt effekt (dBm) er lik summen av sendt effekt (dBm) og forsterkninger/gain (dB) minus tapene (dB). Ved å bruke linkbudsjettet er det mulig å designe systemet slik at det møter krav og funksjonalitet innenfor den gitte kostnaden. Enkelte tap kan variere over tid. Det gjelder for eksempel perioder med økt bitfeilrate (BER) for digitale systeme, eller forringet signal-noise forhold (SNR) for analoge systemer.

Testkrav
Her kan Microchip MRF89XA moduler og MRF49XA sub-GHz transceiverbaserte PICtail kort benyttes for målinger av ytelsen. MRF89XA-modulene er FCC-, ETSI- og IC-sertifisert. De skiller seg fra andre sub-GHz moduler ved å tilby verierende regulatoriske og modulært sertifiserte mønsterkortantenne (Serpentine type) funksjoner. PICtail-kortene er basert på ledningstype (l/4) antenner for ulike frekvenser, vanligvis montert på utviklingskort eller datterkort.

MCA604_AN1631 fig1 Fig. 1: Mikrokontroller til MRF89XA modulgrensesnitt; trådløs- og RF-node diagram.

Maskinvaregrensesnittet til transceivermodulene med samtlige PIC mikrokontrollere, generelt betegnet som trådløse noder, er illustrert i figurene 1 og 2. De trådløse nodene kan realiseres med en kombinasjon av PIC MCU utviklingskort  og PICtail datterkort.

MCA604_AN1631 fig 2 Fig. 2: Mikrokontroller til MRF49XA transceiver og PICtail kortgrensesnitt; trådløs- og RF nodediagram.

Eksperimentering med rekkevidde og ytelse krever minst to trådløse noder for testing. Måleoppsettet gjøres med ett av de to utviklingskortene, som – for enkelhets skyld – begge har identiske sub-GHz moduler. For øvrig kan en kombinasjon av disse modulene benyttes for målinger og analyse, avhengig av applikasjonen. 

Målemiljø
Terrenget radioen skal brukes i har stor effekt på bølgeforplantningen. Testing av rekkevidde bør foretas i ulike innendørs- og utendørs miljø, for å gi en grunnleggende forståelse av ytelsen til modulene. De valgte miljøene inkluderer fri siktlinje (LoS) på flatt og ujevnt terreng, og signalveier med hindringer i flatt og ujevnt terreng.

MCA604 Fig3 (c) Fig. 3: Orientering av antennen vil ha en påvirkning på resultatet. Her vertikal montering av PICtail kort.

Målingene er også basert på orientering av mønsterkortantenne (vertikal eller horisontal), utgangseffekt på modulene (maksimum eller default), effektforsterker eller lavstøyforsterker (aktivert eller deaktivert verdi), type antenne (mønsterkort, ledning eller standard) dipol, og antenne (Serpentine, ledning, eller pisk og dipol).

Faktorene som påvirker innendørsmålinger omfatter kontorutstyr og hvorvidt et fins signaler fra Wi-Fi, Bluetooth eller mikrobølger i nærheten. Betongstrukturer, vegger, nærtliggende glass, tre og metall kan alle påvirke resultatet.

Kommentarer