Austin Harney 和 Conor O'Mahony

短程設(shè)備（SRD）一詞旨在涵蓋提供單向或雙向通信且對其他無線電設(shè)備造成干擾的能力很小的無線電發(fā)射機(jī)。人們無法列出SRD的所有應(yīng)用，因為它們提供了許多不同的服務(wù)。他們更受歡迎的應(yīng)用包括：

家庭或其他樓宇自動化系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制

無線傳感器系統(tǒng)

警報

汽車，包括遠(yuǎn)程無鑰匙進(jìn)入和遠(yuǎn)程汽車啟動

無線語音和視頻

SRD無線系統(tǒng)的設(shè)計人員在選擇無線電的通信頻率時需要格外小心。在大多數(shù)情況下，選擇僅限于頻譜中允許免許可操作的部分，因為滿足某些使用規(guī)范和條件。表I列出了全球可用的頻段。

表 I. 全球 SRD 頻率分配

2.4 GHz頻段被希望構(gòu)建可在全球范圍內(nèi)運行的系統(tǒng)的設(shè)計人員廣泛使用。事實上，它已成為藍(lán)牙、WLAN 和 ZigBee 等標(biāo)準(zhǔn)的首選頻段。5.8 GHz頻段也引起了一些關(guān)注，例如無繩電話或802.11a版本的WLAN。

然而，對于需要更寬范圍和更低功率的系統(tǒng)，由于共存問題減少和傳輸范圍擴(kuò)大，低于1 GHz頻段仍然引人注目，因為這兩者都會影響功耗 - 這是電池供電應(yīng)用中的一個重要考慮因素。

低頻輻射器傳播范圍的改善可以通過弗里斯傳輸方程的簡化版本來顯示，該方程涉及接收天線中的可用功率，Pr，傳送到發(fā)射天線的功率，Pt:

該公式假設(shè)兩個天線都有單位增益。它表明，對于固定的發(fā)射功率，Pt，接收功率將隨距離的平方d和頻率的平方f而減小（或隨波長平方λ的增加而增加）。如果接收功率低于正確解調(diào)信號所需的最小功率（稱為靈敏度點），鏈路將發(fā)生故障。

低于 1 GHz 的全球頻率分配

表 II 給出了各種 sub-1 GHz 標(biāo)準(zhǔn)的更詳細(xì)描述。這不是一個詳盡的列表，但可以通過表中提供的鏈接找到更多詳細(xì)信息。

表二.一些常見的區(qū)域 SRD 頻段

433 MHz頻段是全球使用的一種選擇，日本需要稍作頻率修改（大多數(shù)現(xiàn)代頻率靈活的收發(fā)器都可以輕松處理，例如ADF7020（如下圖1所示）或ADF7021）。然而，可用的帶寬小于2 MHz，并且該頻段通常不允許語音，視頻，音頻和連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用，從而限制了其使用。因此，它更常用于無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)和基本遙控。

圖1.ADF7020 SRD收發(fā)器的框圖

868 MHz（歐洲）和 902 MHz 至 928 MHz（美國）周圍的頻段更有用;它們不限制應(yīng)用，并且允許更緊湊的天線實現(xiàn)。其他地區(qū)，如澳大利亞和加拿大，已經(jīng)采用了這些規(guī)范的版本，從而使頻段成為多區(qū)域頻段，盡管不是完全全球化的。

然而，在最新的EN 300 220規(guī)范之前，美國和歐洲機(jī)構(gòu)采取了截然不同的監(jiān)管方法。美國采用跳頻方法，而歐洲則在ERC REC-70文件中描述的每個子頻段中應(yīng)用占空比限制。這兩種實現(xiàn)都有助于最大限度地減少干擾，但為這兩個區(qū)域設(shè)計系統(tǒng)的制造商需要完全重寫系統(tǒng)通信協(xié)議中的媒體訪問層（MAC）。

幸運的是，最新的歐洲EN 300 220法規(guī)（將于2006年<>月發(fā)布）擴(kuò)展了頻段，以允許跳頻擴(kuò)頻（FHSS）或直接序列擴(kuò)頻（DSSS）。這使得MAC實現(xiàn)更類似于為美國設(shè)計的MAC實現(xiàn)，但仍需要進(jìn)行一些微調(diào)。以下各節(jié)介紹新規(guī)范的某些方面，涵蓋 SRD 系統(tǒng)設(shè)計人員需要考慮的領(lǐng)域。

跳頻系統(tǒng)

跳頻擴(kuò)頻（FHSS）傳輸技術(shù)通過將頻譜劃分為多個通道，以偽隨機(jī)序列或“跳頻碼”在它們之間切換，從而在時域中傳播能量，接收器和發(fā)射器都知道。為了歡迎新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，控制器節(jié)點會定期發(fā)出信標(biāo)信號，新節(jié)點可以同步到該信號。同步時間取決于信標(biāo)間隔和跳頻通道數(shù)。美國和歐洲標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了相似數(shù)量的跳頻通道，最大停留時間（在任何單跳期間在特定頻率上花費的時間）為 400 毫秒。

表III顯示了使用FHSS時歐洲擴(kuò)展頻段（低于870 MHz）的信道數(shù)量、有效輻射功率（ERP）和占空比要求。與之前可用的 7 MHz 范圍相比，一旦滿足先聽后說 （LBT） 或占空比限制，可提供高達(dá) 2 MHz 的帶寬。

表三.歐洲渠道要求

先聽后說是一種“禮貌”通信協(xié)議，在開始傳輸之前掃描信道的活動。也稱為清晰信道評估（CCA），將其與跳頻一起使用的系統(tǒng)沒有占空比限制。

寬帶調(diào)制：DSSS

除FHSS外，歐洲新法規(guī)還涉及直接序列擴(kuò)頻（DSSS）。在DSSS系統(tǒng)中，窄帶信號乘以高速偽隨機(jī)數(shù)（PRN）序列以產(chǎn)生擴(kuò)頻信號。每個PRN脈沖稱為“芯片”，序列的速率稱為“芯片速率”。原始窄帶信號的傳播程度稱為處理增益;它是芯片速率（Rc）到窄帶數(shù)據(jù)符號速率。FHSS和DSSS的頻譜在圖2中進(jìn)行了比較。

圖2.FHSS和DSSS的頻譜。

在接收器處，輸入的擴(kuò)頻信號與相同的PRN碼相乘以去擴(kuò)頻信號，從而提取原始窄帶信號。同時，接收器上的任何窄帶干擾源都會擴(kuò)散，在解調(diào)器看來是寬帶噪聲。為系統(tǒng)中的每個用戶分配不同的PRN碼允許在同一頻段的用戶之間進(jìn)行隔離。這稱為碼分多址 （CDMA）。

使用DSSS調(diào)制的系統(tǒng)的一些示例包括IEEE 802.15.4（WPAN），IEEE 802.11（WLAN）和GPS。DSSS的主要優(yōu)點是：

抗干擾能力 – DSSS 抗干擾能力的本質(zhì)是有用信號乘以 PRN 代碼兩次（擴(kuò)增和去擴(kuò)增），而任何干擾源僅乘以一次（擴(kuò)增）。

低功率頻譜密度 – 對現(xiàn)有窄帶系統(tǒng)的干擾最小。

安全性 – 由于擴(kuò)散/分散，非常抗干擾。

緩解多路徑效應(yīng)

除DSSS或FHSS以外的寬帶調(diào)制。

歐洲新法規(guī)的一個有趣方面是，除了FHSS和DSSS之外，它們還提供了其他寬帶擴(kuò)頻調(diào)制方案。FSK/GFSK（高斯頻移鍵控）調(diào)制，占用帶寬大于200 kHz，根據(jù)歐洲法規(guī)被視為寬帶調(diào)制。表IV突出顯示了適用于歐洲寬帶調(diào)制方案（包括DSSS）的主要規(guī)格：

表四.擴(kuò)頻調(diào)制（FHSS）和寬帶調(diào)制的最大輻射功率密度、帶寬和占空比限制

利用FSK調(diào)制的寬帶標(biāo)準(zhǔn)的一個示例是ISM頻段收發(fā)器ADF7025。要在 865 MHz 至 870MHz 子頻段內(nèi)工作，設(shè)計必須符合最大占用帶寬 （99%） 和最大功率密度限制。還規(guī)定了–36 dBm的通道邊沿（或頻段）最大功率限制。

如表V所示設(shè)置ADF7025時，滿足所有三個限值。圖3顯示占用帶寬為1.7569 MHz，峰值頻譜密度為–1.41 dBm/100 kHz。

圖3.ADF7025寬帶調(diào)制實驗結(jié)果：（a）FSK調(diào)制信號，99%占用帶寬測量，（b）放大視圖（a）測量最大功率譜密度。

表 V. ADF7025 寬帶參數(shù)

ADF7025采用寬帶調(diào)制，可實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率（本例中為384 kbps），允許在低于1 GHz的歐洲ISM頻段內(nèi)傳輸音頻和中等質(zhì)量視頻（每秒幾幀）。

美國法規(guī)（FCC 第 15.247 部分）的分配與歐洲類似，它規(guī)定了在 902 MHz 至 928 MHz、2400 MHz 至 2483.5 MHz 和 5725 MHz 至 5850 MHz 頻段運行的跳頻系統(tǒng)，同時還提供“數(shù)字調(diào)制”信號。這是一個松散的術(shù)語，涵蓋了擴(kuò)頻（DSSS）和其他更簡單的調(diào)制形式（如FSK，GFSK），因此類似于歐洲法規(guī)中的“寬帶調(diào)制”規(guī)范。兩個主要要求是：

最小 6 dB 帶寬應(yīng)至少為 500 kHz。

對于數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，在任何連續(xù)傳輸?shù)臅r間間隔內(nèi)，從有意輻射器傳導(dǎo)到天線的功率譜密度在任何 8 kHz 頻段中不得大于 3 dBm。

任何希望使用FHSS以外系統(tǒng)的人通常都必須將場強(qiáng)限制在50 mV/m（–1.5 dBm ERP）。但在“數(shù)字調(diào)制”的情況下，一旦達(dá)到最大功率譜密度限制，最大輸出功率為1 W。因此，使用FSK頻率偏差足夠?qū)挼腁DF7025，以確保6 dB帶寬大于500 kHz，允許使用1 W ERP。此外，由于信號帶寬較寬，可以實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率（ADF384的最大數(shù)據(jù)速率為7025 kbps）。

ADF7025的同通道抑制在同信道范圍內(nèi)變化，范圍為–2 dB（最壞情況）至+24 dB，具體取決于干擾源的帶寬。這可以與市售的802.15.4 DSSS收發(fā)器進(jìn)行比較，后者的同信道抑制為–4 dB，其中干擾信號是IEEE 802.15.4調(diào)制信號。

使用這些方法，類似的寬帶調(diào)制系統(tǒng)現(xiàn)在可以在美國和歐洲使用，從而簡化了面向全球市場的產(chǎn)品工程。ADF7025收發(fā)器架構(gòu)適合在美國標(biāo)準(zhǔn)中定義的“數(shù)字調(diào)制”模式和新歐洲法規(guī)中定義的“寬帶調(diào)制”模式下工作。

瞬態(tài)功率要求

工程師還應(yīng)該了解歐洲法規(guī)中的一項新規(guī)范，該規(guī)范對瞬態(tài)功率施加了限制，瞬態(tài)功率定義為在正常工作期間打開和關(guān)閉發(fā)射器時落入相鄰頻譜的功率。此限制已添加到最新法規(guī)中，以防止光譜飛濺。

當(dāng)流向功率放大器 （PA） 的電流增加（打開）或減少（關(guān)閉）時，壓控振蕩器 （VCO） 看到的負(fù)載會發(fā)生變化，導(dǎo)致鎖相環(huán) （PLL） 瞬間解鎖并產(chǎn)生雜散發(fā)射或頻譜飛濺，而環(huán)路則試圖重新獲取鎖。在單元僅間隔傳輸?shù)南到y(tǒng)中，飛濺可以顯著增加落入相鄰?fù)ǖ赖墓β省?/p>

圖4突出顯示了光譜飛濺的問題。黃色跡線表示當(dāng)PA每7020 ms打開和關(guān)閉一次，而頻譜分析儀保持最大保持狀態(tài)時，ADF100發(fā)射器的PA輸出頻譜。很明顯，巨大的功率正在落入載波兩側(cè)的通道中。藍(lán)色跡線顯示PA輸出每64 ms以100步斜坡打開和關(guān)閉，并表示落入相鄰?fù)ǖ赖墓β蚀蠓档汀Ｗ钚碌腅N 8 5法規(guī)的規(guī)范300.220規(guī)定了落入這些相鄰?fù)ǖ赖墓β柿康南拗啤?/p>

圖4.ADF7020輸出頻譜用于文中描述的測試。

測量過程要求變送器在最大輸出功率下打開和關(guān)閉五次;并測量落入載波兩側(cè)的第二、第四和第十通道的功率。

確保符合此規(guī)范的最簡單方法是使PA逐漸關(guān)閉或打開到關(guān)閉。這通常是通過使用微控制器分階段打開/關(guān)閉PA來實現(xiàn)的。使用ADF7020收發(fā)器，最多可以14步將PA從關(guān)斷步進(jìn)至+63 dBm。一種更快、更簡單的方法是使用具有自動PA斜坡的收發(fā)器。ADF7021具有可編程斜坡，用戶可以設(shè)置每個步驟的步數(shù)和持續(xù)時間。

通信協(xié)議注意事項

ADI公司目前正在更新ADIismLINK（2.0版）協(xié)議軟件，該軟件可與任何ADF702x收發(fā)器配合使用。該協(xié)議旨在用于全球sub-1 GHz頻段，并納入了新的歐洲法規(guī)。它基于圖 255 所示的星型網(wǎng)絡(luò)（最多 5 個端點）。

圖5.星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/strong>