简介
在遵守美国联邦通信委员会 (FCC) 免照 ISM 频带 (915MHz 或 2.4GHz) 通用单通道无线射频规定的前提下，优化低功耗无线系统传输范围的方法。对于这些装置而言，基频输出功率不应超出 -1.25dBm [1]。如果需要额外增加连结限度，本文也简要介绍 FCC 规范要求。
一般低功耗无线连结
一般低功耗无线连结，是由一个传输装置，以及一个或多个接收器装置组成。传输装置由调变器、合成器、升频转换混频器，和功率放大器 (PA) 组成。接收器由回授装置、低噪声放大器 (LNA)、降频转换混频器、合成器和解调变器组成。
低功耗无线设备在效能与功耗之间必须有所取舍
外部放大器 (不论外部 LNA 或外部 PA) ，可加入需要扩大范围的系统中，以增加链接限度。图 1 显示在接收端加入外部 LNA 以提升无线连结限度的方法。这不仅能够符合 FCC 规定，而且可在不增加传输端复杂度的情况下提升连结限度。
低功耗无线连结的自由空间理论范围
无线连结范围的理论限制由 Friis 等式所决定 (等式1)：
(等式 1)
其中：Pr = 接收功率，Pt = 传输功率，Gt = 传输天线增益，Gr = 接收天线增益，范围 = 天线距离 (米)。
Friis 等式定义无线连结的理论限制，然而所有现实系统中的链接，都无法达到这么好的程度。
例如，如果使用 Friis 等式计算 2.45GHz 无线连结的最大范围，其收发器输出功率为 -1.25dBm，接收灵敏度为 -100dBm，两个天线的增益均为 2.14dBi。需要注意的是，2.14dBi 是双极天线的理论增益，如果考虑损耗，则一般达不到如此的值。
然而，如果想在现实环境中达到这些结果，是不切实际的。因为自由空间辐射的假设不适用于地面系统。对于可视距离的应用而言，100m～200m范围的无线连结效果较好，对于一般多路径环境而言，50m ～100m范围的效果较好。
若要增加系统范围，可以选择以下的方法。每种方法都可以扩大系统范围，不过都必须增加功耗或整体系统成本。
首先需要考虑运作频率和天线。两者均不耗用电流，应该在加入外部功率放大器及/或低噪声放大器之前进行评估。
1. RX 和 TX 天线增益使范围，乘以天线增益的平方根，随着天线需求提高，尺寸和价格也随之增加。
2. 运作频率与范围呈现线性关系。运作频率愈低，范围愈大。但可用带宽会随频率降低而减少，导致整体数据速率降低。
以下两种方法也可以增加系统范围，但是也会增加功耗和整体系统成本。
1. 增加收发器 (Pt) 输出功率，会使范围乘以功率的平方根。例如，CC2590 可达到 14dBm，如此可使得系统在耗用 25mA 的电流时达到 15.25dB。CC2591 可达到 22dBm，如此可使得系统在耗用 112mA 的电流时达到 23.25dB。
2.增加输入灵敏度 (Pr)，会使范围乘以灵敏度的平方根。一般外部LNA 耗用约 2mA～4mA 的电流，因此，如果想要达到充分的效能，在不考虑任何 FCC/ETSI 规定的前提下，相较于外部 PA，这种方法较占有优势。
对于传输功率超过 -1.25dBm 的系统而言，FCC 要求使用跳频机制以符合规范 [1]。这种机制有相当程度的难度，而且需要大量使用处理器，因此，对于真正的低功耗无线系统而言，使用其他方法增加范围较为妥当。
为了评估提高接收灵敏度的可能性，本文使用 CC1101 (以 915MHz 运作的低功耗无线收发器) 进行实验。选择这款装置是因为它以低于本文讨论的两个频带运作。
优化接收灵敏度的方法
接收器的接收灵敏度值，受到接收链中的许多配置区块所影响。图 1 显示低功耗无线接收器的一般架构。如果忽略缆线和匹配损耗，接收器只剩下四个子系统：内部 LNA、降频转换混频器、模拟数字转换器(ADC) 和侦测器。
(等式 2)
其中：F = 整体系统噪声系数，Fn = 各个子系统的噪声系数，Gn = 各个子系统的增益 (损耗)。
等式 2 表示在指定各个子系统的噪声数 (Fn) 和增益 (Gn) 情况下，接收链的串接噪声系数。需要注意的是，第一个子系统的噪声系数，是整体噪声系数的主要部份。如果第一个子系统呈现高增益，则系统其余部份的噪声系数就显得不重要，这是因为各个后续系统的噪声系数，均除以前一个子系统的增益。
藉由测量某个系统，在指定比特率下达到的位错误率 (BER) 效能，并得知接收器 (RX) 滤波带宽，即可得出系统噪声系数。CC1101 和 CC2500 收发器的结果约为 18dB。相较于最新款外部LNA [3]，这并非最佳的结果，但优于其他低功耗无线收发器。
在此实验中，将 Infineon BGB707L7 LNA ，加入运作频率为 915MHz 的 CC1101 无线射频装置，针对使用 9.6kHz 频率偏移 FSK 调变的 38.4kbps 低数据速率进行配置。外部 LNA 可达到低于 1dB 的噪声系数，和 20dB 的增益，同时耗用 2.5mA 的电流 [3]。极低噪声系数和高增益的组合，相当适合这类寻求高接收灵敏度的应用。
图2显示接近 15dB 的接收灵敏度改善，是在 CC1101 收发器前端，使用 Infineon BGB707L7 LNA 所达到的结果。这些结果亦可移植到许多 TI 装置，包括 CC2500 和其他 TI 低功耗 RF SoC 装置，例如 CC2500 和 CC2530。
本例使用 CC2590 ，加入外部 LNA，或增加外部 PA，而得到相同的连结限度增益，亦即 15dB，因此，很容易就能够将效能提高，和功耗两者相互比较。需要注意的是，CC2590 耗用 25mA 的电流，增加 15dB 的连结限度，而 LNA 仅耗用 2.5mA 的电流，因此，增加输出功率之前，在系统中加入良好的 LNA 有极大的帮助。
结论
根据本实验，在增加输出功率以前，加入低噪声放大器，有助于优化接收器灵敏度，因为 1) 在增加相同范围的情况下，可达到更低的功耗，而且 2)不需要任何跳频机制，因此使得收发器的复杂度降低 [1]。
References
[1] Sylla, Iboun, Texas Instruments, “Understanding Regulations when Designing a Wireless Product in the Unlicensed Frequency Bands (Part 1 of 3),” by Planet Analog, October 26, 2009.
[2] The receive performance achieved in the example provided comes from TI’s CC1101 and CC2500 datasheets.
[3] Infineon’s Low-Noise Amplifier (LNA) BGB707L Datasheet? 7.
Also download here TI’s CC2530 and CC2430 datasheets.
关于作者
Thomas Almholt 现任德州仪器低功耗 RF 部门资深 RF 应用工程师，本身拥有多种完全整合式 GSM/EDGE 兼容装置 RF 系统验证的技术主管资历，并拥有丹麦奥尔堡大学 RF 系统及电信工程硕士学位。Thomas 的电子信箱为 ti_talmholt@list.ti.com。
在遵守美国联邦通信委员会 (FCC) 免照 ISM 频带 (915MHz 或 2.4GHz) 通用单通道无线射频规定的前提下，优化低功耗无线系统传输范围的方法。对于这些装置而言，基频输出功率不应超出 -1.25dBm [1]。如果需要额外增加连结限度，本文也简要介绍 FCC 规范要求。
一般低功耗无线连结
一般低功耗无线连结，是由一个传输装置，以及一个或多个接收器装置组成。传输装置由调变器、合成器、升频转换混频器，和功率放大器 (PA) 组成。接收器由回授装置、低噪声放大器 (LNA)、降频转换混频器、合成器和解调变器组成。
低功耗无线设备在效能与功耗之间必须有所取舍
外部放大器 (不论外部 LNA 或外部 PA) ，可加入需要扩大范围的系统中，以增加链接限度。图 1 显示在接收端加入外部 LNA 以提升无线连结限度的方法。这不仅能够符合 FCC 规定，而且可在不增加传输端复杂度的情况下提升连结限度。
低功耗无线连结的自由空间理论范围
无线连结范围的理论限制由 Friis 等式所决定 (等式1)：
(等式 1)
其中：Pr = 接收功率，Pt = 传输功率，Gt = 传输天线增益，Gr = 接收天线增益，范围 = 天线距离 (米)。
Friis 等式定义无线连结的理论限制，然而所有现实系统中的链接，都无法达到这么好的程度。
例如，如果使用 Friis 等式计算 2.45GHz 无线连结的最大范围，其收发器输出功率为 -1.25dBm，接收灵敏度为 -100dBm，两个天线的增益均为 2.14dBi。需要注意的是，2.14dBi 是双极天线的理论增益，如果考虑损耗，则一般达不到如此的值。
然而，如果想在现实环境中达到这些结果，是不切实际的。因为自由空间辐射的假设不适用于地面系统。对于可视距离的应用而言，100m～200m范围的无线连结效果较好，对于一般多路径环境而言，50m ～100m范围的效果较好。
若要增加系统范围，可以选择以下的方法。每种方法都可以扩大系统范围，不过都必须增加功耗或整体系统成本。
首先需要考虑运作频率和天线。两者均不耗用电流，应该在加入外部功率放大器及/或低噪声放大器之前进行评估。
1. RX 和 TX 天线增益使范围，乘以天线增益的平方根，随着天线需求提高，尺寸和价格也随之增加。
2. 运作频率与范围呈现线性关系。运作频率愈低，范围愈大。但可用带宽会随频率降低而减少，导致整体数据速率降低。
以下两种方法也可以增加系统范围，但是也会增加功耗和整体系统成本。
1. 增加收发器 (Pt) 输出功率，会使范围乘以功率的平方根。例如，CC2590 可达到 14dBm，如此可使得系统在耗用 25mA 的电流时达到 15.25dB。CC2591 可达到 22dBm，如此可使得系统在耗用 112mA 的电流时达到 23.25dB。
2.增加输入灵敏度 (Pr)，会使范围乘以灵敏度的平方根。一般外部LNA 耗用约 2mA～4mA 的电流，因此，如果想要达到充分的效能，在不考虑任何 FCC/ETSI 规定的前提下，相较于外部 PA，这种方法较占有优势。
对于传输功率超过 -1.25dBm 的系统而言，FCC 要求使用跳频机制以符合规范 [1]。这种机制有相当程度的难度，而且需要大量使用处理器，因此，对于真正的低功耗无线系统而言，使用其他方法增加范围较为妥当。
为了评估提高接收灵敏度的可能性，本文使用 CC1101 (以 915MHz 运作的低功耗无线收发器) 进行实验。选择这款装置是因为它以低于本文讨论的两个频带运作。
优化接收灵敏度的方法
接收器的接收灵敏度值，受到接收链中的许多配置区块所影响。图 1 显示低功耗无线接收器的一般架构。如果忽略缆线和匹配损耗，接收器只剩下四个子系统：内部 LNA、降频转换混频器、模拟数字转换器(ADC) 和侦测器。
(等式 2)
其中：F = 整体系统噪声系数，Fn = 各个子系统的噪声系数，Gn = 各个子系统的增益 (损耗)。
等式 2 表示在指定各个子系统的噪声数 (Fn) 和增益 (Gn) 情况下，接收链的串接噪声系数。需要注意的是，第一个子系统的噪声系数，是整体噪声系数的主要部份。如果第一个子系统呈现高增益，则系统其余部份的噪声系数就显得不重要，这是因为各个后续系统的噪声系数，均除以前一个子系统的增益。
藉由测量某个系统，在指定比特率下达到的位错误率 (BER) 效能，并得知接收器 (RX) 滤波带宽，即可得出系统噪声系数。CC1101 和 CC2500 收发器的结果约为 18dB。相较于最新款外部LNA [3]，这并非最佳的结果，但优于其他低功耗无线收发器。
在此实验中，将 Infineon BGB707L7 LNA ，加入运作频率为 915MHz 的 CC1101 无线射频装置，针对使用 9.6kHz 频率偏移 FSK 调变的 38.4kbps 低数据速率进行配置。外部 LNA 可达到低于 1dB 的噪声系数，和 20dB 的增益，同时耗用 2.5mA 的电流 [3]。极低噪声系数和高增益的组合，相当适合这类寻求高接收灵敏度的应用。
图2显示接近 15dB 的接收灵敏度改善，是在 CC1101 收发器前端，使用 Infineon BGB707L7 LNA 所达到的结果。这些结果亦可移植到许多 TI 装置，包括 CC2500 和其他 TI 低功耗 RF SoC 装置，例如 CC2500 和 CC2530。
本例使用 CC2590 ，加入外部 LNA，或增加外部 PA，而得到相同的连结限度增益，亦即 15dB，因此，很容易就能够将效能提高，和功耗两者相互比较。需要注意的是，CC2590 耗用 25mA 的电流，增加 15dB 的连结限度，而 LNA 仅耗用 2.5mA 的电流，因此，增加输出功率之前，在系统中加入良好的 LNA 有极大的帮助。
结论
根据本实验，在增加输出功率以前，加入低噪声放大器，有助于优化接收器灵敏度，因为 1) 在增加相同范围的情况下，可达到更低的功耗，而且 2)不需要任何跳频机制，因此使得收发器的复杂度降低 [1]。
References
[1] Sylla, Iboun, Texas Instruments, “Understanding Regulations when Designing a Wireless Product in the Unlicensed Frequency Bands (Part 1 of 3),” by Planet Analog, October 26, 2009.
[2] The receive performance achieved in the example provided comes from TI’s CC1101 and CC2500 datasheets.
[3] Infineon’s Low-Noise Amplifier (LNA) BGB707L Datasheet? 7.
Also download here TI’s CC2530 and CC2430 datasheets.
关于作者
Thomas Almholt 现任德州仪器低功耗 RF 部门资深 RF 应用工程师，本身拥有多种完全整合式 GSM/EDGE 兼容装置 RF 系统验证的技术主管资历，并拥有丹麦奥尔堡大学 RF 系统及电信工程硕士学位。Thomas 的电子信箱为 ti_talmholt@list.ti.com。
