使用天線分集打造穩(wěn)固的無線電通信鏈接

Nick Dutton

摘要：文章介紹了影響無線電通信鏈路持續(xù)穩(wěn)定的主要因素，通過對低成本、易實現的無線分集技術的介紹，講述了它如何實現多變的無線電通信鏈接品質。

關鍵詞：無線電通信；無線電通信鏈接；天線分集；RFIC

對于許多人來說，無線電通信就像一個神秘的黑匣子，設計中面臨的挑戰(zhàn)可能很多、學習曲線也高，因此最好是留給其他人去做。這種誤解總是一再出現，但實際上，對于擁有高集成度射頻集成電路(RFIC)的供應商來說，這個任務卻出奇的簡單。

最初，許多設計者可能會擔心區(qū)域規(guī)范的復雜性問題。因為世界區(qū)域不同規(guī)范也各異。然而，只要多加研究便能了解并符合不同區(qū)域的法規(guī)，因為在每一個地區(qū)，通常都會有一個政府單位負責頒布相關文件，以說明“符合特定目的”的發(fā)射端相關的規(guī)則。

無線電通信中更難于理解的部分在于無線電通信鏈路質量與多種外部因素相關，多種可變因素交織在一起產生了復雜的傳輸環(huán)境。而這種傳輸環(huán)境通常很難解釋清楚。然而，掌握基本概念往往有助于理解多變的無線電通信鏈接品質，一旦理解了這些基本概念，其中許多問題可以通過一種低成本、易實現的被稱作天線分集(antenna diversity)的技術來實現。

環(huán)境因素的考慮

影響無線電通信鏈路持續(xù)穩(wěn)定的首要環(huán)境因素是被稱為多徑／衰落和天線極化／分集的現象。這些現象對于鏈路質量的影響要么是建設性的要么是破壞性的，這取決于不同的特定環(huán)境?？赡馨l(fā)生的情況太多了，于是，當我們試著要了解特定的環(huán)境條件在某個時間點對無線電通信鏈接的作用，以及會造成何種鏈接質量時，這無疑是非常困難的。

天線極化/分集

這種被稱為天線極化的現象是由給定天線的方向屬性引起的，雖然有時把天線極化解釋為在某些無線電通信鏈路質量上的衰減，但是一些無線電通信設計者經常利用這一特性來調整天線，通過限制收發(fā)信號在限定的方向范圍之內達其所需。這是可行的，因為天線在各個方向上的輻射不均衡，并且利用這一特性能夠屏蔽其他來源的射頻噪聲。

簡單的說，天線分為全向和定向兩種。全向天線收發(fā)信號時，在各個方向的強度相同，而定向天線的收發(fā)信號被限定在一個方向范圍之內。若要打造高度穩(wěn)固的鏈接，首先就要從了解此應用開始。例如：如果一個鏈路上的信號僅來自于特定的方向，那么選擇定向天線獲益更多。裝有定向天線的接收器接收位于由天線方向屬性決定的視線方向范圍之內的發(fā)射器發(fā)出的信號，而其他位于該方向范圍之外的發(fā)射器發(fā)出的信號被屏蔽。

裝有定向天線的發(fā)射器發(fā)射它的大部分能量到預定的方向上，而不是在所有方向上發(fā)射，同時也不會減小它的覆蓋能力。

為了簡化對天線剖面的理解，天線廠商提供了天線輻射圖。天線輻射圖有不同的格式，如E面圖(E plane plot)和波瓣圖(polar plot)，如圖1。除了方向性或形狀外，E面圖提供了大量信息，但通常不如波瓣圖表述的那樣清楚明了。波瓣圖被設計成類似指南針，使得對于任意給定方向上的天線增益更易理解。

在圖2中，工程師能看到一個高級的二維視圖。指示在預定的平面上天線如何運行。然而天線也傾向于在其他軸上改變特性，但通常不提供三維圖形數據，因為這會顯著增加圖表的復雜性。拉桿天線是一個典型的全向天線，它有一個簡單的三維剖面。在平面圖中，拉桿天線能提供極佳的覆蓋，但是在三維圖形中，它們在本身正上方或正下方的表現極差，這有助于我們能更了解天線被放在兩層的室內環(huán)境中的情況。

通常，由于RF信號會被墻壁和其他室內物體反射，因此不易觀察到天線極化的效果，然而，仍可以觀察到其它對RF信號可能是建設性或破壞性的作用，此作用被稱為多徑／衰減。當發(fā)射器或接收器有些小移動，且對鏈接質量造成極大差異時，通常便會觀察到此種衰減現象。當天線在接收和傳送信號的波峰時便會發(fā)生此情況。

多重路徑則是此概念的延伸。當無線電通信電波被傳送時，它們被接收器接收的路徑可能不只一條，由于其他物體(例如墻壁和樹木)的反射形成多重路徑，信號可能來自多個路徑。接收這些來源的信號，其到達的時間可能會有些微小差距，這就意味可能會發(fā)生輕微的相位偏移。當這些信號結合在一起，它們可能會導致“衰減”這種消失的形式。最差的情況之一，是兩個信號以相差180。的相位到達接收器，接收器將無法看到任何數據、造成100％的信號衰減。在大部分的情況中，接收器不太可能會接收到相位偏移達180。的兩個信號，但是當多重路徑的環(huán)境出現時，某些相位偏移還是有可能發(fā)生的，在這些情況下，便會發(fā)生某些信號衰減。

天線分集

天線分集是一種被用以恢復信號完整度的技術。在產品中實現天線分集的天線，與另一個天線有一個呈90~的天線架，如此極化／定向性的影響將不會降低潛在無線電通信鏈接的質量。除此之外，實現天線分集的產品中的各個天線，其天線架的位置皆會維持至少1／4波長的距離，如此能確保至少有一個天線是在波形的波峰中。

雖然天線分集對于恢復信號完整度，以及維持鏈接邊界免受環(huán)境影響等頗有益處，但是必須在其它方面做出很大的犧牲，意味著微控制器(MCU)整體成本的增加，因為微控制器必須長時間待命，以時時評估天線信號。增加的微控制器功能將會導致需要規(guī)格更高和更貴的微控制器，而微控制器必須“隨時待命”，也造成電池壽命縮短。在其他情況中，采用兩個天線的解決方案將增加額外的空間需求，或是需要其它的編碼專業(yè)技能，這些都限制設計人員只能采用單一天線設計。

編碼一個天線分集系統(tǒng)將會增加設計上的編碼負擔。許多天線分集系統(tǒng)會經過最佳化，以同步方式運作。接收器上的微控制器具有定時功能，讓接收器知道何時要開始接收數據，在這些情況下，微控制器可立刻開始評估兩個天線的信號。為評估此信號，微控制器會切換各個天線并評估接收信號強度指示(RSSI，Received Signal Strength Indication)水平。在接收器并未采用定時器的其它產品中，無線電通信必須去偵測一個打包的開始，因為前導信號可能會被誤判為噪聲(或反之亦然)，不幸的是，特定天線中的強烈噪聲可能會導致打包的開始被錯過。

較長的前導信號通常是用來提供給微控制器及其天線分集算法足夠的時間，去偵測和評估每一天線上的信號，確保能發(fā)現真正的前導信號，但是較短的前導信號比較受到青睞，因為它們能減少微控制器待命的時間，進而降低射頻鏈接傳輸和接收端的微控制器功耗。工程師通常會試圖找出折衷之道，他們會通過調整天線分集算法以降低前導信號的長度，但是卻得冒著會造成其它無線電通信相關問題的風險，因為前導序列通常都經過最佳化，可提供快速的位頻率回復。

將天線分集設計到系統(tǒng)中顯然有許多好處，然而這個任務本身卻讓人膽怯，Silicon Labs的EZRadioPRO射頻Ic系列能通過將天線分集算法和控制集成至RF Ic本身，進一步解決編碼和MC嘴命的相關問題。

EZRadioPRO并不依賴發(fā)射器／接收器同步法，這讓采用EZRadioPRO的產品能節(jié)省RF鏈接兩端的耗電，且當接收信號低于信號質量(SQ)門坎，其可定期切換天線，借此來克服錯過打包的問題。此信號質量門坎為根據接收器靈敏度或是有效信號門坎，而天線的選擇則是根據有效信號指示。一旦接收器選擇了一個天線，此接收器將繼續(xù)利用此天線接收其余的打包。

為確認此天線切換的頻率足以捕捉天線之一的打包，每當此算法進入“測量SQ”功能時，便會啟動一個定時器。

最少切換時間：TPL/N

其中：TvL為在特定信號部分中可被容許用來選擇天線的最長時間(例如打包的前導信號)N是分集接收器所采用的天線數目。

在“Measufe sq”功能工作期間，會針對信號質量(sQ)進行測量，若SQ低于信號質量門坎，或是定時器時間結束，則天線會被切換，且會再次啟動“測量SQ”狀態(tài)。另一方面，若測量到的SQ高于SQ門坎，則接收器會持續(xù)使用被選擇到的天線，進行剩余打包的接收。

可能的情況是，當天線因為有效信號指示而被選擇時，其信號質量仍可能比最佳信號差，這是因為在天線上進行的測量可能在打包到達前就先被噪聲占據了。在首個有效信號質量指示產生時，在選擇具有最高信號質量的天線前，EzRadioPRO天線分集算法會先檢測其它天線，看看是否有更高的信號質量。