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(xiàn)的無線分集技術(shù)的介紹，講述了它如何實現(xiàn)多變的無線電通信鏈接品質(zhì)。

關(guān)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(shè)計中面臨的挑戰(zhàn)可能很多、學(xué)習(xí)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(xiàn)，但實際上，對于擁有高集成度射頻集成電路(RFIC)的供應(yīng)商來說，這個任務(wù)卻出奇的簡單。

最初，許多設(shè)計者可能會擔(dān)心區(qū)域規(guī)范的復(fù)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(zé)頒布相關(guān)文件，以說明“符合特定目的”的發(fā)射端相關(guān)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(zhì)量與多種外部因素相關(guān)，多種可變因素交織在一起產(chǎn)生了復(fù)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(zhì)，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(xiàn)的被稱作天線分集(antenna diversity)的技術(shù)來實現(xiàn)。

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(xiàn)象。這些現(xiàn)象對于鏈路質(zhì)量的影響要么是建設(shè)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(dāng)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(zhì)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(xiàn)象是由給定天線的方向?qū)傩砸鸬模m然有時把天線極化解釋為在某些無線電通信鏈路質(zhì)量上的衰減，但是一些無線電通信設(shè)計者經(jīng)常利用這一特性來調(diào)整天線，通過限制收發(fā)信號在限定的方向范圍之內(nèi)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(nèi)。若要打造高度穩(wěn)固的鏈接，首先就要從了解此應(yīng)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?qū)傩詻Q定的視線方向范圍之內(nèi)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(yù)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(shè)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(yù)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(shù)據(jù)，因為這會顯著增加圖表的復(fù)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(xiàn)極差，這有助于我們能更了解天線被放在兩層的室內(nèi)環(huán)境中的情況。

通常，由于RF信號會被墻壁和其他室內(nèi)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(shè)性或破壞性的作用，此作用被稱為多徑／衰減。當(dāng)發(fā)射器或接收器有些小移動，且對鏈接質(zhì)量造成極大差異時，通常便會觀察到此種衰減現(xiàn)象。當(dāng)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(dāng)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(dāng)這些信號結(jié)合在一起，它們可能會導(dǎo)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(shù)據(jù)、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(dāng)多重路徑的環(huán)境出現(xiàn)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(fù)信號完整度的技術(shù)。在產(chǎn)品中實現(xiàn)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(zhì)量。除此之外，實現(xiàn)天線分集的產(chǎn)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(fù)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(dǎo)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(shè)計人員只能采用單一天線設(shè)計。

編碼一個天線分集系統(tǒng)將會增加設(shè)計上的編碼負擔(dān)。許多天線分集系統(tǒng)會經(jīng)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(shù)據(jù)，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(chǎn)品中，無線電通信必須去偵測一個打包的開始，因為前導(dǎo)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(dǎo)致打包的開始被錯過。

較長的前導(dǎo)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(xiàn)真正的前導(dǎo)信號，但是較短的前導(dǎo)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(diào)整天線分集算法以降低前導(dǎo)信號的長度，但是卻得冒著會造成其它無線電通信相關(guān)問題的風(fēng)險，因為前導(dǎo)序列通常都經(jīng)過最佳化，可提供快速的位頻率回復(fù)。

將天線分集設(shè)計到系統(tǒng)中顯然有許多好處，然而這個任務(wù)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(guān)問題。

EZRadioPRO并不依賴發(fā)射器／接收器同步法，這讓采用EZRadioPRO的產(chǎn)品能節(jié)省RF鏈接兩端的耗電，且當(dāng)接收信號低于信號質(zhì)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(zhì)量門坎為根據(jù)接收器靈敏度或是有效信號門坎，而天線的選擇則是根據(jù)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(dāng)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(dǎo)信號)N是分集接收器所采用的天線數(shù)目。

在“Measufe sq”功能工作期間，會針對信號質(zhì)量(sQ)進行測量，若SQ低于信號質(zhì)量門坎，或是定時器時間結(jié)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(dāng)天線因為有效信號指示而被選擇時，其信號質(zhì)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(jù)了。在首個有效信號質(zhì)量指示產(chǎn)生時，在選擇具有最高信號質(zhì)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(zhì)量。