无线短程设备：设计面向<1 GHz频率的全球免许可系统

Austin Harney 和 Conor O'Mahony

短程设备（SRD）一词旨在涵盖提供单向或双向通信且对其他无线电设备造成干扰的能力很小的无线电发射机。人们无法列出SRD的所有应用，因为它们提供了许多不同的服务。他们更受欢迎的应用包括：

家庭或其他楼宇自动化系统的远程控制

无线传感器系统

警报

汽车，包括远程无钥匙进入和远程汽车启动

无线语音和视频

SRD无线系统的设计人员在选择无线电的通信频率时需要格外小心。在大多数情况下，选择仅限于频谱中允许免许可操作的部分，因为满足某些使用规范和条件。表I列出了全球可用的频段。

表 I. 全球 SRD 频率分配

 

全球频率	分配注释
13.56兆赫	用于近场通信
40兆赫	不经常使用，可长距离使用
433兆赫	需要为美国降低功率
2.4千兆赫	全球流行乐队
5.8千兆赫	某些系统从 2.4 GHz 上频
多区域分配	评论
868兆赫/915兆赫	适用于欧洲/美国/加拿大/澳大利亚/新西兰

 

2.4 GHz频段被希望构建可在全球范围内运行的系统的设计人员广泛使用。事实上，它已成为蓝牙、WLAN 和 ZigBee 等标准的首选频段。5.8 GHz频段也引起了一些关注，例如无绳电话或802.11a版本的WLAN。

然而，对于需要更宽范围和更低功率的系统，由于共存问题减少和传输范围扩大，低于1 GHz频段仍然引人注目，因为这两者都会影响功耗 - 这是电池供电应用中的一个重要考虑因素。

低频辐射器传播范围的改善可以通过弗里斯传输方程的简化版本来显示，该方程涉及接收天线中的可用功率，Pr，传送到发射天线的功率，Pt:

该公式假设两个天线都有单位增益。它表明，对于固定的发射功率，Pt，接收功率将随距离的平方d和频率的平方f而减小（或随波长平方λ的增加而增加）。如果接收功率低于正确解调信号所需的最小功率（称为灵敏度点），链路将发生故障。

低于 1 GHz 的全球频率分配

表 II 给出了各种 sub-1 GHz 标准的更详细描述。这不是一个详尽的列表，但可以通过表中提供的链接找到更多详细信息。

表二.一些常见的区域 SRD 频段

 

地区	相关标准	频段 （兆赫）	相关链接
欧洲	ERC REC 70-03 EN 300 220 （00年300月） EN 220 06 （<>年<>月）	433.0 至 434.79 868.0 到 870 863.0 到 870	http://www.ero.dk/ http://www.etsi.org
美国。	FCC 标题 47 第 15.231 部分 第 15.247 部分	260 到 470 902 到 928	http://www.access.gpo.gov/nara/cfr/ waisidx_04/47cfr15_04.html
加拿大	RSS-210	260 到 470 902 到 928	http://strategis.ic.gc.ca/epic/internet/insmt-gst.nsf/en/sf01320e.html
日本	阿里布 STD-T67	426.0375 至 426.1125 429.175 至 429.7375	http://www.arib.or.jp/english/
中国	中华人民共和国无线电规则	315.0 至 316.0 430.0 至 432.0
澳大利亚	AS/NZS 4268：2003	433.05 至 434.79 915 到 928	http://www.acma.gov.au/ACMAINTER.131180

 

433 MHz频段是全球使用的一种选择，日本需要稍作频率修改（大多数现代频率灵活的收发器都可以轻松处理，例如ADF7020（如下图1所示）或ADF7021）。然而，可用的带宽小于2 MHz，并且该频段通常不允许语音，视频，音频和连续数据传输等应用，从而限制了其使用。因此，它更常用于无钥匙进入系统和基本遥控。

图1.ADF7020 SRD收发器的框图

868 MHz（欧洲）和 902 MHz 至 928 MHz（美国）周围的频段更有用;它们不限制应用，并且允许更紧凑的天线实现。其他地区，如澳大利亚和加拿大，已经采用了这些规范的版本，从而使频段成为多区域频段，尽管不是完全全球化的。

然而，在最新的EN 300 220规范之前，美国和欧洲机构采取了截然不同的监管方法。美国采用跳频方法，而欧洲则在ERC REC-70文件中描述的每个子频段中应用占空比限制。这两种实现都有助于最大限度地减少干扰，但为这两个区域设计系统的制造商需要完全重写系统通信协议中的媒体访问层（MAC）。

幸运的是，最新的欧洲EN 300 220法规（将于2006年<>月发布）扩展了频段，以允许跳频扩频（FHSS）或直接序列扩频（DSSS）。这使得MAC实现更类似于为美国设计的MAC实现，但仍需要进行一些微调。以下各节介绍新规范的某些方面，涵盖 SRD 系统设计人员需要考虑的领域。

跳频系统

跳频扩频（FHSS）传输技术通过将频谱划分为多个通道，以伪随机序列或“跳频码”在它们之间切换，从而在时域中传播能量，接收器和发射器都知道。为了欢迎新节点加入网络，控制器节点会定期发出信标信号，新节点可以同步到该信号。同步时间取决于信标间隔和跳频通道数。美国和欧洲标准都规定了相似数量的跳频通道，最大停留时间（在任何单跳期间在特定频率上花费的时间）为 400 毫秒。

表III显示了使用FHSS时欧洲扩展频段（低于870 MHz）的信道数量、有效辐射功率（ERP）和占空比要求。与之前可用的 7 MHz 范围相比，一旦满足先听后说 （LBT） 或占空比限制，可提供高达 2 MHz 的带宽。

表三.欧洲渠道要求

 

子带	跳频通道数	功率/磁场	其他要求
865兆赫至868兆赫	≥60	≤25 mV ERP	LBT 或 <1% Tx 占空比
863兆赫至870兆赫	≥47	≤25 mV ERP	LBT 或 <0.1% Tx 占空比

 

先听后说是一种“礼貌”通信协议，在开始传输之前扫描信道的活动。也称为清晰信道评估（CCA），将其与跳频一起使用的系统没有占空比限制。

宽带调制：DSSS

除FHSS外，欧洲新法规还涉及直接序列扩频（DSSS）。在DSSS系统中，窄带信号乘以高速伪随机数（PRN）序列以产生扩频信号。每个PRN脉冲称为“芯片”，序列的速率称为“芯片速率”。原始窄带信号的传播程度称为处理增益;它是芯片速率（Rc）到窄带数据符号速率。FHSS和DSSS的频谱在图2中进行了比较。

图2.FHSS和DSSS的频谱。

在接收器处，输入的扩频信号与相同的PRN码相乘以去扩频信号，从而提取原始窄带信号。同时，接收器上的任何窄带干扰源都会扩散，在解调器看来是宽带噪声。为系统中的每个用户分配不同的PRN码允许在同一频段的用户之间进行隔离。这称为码分多址 （CDMA）。

使用DSSS调制的系统的一些示例包括IEEE 802.15.4（WPAN），IEEE 802.11（WLAN）和GPS。DSSS的主要优点是：

抗干扰能力 – DSSS 抗干扰能力的本质是有用信号乘以 PRN 代码两次（扩增和去扩增），而任何干扰源仅乘以一次（扩增）。

低功率频谱密度 – 对现有窄带系统的干扰最小。

安全性 – 由于扩散/分散，非常抗干扰。

缓解多路径效应

除DSSS或FHSS以外的宽带调制。

欧洲新法规的一个有趣方面是，除了FHSS和DSSS之外，它们还提供了其他宽带扩频调制方案。FSK/GFSK（高斯频移键控）调制，占用带宽大于200 kHz，根据欧洲法规被视为宽带调制。表IV突出显示了适用于欧洲宽带调制方案（包括DSSS）的主要规格：

表四.扩频调制（FHSS）和宽带调制的最大辐射功率密度、带宽和占空比限制

 

子带	占用带宽 （99%）	最大辐射功率密度	企业资源规划要求
865兆赫至868兆赫	0.6兆赫	6.2 分贝/100 千赫	1% Tx 占空比
865兆赫至870兆赫	3.0兆赫	–0.8 分贝/100 千赫	0.1% Tx 占空比
863兆赫至870兆赫	7.0兆赫	–4.5 分贝/100 千赫	0.1% Tx 占空比

 

利用FSK调制的宽带标准的一个示例是ISM频段收发器ADF7025。要在 865 MHz 至 870MHz 子频段内工作，设计必须符合最大占用带宽 （99%） 和最大功率密度限制。还规定了–36 dBm的通道边沿（或频段）最大功率限制。

如表V所示设置ADF7025时，满足所有三个限值。图3显示占用带宽为1.7569 MHz，峰值频谱密度为–1.41 dBm/100 kHz。

图3.ADF7025宽带调制实验结果：（a）FSK调制信号，99%占用带宽测量，（b）放大视图（a）测量最大功率谱密度。

表 V. ADF7025 宽带参数

 

频率	867.5兆赫
调制	.CS。
频率偏差	±250千赫
数据速率	384 千字节

 

ADF7025采用宽带调制，可实现高数据速率（本例中为384 kbps），允许在低于1 GHz的欧洲ISM频段内传输音频和中等质量视频（每秒几帧）。

美国法规（FCC 第 15.247 部分）的分配与欧洲类似，它规定了在 902 MHz 至 928 MHz、2400 MHz 至 2483.5 MHz 和 5725 MHz 至 5850 MHz 频段运行的跳频系统，同时还提供“数字调制”信号。这是一个松散的术语，涵盖了扩频（DSSS）和其他更简单的调制形式（如FSK，GFSK），因此类似于欧洲法规中的“宽带调制”规范。两个主要要求是：

最小 6 dB 带宽应至少为 500 kHz。

对于数字调制系统，在任何连续传输的时间间隔内，从有意辐射器传导到天线的功率谱密度在任何 8 kHz 频段中不得大于 3 dBm。

任何希望使用FHSS以外系统的人通常都必须将场强限制在50 mV/m（–1.5 dBm ERP）。但在“数字调制”的情况下，一旦达到最大功率谱密度限制，最大输出功率为1 W。因此，使用FSK频率偏差足够宽的ADF7025，以确保6 dB带宽大于500 kHz，允许使用1 W ERP。此外，由于信号带宽较宽，可以实现更高的数据速率（ADF384的最大数据速率为7025 kbps）。

ADF7025的同通道抑制在同信道范围内变化，范围为–2 dB（最坏情况）至+24 dB，具体取决于干扰源的带宽。这可以与市售的802.15.4 DSSS收发器进行比较，后者的同信道抑制为–4 dB，其中干扰信号是IEEE 802.15.4调制信号。

使用这些方法，类似的宽带调制系统现在可以在美国和欧洲使用，从而简化了面向全球市场的产品工程。ADF7025收发器架构适合在美国标准中定义的“数字调制”模式和新欧洲法规中定义的“宽带调制”模式下工作。

瞬态功率要求

工程师还应该了解欧洲法规中的一项新规范，该规范对瞬态功率施加了限制，瞬态功率定义为在正常工作期间打开和关闭发射器时落入相邻频谱的功率。此限制已添加到最新法规中，以防止光谱飞溅。

当流向功率放大器 （PA） 的电流增加（打开）或减少（关闭）时，压控振荡器 （VCO） 看到的负载会发生变化，导致锁相环 （PLL） 瞬间解锁并产生杂散发射或频谱飞溅，而环路则试图重新获取锁。在单元仅间隔传输的系统中，飞溅可以显着增加落入相邻通道的功率。

图4突出显示了光谱飞溅的问题。黄色迹线表示当PA每7020 ms打开和关闭一次，而频谱分析仪保持最大保持状态时，ADF100发射器的PA输出频谱。很明显，巨大的功率正在落入载波两侧的通道中。蓝色迹线显示PA输出每64 ms以100步斜坡打开和关闭，并表示落入相邻通道的功率大幅降低。最新的EN 8 5法规的规范300.220规定了落入这些相邻通道的功率量的限制。

图4.ADF7020输出频谱用于文中描述的测试。

测量过程要求变送器在最大输出功率下打开和关闭五次;并测量落入载波两侧的第二、第四和第十通道的功率。

确保符合此规范的最简单方法是使PA逐渐关闭或打开到关闭。这通常是通过使用微控制器分阶段打开/关闭PA来实现的。使用ADF7020收发器，最多可以14步将PA从关断步进至+63 dBm。一种更快、更简单的方法是使用具有自动PA斜坡的收发器。ADF7021具有可编程斜坡，用户可以设置每个步骤的步数和持续时间。

通信协议注意事项

ADI公司目前正在更新ADIismLINK（2.0版）协议软件，该软件可与任何ADF702x收发器配合使用。该协议旨在用于全球sub-1 GHz频段，并纳入了新的欧洲法规。它基于图 255 所示的星型网络（最多 5 个端点）。

图5.星形网络拓扑。

该协议的核心是一种具有避免冲突功能（CSMA-CA）的非时隙、非持久性载波检测多址方案。端点 （EP） 在传输 （LBT） 之前侦听信道，从而避免冲突。

该协议的非时隙方面意味着EP可以在获得数据后立即传输，但首先执行先听后说操作。此方法还可确保不需要同步。如果 EP 检测到频道繁忙，它会在执行另一个 LBT 之前随机后退一段时间。这种退避发生的次数是有限的，因此协议的非持久性性质。在FHSS模式下，协议在每个跳频通道上使用此CSMA-CA系统，从而满足新欧洲法规的LBT要求。

ADIismLINK协议的物理层（PHY）和介质访问层（MAC）参数是高度可配置的，因此可以对器件和系统进行全面的评估。还提供了源代码，简化了系统开发过程。该协议是ADF702x开发套件（ADF70xxMB2）的一部分。ADIismLINK的系统概述如图6所示。有关这方面的更多信息，请访问ADI网站。

图6.ADIismLINK系统概述。

结论

新的欧洲法规对 863 MHz 至 870 MHz 频段的无线协议提出了非常具体的要求。无论系统使用单通道协议、FHSS 还是 DSSS，都必须遵守特定的规则。这当然使协议设计复杂化。然而，这些新的ETSI法规的好处是它们在许多方面反映了FCC Part 15.247法规，从而简化了用于多区域使用的协议的设计。此外，ADI公司的开发套件还包括协议示例，以简化设计短程无线网络所涉及的挑战。

审核编辑：郭婷