一种多频段无线通信测试
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摘要：以433MHz、905MHz及2．4GHz三个通信频段为研究对象，以点对点方式为基本通信方式，对其在不同地点不同距离不同环境进行测试，并尝试通过增加高精度放大器的方法提高系统性能。通过试验可知通信距离与频率成反比，接收效果与频率成反比，且与发射点接收点位置密切相关，加入PA通信距离增加了40％。实验结果表明，通信试验数据与电磁学理论相吻合，证明了本文试验方法的可行性与有效性，同时系统可通过加入PA的方法，使系统通信过程稳定可靠，提高系统品质指标。
关键词：频段；PA；无线通信；点对点；障碍
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引言
无线通信技术起源于20世纪初期，在20世纪90年代中期以前，有线网络始终发展较快，无线网络只用于军事、海上等特殊环境。20世纪90年代中期以后，民用无线网络技术开始迅猛发展，广泛应用于资源的无线共享、无线数据传输、设备监控、无线智能家居及无线智能交通等领域，具有广阔的应用前景。目前，随着无线通信技术的发展，针对不同频段通信距离的测试成为当今热点研究课题之一。本文将Nordic公司推出了单片射频收发器nRF905和nRF2401作为主通信芯片，以433MHz、905MHz及2．4GHz三个通信频段为研究对象，对其通信距离和抗干扰性进行测试。
测试系统设计
测试硬件电路包括nRF2401无线通信接口、nRF905无线通信接口单片机89LV51组成，电路原理如图1所示，其主要功能是：通过无线通信接口发出控制指令，收发通信数据。
本文选用通道1(DATAl、CLKl、DRl)作为无线收发模块nRF2401和单片机89LV51之间的数据通道。CLKl是单片机89LV51向无线收发模块nRF2401的时钟输出线，DRI是无线收发模块NRF2401向单片机89LV51发送的中断信号接口，当无线收发模块NRF2401有数据准备向单片机89LV51发送时，DRl产生高电平，则三极管N2导通，单片机89LV51响应引脚变为低电平，产生中断，单片机89LV51置接收模式，无线收发模块nRF2401通过DATAl向单片机89LV51发送数据。无线收发模块nRF905 SPI接口(SPI_SCK、SPI_MOSI、SPI_MISO、SPI_CSN)是无线收发模块nRF905和单片机89LV51之间的数据通道。在配置模式下，单片机89LV51通过SPI_MOSI给无线收发模块nRF905配置参数；在发射／接收模式下，无线收发模块nRF905通过SPI_MOSI与SPI_MISO和单片机89LV51之间进行数据传输。CD是无线收发模块nRF905向单片机89LV51提供的载波检测输出。AM是无线收发模块nRF905向单片机89LV51提供的地址匹配输出。DR是无线收发模块nRF905向单片机89LV5l发送的中断信号接口，当无线收发模块nRF905有数据准备向单片机89LV51发送时，DR产生高电平，则三极管N1导通，单片机89LV51响应引脚变为低电平，产生中断，单片机89LV51置接收模式，无线收发模块nRF905通过SPI_MISO向单片机89LV51发送数据。
测试环境与方法
在测试中，将其分为室内测试与室外测试两部分，室内测试试验地点为沈阳建筑大学教学区。教学区其主要特征有：楼层的间距大，其余各层高度均在4m以上；墙体厚度为400mm；窗户大，宽约l．2m到3米不等；整个教学区为网格化结构，楼与楼间距为75米。为了使测试具有代表性，所选的楼宇均是用钢筋混凝土浇铸而成的新式楼房，对电磁波的屏蔽较好。发射天线与接收天线相对位置随机，来模拟课题项目实际的工程环境。在室外测试中，将发射天线置于教学区实验楼顶楼一侧，测试点沿环校道路选取，要求接收天线与放射天线可视，中间无障碍。测试选用频点为常用的无线仪表控制的三个频段内的频点，433MHz、915MHz和2．4GHz。由于工作条件限制，取某点的平均功率有一定难度，为了避免快速衰落的影响，下面的测试数据如无特殊说明，均是在测试点附近，信号稳定时的数据。在测试中，设发送的数据包大小为32字节，数据速率为9600bps。由主到从、由从到主分别发送100个数据包，记录接收到正确数据包的数量并折算成百分比准确率，用以判断测试效果及通信距离。
测试结果与分析
在室内测试时，将发射点置于室内窗边，接收点分别置于其他房间的大窗边(接收点1)、墙边(接收点2)与角落处(接收点3)，距离相等的其他房间小窗口边(接收点4)，通信距离与效果图如图2到图5所示。
由实验可知：通信距离与频段的频率成反比；同一间房中，基本上是越靠近窗户的点信号接收效果越好，墙边角落附近的点往往衰减较快，特别是角落处衰减成接近阶跃函数；接收效果与频段的频率成反比；发现在同种房间结构下，均是离窗口较近的点的衰落较快，较远的点的衰减较慢，但衰落的速度有所不同：窗户比例大，信号衰落最慢，窗户比例小的房间信号相对衰落较快。
这是由于在室内复杂的环境中，由于墙、天花板和屋内阻挡物的反射、折射和散射，发射信号往往有多条路径到达接收机，从而导致多径衰落效应。在建筑物内，有障碍的传播路径(NLOS)将经历Rayleigh衰落，对视距路径(LOS)将经历莱斯衰落，这两种快衰落对通信系统的影响很大。对于窄带信号，在两个波长的范围内，将会有较强的相位和包络抖动，而对于宽带信号，往往是会有一系列的延时和衰减回声冲击。
在室外测试时，将发射点置于房间窗边，接收点沿环校路设置，测量其与发射点的水平距离，并在晴天与雪天进行对比测试结果如图6至其图7所示。
由实验可知：通信距离与频段的频率成反比；接收效果与频段的频率成反比；但天气气候较为恶劣时(如雨天、雪天、大风天气)通信距离与效果明显变差。
由经典电磁理论理论可知，自由空间传播距离与发射功率、接收灵敏度以及所使用的载波频率有关，可用下式描述：
式中，D为传播距离；Lp为自由空间传播损耗量；C为光速；F为载波频率。由计算可知，433MHz频段的最大传输距离为8440米，905MHz频段的最大传输距离为3994米，2．4GHz频段的最大传输距离为l520米。同时又电磁理论可知，电磁波在向外传播的过程中，自由空间传播损耗随着通信距离的增加而显著增加，Lp值是一个变化量，且在环境较差的情况下(如雨雪大风天气或室内封闭环境)，需要乘一个影响因子，而且由于一些不确定因素的影响，传输距离无法达到理论的长度，由此可知实验结果与经典电磁理论相符合，实验数据可靠。
传输距离扩展设计
在实际工程中，往往需要不改变其通信频率而实现其增加通信距离的要求。此时，可先考虑选择合适的天线。在最佳天线仍不能满足要求的情况下，可以考虑增大输出功率。
nRF2401的输出功率为OdBm，消耗电流很小。在没有增加外部放大器的情况下，很适合实际应用。如果增加了外部放大器，将增加系统的复杂度和功耗。射频功率放大器的典型有效额定范围是35％，3到6dB的损耗。这些是放大器和开关装置可以预计的。3到6dB的损耗必须设计时加以弥补。
上述设计的关键是找到合适的功率放大芯片和RF开关。本例使用了Maxim公司的Max2240PA。RF开关也很常见，本例使用了三洋的SpM321，它的介入损失是0．65dB。同时为保证系统良好的性能，在布线时，连线应尽量缩短且所有的VDD电源必须采用星型布线，并且要和Ic的GND去耦合。加入PA后进行对比试验，结果如图8所示。
由图可知，加入PA后通信距离增加了40％，通信效果得到改善，达到了设计目的。同样，当使用nRF905芯片时，只要选择同频的RE开关于放入器便可达到上述效果。
结语
本文通过各类试验，得到了常用的三类频段通信距离与效果的测试数据，为今后的实践工程选取无线通信模式提供了参考，并针对实际工程需要，给出了改进方法，提高了系统的抗干扰性、可靠性，同时增加了系统的通信距离，达到了设计目的。在下一步的工作，应将重点放在不增加系统功耗而提高系统通信距离上，在低功耗下实现系统的长距离无线通信。
参考文献
1．袁玉湘，李国林，‘433MHz／900MHz楼内楼间无线信道模型’，清华大学学报，2005．
2．Xiaoyan Hong，Kaixin Xu，MarioGerda．‘Scalable p,outing Protocols For MobileAd hoc Networks’，IEEENetwork,2002．