一種多頻段無線通信測試

摘要：以433MHz、905MHz及2．4GHz三個通信頻段為研究對象，以點對點方式為基本通信方式，對其在不同地點不同距離不同環境進行測試，并嘗試通過增加高精度放大器的方法提高系統性能。通過試驗可知通信距離與頻率成反比，接收效果與頻率成反比，且與發射點接收點位置密切相關，加入PA通信距離增加了40％。實驗結果表明，通信試驗數據與電磁學理論相吻合，證明了本文試驗方法的可行性與有效性，同時系統可通過加入PA的方法，使系統通信過程穩定可靠，提高系統品質指標。

關鍵詞：頻段；PA；無線通信；點對點；障礙

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引言

無線通信技術起源于20世紀初期，在20世紀90年代中期以前，有線網絡始終發展較快，無線網絡只用于軍事、海上等特殊環境。20世紀90年代中期以后，民用無線網絡技術開始迅猛發展，廣泛應用于資源的無線共享、無線數據傳輸、設備監控、無線智能家居及無線智能交通等領域，具有廣闊的應用前景。目前，隨著無線通信技術的發展，針對不同頻段通信距離的測試成為當今熱點研究課題之一。本文將Nordic公司推出了單片射頻收發器nRF905和nRF2401作為主通信芯片，以433MHz、905MHz及2．4GHz三個通信頻段為研究對象，對其通信距離和抗干擾性進行測試。

測試系統設計

測試硬件電路包括nRF2401無線通信接口、nRF905無線通信接口單片機89LV51組成，電路原理如圖1所示，其主要功能是：通過無線通信接口發出控制指令，收發通信數據。

本文選用通道1(DATAl、CLKl、DRl)作為無線收發模塊nRF2401和單片機89LV51之間的數據通道。CLKl是單片機89LV51向無線收發模塊nRF2401的時鐘輸出線，DRI是無線收發模塊NRF2401向單片機89LV51發送的中斷信號接口，當無線收發模塊NRF2401有數據準備向單片機89LV51發送時，DRl產生高電平，則三極管N2導通，單片機89LV51響應引腳變為低電平，產生中斷，單片機89LV51置接收模式，無線收發模塊nRF2401通過DATAl向單片機89LV51發送數據。無線收發模塊nRF905 SPI接口(SPI_SCK、SPI_MOSI、SPI_MISO、SPI_CSN)是無線收發模塊nRF905和單片機89LV51之間的數據通道。在配置模式下，單片機89LV51通過SPI_MOSI給無線收發模塊nRF905配置參數；在發射／接收模式下，無線收發模塊nRF905通過SPI_MOSI與SPI_MISO和單片機89LV51之間進行數據傳輸。CD是無線收發模塊nRF905向單片機89LV51提供的載波檢測輸出。AM是無線收發模塊nRF905向單片機89LV51提供的地址匹配輸出。DR是無線收發模塊nRF905向單片機89LV5l發送的中斷信號接口，當無線收發模塊nRF905有數據準備向單片機89LV51發送時，DR產生高電平，則三極管N1導通，單片機89LV51響應引腳變為低電平，產生中斷，單片機89LV51置接收模式，無線收發模塊nRF905通過SPI_MISO向單片機89LV51發送數據。

測試環境與方法

在測試中，將其分為室內測試與室外測試兩部分，室內測試試驗地點為沈陽建筑大學教學區。教學區其主要特征有：樓層的間距大，其余各層高度均在4m以上；墻體厚度為400mm；窗戶大，寬約l．2m到3米不等；整個教學區為網格化結構，樓與樓間距為75米。為了使測試具有代表性，所選的樓宇均是用鋼筋混凝土澆鑄而成的新式樓房，對電磁波的屏蔽較好。發射天線與接收天線相對位置隨機，來模擬課題項目實際的工程環境。在室外測試中，將發射天線置于教學區實驗樓頂樓一側，測試點沿環校道路選取，要求接收天線與放射天線可視，中間無障礙。測試選用頻點為常用的無線儀表控制的三個頻段內的頻點，433MHz、915MHz和2．4GHz。由于工作條件限制，取某點的平均功率有一定難度，為了避免快速衰落的影響，下面的測試數據如無特殊說明，均是在測試點附近，信號穩定時的數據。在測試中，設發送的數據包大小為32字節，數據速率為9600bps。由主到從、由從到主分別發送100個數據包，記錄接收到正確數據包的數量并折算成百分比準確率，用以判斷測試效果及通信距離。

測試結果與分析

在室內測試時，將發射點置于室內窗邊，接收點分別置于其他房間的大窗邊(接收點1)、墻邊(接收點2)與角落處(接收點3)，距離相等的其他房間小窗口邊(接收點4)，通信距離與效果圖如圖2到圖5所示。

由實驗可知：通信距離與頻段的頻率成反比；同一間房中，基本上是越靠近窗戶的點信號接收效果越好，墻邊角落附近的點往往衰減較快，特別是角落處衰減成接近階躍函數；接收效果與頻段的頻率成反比；發現在同種房間結構下，均是離窗口較近的點的衰落較快，較遠的點的衰減較慢，但衰落的速度有所不同：窗戶比例大，信號衰落最慢，窗戶比例小的房間信號相對衰落較快。

這是由于在室內復雜的環境中，由于墻、天花板和屋內阻擋物的反射、折射和散射，發射信號往往有多條路徑到達接收機，從而導致多徑衰落效應。在建筑物內，有障礙的傳播路徑(NLOS)將經歷Rayleigh衰落，對視距路徑(LOS)將經歷萊斯衰落，這兩種快衰落對通信系統的影響很大。對于窄帶信號，在兩個波長的范圍內，將會有較強的相位和包絡抖動，而對于寬帶信號，往往是會有一系列的延時和衰減回聲沖擊。

在室外測試時，將發射點置于房間窗邊，接收點沿環校路設置，測量其與發射點的水平距離，并在晴天與雪天進行對比測試結果如圖6至其圖7所示。

由實驗可知：通信距離與頻段的頻率成反比；接收效果與頻段的頻率成反比；但天氣氣候較為惡劣時(如雨天、雪天、大風天氣)通信距離與效果明顯變差。

由經典電磁理論理論可知，自由空間傳播距離與發射功率、接收靈敏度以及所使用的載波頻率有關，可用下式描述：

式中，D為傳播距離；Lp為自由空間傳播損耗量；C為光速；F為載波頻率。由計算可知，433MHz頻段的最大傳輸距離為8440米，905MHz頻段的最大傳輸距離為3994米，2．4GHz頻段的最大傳輸距離為l520米。同時又電磁理論可知，電磁波在向外傳播的過程中，自由空間傳播損耗隨著通信距離的增加而顯著增加，Lp值是一個變化量，且在環境較差的情況下(如雨雪大風天氣或室內封閉環境)，需要乘一個影響因子，而且由于一些不確定因素的影響，傳輸距離無法達到理論的長度，由此可知實驗結果與經典電磁理論相符合，實驗數據可靠。

傳輸距離擴展設計

在實際工程中，往往需要不改變其通信頻率而實現其增加通信距離的要求。此時，可先考慮選擇合適的天線。在最佳天線仍不能滿足要求的情況下，可以考慮增大輸出功率。

nRF2401的輸出功率為OdBm，消耗電流很小。在沒有增加外部放大器的情況下，很適合實際應用。如果增加了外部放大器，將增加系統的復雜度和功耗。射頻功率放大器的典型有效額定范圍是35％，3到6dB的損耗。這些是放大器和開關裝置可以預計的。3到6dB的損耗必須設計時加以彌補。

上述設計的關鍵是找到合適的功率放大芯片和RF開關。本例使用了Maxim公司的Max2240PA。RF開關也很常見，本例使用了三洋的SpM321，它的介入損失是0．65dB。同時為保證系統良好的性能，在布線時，連線應盡量縮短且所有的VDD電源必須采用星型布線，并且要和Ic的GND去耦合。加入PA后進行對比試驗，結果如圖8所示。

由圖可知，加入PA后通信距離增加了40％，通信效果得到改善，達到了設計目的。同樣，當使用nRF905芯片時，只要選擇同頻的RE開關于放入器便可達到上述效果。

結語

本文通過各類試驗，得到了常用的三類頻段通信距離與效果的測試數據，為今后的實踐工程選取無線通信模式提供了參考，并針對實際工程需要，給出了改進方法，提高了系統的抗干擾性、可靠性，同時增加了系統的通信距離，達到了設計目的。在下一步的工作，應將重點放在不增加系統功耗而提高系統通信距離上，在低功耗下實現系統的長距離無線通信。

參考文獻

1．袁玉湘，李國林，‘433MHz／900MHz樓內樓間無線信道模型’，清華大學學報，2005．

2．Xiaoyan Hong，Kaixin Xu，MarioGerda．‘Scalable p，outing Protocols For MobileAd hoc Networks’，IEEENetwork，2002．