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天線分集技術(shù)的原理--飛宇信
發(fā)布時間:
2019-08-16 17:42
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(shí)現(xiàn)的被稱作天線分集(antenna diversity)的技術(shù)來實(shí)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。可能發(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(diǎn)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?,雖然有時候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(jì)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(dá)其所需。這是可行的,因?yàn)樘炀€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(方向)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(qiáng)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):
圖1
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(jì)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。
圖2
如圖2中,工程師能看到一個高級的三維視圖,指示在預(yù)定的面上天線如何運(yùn)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?yàn)檫@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(dá)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180o的相位到達(dá)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(dá)180o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(shí)現(xiàn)天線分集的天線,與另一個天線有一個呈90o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(shí)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?yàn)槲⒖刂破鞅仨氶L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(jì)人員只能采用單一天線設(shè)計(jì)。
編碼一個天線分集系統(tǒng)將會增加設(shè)計(jì)上的編碼負(fù)擔(dān)。許多天線分集系統(tǒng)會經(jīng)過最佳化,以同步方式運(yùn)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(qiáng)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?yàn)榍皩?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(qiáng)烈噪聲可能會導(dǎo)致打包的開始被錯過。
為確認(rèn)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(jìn)入“測量SQ功能時,便會啟動一個定時器。最少切換時間其中:TPL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“Measure SQ功能工作期間,會針對信號質(zhì)量(SQ)進(jìn)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(jìn)行剩余打包的接收。
可能的情況是,當(dāng)天線因?yàn)橛行盘栔甘径贿x擇時,其信號質(zhì)量仍可能比最佳信號差,這是因?yàn)樵谔炀€上進(jìn)行的測量可能在打包到達(dá)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。
深圳市飛宇信電子有限公司成立于2007年,是一家專業(yè)從事無線通信產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)和銷售一體的高新技術(shù)型企業(yè)。專注于天線類、模塊類、應(yīng)用解決方案、應(yīng)用終端等產(chǎn)品的研制生產(chǎn)。聯(lián)系人:13802709089 楊經(jīng)理(微信同號)。
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