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天線分集技術(shù)的原理--飛宇信
發(fā)布時(shí)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(duì)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?cè)囍私馓囟ǖ沫h(huán)境條件在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)無線電通信鏈接的作用，以及會(huì)造成何種鏈接質(zhì)量時(shí)，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(shí)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(hào)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(gè)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(hào)時(shí)，在各個(gè)方向的強(qiáng)度相同，而定向天線的收發(fā)信號(hào)被限定在一個(gè)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(gè)鏈路上的信號(hào)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(hào)，而其他位于該方向范圍之外的發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)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(shí)也不會(huì)減小它的覆蓋能力。為了簡化對(duì)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(duì)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(gè)高級(jí)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(huì)顯著增加圖表的復(fù)雜性。拉桿天線是一個(gè)典型的全向天線，它有一個(gè)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?cè)诒旧碚戏交蛘路降谋憩F(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(hào)會(huì)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(duì)RF信號(hào)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(dòng)，且對(duì)鏈接質(zhì)量造成極大差異時(shí)，通常便會(huì)觀察到此種衰減現(xiàn)象。當(dāng)天線在接收和傳送信號(hào)的波峰時(shí)便會(huì)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(shí)，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(hào)可能來自多個(gè)路徑。接收這些來源的信號(hào)，其到達(dá)的時(shí)間可能會(huì)有些微小差距，這就意味可能會(huì)發(fā)生輕微的相位偏移。當(dāng)這些信號(hào)結(jié)合在一起，它們可能會(huì)導(dǎo)致“衰減這種消失的形式。最差的情況之一，是兩個(gè)信
號(hào)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(hào)衰減。在大部分的情況中，接收器不太可能會(huì)接收到相位偏移達(dá)180o的兩個(gè)信號(hào)，但是當(dāng)多重路徑的環(huán)境出現(xiàn)時(shí)，某些相位偏移還是有可能發(fā)生的，在這些情況下，便會(huì)發(fā)生某些信號(hào)衰減。
天線分集
天線分集是一種被用以恢復(fù)信號(hào)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(gè)天線有一個(gè)呈90o的天線架，如此極化/定向性的影響將不會(huì)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(gè)天線，其天線架的位置皆會(huì)維持至少1/4波長的距離，如此能確保至少有一個(gè)天線是在波形的波峰中。
雖然天線分集對(duì)于恢復(fù)信號(hào)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(shí)間待命，以時(shí)時(shí)評(píng)估天線信號(hào)。增加的微控制器功能將會(huì)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(shí)待命，也造成電池壽命縮短。在其他情況中，采用兩個(gè)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(gè)天線分集系統(tǒng)將會(huì)增加設(shè)計(jì)上的編碼負(fù)擔(dān)。許多天線分集系統(tǒng)會(huì)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(shí)功能，讓接收器知道何時(shí)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(píng)估兩個(gè)天線的信號(hào)。為評(píng)估此信號(hào)，微控制器會(huì)切換各個(gè)天線并評(píng)估接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI，Received Signal Strength Indication)水平。在接收器并未采用定時(shí)器的其它產(chǎn)品中，無線電通信必須去偵測(cè)一個(gè)打包的開始，因?yàn)榍皩?dǎo)信號(hào)可能會(huì)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(huì)導(dǎo)致打包的開始被錯(cuò)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(cè)量SQ功能時(shí)，便會(huì)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器。最少切換時(shí)間其中：TPL為在特定信號(hào)部分中可被容許用來選擇天線的最長時(shí)間(例如打包的前導(dǎo)信號(hào))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(huì)針對(duì)信號(hào)質(zhì)量(SQ)進(jìn)行測(cè)量，若SQ低于信號(hào)質(zhì)量門坎，或是定時(shí)器時(shí)間結(jié)束，則天線會(huì)被切換，且會(huì)再次啟動(dòng)“測(cè)量SQ狀態(tài)。另一方面，若測(cè)量到的SQ高于SQ門坎，則接收器會(huì)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?hào)指示而被選擇時(shí)，其信號(hào)質(zhì)量仍可能比最佳信號(hào)差，這是因?yàn)樵谔炀€上進(jìn)行的測(cè)量可能在打包到達(dá)前就先被噪聲占據(jù)了。在首個(gè)有效信號(hào)質(zhì)量指示產(chǎn)生時(shí)，在選擇具有最高信號(hào)質(zhì)量的天線前，EZRadioPRO天線分集算法會(huì)先檢測(cè)其它天線，看看是否有更高的信號(hào)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(hào)）。
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