PDF《关于嵌入式无线应用中功率可靠性的影响》

The Effects of Reliability on Power in Embedded Wireless Applications Page

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2009 The Effects of Reliability on Power in Embedded Wireless Applications 关于嵌入式无线应用中功率可靠性的影响 作者:Jim Davis,赛普拉斯半导体公司,高级产品市场营销工程师 嵌入式无线技术就是嵌入式进程或系统与无线通信接口的组合.

具体而言,嵌入式无线系统方兴未艾,正催生出各种新型工业、 商业和住宅建筑自动化,而且还为消费、医疗乃至农业系统带来了诸多新功能和特性丰富的产品.功耗或者功率不足在所有这些 低数据率应用中是非常重要的需求,甚至是大多数情况下的主要需求.不过,衡量嵌入式无线应用的功耗并非如我们所想象的将 各部分功耗简单相加即可.尽管通常这是对给定应用比较和选择组件的典型方式,但这种以可量化的标准来比较的基本方法却不 能充分反映出各组件在系统中互动和工作的真实量度.我们必须真正专注于无线系统的功耗,了解给定无线解决方案在节能方面 到底表现如何.可靠性有助于降低无线系统的功耗,但人们通常会忽视这个重要的系统属性.就此而言,可靠性就是系统在两点 间一次性进行数据通信的能力.本文将向您介绍嵌入式无线应用中可靠性和功耗的关系以及如何优化可靠性和功率效率. 可靠性与功耗的关系 大多数嵌入式无线应用在功耗方面消耗最大的就是收发器组件的发射功率.目前市场上可选的收发器组件多种多样,单纯从数据 表的介绍来看,似乎它们之间的额定功耗都差不多,都在

20 到30mA 的范围之间.但是,如果单纯选择额定功耗最低的组件,更为重要的系统可靠性属性则有可能被忽视.可靠性为什么重要呢?对于将每 uA 和mA 都要考虑在内的低功耗应用来说, 可靠性是决定相对于极低功耗的睡眠状态该类应用在高功耗的动态状态能保持多久的最重要因素,因为可靠性越高,功耗就越低 .完美、理想的无线系统应该尽可能快地在两点间一次性传输一组数据.当然,系统不可能始终完美地实现这种工作模型,因此 有可能会因为干扰或信号强度不足以达到远程末端而须重新传输数据,在此情况下,我们就必须尽可能提高无线系统的可靠性. 无线系统有具体的特征,这些特征有助于决定在给定系统中如何可靠地工作,如RF 频谱应用,就是指无线通信用什么 RF 频谱进行通信;

技术的接收灵敏度,即收发器识别出通信内容的最低程度,以功率分贝比来计算,单位为 1mW (dBm);

输出功率,即技术通信需要多大的功率,但最终要大于潜在干扰的功率,它的单位为 dBm;

RF 捷变性,也就是技术能否支持在 RF 频谱中移动以避免干扰,它是由 RF 通道大小和可用通道数量决定的;

最后一个是抗干扰性,即RF 技术能否在面临干扰的情况下确保给定通道的通信,体现为接收敏感度的增加,也称作编码增益 (dBm). RF 频谱应用是可靠性方程中的一个变量,依赖于 RF 波物理特性决定的环境.频率越低,波长越大, 也就越难被液体和混凝土等常见制造材料吸收.不过,RF 频谱及其应用是一个受政府高度管理的无线通信领域, 原因是避免干扰其他无线通信技术.只有少部分频段预留给这些通信在本地和国际上非限制地使用,也就是所谓的工业、科学和 医疗 (ISM) 波段.在此波段内,被接受和常用的最主要的频率是 ISM 波段的 2.4-GHz 部分.尽管如此,在此频率下, 工业领域中恶劣的 RF 环境会很快吸收掉较小的波长,因此需要更加关注剩余变量来测量可靠性. 我们可将接收灵敏度、输出功率和抗干扰性全部量化,以形成定义可靠性的更大更重要的变量,即链路预算.链路预算可定义为 接收灵敏度加上输出功率和抗干扰性的绝对值.接收灵敏度越高,输出功率就越大,抗干扰性就越强,解决方案的链路预算就越 高.而链路预算越高,无线解决方案受 RF 吸收和干扰影响的几率就越低,从而有助于提高可靠性. 收发器的接收灵敏度和输出功率往往是决定链路预算的组件级鉴别器,我们可以方便地对其加以评估和比较.但是,抗干扰性很 大程度上取决于无线收发器采用何种技术来提高其信号存活性.当前使用的、可以直接改善这一功能的最佳技术之一就是直接序 列扩频 (DSSS) 调制技术. DSSS 调制技术基本上是一种对发送信号进行前向纠错的方法,用于减小信号干扰造成数据丢失的影响.具体而言,DSSS 根据发射器和接收器共享的伪随机噪声码将一组数据编码为较大的比特流.例如,在图