Ya sea que se desarrollen dispositivos portátiles o dispositivos industriales alimentados por batería, es fundamental maximizar el alcance y la robustez y minimizar el consumo de energía. La optimización del rendimiento de RF aumenta la flexibilidad y permite compensaciones más atractivas en tamaño, duración de la batería y rendimiento de RF.
Después de optimizar el rendimiento de RF, el equipo de desarrollo de productos puede considerar reducir la potencia de transmisión para extender la vida útil de la batería, o reducir la capacidad de la batería para reducir el tamaño del producto, o tal vez operar solo con la energía recolectada y eliminar la batería por completo.
Enlace de presupuesto y pérdida de ruta
Entonces, ¿qué factores determinan el alcance y el rendimiento de RF? Comencemos examinando los presupuestos de enlaces. El presupuesto del enlace es la diferencia entre la fuerza de la señal transmitida y la señal mínima requerida en el receptor, y es igual a la pérdida total de todas las fuentes en el rango máximo. La fórmula más simple para el presupuesto del enlace es:
Para una implementación típica de radio LoRa:
Esta configuración proporciona un presupuesto de enlace de 150dB.
Antes de utilizar los cálculos de pérdida de trayecto para estimar el rango, hay otros factores a considerar:
Ganancia de la antena del transmisor (en dB) que, si es positiva, aumenta el presupuesto del enlace
La ganancia de la antena del receptor (dB), si es positiva, aumenta el presupuesto del enlace
La pérdida entre la salida del transmisor y la antena reduce el presupuesto del enlace
La pérdida entre la entrada del receptor y la antena reduce el presupuesto del enlace
La inclusión de todos estos factores proporciona el presupuesto del enlace disponible para la pérdida de ruta:
La ganancia de la antena generalmente se expresa en dB en relación con una antena isotrópica (dBi), que irradia por igual en todas las direcciones. Por lo general, las hojas de datos de la antena especifican "ganancia máxima" (que indica qué tan bien irradia la antena en la mejor dirección) y "ganancia promedio" (que indica la radiación efectiva promediada de la antena en todas las direcciones). En general, se debe usar la ganancia promedio, a menos que la orientación del dispositivo se pueda controlar para lograr la "ganancia máxima". La ganancia promedio de la antena es equivalente a la eficiencia, por lo que una antena con una ganancia promedio de -3 dB tiene una eficiencia del 50 %, lo que puede ser una forma más intuitiva de visualizar el impacto del rendimiento de la antena. La ganancia de antena (transmisora o receptora) del dispositivo LoRa compacto es de -4dB. Si se implementa de forma cuidadosa y compacta, las pérdidas del receptor y del transmisor deberían ser de aproximadamente 1 dB cada una. Sin embargo, si la antena no se adapta bien a los circuitos del transmisor y del receptor, las pérdidas pueden ser mayores.
La energía se puede transferir de manera eficiente desde el transmisor a la antena solo si la impedancia de salida del transmisor coincide estrechamente con la "carga" de impedancia de entrada vista por el transmisor. Esta carga incluye trazas de PCB, antenas y cualquier componente en la ruta de RF conectada a los pines de salida del transmisor. Por lo general, hay un circuito de adaptación para convertir la impedancia de la antena (a la frecuencia deseada) en la impedancia característica de la línea de transmisión en la PCB y otro circuito de adaptación para convertir la impedancia de la línea de transmisión de la PCB (normalmente 50 Ω) en la impedancia óptima para la transmisor Si la antena y el amplificador no coinciden, la señal de transmisión no se transmitirá de manera eficiente a la antena, lo que reducirá el alcance. Con una coincidencia deficiente, el transmisor consume más corriente, lo que reduce la vida útil de la batería y aumenta potencialmente los armónicos. Las emisiones armónicas adicionales se suman a los desafíos de aprobación regulatoria y pueden requerir filtrado adicional para el alivio, lo que aumenta el área de PCB, aumenta las pérdidas y aumenta los costos.
Combinando los números típicos con el ejemplo de LoRa mencionado anteriormente, se obtiene:
El presupuesto del enlace debe restarse al menos 6 dB para proporcionar un margen para las condiciones del mundo real y la solidez operativa. Entonces, en este ejemplo, la pérdida de propagación en el rango máximo es de aproximadamente 134 dB.
Las decisiones que toma el equipo de desarrollo afectan directamente a muchos componentes del presupuesto del enlace, y los equipos pueden hacer concesiones para aumentar el alcance o reducir el consumo de energía. Las opciones incluyen aumentar la potencia de salida del transmisor o la ganancia de la antena, mejorar la sensibilidad del receptor o minimizar las pérdidas. Estas opciones pueden aumentar el tamaño y el costo de la implementación de la radio, la batería o la antena, pero es importante considerar detenidamente el impacto de cada decisión en el rendimiento. La optimización del rendimiento puede marcar la diferencia entre lograr el rango deseado dentro del rango de potencia especificado o verse obligado a comprometer el rango para permanecer dentro del rango permitido.
Estas compensaciones pueden ser particularmente difíciles cuando se desarrollan dispositivos portátiles, que tienen un tamaño y un costo extremadamente limitados, requieren una duración máxima de la batería, un tamaño mínimo y están más limitados por los requisitos reglamentarios (FCC, RED) para Minimizar la cantidad de energía RF absorbida por el usuario (conocido) se denomina "tasa de absorción específica" o SAR. Los dispositivos celulares se complican aún más por los requisitos de los operadores y la industria que requieren un rendimiento de antena altamente optimizado y una alta potencia de transmisión (en comparación con Bluetooth o Wi-Fi), sin dejar de cumplir con las limitaciones de SAR. Cumplir con estos requisitos en un paquete comercialmente viable es extremadamente desafiante.
Sensibilidad del receptor
La influencia del equipo de desarrollo en la sensibilidad del receptor es menos pronunciada. La sensibilidad del receptor está determinada por los detalles de la modulación de radio, la tasa de bits y la implementación del receptor. Como siempre, los receptores más grandes, de mayor potencia y más caros generalmente funcionarán mejor. Reducir la tasa de bits es otra forma de aumentar la sensibilidad del receptor.
La Tabla 1 a continuación ilustra cómo la modulación y la tasa de bits afectan el rendimiento del receptor. Recuerde, menor/mejor sensibilidad negativa:
El factor de escala LoRa (SF) representa la duración de la capa física CHIRP utilizada para transmitir datos. Un factor de expansión más grande significa un CHIRP más largo y una tasa de bits más baja.
Los equipos de desarrollo pueden optimizar el diseño del sistema asegurándose de que se transmita la menor cantidad de datos para minimizar la tasa de bits requerida, aumentando así la sensibilidad y el alcance. También se puede lograr una mayor sensibilidad mediante una inversión adicional en el consumo de energía, el tamaño o el costo del receptor. Por ejemplo, agregando filtrado adicional o un amplificador de bajo ruido. Reducir la tasa de bits aumentará el tiempo de envío y puede reducir la duración de la batería. Minimizar el rendimiento requerido también minimiza el tiempo de transferencia requerido (a cualquier tasa de bits) y permite que el equipo maximice la sensibilidad mientras equilibra el rango, el tiempo de transferencia y la duración de la batería. Para una potencia de transmisión fija, una tasa de bits más alta acorta el tiempo de transmisión pero acorta el rango de transmisión, otra compensación que el equipo podría usar para compensar el rendimiento de RF con otros requisitos.
La discusión anterior asume que la implementación de radio cumple con las especificaciones del fabricante. Para lograr este nivel de rendimiento, es fundamental seguir las recomendaciones del fabricante y minimizar las fuentes de interferencia que pueden degradar el rendimiento. Asimismo, los equipos de desarrollo de productos deben equilibrar el rendimiento con el tamaño y el costo. Considere las fuentes comunes de ruido y las técnicas de mitigación:
La mayoría de estas mitigaciones aumentan el costo y el tamaño del producto, pero si aumentan el alcance o reducen otro costo o tamaño (como una batería más pequeña o menos potente), pueden ser una opción adecuada. También se debe considerar la mitigación activa de problemas potenciales para minimizar el riesgo de pruebas regulatorias fallidas y reducir el tiempo de comercialización. Abordar y prevenir el ruido maximizará la sensibilidad, lo que permitirá un alcance máximo y una potencia de transmisión mínima.
Alcance y difusión
Ahora que hemos discutido cómo optimizar el rendimiento del sistema, analicemos la propagación y la estimación del rango. En un término ideal al que a menudo se hace referencia como "espacio libre", la señal se propaga desde la antena en todas las direcciones sin reflexión, refracción atmosférica ni absorción. La pérdida en este caso está dada por:
donde f es la frecuencia en megahercios y d es la distancia en kilómetros.
Tenga en cuenta que la frecuencia es un componente clave de esta ecuación y reducir la frecuencia reduce las pérdidas. Reducir la frecuencia de 2,4 Ghz (Bluetooth, WiFi) a 900 Mhz reduce la pérdida de ruta en 9 dB y, en igualdad de condiciones, también debería más del doble del rango. Comprender esto revelará otra compensación: reducir la frecuencia de la señal aumenta el rango. Sin embargo, para un volumen dado, la eficiencia de la antena disminuye con la frecuencia, anulando potencialmente algunos de los beneficios de las frecuencias más bajas.
Desafortunadamente, el alcance del mundo real se ve afectado por muchos otros factores, como los reflejos y la absorción de varios obstáculos. Existen varios modelos de propagación en el mundo real, la mayoría de los cuales se basan en conjuntos de datos empíricos. El modelo Okumura-Hata es una buena opción y ofrece una variedad de entornos (urbano, suburbano, rural), así como una variedad de alturas de antena. En un entorno rural o abierto, la fórmula de pérdida de trayectoria es:
dónde:
h B = altura de la antena de la estación base. Unidad: metro (m)
h M = altura de la antena de la estación móvil. Unidad: metro (m)
f = frecuencia de transmisión. Unidad: megahercios (MHz)
CH = factor de corrección de la altura de la antena
d = distancia entre la estación base y la estación móvil. Unidad: kilómetro (km).
Basado en el ejemplo anterior de LoRa y usando la hoja de trabajo IEEE provista aquí, el modelo HATA predice una pérdida de trayectoria de 134 dB a 3 km con una antena a 2 m del suelo.
compensación de poder
Además de las compensaciones de primer orden mencionadas anteriormente (potencia del transmisor, tasa de bits frente al tiempo y sensibilidad de transmisión, reducción de ruido, costo, tamaño), existen muchas otras consideraciones para minimizar el consumo de energía. En el modo de recepción o transmisión, minimizar el tiempo de encendido de la radio es clave para maximizar la duración de la batería. Aunque la transmisión intuitiva consumiría mucha energía, muchos receptores modernos consumen tanta energía como el transmisor debido al extenso procesamiento de señal requerido. Los protocolos por aire y los algoritmos de sincronización deben diseñarse cuidadosamente para garantizar una sincronización rápida y confiable, alineación de frecuencias y un tiempo de activación mínimo. El uso de un cristal de alta precisión minimiza el riesgo de desalineación de tiempo o frecuencia y asegura que la radio se "bloquee" más rápido, minimiza el ruido y minimiza las retransmisiones, especialmente cuando se tienen en cuenta la temperatura y el envejecimiento. Se debe prestar especial atención a la precisión inicial, la precisión en el rango de temperatura deseado y la deriva de frecuencia debido al envejecimiento para garantizar que su diseño dure mucho tiempo.
La optimización de los protocolos inalámbricos es solo un ejemplo. Todos los eventos que provocan que el dispositivo se desvíe del estado de consumo mínimo de energía deben considerarse cuidadosamente, incluidas las interacciones con todas las entradas, salidas y cualquier "indicador" o elemento de la interfaz de usuario. Siempre que sea posible, se deben procesar múltiples eventos por ventana de activación para minimizar la frecuencia de los períodos de activación. Del mismo modo, se debe realizar un intercambio de energía entre velocidades de reloj más altas, que dan como resultado un consumo de energía más alto por una duración más corta, y velocidades de reloj más bajas, que dan como resultado un consumo de energía más bajo por duraciones más largas.
También se deben considerar todos los aspectos del diseño de la fuente de alimentación. Las fuentes de alimentación conmutadas de última generación han mejorado enormemente, pero aún pueden ser ineficientes cuando la carga es de solo unos pocos microamperios, como cuando el dispositivo está inactivo entre transmisiones. Sin embargo, los reguladores lineales de muy baja estática a menudo tienen características de respuesta transitoria sorprendentemente pobres, por lo que estos componentes deben considerarse cuidadosamente.
Por lo general, muchos subcircuitos se apagan en un estado de bajo consumo; sin embargo, se debe verificar el estado de cada línea de E/S y las conexiones entre los subcircuitos para asegurarse de que no haya señales activas conectadas a componentes apagados, de lo contrario accidentales. Pueden producirse fugas Debido a las corrientes de fuga que alimentan parcialmente algunos componentes, pueden generarse corrientes del orden de unos pocos miliamperios y puede producirse un comportamiento inesperado.
En general, debe quedar claro que para maximizar el alcance y la duración de la batería, se deben considerar casi todos los aspectos del dispositivo. El tamaño del dispositivo limita la eficiencia de la antena, la capacidad de la batería y el área de la PCB para una implementación de RF óptima . El diseño cuidadoso de los circuitos de RF puede limitar el alcance y, si se hace mal, puede reducir la duración de la batería. Del mismo modo, el cuidado invertido en el diseño de los estados operativos para maximizar el tiempo de suspensión y minimizar el tiempo de aire puede aumentar el alcance y la duración de la batería. El desarrollo de productos de la vida real requiere una negociación constante para lograr la optimización técnica, así como un tamaño, costo y rendimiento comercialmente viables.
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