ウェアラブル デバイスを開発する場合でも、産業用バッテリー駆動デバイスを開発する場合でも、消費電力を最小限に抑えながら通信範囲と耐久性を最大化することが重要です。RF パフォーマンスを最適化すると柔軟性が向上し、サイズ、バッテリー寿命、RF パフォーマンスのより魅力的なトレードオフが可能になります。
RF パフォーマンスを最適化した後、製品開発チームは、送信電力を削減してバッテリ寿命を延ばすか、バッテリ容量を削減して製品サイズを縮小するか、あるいは収集された電力のみで動作してバッテリを完全に排除することを検討できます。
リンクバジェットとパスロス
では、RF 範囲とパフォーマンスを決定する要因は何でしょうか? まずはリンクバジェットを調べてみましょう。リンク バジェットは、送信信号の強度と受信機で必要な最小信号の差であり、最大範囲におけるすべてのソースの合計損失に等しくなります。リンクバジェットの最も単純な式は次のとおりです。
一般的な LoRa 無線実装の場合:
この構成では、150dB のリンク バジェットが提供されます。
パス損失計算を使用して範囲を推定する前に、考慮すべき他の要素があります。
送信機のアンテナ ゲイン (dB 単位)。正の場合、リンク バジェットが増加します。
受信機のアンテナ ゲイン (dB) が正の場合、リンク バジェットが増加します
送信機の出力とアンテナ間の損失により、リンク バジェットが削減されます
受信機入力とアンテナ間の損失により、リンク バジェットが削減されます
これらの要素をすべて含めると、パス損失に使用できるリンク バジェットが求められます。
アンテナ ゲインは通常、全方向に均等に放射する等方性アンテナ (dBi) に対する dB 単位で表されます。通常、アンテナのデータシートでは、「ピーク ゲイン」(アンテナが最適な方向にどれだけ良く放射するかを示します) と「平均ゲイン」(アンテナの実効放射をすべての方向で平均化して示します) を指定します。「ピークゲイン」を達成するためにデバイスの向きを制御できない場合は、通常、平均ゲインを使用する必要があります。平均アンテナ ゲインは効率と同等であるため、平均ゲインが -3dB のアンテナは 50% の効率となります。これは、アンテナのパフォーマンスの影響を視覚化するためのより直観的な方法となります。コンパクトな LoRa デバイスのアンテナ ゲイン (送信機または受信機) は -4dB です。慎重かつコンパクトに実装した場合、受信機と送信機の損失はそれぞれ約 1dB になるはずです。ただし、アンテナと送信回路および受信回路の整合が不十分な場合、損失が大きくなる可能性があります。
送信機の出力インピーダンスが送信機から見た入力インピーダンス「負荷」と厳密に一致する場合にのみ、電力を送信機からアンテナに効率的に転送できます。この負荷には、PCB トレース、アンテナ、および送信機の出力ピンに接続された RF パス内のコンポーネントが含まれます。通常、アンテナ インピーダンス (目的の周波数で) を PCB 上の伝送線路の特性インピーダンスに変換する整合回路と、PCB 伝送線路のインピーダンス (通常は 50Ω) を最適なインピーダンスに変換する別の整合回路があります。送信機。アンテナとアンプの整合が不十分な場合、送信信号がアンテナに効率的に送信されず、到達距離が短くなります。整合が不十分な場合、送信機はより多くの電流を消費し、バッテリ寿命が短くなり、高調波が増加する可能性があります。高調波の放出が増えると、規制上の承認がさらに難しくなり、緩和のために追加のフィルタリングが必要になる場合があります。これにより、PCB 面積が増加し、損失が増加し、コストが増加します。
一般的な数値と上記の LoRa の例を組み合わせると、次のようになります。
実際の状況と運用の堅牢性に対するマージンを確保するには、リンク バジェットを少なくとも 6dB 差し引く必要があります。したがって、この例では、最大範囲での伝播損失は約 134 dB になります。
開発チームが行う決定はリンク バジェットの多くのコンポーネントに直接影響し、チームは範囲を拡大したり消費電力を削減したりするためにトレードオフを行うことができます。オプションには、送信機の出力電力またはアンテナゲインの増加、受信機の感度の向上、または損失の最小化が含まれます。これらの選択により、無線実装、バッテリー、またはアンテナのサイズとコストが増加する可能性がありますが、各決定がパフォーマンスに与える影響を慎重に検討することが重要です。パフォーマンスを最適化すると、指定された出力範囲内で目的の範囲を達成するか、許容範囲内にとどまるために範囲を妥協せざるを得なくなるかの違いが生じます。
これらのトレードオフは、サイズとコストに極度の制約があり、最大のバッテリー寿命と最小のサイズが必要で、さらに規制 (FCC、RED) 要件によって吸収される RF エネルギーの量を最小限に抑えるという制約があるウェアラブル デバイスを開発する場合に特に困難になる可能性があります。ユーザー（既知）は「比吸収率」または SAR と呼ばれます。携帯電話デバイスは、SAR の制限を満たしながら、高度に最適化されたアンテナ性能と (Bluetooth や WiFi と比較して) 高い送信電力を必要とする通信事業者および業界の要件によってさらに複雑になります。商業的に実行可能なパッケージでこれらの要件を満たすことは非常に困難です。
受信感度
開発チームが受信機の感度に与える影響はそれほど顕著ではありません。受信機の感度は、無線変調、ビット レート、受信機の実装の詳細によって決まります。いつものように、より大きく、より高出力で、より高価な受信機は、一般的により良いパフォーマンスを発揮します。ビット レートを下げることも、受信機の感度を高めるもう 1 つの方法です。
以下の表 1 は、変調とビット レートが受信機のパフォーマンスにどのような影響を与えるかを示しています。ネガティブな感受性が低い/より良いことを覚えておいてください。
LoRa スケーリング係数 (SF) は、データの送信に使用される物理層 CHIRP の継続時間を表します。拡張係数が大きいほど、CHIRP が長くなり、ビットレートが低くなります。
開発チームは、送信されるデータ量を最小限にして必要なビット レートを最小限に抑えることで、システム設計を最適化し、感度と範囲を向上させることができます。感度の向上は、受信機の消費電力、サイズ、コストへの追加投資によっても達成できます。たとえば、フィルタリングや低ノイズアンプを追加します。ビット レートを下げると送信時間が長くなり、バッテリ寿命が短くなる可能性があります。必要なスループットを最小限に抑えると、必要な転送時間 (ビット レートを問わず) も最小限に抑えられ、チームは範囲、転送時間、バッテリー寿命のバランスをとりながら感度を最大化することができます。送信電力が固定の場合、ビット レートが高くなると送信時間は短縮されますが、送信範囲は短くなります。これは、チームが RF パフォーマンスと他の要件をトレードオフするために使用できる別のトレードオフです。
上記の説明は、無線実装がメーカーの仕様に準拠していることを前提としています。このレベルのパフォーマンスを達成するには、メーカーの推奨に従い、パフォーマンスを低下させる可能性のある干渉源を最小限に抑えることが重要です。同様に、製品開発チームは、サイズとコストに対してパフォーマンスのバランスを取る必要があります。一般的なノイズ源と軽減手法を検討してください。
これらの緩和策のほとんどは、製品のコストとサイズを増加させますが、航続距離を延長したり、他のコストやサイズを削減したりする場合 (バッテリーの小型化や低出力化など)、適切なオプションとなる可能性があります。規制テストに失敗するリスクを最小限に抑え、市場投入までの時間を短縮するために、潜在的な問題を積極的に軽減することも考慮する必要があります。ノイズに対処して防止すると感度が最大化され、最大の通信範囲と最小の送信電力が可能になります。
範囲と広がり
システムパフォーマンスを最適化する方法について説明したので、伝播と範囲推定について説明しましょう。「自由空間」とよく呼ばれる理想的な用語では、信号は反射、大気の屈折、吸収なしにアンテナから全方向に伝播します。この場合の損失は次の式で与えられます。
ここで、f は周波数 (メガヘルツ)、d は距離 (キロメートル) です。
周波数はこの方程式の重要な要素であり、周波数を下げると損失が減ることに注意してください。周波数を 2.4Ghz (Bluetooth、WiFi) から 900Mhz に下げると、経路損失が 9dB 減少し、他のすべてが同じであれば、通信範囲も 2 倍以上になるはずです。これを理解すると、信号周波数を下げると範囲が広がるという別のトレードオフが明らかになります。ただし、特定の体積では、アンテナ効率は周波数とともに低下し、低周波数の利点の一部が打ち消される可能性があります。
残念ながら、現実世界の通信範囲は、さまざまな障害物からの反射や吸収など、他の多くの要因の影響を受けます。現実世界にはさまざまな伝播モデルが存在し、そのほとんどは経験的なデータセットに基づいています。Okumura-Hata モデルは良い選択であり、さまざまな環境 (都市部、郊外、田舎) に加えて、さまざまなアンテナ高さの選択肢を提供します。田舎または開けた環境では、パス損失の式は次のようになります。
どこ：
h B = 基地局アンテナの高さ。単位：メートル(m)
h M = 移動局アンテナの高さ。単位：メートル(m)
f = 送信周波数。単位: メガヘルツ (MHz)
CH = アンテナ高さ補正係数
d = 基地局と移動局間の距離。単位: キロメートル (km)。
前述の LoRa の例に基づき、ここで提供されている IEEE ワークシートを使用すると、HATA モデルは、アンテナが地上 2 m の場合、3 km で 134 dB の経路損失を予測します。
電力のトレードオフ
上述の一次トレードオフ (送信電力、ビット レート対送信時間と感度、ノイズ低減、コスト、サイズ) に加えて、消費電力を最小限に抑えるためには他にも多くの考慮事項があります。受信または送信モードでは、無線のオン時間を最小限に抑えることが、バッテリー寿命を最大限に延ばす鍵となります。直観的に送信すると大量の電力を消費しますが、最新の受信機の多くは、広範な信号処理が必要なため、送信機と同じくらいの電力を消費します。無線プロトコルと同期アルゴリズムは、高速で信頼性の高い同期、周波数調整、最小オンタイムを確保するために慎重に設計する必要があります。高精度クリスタルを使用すると、特に温度や経年劣化を考慮した場合、時間や周波数のずれのリスクが最小限に抑えられ、無線機の「ロック」がより速くなり、ノイズが最小限に抑えられ、再送信が最小限に抑えられます。設計を長期間使用できるようにするには、初期精度、必要な温度範囲での精度、経年変化による周波数ドリフトに特別な注意を払う必要があります。
ワイヤレス プロトコルの最適化は一例にすぎません。すべての入力、出力、および「インジケーター」または UI 要素との相互作用を含め、デバイスが最小電力消費状態から逸脱するようにトリガーするすべてのイベントを慎重に検討する必要があります。可能な限り、ウェイクアップ期間の頻度を最小限に抑えるために、ウェイクアップ ウィンドウごとに複数のイベントを処理する必要があります。同様に、より短い期間でより高い消費電力をもたらすより高いクロック速度と、より長い期間でより低い電力消費をもたらすより低いクロック速度との間で電力のトレードオフを行う必要があります。
電源設計のあらゆる側面も考慮する必要があります。最先端のスイッチング電源は大幅に改善されましたが、負荷が数マイクロアンペアにすぎない場合（送信と送信の間にデバイスがスリープしている場合など）には、依然として非効率となる可能性があります。ただし、非常に低い静的リニア レギュレータは、過渡応答特性が驚くほど悪いことが多いため、これらのコンポーネントを慎重に検討する必要があります。
通常、低電力状態では多くのサブ回路がオフになりますが、各 IO ラインの状態とサブ回路間の接続をチェックして、パワーダウンしたコンポーネントにアクティブな信号が接続されていないことを確認する必要があります。漏れ電流が一部のコンポーネントに部分的に供給されるため、数ミリアンペア程度の電流が流れ、予期しない動作が発生する可能性があります。
全体として、航続距離とバッテリー寿命を最大化するには、デバイスのほぼすべての側面を考慮する必要があることは明らかです。デバイスのサイズにより、最適なRF実装のためのアンテナ効率、バッテリー容量、PCB 面積が制限されます。RF 回路を慎重に設計すると通信範囲が制限され、下手をするとバッテリー寿命が短くなる可能性があります。同様に、スリープ時間を最大化し、通信時間を最小化するように動作状態の設計に注意を払うと、航続距離とバッテリー寿命を延ばすことができます。実際の製品開発では、商業的に実現可能なサイズ、コスト、性能だけでなく、技術的な最適化を達成するために、継続的な交渉が必要です。
Embedded Internet of Things は多くのことを学ぶ必要があります。間違ったルートと内容を学習すると給与が上がります。
データ パッケージを全員で共有すると、約 150 G になります。その中の学習コンテンツ、対面聖典、プロジェクトは比較的新しく、完全なものです。(クリックすると、受け取る小さなアシスタントが見つかります)
