射頻收發(fā)機的性能參數(shù)計算與設計涉及多個關(guān)鍵指標，如鏈路預算、路徑損耗、天線增益以及接收機動態(tài)范圍等。合理的參數(shù)選擇和優(yōu)化可以確保射頻通信的可靠性和性能。在實際應用中，可以根據(jù)具體的場景和需求，選擇合適的參數(shù)與配置。

01 鏈路預算

無線電鏈路分析的關(guān)鍵參數(shù)包括發(fā)射機輸出功率、發(fā)射機天線增益、接收機天線增益和接收機靈敏度。同樣，發(fā)射天線和接收天線之間的環(huán)境也至關(guān)重要，包括它們之間的距離、障礙物、天線高度（地面上方）以及噪聲。以下是一個簡單的無線電鏈路示意圖。

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鏈路預算是無線電系統(tǒng)鏈路中所有增益和損失的總和。對于基于無線電模塊的無線電鏈路系統(tǒng)，發(fā)射機輸出功率和接收機靈敏度是來自數(shù)據(jù)表的已知參數(shù)，簡單的鏈路預算方程如下所示：

其中PR為接收功率（dBm），PT為發(fā)射功率（dBm），GT為發(fā)射天線增益（dB），GR為接收天線增益（dB），Lp為路徑損耗。 ? 02 鏈路余量

發(fā)射信號從發(fā)射機向外傳播，只有少量功率能夠到達接收機。這種現(xiàn)象由路徑損耗（LP）所描述，它模擬了由于距離和天線口徑的功率損失，這種損失與信號頻率有關(guān)。 ????????

無線傳輸?shù)?strong>損耗類型主要有路徑傳輸損耗，陰影效應，多徑效應。路徑傳輸損耗主要是由于信號傳輸距離遠，一般是公里級，從而導致傳輸信號的功率有損耗；陰影效應主要是信號在傳輸?shù)倪^程中遇到高樓或者山丘，會對信號產(chǎn)生遮蔽，這對傳輸信號有損耗；多徑效應主要是由于信號在傳輸?shù)倪^程中會出現(xiàn)散射，折射，衍射，從而導致在接收端處接收的信號是多條路徑疊加的信號。 ???????

?很多人認為高頻信號比低頻信號更容易在空間中衰減。但事實并非如此。路徑損耗的頻率依賴性實際上是由于天線的電學尺寸和物理尺寸隨著波長的變化而產(chǎn)生的。低頻天線較大，因此具有更大的天線覆蓋面積，可以更有效地從發(fā)射機捕獲功率。 ????????

只要PR值大于接收機模塊的靈敏度，通信報文就可以正常接收，鏈路余量LM的計算方式如下：??

其中SR為接收靈敏度（dBm），當LM>0時通信可以正常進行，當LM<0時會顯示報文錯誤。

由于衰落和環(huán)境中的射頻噪聲，路徑損耗會產(chǎn)生隨機變化，在部署通信時，必須始終保留一些分貝的鏈路余量，這樣可以確保通信可靠性。

03 天線增益

增益為0dBi的天線稱為各向同性天線。在發(fā)射機中，它向各個方向均勻地傳播能量，并從各個方向均勻地接收能量。增益大于0dBi的天線具有方向性，增益越大，天線的方向性越強。所以天線增益實際上是衡量天線將傳輸能量集中在一個方向上的能力，或者作為接收器，只接收一個方向而不接收其他方向。天線互易性定理表明，無論用天線作為發(fā)射器還是接收器，增益總是一樣的。 ????????

理想無限地平面上的四分之一波長天線，增益為5.15 dBi。然而，在開發(fā)板這樣的小地平面上，增益將減少到大約0 dBi。 ?

04 路徑損耗 ? ? ?

?路徑損耗（或路徑衰減）是指無線電信號在空間傳播過程中功率密度的降低現(xiàn)象。損耗的大小取決于發(fā)射器和接收器之間的距離以及環(huán)境條件。我們使用無線信道模型來估計路徑損耗，記作LP。

路徑損耗是用各種近似來計算的：自由空間模型假設發(fā)射器和接收器之間沒有障礙物，也沒有任何反射物體（包括地面）。發(fā)射機和接收機之間的間距為R，則路徑損耗為：

其中P0為1m處的路徑損耗。傳播損耗與距離與頻率的2次方成正比：

不同頻率處的P0為：

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在地面模型中，發(fā)射機在平地上的高度為HT，接收機在平地上的高度為HR。發(fā)射機與接收機之間的距離為R，路徑損耗為：

在室內(nèi)模型中，環(huán)境類型用指數(shù)n來表示。發(fā)射器和接收器之間的間距為R。P0為自由空間模型定義。則路徑損耗為：

05 距離估計 ? ??

可以通過將鏈路余量設置為0來計算絕對最大距離：

在計算通信距離時，給鏈路預算留出額外的6dB余量，可以讓通信范圍擴大兩倍。可以通過調(diào)整模塊的設置，增加輸出功率或提高接收靈敏度，來增加鏈路余量。降低數(shù)據(jù)傳輸速率或者選擇使用窄帶模塊，也能提升靈敏度。如果將頻率降低一半，通信范圍也會增加一倍。這些方法可以幫助你更好地規(guī)劃和優(yōu)化無線通信的范圍和性能。 ????????假設工作頻率為868.3MHz，輸出功率為9dBm，接收靈敏度為-106dBm，天線增益為0dBm，傳輸距離為23m，n=5則路徑損耗/接收功率/鏈路余量分別為：

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06 接收動態(tài)范圍 ???????

?動態(tài)范圍DR（無雜散，SFDR）是接收機處理一定范圍輸入功率能力的度量，如果信號太弱，就無法從噪聲中分辨出來，如果信號太大，就會產(chǎn)生雜散，或者可能會出現(xiàn)飽和。

最小可接收功率（MDS）一般由噪聲水平與最低信噪比決定，接收機靈敏度的計算公式為：

其中-174dBm為1Hz帶寬內(nèi)的熱噪聲（本底噪聲），NF為系統(tǒng)（級聯(lián)）噪聲系數(shù)，SNRmin為基帶所要求的最低解調(diào)門限，BW為信號帶寬。 ????????

最大可接收功率通常由三階交調(diào)決定，它是接收機開始出現(xiàn)非線性是真的信號功率，即若接收機的三階交調(diào)輸出折合到輸入端恰好等于基底噪聲，則此時輸入信號為最大可接收功率。

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一般情況下，噪聲是由第一個放大器發(fā)揮主導作用的，三階互調(diào)截交點則是最后一個放大器發(fā)揮主導作用的，對數(shù)放大器具有寬動態(tài)范圍的特點。實際的動態(tài)范圍計算可能會更加復雜，它可能涉及到帶內(nèi)/帶外失真、非線性特性、信號的動態(tài)變化等因素。 ?

06 參考資料

[1].?RF Modules Range Calculation and Test – Radiocrafts [2]. 接收機動態(tài)范圍分析 [3]. RF計算工具：ADISimRF、Cascade Analysis Calculator、 https://www.everythingrf.com/rf-calculators? ? ?

編輯：黃飛

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