ISM RF產品的無線鏈路預算表

鏈路預算表用于計算Maxim工業、科學與醫療無線頻段(ISM-RF)產品(Tx、Rx、TRx)的鏈路性能，估算特定的射頻電路在幾種環境下的通信覆蓋范圍和鏈路裕量。該Excel®表格還可用于估算100MHz至10GHz載頻范圍的其它射頻系統的鏈路裕量。利用該表格計算時，用戶需要輸入以下信息：
· 載波頻率
· 發射功率
· 電纜和連接器損耗
· 天線增益和效率(接收和發射)
· 自由空間和平地的傳輸延時
· 接收機和發射機高度
· 接收機靈敏度
· 障礙損耗
· 多徑損耗

我們還將對該鏈路預算表格進行升級，加入新的功能進一步豐富現有特性，包括：
· 連接器的損耗信息
· 利用散射模型計算多徑損耗
· 傳輸介質(濕度、電導率、介電常數、人體/動物表面組織、樹葉等)損耗

本文簡要介紹了關于傳輸路徑的一些假設及數學背景知識，并提供了該鏈路預算表格的使用方法。

傳輸路徑損耗

該計算表格包含兩條基本傳輸路徑：自由空間和平地路徑。而對于大廈內部和城市街道的無線通信，還須考慮多徑、障礙物和穿透損耗。Maxim的ISM-RF產品非常適合停車場、街道、空曠場地和樓宇內部等無線單元位于地面以上的場所。這意味著平地模型比較適合估算這類場合的通信鏈路。對于收發信機位于塔臺或屋頂的應用場所，天線為窄波束，采用自由空間模型進行計算比較恰當。

如果射頻信號的傳輸相對于所要求的水平傳輸距離而言在垂直方向非常接近地面，則其傳輸路徑需要考慮兩部分信號：直接(延視線方向)傳輸信號和地面反射信號。地面反射的電磁波相位與直接傳輸的電磁波相位相反。自由空間的傳輸模型沒有考慮地面反射。

自由空間的傳輸路徑損耗公式為：

PR = PTGTGRλ²/(4πR)² (式1)

其中PR為接收功率，PT為發射功率，GT為發射機的天線增益，GR為接收機的天線增益，R為傳輸距離，λ為波長。

平地的傳輸路徑損耗公式為：

PR = ½PTGTGRλ²/(4πR)² (1 + a² - 2acos(2πΔR/λ)) (式2)

其中ΔR為直接傳播路徑和地面反射路徑的距離差，“a” (≤ 1)為地面反射路徑的相對強度。

ΔR = √(R² + (h2 + h1)²) - √(R² + (h2 - h1)²) (式3)

注意，式2由式1推導產生。考慮地面反射損耗的影響，計算如下：

LGB = ½(1 + a² - 2acos(2πΔR/λ)) (式4)

在近距離通信的情況下，路徑距離差ΔR大于等于波長的一半，LGB隨R快速變化，接收功率波動非常明顯。在遠距離(通常超過30米)通信中，LGB隨R-2變化，接收功率在平地(式2)與傳輸距離的4次方成反比。

鏈路預算表中提供了兩種路徑損耗的計算公式，用戶可自行選擇。

用戶表格說明

計算表中有五個表格用于計算或為用戶提供指導信息：
· 鏈路預算
· 鏈路圖
· 地面多徑
· 電纜損耗
· 障礙物損耗

這些表格中，只有鏈路預算和地面多徑表格需要用戶輸入信息；電纜損耗表格包含常用電纜和連接器的損耗指標；障礙物表格包含建筑物內部墻壁和玻璃的衰減，以及室外建筑、森林、植被的損耗。可利用這些數值進行計算，在鏈路預算表格中輸入電纜和障礙物的損耗。連接器的損耗通常小于1dB，可以直接輸入，無需額外的表格。鏈路圖表格描述了硬件和板上傳輸引入的損耗。

地面多徑表格需要用戶輸入發射機和接收機的高度，路徑損耗和距離的關系，以及與地表傳輸相關的損耗。

計算表的輸入，用不同顏色區分不同的參數來源。

黑色：用戶的輸入數據
暗紅色：常數，比如：光速
藍色：計算結果
綠色：從其它表格得到的數值

計算表格的使用

打開計算表格的鏈路預算表，在本文最后有屏幕截圖。
1、輸入載波頻率，單位為MHz。計算表將計算波長。
2、輸入發射機功放的發射功率，通過測量或估算得到該功率值，盡可能靠近功放的功率輸出引腳進行測量。
3、輸入Tx匹配損耗(如果存在的話)。大多數發射機需要幾個無源器件對天線阻抗進行轉換，以優化發射器的匹配。
4、輸入發射電路和天線之間的任何電纜、連接器損耗。計算表會顯示發射天線的輸入功率。
5、輸入發射天線的增益，包括天線的效率、額外的阻抗匹配損耗和天線方向模板的變化。任何尺寸小于0.1倍波長的天線將引入衰減，而不是增益。
6、輸入所要求的傳輸距離，單位為米。
7、必要時，輸入傳輸介質損耗。比如，通過介質而非空氣傳輸信號；或者是信號頻率過高(大于2GHz)時，水蒸氣和分子會吸收信號能量。
8、在地面多徑表輸入發射機天線和接收機天線的高度。
9、返回鏈路預算表，表中將給出指定距離下自由空間和平地模型的路徑損耗。
10、基于自由空間損耗計算得到的天線接收功率位于依據平地模型損耗計算結果的上面幾行。如果鏈路是自由空間鏈路，則使用自由空間損耗進行計算，無需考慮平地模型的損耗。
11、輸入多徑損耗(反射和路徑上的散射)的估算值。除非路徑平坦、空曠(例如：開闊區域或空曠的停車場)，否則損耗會高于20dB。
12、輸入障礙物損耗的估算值。
13、基于平地模型損耗計算得到的天線接收功率位于依據自由空間損耗計算結果的下面幾行。
14、輸入接收天線的增益，發射天線增益的效率規則同樣適用于此處。
15、輸入天線和接收電路之間的任何連接器、電纜損耗，接收機輸入的最終Rx功率表示為自由空間損耗和平地模型損耗。
16、Rx功率右側的輸入區域為接收機靈敏度，這是接收機正確處理鏈路信息時的最小信號電平。當由通路(自由空間或平地模型)接收到的信號電平等于該靈敏度值時，輸入的距離表示最大鏈路范圍。根據需要調節該范圍，使接收信號電平與靈敏度保持一致。
17、為確定輸入該區域的靈敏度數值，使用鏈路預算表中的接收機靈敏度計算功能，或者從鏈路圖的最大RX表中選擇一個數值。計算接收機靈敏度和SNR所需的三個輸入參數為噪聲系數、接收帶寬和工作溫度。