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小 發表於 2010-7-2 13:23
通訊效能/經濟效益完美搭配sub-GHz無線系統優勢盡顯…
通訊效能/經濟效益完美搭配
sub-GHz無線系統優勢盡顯 | 新通訊2010年7月號113期《技術前瞻》 | 文.Ross Sabolcik
(本文作者為芯科實驗室無線產品行銷總監) |
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欲打造先進的無線系統,大部分的開發人員終究必須在兩種工業、科學和醫學(ISM)頻段--2.4GHz或sub-GHz頻率中做出選擇。選擇其中一種頻率再搭配系統先決要點,將能為無線效能和經濟效益帶來最完美的結合。這些先決要點包括:傳輸距離、功耗、資料傳輸速率、天線尺寸、互通性(標準)、適用於全球布建。
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| 在今日的市場中,無線區域網路(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)和ZigBee…等技術已讓2.4GHz協定被大幅接受,且應用範圍極廣。然而,針對資料傳輸速率較低的應用,例如家庭保全/自動化及智慧電表而言,sub-GHz無線系統能提供更多的優點,包括較長的傳輸距離、較低的功耗,以及較少的布建和操作成本等。
sub-GHz無線電優勢超越2.4GHz
sub-GHz無線電能提供相對簡單的無線解決方案,並且僅靠電池電力便能持續運作長達20年的時間。其明顯優於2.4GHz無線電的優點包含傳輸距離遠、低干擾、低功率等。
傳 輸 距 離 遠
窄頻操作的sub-GHz無線電能讓傳輸距離長達1公里甚至更長。這讓sub-GHz節點能與遠方集線器(Hub)直接溝通,毋須由一個節點跳至另一個節點,而對於傳輸距離短了許多的2.4GHz解決方案來說,如此的作法則是經常需要的。以下有三大理由可以說明sub-GHz在傳輸效能上優於2.4GHz。
第一是當無線電電波在通過牆壁或其他障礙物時,訊號會變弱。衰減率會隨著頻率的升高而增加,因此2.4GHz訊號的衰減速度會快於sub-GHz訊號。第二,當反射自高密度的表面時,2.4GHz無線電電波變弱的速度也會快於sub-GHz。在高度擁擠的環境中,2.4GHz傳輸會快速地衰弱,如此會為訊號品質帶來負面影響。第三點是即使無線電電波是以直線進行,但是當它們碰到堅硬的邊緣(如建築物的角落)時,還是會彎曲。隨著頻率降低,繞射角會增加,這便讓sub-GHz訊號得以轉彎遠遠地繞過障礙物,以減輕阻擋效應。
佛利斯方程式(Friis Equation)顯示sub-GHz無線電傳輸特性的優點所在,根據此方程式,可以了解2.4GHz的路徑損耗為8.5dB,高於900MHz的路徑損耗。
這樣的結果可讓900MHz無線電的傳輸距離增為2.67倍,這是因為功率每增加6dB,則傳輸距離約可增加為兩倍。為達到900MHz無線電所能達到的傳輸距離,2.4GHz解決方案必須額外增加8.5dB以上的功率。
不 易 產 生 干 擾
空氣中充斥著來自各種來源的2.4GHz訊號,這些來源包括家庭和Wi-Fi Hub、支援藍牙的電腦和行動電話周邊,以及微波爐等,各種2.4GHz訊號在空中互相碰撞。2.4GHz訊號的擁擠導致許多干擾。sub-GHz ISM頻段大部分用於專用的低工作週期鏈結,彼此之間不太可能產生干擾。在此種較安靜的頻譜中,傳輸更為容易,嘗試次數也能大為減少,因此效率較高,且能大幅節省電池電力。
低 功 率
電源效率和系統傳輸距離來自於接收器靈敏度加上傳輸頻率的作用。靈敏度和通道頻寬成反比,因此較窄的頻寬可造就更高的接收器靈敏度,能以較低的傳輸頻率進行高效率運作。
例如,在300MHz上若發射器和接收器晶體振盪器誤差(XTAL不準確)皆為10ppm(百萬分一),則每一部分的誤差是3kHz;在應用上若要有效地發射和接收,則最小通道頻寬必須是誤差率的兩倍,或是6kHz,這對窄頻應用而言是很理想的。相同的條件下,若採用2.4GHz,則所需的最小通道頻寬為48kHz,對窄頻應用來說便會造成頻寬的浪費,且需要更多的運作電力。
| 圖1無線電頻率減少,則天線尺寸會成反比增加。 | 一般而言,所有在較高頻率上運作的無線電電路,包括低雜訊放大器、功率放大器、混合器和合成器等,都需要更多的電流才能達到較低頻率所能提供的效能。
傳輸距離、低干擾和低功耗是sub-GHz應用優於2.4GHz應用的基本優點。有一項缺點則常常被用來舉證為2.4GHz勝過sub-GHz之處,亦即用於sub-GHz網路的天線尺寸大於2.4GHz網路。例如用於433MHz應用的最佳天線尺寸可能長至7吋。然而,天線的尺寸和頻率是呈反比的,因此,如果節點大小是一個重要的設計考量,則開發人員可升高頻率例如高至950MHz,以使用較小的天線(圖1)。
2.4GHz/sub-GHz鎖定特殊應用
無論是2.4GHz或sub-GHz技術,在消費性、工業和汽車市場中都已相當普及。2008年的2.4GHz市場總量(TAM)是一億七千二百萬個,而sub-GHz市場總量為四億九千二百萬個,幾乎是前者的三倍。
圖2說明了sub-GHz和2.4GHz在某些特定應用中已成為主流技術。汽車遙控門鎖為相當普遍的sub-GHz應用,在此應用中,最注重在長距離(100公尺以上)進行低資料傳輸速率傳輸,以及極長的電池壽命。對車庫遙控門鎖(GDO)和胎壓監控系統(TPMS)而言也是如此。
| 圖2 消費性、工業和汽車應用所採用的無線頻率趨勢 | 針對玩具、醫療設備、保全系統和建築物自動化等這些市場,會有兩種無線頻率並存於同一系統的情況。例如,在建築物保全中,須要使用2.4GHz無線電以滿足高資料傳輸速率的攝影機所需,同時也須採用sub-GHz協定,以布建由接近、壓力和加速感測器構成的網路。
對無線應用的設計而言,需要考量的事項不只是傳輸距離、功耗、天線尺寸及數據速率。是否可在全球各地布建,以及軟體堆疊大小和成本也是必須注意的部分。
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