使用天线分集打造稳固的无线电通信链接

Nick Dutton

摘要：文章介绍了影响无线电通信链路持续稳定的主要因素，通过对低成本、易实现的无线分集技术的介绍，讲述了它如何实现多变的无线电通信链接品质。

关键词：无线电通信；无线电通信链接；天线分集；RFIC

对于许多人来说，无线电通信就像一个神秘的黑匣子，设计中面临的挑战可能很多、学习曲线也高，因此最好是留给其他人去做。这种误解总是一再出现，但实际上，对于拥有高集成度射频集成电路(RFIC)的供应商来说，这个任务却出奇的简单。

最初，许多设计者可能会担心区域规范的复杂性问题。因为世界区域不同规范也各异。然而，只要多加研究便能了解并符合不同区域的法规，因为在每一个地区，通常都会有一个政府单位负责颁布相关文件，以说明“符合特定目的”的发射端相关的规则。

无线电通信中更难于理解的部分在于无线电通信链路质量与多种外部因素相关，多种可变因素交织在一起产生了复杂的传输环境。而这种传输环境通常很难解释清楚。然而，掌握基本概念往往有助于理解多变的无线电通信链接品质，一旦理解了这些基本概念，其中许多问题可以通过一种低成本、易实现的被称作天线分集(antenna diversity)的技术来实现。

环境因素的考虑

影响无线电通信链路持续稳定的首要环境因素是被称为多径／衰落和天线极化／分集的现象。这些现象对于链路质量的影响要么是建设性的要么是破坏性的，这取决于不同的特定环境。可能发生的情况太多了，于是，当我们试着要了解特定的环境条件在某个时间点对无线电通信链接的作用，以及会造成何种链接质量时，这无疑是非常困难的。

天线极化/分集

这种被称为天线极化的现象是由给定天线的方向属性引起的，虽然有时把天线极化解释为在某些无线电通信链路质量上的衰减，但是一些无线电通信设计者经常利用这一特性来调整天线，通过限制收发信号在限定的方向范围之内达其所需。这是可行的，因为天线在各个方向上的辐射不均衡，并且利用这一特性能够屏蔽其他来源的射频噪声。

简单的说，天线分为全向和定向两种。全向天线收发信号时，在各个方向的强度相同，而定向天线的收发信号被限定在一个方向范围之内。若要打造高度稳固的链接，首先就要从了解此应用开始。例如：如果一个链路上的信号仅来自于特定的方向，那么选择定向天线获益更多。装有定向天线的接收器接收位于由天线方向属性决定的视线方向范围之内的发射器发出的信号，而其他位于该方向范围之外的发射器发出的信号被屏蔽。

装有定向天线的发射器发射它的大部分能量到预定的方向上，而不是在所有方向上发射，同时也不会减小它的覆盖能力。

为了简化对天线剖面的理解，天线厂商提供了天线辐射图。天线辐射图有不同的格式，如E面图(E plane plot)和波瓣图(polar plot)，如图1。除了方向性或形状外，E面图提供了大量信息，但通常不如波瓣图表述的那样清楚明了。波瓣图被设计成类似指南针，使得对于任意给定方向上的天线增益更易理解。

在图2中，工程师能看到一个高级的二维视图。指示在预定的平面上天线如何运行。然而天线也倾向于在其他轴上改变特性，但通常不提供三维图形数据，因为这会显著增加图表的复杂性。拉杆天线是一个典型的全向天线，它有一个简单的三维剖面。在平面图中，拉杆天线能提供极佳的覆盖，但是在三维图形中，它们在本身正上方或正下方的表现极差，这有助于我们能更了解天线被放在两层的室内环境中的情况。

通常，由于RF信号会被墙壁和其他室内物体反射，因此不易观察到天线极化的效果，然而，仍可以观察到其它对RF信号可能是建设性或破坏性的作用，此作用被称为多径／衰减。当发射器或接收器有些小移动，且对链接质量造成极大差异时，通常便会观察到此种衰减现象。当天线在接收和传送信号的波峰时便会发生此情况。

多重路径则是此概念的延伸。当无线电通信电波被传送时，它们被接收器接收的路径可能不只一条，由于其他物体(例如墙壁和树木)的反射形成多重路径，信号可能来自多个路径。接收这些来源的信号，其到达的时间可能会有些微小差距，这就意味可能会发生轻微的相位偏移。当这些信号结合在一起，它们可能会导致“衰减”这种消失的形式。最差的情况之一，是两个信号以相差180。的相位到达接收器，接收器将无法看到任何数据、造成100％的信号衰减。在大部分的情况中，接收器不太可能会接收到相位偏移达180。的两个信号，但是当多重路径的环境出现时，某些相位偏移还是有可能发生的，在这些情况下，便会发生某些信号衰减。

天线分集

天线分集是一种被用以恢复信号完整度的技术。在产品中实现天线分集的天线，与另一个天线有一个呈90~的天线架，如此极化／定向性的影响将不会降低潜在无线电通信链接的质量。除此之外，实现天线分集的产品中的各个天线，其天线架的位置皆会维持至少1／4波长的距离，如此能确保至少有一个天线是在波形的波峰中。

虽然天线分集对于恢复信号完整度，以及维持链接边界免受环境影响等颇有益处，但是必须在其它方面做出很大的牺牲，意味着微控制器(MCU)整体成本的增加，因为微控制器必须长时间待命，以时时评估天线信号。增加的微控制器功能将会导致需要规格更高和更贵的微控制器，而微控制器必须“随时待命”，也造成电池寿命缩短。在其他情况中，采用两个天线的解决方案将增加额外的空间需求，或是需要其它的编码专业技能，这些都限制设计人员只能采用单一天线设计。

编码一个天线分集系统将会增加设计上的编码负担。许多天线分集系统会经过最佳化，以同步方式运作。接收器上的微控制器具有定时功能，让接收器知道何时要开始接收数据，在这些情况下，微控制器可立刻开始评估两个天线的信号。为评估此信号，微控制器会切换各个天线并评估接收信号强度指示(RSSI，Received Signal Strength Indication)水平。在接收器并未采用定时器的其它产品中，无线电通信必须去侦测一个打包的开始，因为前导信号可能会被误判为噪声(或反之亦然)，不幸的是，特定天线中的强烈噪声可能会导致打包的开始被错过。

较长的前导信号通常是用来提供给微控制器及其天线分集算法足够的时间，去侦测和评估每一天线上的信号，确保能发现真正的前导信号，但是较短的前导信号比较受到青睐，因为它们能减少微控制器待命的时间，进而降低射频链接传输和接收端的微控制器功耗。工程师通常会试图找出折衷之道，他们会通过调整天线分集算法以降低前导信号的长度，但是却得冒着会造成其它无线电通信相关问题的风险，因为前导序列通常都经过最佳化，可提供快速的位频率回复。

将天线分集设计到系统中显然有许多好处，然而这个任务本身却让人胆怯，Silicon Labs的EZRadioPRO射频Ic系列能通过将天线分集算法和控制集成至RF Ic本身，进一步解决编码和MC嘴命的相关问题。

EZRadioPRO并不依赖发射器／接收器同步法，这让采用EZRadioPRO的产品能节省RF链接两端的耗电，且当接收信号低于信号质量(SQ)门坎，其可定期切换天线，借此来克服错过打包的问题。此信号质量门坎为根据接收器灵敏度或是有效信号门坎，而天线的选择则是根据有效信号指示。一旦接收器选择了一个天线，此接收器将继续利用此天线接收其余的打包。

为确认此天线切换的频率足以捕捉天线之一的打包，每当此算法进入“测量SQ”功能时，便会启动一个定时器。

最少切换时间：TPL/N

其中：TvL为在特定信号部分中可被容许用来选择天线的最长时间(例如打包的前导信号)N是分集接收器所采用的天线数目。

在“Measufe sq”功能工作期间，会针对信号质量(sQ)进行测量，若SQ低于信号质量门坎，或是定时器时间结束，则天线会被切换，且会再次启动“测量SQ”状态。另一方面，若测量到的SQ高于SQ门坎，则接收器会持续使用被选择到的天线，进行剩余打包的接收。

可能的情况是，当天线因为有效信号指示而被选择时，其信号质量仍可能比最佳信号差，这是因为在天线上进行的测量可能在打包到达前就先被噪声占据了。在首个有效信号质量指示产生时，在选择具有最高信号质量的天线前，EzRadioPRO天线分集算法会先检测其它天线，看看是否有更高的信号质量。