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Nordic Nrf52840芯片為例看無線電傳輸和距離相關的兩大關鍵因數

2019-09-20 10:49 ? 次閱讀

首先想說的是,在這個夜晚,Merry Chrismas Eve, buddies and sisters,感謝大家捧場關注,也感謝大家花片刻時間來閱讀我的碎語。

一年又到年終時,回顧今年,是否感慨沒有好好為家人做一餐晚餐,是否在感慨一抬頭已經年關而一事無成,是否做了很多項目依然生活拮據看不到希望....人會迷茫,而迷茫的時候容易輕視自己,我也沒什么良藥治愈,唯有堅持。技術的路是一條苦路...我想在每一周的文章分享一句名言,激勵自己寫更好的文章。 我不鼓勵996加班加點趕項目趕工程,除了工作,我們需要生活。騰出空,去生活,去思考。

第一言? 是高中語文老師第一次上課寫在黑板上,背誦了好多年 愕然回首? 感同身受.

有志者、事竟成,破釜沉舟,百二秦關終屬楚; 苦心人、天不負,臥薪嘗膽,三千越甲可吞吳.

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

上周寫了藍牙5?2X 數據吞吐量,這周聊聊藍牙5重要的4X 遠距離的原理。

我們先談一談無線電傳輸和距離相關的兩大關鍵因數(因數不只兩個,這個定性分析兩個和我們息息相關的):

一. 鏈結預算Link Budget

在部署無線電通信時,鏈路預算(Link Budget)就是指從發射機開始通過射頻媒介直到接收機之間的所有增益和衰減的總和。鏈路預算計算的目的是確保最終的接收信號強度處于接收機的接收靈敏閾值之上。簡單來說,鏈路預算越大,發送端和接收端的距離越遠。

Link budget?[dB]= TX Power?[dBm]- Sensitivity level?[dBm]

舉例說明:

TI CC2640R2F芯片為例,最大TX Power 5dbm, 最大接收靈敏度 -97dBm,根據上述公式,5 dBm - (-97 dBm) =?102 dB。

以Nordic Nrf52840芯片為例,最大TX Power 8dbm, 最大接收靈敏度 -96dBm,根據上述公式,8?dBm - (-96 dBm) =?104 dB。

結論:

鏈結預算值越大,傳輸距離越遠。

二. 無線電傳輸損耗

1.自由空間損耗

顧名思義,即為無線信號在空氣中傳播的損耗,可以由以下公式得到

F為頻率,單位為G hz,D為發射端與接收端距離,單位為千米。由該公式可知路損的相關因素分為以下兩個:

1).發射天線與接收天線間的距離。

2).頻率, 頻率越高路損越大。

2.現實中無線電對地平面損失

自由空間損耗是理想狀態下無線電的損耗,實現當中還有兩個考慮的因數,第一,天線損耗;第二,地表對無線的吸收和反射。

在考慮天線損耗和地表對無線的吸收和反射,我們可以概括得出下列公式。

h1和h2為發射端和接收端對地距離,k為自由空間波數,r是發射端和接收端的天線。

繪制自由空間損耗和地平面損失和距離關系的圖如下所示:

在外界條件一致的情況下可以簡化得到下面非常有意義的公式:

該公式的結論如下:

無線電傳輸距離和發射端,接收端對地距離成正比,距離地面越高,傳輸越遠。

講完和距離相關的兩大因數,回到正題:

藍牙5特性二?【4X 遠距離】

在4.2及以前的版本中藍牙低功耗在信道傳輸中未使用糾錯編碼技術,標準規定的基準靈敏度為-70dBm(基本上每一家藍牙芯片廠商都可以做到-90dBm)。?藍牙5引入了卷積前向糾錯編碼(Convolutional Forward Error Correction Coding)?技術,提高了接收機的抗干擾能力,將接收機的參考靈敏度分別提高到-75dBm (S=2編碼)和-82dBm (S=4編碼),?同時提高了接收機的載干比(載干比:C/I=載波信號強度/干擾信號強度)性能。使得在保持TX相同功耗情況下,藍牙的距離提升了4倍,下面來說說如何做到提高接收靈敏度,依靠的就是編碼PHY。

BLE編碼PHY

藍牙5除硬件支持1M,2M PHY,還支持兩種編碼方式的PHY,這兩種編碼方式的PHY是基于1M PHY的基礎,使用1M PHY的物理通道。新的編碼分為兩種,一種編碼PHY為500kbps(S=2),另外一種編碼PHY是125kbps(S=8)。

編碼PHY的數據包類型和1M PHY/2M PHY 數據包類型略有不同,增加了CI(coding indicator)和TERM1和TERM2。CI和TERMx構成了FEC(Forward Error Correction)區塊,利用FEC恢復在傳輸過程中的錯誤數據位,以提升接收靈敏度。

經過S=2或者S=8的編碼,接收靈敏度可以提升4-6dBm,距離相應提升2-4被。但是進化出一種新的能力必然會犧牲自己一項能力,和1M PHY相比,傳輸的距離提升了,但傳輸相同數據包,編碼PHY的功耗比1M PHY就要高出一節 (BLE 規定的包長一致,部分payload變為FEC data,實際有效的傳輸數據減少)。

數據流傳遞方式:

1M/2M PHY

在沒有編碼方式下,TX數據包數據bit流通過加密(可選項),CRC效驗,白化之后發送出去;RX端接收到數據流解調后校驗CRC,解密,得到原始數據包數據。

500kbps,125kbps 編碼PHY

相對 1M/2M 未編碼PHY的數據流,500k PHY, 125K phy多出兩個部分:FEC(前向錯誤糾錯) 編碼和模式映射,大家肯定要問如何實現FEC,我們以編碼PHY的流程來完整講述一下數據流的編碼和傳輸過程。

錯誤檢驗 — CRC效驗錯誤

接收機首先會檢測接收到的Access Adrees是否正確,如果Access Adrees錯誤,丟棄該數據包,檢測完Access Adrees,接收機會去效驗整個數據包,判斷24位CRC是否完全吻合。

白化

數據白化的目的是在傳輸數據遇到連續000000,或者連續111111序列時,進行合理編碼,減少傳輸長串重復序列數據。

編碼 — 前向錯誤編碼

前向錯誤編碼算法使得接收機有能比恢復該數據包中的傳輸錯誤數據位,通過把原始數據進行編碼得到新的數據流,即使新的數據流在傳輸過程中有個別位數據錯誤,FEC解碼也能恢復原始數據,從而提高了傳輸的誤碼率。BT5.0使用的如下編碼算法:

G0(a0)先進行傳輸,G1(a1)在G0傳輸完成之后傳輸。

模式映射 — Pattern Mapper

模式映射的目的是整理輸出前向錯誤編碼數據,輸出的方式分為兩種模式(P symbols),一種P=1(S=2),一種P=4(S=8),兩種模式下把前向錯誤編碼數據進行加工,然后輸出。由下面的表格所示,當P=1時,輸出的data和輸入保持不變,1位輸入,1為輸出;當P=4時,編碼為4位再輸出,所以可以看到P=4(S=8)時,輸出的data數據量會更多,更進一部壓縮實際可以傳輸的有效payload數據。

得益于前向錯誤編碼和模式映射,使得藍牙數據在傳輸過程中,RX端對整個payload數據包解碼糾錯能力有不同提升(簡單說即為提高RX端接收靈敏度),藍牙5的傳輸距離才有顯著的提升。125kbps使用S=8模式,傳輸距離相對傳統BLE提升4倍,相應犧牲的數據傳輸率最多,500kbps使用S=2模式,傳輸距離相對傳統BLE提升2倍。長距離模式可以有效可以支持到400-500米范圍內BLE通訊,是不是很厲害呢~

以上就是為什么藍牙5可以做遠距離傳輸,遠距離傳輸將會無人機,遙控賽車,競技手柄,工業自動化需要200-500范圍內的數據傳輸提供強有力的技術支持,目前可以支持藍牙5遠距離的芯片有Nordic 52840,TI CC2640R2F, Silconlab?EFR32 Blue Gecko,但是可惜的是目前沒有一部手機支持遠距離,what a pity...

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BQ500511 無線電源發送器控制器

信息描述 bq500511 是一款無線電源發送器控制器。在與 bq50002 模擬前端器件搭配使用時,該器件集成了創建符合 Qi 標準或 5V 專用發送器所需的全部功能。 bq500511 和 bq50002 共同構成一款緊湊型無線充電器解決方案。 bq500511 對周圍環境執行 ping 操作來尋找需要供電的接收器器件,之后會與 Rx 器件安全接合、接收充電器件傳輸的通信數據包以及根據 WPC v1.2 規范管理功率傳輸。bq500511 特有的 Dynamic Power Limiting? (DPL) 功能可最大限度地提升無線電源控制應用的靈活性。 對于功率受限的輸入電源,DPL 對其可用功率進行無縫優化來改善用戶體驗。通過持續監測已建立電源傳輸的效率,該系統支持外來物體檢測 (FOD),以防因在無線電源傳輸場中錯誤放置金屬物體而產生功率損耗。 如果在電源傳輸過程中出現任何異常情況,bq500511 將對其進行處理并提供指示輸出。 綜合狀態和故障監視特性可實現一款經 Qi 認證的低成本且穩健耐用的無線電源系統設計方案。bq500511 采用 6mm x 6mm 耐熱增強型 40 引腳超薄四方扁平無引線 (VQFN) 封裝。特性 符合無線充電聯盟 v1.2 A11 規范的數字控制器 專為與 bq50002 模擬前端搭配使用而設計 適用于無線充電...
發表于 04-18 19:10 ? 56次 閱讀
BQ500511 無線電源發送器控制器

BQ500412 自由定位、符合 Qi 標準的無線電源發送器管理器

信息描述 bq500412 是一款符合 Qi 標準的超值解決方案,此解決方案集成了控制到單個 WPC1.1 兼容接收器無線電源傳輸所需的全部功能。 它與 WPC1.1 標準兼容,并且設計用于具有可選升壓轉換器的 12V,或 5V 系統,作為一個無線電源聯盟 A6 類型自由定位發射器。 bq500412周圍環境以尋找將被供電的 WPC 兼容器件,安全使用器件,接收來自被供電器件的數據包通信并根據 WPC1.1 技術規范管理電源傳輸。 為了大大增加無線電源控制應用中的靈活性, Dynamic Power Limiting (DPL) 在器件與 5V 輸入電源供電的可選升壓轉換器一同使用時具有 bq500412 的性能。 Dynamic Power Limiting 通過無縫優化受限輸入電源上可用功率的用量, 提高了用戶體驗。 通過持續監控已建立的電源傳輸的效率,bq500412 支持針對以往產品的外來物體檢測 (FOD) 和增強性寄生金屬檢測 (PMOD),從而防止由于在無線電源傳輸場中錯誤放置金屬物體而導致的電源丟失。 如果在電源傳輸期間發生任何異常情況,bq500412 對其進行處理并提供指示器輸出。 綜合狀態和故障監視特性可實現一個低成本但是穩健耐用的,符合 Qi 標準的無線電源系統設計。 bq500412 采用 48 引腳,7mm ...
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BQ500412 自由定位、符合 Qi 標準的無線電源發送器管理器

BQ500215 BQ500215 固定頻率 10W WPC1.1 無線電源發送器

信息描述bq500215 是一款專用數字無線電源控制器,它集成了控制無線電源傳輸至單個 WPC 兼容接收器所需的邏輯功能。bq500215 符合 WPC v1.2 標準,可輸出高達 5W 的功率;使用專有的雙向通信協議,結合 bq51025 無線電源接收器可實現高達 10W 的充電功率。bq500215 是一款智能器件,它可以定期詢問周圍環境中要充電的設備,檢測充電板上是否有外來金屬物體,監視所有無線充電設備的通信并按照充電設備的反饋來調整施加到發送器線圈上的電源。bq500215 還可以處理功率輸出相關的故障條件,并控制運行模式狀態指示燈。bq500215 使用電源電壓控制機制代替傳統的頻率控制來調節傳送到接收器的功率。特性經 Qi 認證的 WPC v1.2 解決方案,適用于 5W 運行,配合 TI bq51025 無線電源接收器可提供專有的 10W 充電能力專有 TI bq51025 接收器的認證協議 更快的充電時間 兼容標準 5W WPC 接收器12V 輸入,固定頻率,電源電壓控制架構 符合無線電源聯盟 (WPC) A29 發送器類型技術規范 通過 FOD Ping 實現增強型外來物體檢測 (FOD),可在電源傳輸前檢測金屬物體空閑和“充電完成”期間低待機功耗 10 種可配置的 LED 模式,可指示充電狀態和故障...
發表于 04-18 19:10 ? 71次 閱讀
BQ500215 BQ500215 固定頻率 10W WPC1.1 無線電源發送器

BQ500212A 符合 Qi 標準的 5 V 無線電源發送器管理器

信息描述 bq500212A 是一款經 Qi 認證的超值解決方案,此解決方案集成了控制到單個 WPC1.1 兼容接收器無線電源傳輸所需的全部功能。 它與 WPC1.1 兼容,并且被設計成用于 5V 系統的無線電源聯盟類型 A5 或 A11 發射器。 bq500212A周圍環境以尋找將被供電的 WPC 兼容器件,安全使用器件,接收來自被供電器件的數據包通信并根據 WPC1.1 技術規范管理此電源傳輸。 為了最大限度地增加無線電源控制應用中的靈活性, Dynamic Power Limiting (DPL) 成為 bq500212A 的特性。 Dynamic Power Limiting 通過無縫優化受限輸入電源上可用功率的用量提高用戶體驗。 通過持續監控已建立的電源傳輸的效率,bq500212A 支持針對以往產品的外來物體檢測 (FOD) 和增強性寄生金屬檢測 (PMOD),從而防止由于在無線電源傳輸場中錯誤放置金屬物體而導致的電源丟失。 如果在電源傳輸期間發生任何異常情況,bq500212A 對其進行處理并提供指示器輸出。 綜合狀態和故障監視特性可實現一個低成本但是穩健耐用的,經 Qi 認證的無線電源系統設計。 bq500212A 采用 48 引腳,7mm x 7mm 四方扁平無引線 (QFN) 封裝。特性 針對發射端應用的已經驗證,經 Qi 認證...
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BQ500212A 符合 Qi 標準的 5 V 無線電源發送器管理器

ADF7030-1 高性能、sub-GHz無線電收發器IC

和特點 射頻(RF)范圍 169.4 MHz 至169.6 MHz 426 MHz 至470 MHz 863 MHz 至960 MHz 數據速率 2FSK/2GFSK: 0.1 kbps 至300 kbps 4FSK/4GFSK: 0.1 kbps 至400 kbps (僅發射) 雙通道功率放大器(PA) 可編程接收器帶寬:3 kHz至487 kHz 接收器(Rx)性能 阻塞:高達97 dB(±10 MHz失調) 鄰道抑制:高達66 dB 靈敏度:-122.8 dBm(2.4 kbps) 發射器(Tx)性能 范圍:?20 dBm至+17 dBm,步長分辨率為0.1 dB 輸出功率隨溫度和電源變化波動極低 欲了解更多特性,請參考數據手冊 產品詳情 ADF7030-1是一款完全集成的無線電收發器,以極低功耗實現高性能。該器件非常適合要求長距離、網絡魯棒性和長電池續航時間的應用。它適合在ISM、SRD,以及169 MHz、426 MHz至470 MHz和862 MHz至960 MHz許可頻段范圍內工作的應用。它對IEEE802.15.4等基于標準的協議提供廣泛支持,同時還靈活地支持眾多專有協議。高度可配置的低中頻(IF)接收器支持3.6 kHz至487 kHz范圍內的各種IF帶寬。這使得ADF7030-1支持超低窄帶、窄帶和寬帶通道間隔。ADF7030-1具有兩個獨立的PA,分別支持?20 dBm至...
發表于 02-22 15:04 ? 60次 閱讀
ADF7030-1 高性能、sub-GHz無線電收發器IC

ADF7030 高性能、低功耗、169MHz ISM頻段無線電收發器IC

和特點 RF頻率范圍: 169.4 MHz至169.6 MHz 調制: 2GFSK、4GFSK 數據速率: 2GFSK: 2.4 kbps和4.8 kbps 4GFSK: 6.4 kbps (僅Tx) 1nA休眠電流 接收器性能 阻塞:97 dB(±10 MHz失調) t鄰道抑制:66 dB 靈敏度:?122 dBm 欲了解更多特性,請參考數據手冊 產品詳情 ADF7030是一款低功耗、高性能、集成式無線電收發器,支持169.4MHz至169.6MHz ISM頻段內的窄帶操作。 ADF7030支持以2.4kbps和4.8kbps進行發送和接收工作(使用2GFSK調制),以及以6.4kbps進行發送工作(使用4GFSK調制)。 ADF7030片上集成ARM? Cortex?-M0處理器,可執行無線電控制和數據包管理。 應用 無線M總線模式N (EN 13757-4) 智能計量 公共報警 有源標簽資產跟蹤 方框圖...
發表于 02-22 15:04 ? 60次 閱讀
ADF7030 高性能、低功耗、169MHz ISM頻段無線電收發器IC

ADRF6520 針對μW無線電2 GHz通道間隔的雙通道可編程濾波器和VGA

和特點 匹配VGA和可編程濾波器 連續增益控制范圍:54 dB 濾波器旁路模式I或Q帶寬(BW) ±1 dB增益平坦度:>1250 Hz 4極點巴特沃茲濾波器I或Q帶寬:36 MHz至720 MHz RMS檢波器 IMD3:>55 dBc(1.5 V p-p復合輸出) HD2、HD3:>55 dBc(1.5 V p-p輸出) 噪聲系數:10.4 dB(最大增益時) NF < 11 dB(VGA2增益回退:12 dB) 100Ω差分輸入、低阻抗輸出 可選直流輸出失調校正 SPI可編程濾波轉折頻率和增益步進 3.3 V單電源,具有關斷特性產品詳情 ADRF6520包括一對匹配的完全差分低噪聲、低失真可編程濾波器和可變增益放大器(VGA)。每個通道都能夠抑制較大的帶外干擾信號,同時忠實放大所需信號,因而模數轉換器(ADC)的帶寬和分辨率要求得以降低。兩個通道匹配出色,而且在所有增益和帶寬設置下都具有很高的無雜散動態范圍,因此ADRF6520非常適合具有密集星座圖、多個載波并存在鄰近干擾的正交(IQ)通信系統。可通過串行端口接口(SPI)編程濾波器轉折頻率、使能和直流失調校正環路使能特性。濾波器之前的第一個VGA提供27 dB的連續增益控制以及18 dB的最大增益,并設置差分輸入阻抗為100 Ω...
發表于 02-15 18:38 ? 116次 閱讀
ADRF6520 針對μW無線電2 GHz通道間隔的雙通道可編程濾波器和VGA
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