无线计量的挑战与解决方案

如今，“智能”这个词可能被过度使用了，但尽管如此，它现在在普通词典中占据了一个空间，它是现代、先进和高效的代名词。智能电表的发展符合这一定义，并且它们在过去二十年左右的时间里发展成为公用事业交付的一个组成部分。智能电表可实时更新燃气、水和最常见的电力等公用事业的使用情况，让房主或企业用户更好地了解自己的个人消费情况，并使公用事业提供商能够更好地管理他们的服务。

这是智能计量的公众形象，但在幕后，它涉及的不仅仅是简单地移除带有机械表盘的“哑”表，并用具有 LCD/LED 读数的“智能”表代替。所涉及的智能已经看到计量首先成为差异化因素，然后成为供应商的标准功能。早期采用者具有竞争优势，可以在一定程度上锁定供应商，而政府希望避免这种情况。制定了立法或其他计划，确保消费者可以再次自由移动供应商，而不必担心失去智能电表的好处。

相对较快，消费者拥有智能电表的选择已经变成了供应商提供智能电表的义务，通常通过立法规定了一些最后期限。必须承担为公用事业供应商提供智能电表的成本，即使知道消费者在看到投资回报之前可能会更换供应商。出于这个原因，智能电表的设计需要兼顾成本和使用寿命，这意味着新电表需要比之前的电表更坚固、更可靠。

由于许多原因，无线连接是本地通信的首选形式。这可能采取多种形式，包括蜂窝和未许可 （ISM） 解决方案。随着 5G 在各国的推广，它可能成为智能计量的可行解决方案，然而，今天的覆盖范围和成本将禁止这样做。虽然 GSM/3G/4G 是可行的，但对带宽的需求以及在许可和非许可频段中运行的设备的密度正在给该领域已经存在的多种无线电设备带来压力。随着频谱变得更加拥挤，它会引入一些问题，尽管协议通常可以解决这些问题，但会降低解决方案的功效。出于这个原因，仪表制造商和组件供应商正在共同努力应对两个因素带来的日益严峻的挑战；

计量和物联网

无线计量网络可以被视为更广泛的物联网 （IoT） 的先行者；一个社区可能包含许多智能电表，这些电表使用各种无线协议连接到本地聚合器或网关。反过来，聚合器将通过某种其他形式的连接（可能是有线或无线）与网络进行通信。维护已经被视为传统技术的技术，尤其是在当地地区在射频方面变得更加拥挤的情况下，可能会很困难。

通常，仪表会使用某种形式的片上系统，该系统基于具有集成 RF 功能的微控制器，工作在 902 – 928MHz 频段。虽然这些类型的设备满足智能计量的技术要求，但它们的输出功率通常被限制在 10mW 和 100mW 之间。为了在局域网中运行，智能电表的输出功率最初可能相对较低，但随着射频频谱变得更加拥挤，链路预算可能会受到影响，从而导致通信中断。在某些物联网应用中，这可能是可以容忍的，但在使用实时数据计算实际成本和网络需求的能源领域，数据或通信丢失变得至关重要。解决这个问题的一种简单但有效的方法是增加智能电表的输出功率，

在任何设计中，RF SoC 的输出都会馈入功率放大器 （PA），其中的增益会将信号提升到 1W 或 30dBm 范围内的功率水平。虽然 ISM 频段的输出功率在某些地区受到限制，但这种方法提供了更高的链路预算以覆盖更广泛的区域，并且还克服了与难以到达的地方（例如地下室）相关的损耗。为了保持稳定性，最好限制单个放大级的增益量。对于 UHF 范围内 30dB 左右的增益，这通常对应于 3 级 PA。在 RF SoC 的输出中添加一个集成的 3 级功率放大器将扩展无线电链路的范围，而不会产生大量的设计费用。

选择合适的 PA

虽然更换输出功率放大器级可能是扩展现有智能电表设计的有用范围的简单解决方法，但在开发新设计以实现一定的灵活性和可扩展性时，这也是一种很好的做法。这两种方法的关键是选择正确的功率放大器。

CMX901 是一款宽带三级功率放大器，能够在 130MHz 至 950MHz 的频率范围内工作，输出功率在 160MHz 时高达 2.5W，在 915MHz 时输出功率高达 1.5W。它采用 2.5V 至 6V 的单电源电压工作，可以使用一系列调制方案为 VHF/UHF 信号提供 40dB 的增益，包括 FSK、FFSK/MSK、GFSK/GMSK 和多级 FSK。这使其适用于许多射频应用，包括扩展智能电表的范围。

它在每个阶段采用不同的放大器模式；第一阶段偏置为A类，第二阶段为AB类。第三级是 C 类放大器，三个级一起提供最佳效率。该器件的每一级都有专用的电源轨，可以通过调节电压 V PARAMP来调制总功率输出，进而调节 V GS1和 V GS2；这些实际上是使用推荐的电路布局来设置第 1 级和第 2 级的电源引脚的产物，它们通过电阻连接在一起以产生 V PARAMP。

CMX901 的小外形和功率要求使其成为新旧设计的理想选择。

结论

智能计量仍然是一个活跃且不断增长的细分市场，随着物联网的不断扩展，它通过自动化带来好处。自动抄表是集中监控如何带来好处的早期例子，但随着有用的无线频谱变得更加拥挤，调整设计实践以克服成功带来的挑战将变得更加必要。

通过在 RF SoC 的输出级添加灵活的功率放大器，制造商可以延长其经过验证的设计的使用寿命，并为新设计内置一些面向未来的功能。CMX901 是一个很好的例子，说明了多级功率放大器如何为日益严重的问题提供简单的解决方案。

审核编辑：郭婷