Hiểu tính toán không dây Phạm vi

Một trong những tính toán quan trọng trong bất kỳ thiết kế không dây phạm vi, khoảng cách tối đa giữa máy phát và máy thu cho hoạt động bình thường. Bài viết này xác định các yếu tố liên quan trong phạm vi tính toán và cho thấy làm thế nào để ước lượng khoảng cách để đảm bảo một liên kết truyền thông đáng tin cậy.

Tại sao thực tế Phạm vi có thể không bình đẳng đun Nói

Bạn đã bao giờ mua một đài phát thanh không dây cho một dự án nhúng và phát hiện ra rằng bạn đã không đạt được tần số vô tuyến (RF) phạm vi ghi trong datasheet? Tại sao vậy? Đây có thể là do sự khác biệt giữa các nhà cung cấp như thế nào đo phạm vi và làm thế nào bạn đang sử dụng các đài phát thanh.

Các nhà cung cấp thường xác định phạm vi bằng cách bắt nguồn nó theo kinh nghiệm từ các bài kiểm tra thực tế hoặc bằng cách sử dụng một tính toán. Dù bằng cách tiếp cận là tốt miễn là tài khoản của bạn cho tất cả các biến. Một giải pháp thực nghiệm, tuy nhiên, có thể phát hiện các tình huống thực tế rằng các tính toán này không giải quyết.

Trước khi chúng ta so sánh các phương pháp tiếp cận, hãy định nghĩa một vài thuật ngữ để hiểu rằng số của nhà sản xuất hoặc các biến có liên quan cho các phạm vi.

Và sức mạnh tính toán dBm

Điện RF thường được thể hiện và đo bằng decibel với một tham chiếu milliwatt, hoặc dBm. Một decibel là một đơn vị logarit đó là một tỷ lệ về sức mạnh của hệ thống để một số tài liệu tham khảo. Một giá trị decibel của 0 là tương đương với một tỷ lệ 1. Decibel-miliwatt là sức mạnh sản lượng trong decibel tham chiếu đến 1 mW.

Kể từ dBm được dựa trên một quy mô lôgarít, nó là một thước đo sức mạnh tuyệt đối. Đối với mỗi mức tăng của 3 dBm có khoảng gấp đôi công suất đầu ra, và mỗi tăng 10 dBm đại diện cho một sự gia tăng gấp mười lần sức mạnh. 10 dBm (10 mW) là 10 lần mạnh hơn 0 dBm (1 mW), và 20 dBm (100 mW) là 10 lần mạnh hơn 10 dBm.

Bạn có thể chuyển đổi giữa mW và dBm bằng cách sử dụng công thức sau đây:

P (dBm) = 10 • log10 (P (mW))

P (mW) = 10 (P (dBm) / 10)

Ví dụ, một sức mạnh của 2.5 mW trong dBm là:

dBm = 10log2.5 = 3.979

hoặc về 4 dBm. Một giá trị dBm của 7 dBm trong mW quyền lực là:

P = 107 / 10 = 100.7 = 5 mW

Đường dẫn Loss

Hao đường là giảm mật độ năng lượng xảy ra như một làn sóng phát thanh truyền trên một khoảng cách. Các yếu tố chính trong sự mất mát con đường là sự giảm cường độ tín hiệu trên khoảng cách của các sóng radio mình. Sóng vô tuyến theo một định luật nghịch đảo cho mật độ năng lượng: mật độ công suất là tỷ lệ thuận với bình phương nghịch đảo của khoảng cách. Mỗi lần bạn tăng gấp đôi khoảng cách, bạn chỉ nhận được một phần tư năng lượng. Điều này có nghĩa rằng mỗi tăng 6-dBm trong sản lượng điện tăng gấp đôi khoảng cách có thể là có thể đạt được.

Bên cạnh sức mạnh truyền, một yếu tố khác ảnh hưởng đến phạm vi là độ nhạy thu. Nó thường được biểu diễn trong -dBm. Kể từ khi cả sản lượng điện và độ nhạy thu được nêu trong dBm, bạn có thể sử dụng bổ sung đơn giản và phép trừ để tính toán suy hao đường truyền tối đa mà hệ thống có thể phát sinh:

Mất con đường tối đa = truyền tải điện năng - độ nhạy thu + lợi nhuận - lỗ

Tăng bao gồm các khoản lãi phát sinh từ hướng truyền và / hoặc ăng-ten thu. Tăng ăng ten thường được thể hiện trong dBi tham chiếu đến một ăng-ten đẳng hướng. Thiệt hại bao gồm bất kỳ bộ lọc hoặc suy hao cáp hoặc điều kiện môi trường nổi tiếng. Mối quan hệ này cũng có thể được nêu như một ngân sách liên kết, đó là kế toán của tất cả lợi và hại của một hệ thống để đo cường độ tín hiệu ở người nhận:

Công suất thu được = truyền tải điện năng + tăng - lỗ

Mục đích là để làm cho nhận được sức mạnh lớn hơn độ nhạy máy thu

Trong không gian miễn phí (một điều kiện lý tưởng), định luật nghịch đảo là yếu tố duy nhất ảnh hưởng nhiều. Trong thế giới thực, tuy nhiên, phạm vi cũng có thể được phân hủy bởi các yếu tố khác:

• Những trở ngại như tường, gốc cây, và đồi có thể gây mất tín hiệu đáng kể.

• Nước trong không khí (độ ẩm) có thể hấp thụ năng lượng RF.

• đồ dùng kim loại có thể phản xạ sóng radio, tạo ra các phiên bản mới của tín hiệu. Những nhiều sóng đạt được nhận vào các thời điểm khác nhau và mang tính hủy diệt (và đôi khi mang tính xây dựng) can thiệp với chính mình. Điều này được gọi là đa đường.

Fade Margin

Có rất nhiều công thức để định lượng những trở ngại này. Khi xuất bản số phạm vi, tuy nhiên, nhà sản xuất thường bỏ qua những trở ngại và nhà nước chỉ có một line-of-sight (LOS) hay lý tưởng dãy số con đường. Trong sự công bằng cho các nhà sản xuất, nó không thể biết tất cả các môi trường nơi mà một đài phát thanh có thể được sử dụng, vì vậy nó không thể tính toán phạm vi cụ thể người ta có thể đạt được. Các nhà sản xuất đôi khi sẽ bao gồm một ngưỡng fade vào tính toán của họ để cung cấp cho các điều kiện môi trường như vậy. Do đó, phương trình để tính toán khoảng cách trở thành:

Mất con đường tối đa = truyền tải điện năng - độ nhạy thu + lợi nhuận - lỗ - lề phai

Lề Fade là một khoản trợ cấp một thiết kế hệ thống bao gồm các tài khoản cho biến không rõ. Các cao hơn biên độ tan, chất lượng tốt hơn liên kết tổng thể sẽ được. Với một tỷ suất lợi nhuận mờ dần thiết lập để không, ngân sách liên kết vẫn còn hiệu lực, chỉ trong điều kiện LOS, mà không phải là rất thiết thực đối với hầu hết các thiết kế. Số tiền ký quỹ phai để bao gồm trong một tính toán phụ thuộc vào môi trường mà trong đó hệ thống được dự kiến ​​sẽ được triển khai. Biên độ mờ nhạt của 12 dBm là tốt, nhưng một số tốt hơn sẽ được 20 để 30 dBm.

Như một ví dụ, giả sử một công suất phát của 20 dBm, độ nhạy thu của -100 dBm, nhận được ăng-ten của 6 dBi, truyền ăng-ten của 6 dBi, và một biên độ mờ nhạt của 12 dB. Mất cáp là không đáng kể:

Mất con đường tối đa = truyền tải điện năng - độ nhạy thu + lợi nhuận - lỗ - lề phai

V - mất con đường tối đa = 20 - (-100) + 12 - 12 = 120 dB

Sau khi mất con đường tối đa đã được tìm thấy, bạn có thể tìm ra khoảng từ công thức:

Khoảng cách (km) = 10 (mất con đường tối đa - 32.44 - 20log (f)) / 20

trong đó f = tần số trong MHz. Ví dụ, nếu suy hao đường truyền tối đa là 120 dB ở tần số 2.45 GHz hoặc 2450 MHz, phạm vi sẽ được:

Khoảng cách (km) = 10 (120 - 32.44 - 67.78) / 20 = 9.735 km

Hình 1 thấy mối quan hệ giữa suy hao đường truyền tối đa và phạm vi ở một tần số của 2.45 GHz.

1. Các đường cong cho thấy mối quan hệ giữa ngân sách liên kết hoặc mất con đường tối đa trong dBm và tầm bắn ước tính bằng km.

Giải thích Kết quả thực nghiệm

Trong khi phương pháp thực nghiệm là rất hữu ích trong việc xác định phạm vi, nó thường rất khó để đạt được lý tưởng LOS cho các phép đo thực tế và khó khăn để hiểu được bao nhiêu fade margin để xây dựng thành một hệ thống. Kết quả đo có thể giúp xác định những vấn đề vượt quá tuyên truyền RF có thể làm ảnh hưởng đến phạm vi của một hệ thống, chẳng hạn như tuyên truyền đa đường, nhiễu, và hấp thụ RF. Nhưng không phải tất cả các bài kiểm tra thực thế giới đều giống nhau, do đó, các phép đo thực tế nên được sử dụng chủ yếu để thúc đẩy những con số ngân sách liên kết tính toán ở trên.

Các yếu tố có thể ảnh hưởng phạm vi đạt được trong một thử nghiệm thực nghiệm bao gồm ăng-ten, chiều cao ăng ten, và can thiệp. Antenna đạt được là một nguồn quan trọng đạt được trong hệ thống. Thường thì nhà sản xuất sẽ xác nhận vô tuyến của họ để làm việc với các loại khác nhau của ăng-ten từ cao đạt được Yagi và ăng-ten vá để ôn hòa-được ăng-ten đa hướng. Điều quan trọng là phải đảm bảo kiểm tra được thực hiện với cùng một loại ăng-ten mà bạn đang sử dụng các đài phát thanh. Thay đổi từ một ăng-ten 6-dBm với một ăng ten 3-dBm trên cả truyền và nhận mặt sẽ gây ra một sự khác biệt 6-dBm trong ngân sách liên kết và làm giảm phạm vi bằng một nửa.

Antenna Chiều cao And The Fresnel Zone

Chiều cao ăng-ten là một mối quan tâm cho phép đo thực nghiệm. Tăng chiều cao của một ăng-ten không có hai điều chính. Đầu tiên, nó có thể giúp bạn có được trên bất kỳ chướng ngại vật thể như xe hơi, người, cây cối, và các tòa nhà. Thứ hai, nó có thể giúp có được đường dẫn tín hiệu RF LOS thật của bạn ít nhất là giải phóng mặt bằng 60% trong vùng Fresnel.

Khu Fresnel là một khối lượng ellipsoid giữa máy phát và máy thu có diện tích được xác định bởi bước sóng của tín hiệu. Đây là khu vực có tính toán mà phấn đấu để giải thích cho sự tắc nghẽn hoặc nhiễu xạ của sóng radio. Nó được sử dụng để tính toán giải phóng mặt bằng đúng một tín hiệu cần phải có các chướng ngại vật để đạt được cường độ tín hiệu tối ưu. Một quy luật chung của ngón tay cái là phải có con đường LOS rõ ràng trên những trở ngại mà không có nhiều hơn 60% chiều cao ăng ten.

Độ cong của Trái đất cũng có thể tác động LOS cho tầm xa kết nối không dây. Bảng cung cấp một số ví dụ về tác động, nơi mà chiều cao của trái đất ở điểm giữa của con đường liên kết nào không chiếm đồi hoặc các tính năng địa hình khác và độ cao ăng ten đạt được một tín hiệu đó là ít nhất 60% trong vùng Fresnel.
Trong nhiều trường thực tế, thu phát của bạn có thể hoạt động với một chiều cao ăng ten thấp hơn, nhưng nó là một cược tốt mà các nhà sản xuất đặt ăng-ten của họ tại một độ cao thích hợp. Đối với ứng dụng của bạn, bạn nên cố gắng để có một chiều cao ăng-ten thích hợp để đạt được phạm vi tốt nhất. Hình 2 minh họa cách xa con đường, chiều cao chướng ngại vật, và chiều cao ăng-ten có liên quan đến vùng Fresnel.

2. Chiều cao ăng ten mong muốn được xác định bởi chiều cao chướng ngại vật và bao thanh toán trong% lợi nhuận 60 để bù đắp cho các điều kiện vùng Fresnel.

Cuối cùng, tiếng ồn và nhiễu có thể có một tác động tiêu cực trên phạm vi của một hệ thống không dây. Tiếng ồn không thể kiểm soát được nhưng nên được yếu tố vào trong dãy nếu nó là một vấn đề. Trong ban nhạc công nghiệp, khoa học, và y tế (ISM) tại 902 để 928 MHz (Bắc Mỹ) và 2.4 GHz (trên toàn thế giới), can thiệp thường có thể được mong đợi, nhưng chiếm rất khó. Các nhà sản xuất có thể thực hiện các bài kiểm tra thực nghiệm chỉ khi can thiệp là không có mặt. Nó chắc chắn có khả năng là môi trường của bạn có sự can thiệp lớn hơn hiện diện trong thử nghiệm của nhà sản xuất.

Tổng kết

Với rất nhiều các biến trong một hệ thống, làm thế nào bạn có thể biết liệu các phạm vi tuyên bố bởi một nhà sản xuất sẽ áp dụng cho hệ thống của bạn? Thường thì nó là không thể biết liệu kiểm tra được thực hiện theo kinh nghiệm hoặc nếu các số phạm vi được tính toán. Dù bằng cách nào, bằng cách phân tích công suất phát tối đa và độ nhạy máy thu, bạn có thể tạo ra một cơ sở để so sánh một đài phát thanh để tiếp theo. Sử dụng những con số này, cùng với một biên tập mờ dần và các khoản lãi do ăng-ten hoặc tổn thất do cáp RF, bạn có thể tính toán một ngân sách liên kết tối đa. Sau đó sử dụng các phương trình khoảng cách trên để tính toán phạm vi riêng của bạn. Đối với các thiết bị phát thanh khác nhau, điều này sẽ cung cấp một cơ sở tốt để so sánh hai hoặc ba hệ thống đáp ứng nhu cầu của bạn.

Để hiểu được nếu các đài sẽ làm việc trong ứng dụng của bạn, bạn nên cố gắng để thử nghiệm thực tế chính xác có thể chiếm chiều cao ăng ten, đa đường, nhiễu, và các vật cản. Trì hoãn kiểm tra thực tế cho ứng dụng của bạn và chỉ lấy số của nhà sản xuất nguyên văn có thể để lại cho bạn hỏi, "phạm vi của tôi là gì?"

Để lại lời nhắn 

Danh sách tin nhắn