Розуміння радіус дії безпровідної Розрахунки

Одним з ключових розрахунків у будь-якій бездротовій конструкції є дальність, максимальна відстань між передавачем і приймачем для нормальної роботи. Ця стаття визначає фактори, що беруть участь у обчисленні дальності, та показує, як оцінити дальність, щоб забезпечити надійний зв’язок зв'язку.

Чому фактичний діапазон може не дорівнювати діапазону

Ви коли-небудь купували бездротове радіо для вбудованого проекту і виявили, що не досягли діапазону радіочастот (РЧ), зазначеного в таблиці? Чому так? Можливо, це пов'язано з різницею між тим, як постачальник вимірював діапазон і тим, як ви користуєтесь радіо.

Постачальники зазвичай визначають асортимент, виводячи його емпірично з реальних тестів або використовуючи розрахунок. Будь-який підхід хороший, якщо ви враховуєте всі змінні. Емпіричне рішення, однак, може виявити ситуації в реальному світі, з якими не розглядаються розрахунки.

Перш ніж порівняти підходи, давайте визначимося з кількома термінами, щоб зрозуміти кількість виробників або відповідні змінні для діапазону.

Розрахунки потужності та дБм

Радіочастотна потужність найчастіше виражається і вимірюється в децибелах з посиланням на міліват або дБм. Децибел - це логарифмічна одиниця, яка є відношенням потужності системи до деякого еталона. Значення децибела 0 еквівалентно відношенню 1. Децибел-міліват - вихідна потужність в децибелах, на яку посилається 1 мВт.

Оскільки dBm заснований на логарифмічній шкалі, це вимірювання абсолютної потужності. На кожне збільшення 3 дБм приблизно в два рази перевищує вихідну потужність, і кожне збільшення 10 дБм являє собою десятикратне збільшення потужності. 10 дБм (10 мВт) у 10 разів потужніший, ніж 0 дБм (1 мВт), а 20 дБм (100 мВт) у 10 в рази потужніший, ніж 10 дБм.

Ви можете конвертувати між МВт і дБм за допомогою наступних формул:

P (дБм) = 10 • log10 (P (мВт))

P (мВт) = 10 (P (дБм) / 10)

Наприклад, потужність 2.5 мВт в дБм становить:

dBm = 10log2.5 = 3.979

або приблизно 4 дБм. Значення дБм 7 дБм в мВт потужності становить:

P = 107 / 10 = 100.7 = 5 мВт

Втрата шляху

Втрата шляху - це зменшення щільності потужності, яке відбувається під час поширення радіохвилі на відстань. Основним фактором втрати тракту є зниження сили сигналу на відстань самих радіохвиль. Радіохвилі слідують закону зворотного квадрата щодо щільності потужності: щільність потужності пропорційна оберненому квадрату відстані. Кожного разу, коли ви подвоюєте відстань, ви отримуєте потужність лише на одну четверту. Це означає, що кожне збільшення вихідної потужності на 6-дБм подвоює можливу відстань, яку можна досягти.

Крім потужності передавача, ще одним фактором, що впливає на діапазон, є чутливість приймача. Зазвичай він виражається в –dBm. Оскільки вихідна потужність і чутливість приймача вказані в дБм, ви можете використовувати просте додавання і віднімання для обчислення максимальної втрати шляху, яку може понести система:

Максимальна втрата шляху = потужність передачі - чутливість приймача + посилення - втрати

Коефіцієнти посилення включають будь-які посилення, отримані в результаті направленої антени передачі та / або прийому. Коефіцієнти посилення антен зазвичай виражаються в dBi, посилається на ізотропну антену. Втрати включають будь-яке ослаблення фільтра або кабелю або відомі умови навколишнього середовища. Цей взаємозв'язок також може бути вказаний як бюджет зв'язку, що представляє собою облік всіх прибутків і втрат системи для вимірювання сили сигналу на приймачі:

Отримана потужність = потужність передачі + посилення - втрати

Мета - зробити отриману потужність більшою, ніж чутливість приймача

У вільному просторі (ідеальна умова) закон зворотного квадрата є єдиним фактором, що впливає на діапазон. У реальному світі, проте, діапазон також може бути деградований іншими факторами:

• Перешкоди, такі як стіни, дерева та пагорби, можуть спричинити значні втрати сигналу.

• Вода у повітрі (вологість) може поглинати енергію РФ.

• Металеві предмети можуть відбивати радіохвилі, створюючи нові версії сигналу. Ці множинні хвилі досягають приймача в різний час і деструктивно (а іноді і конструктивно) заважають собі. Це називається багатостороннім.

Зникає маржа

Існує багато формул для кількісної оцінки цих перешкод. Однак, публікуючи номери діапазону, виробники часто ігнорують перешкоди та заявляють лише зоровий огляд (LOS) або ідеальний номер діапазону шляху. Справедливості до виробника неможливо знати всі середовища, в яких може використовуватися радіо, тому неможливо розрахувати конкретний діапазон, який можна досягти. Виробники іноді включають в свій розрахунок помірну маржу, щоб забезпечити такі екологічні умови. Таким чином, рівняння для обчислення відстані стає:

Максимальна втрата шляху = потужність передачі - чутливість приймача + посилення - втрати - запас швидкості

Fade margin - це надбавка, яку включає дизайнер системи для обліку невідомих змінних. Чим вище межа западини, тим краще буде загальна якість зв'язку. Якщо маржа невдало встановлена ​​на нулі, бюджет посилання все ще діє, лише в умовах LOS, що не дуже практично для більшості дизайнів. Розмір запасу швидкості для включення у розрахунок залежить від того, в якому середовищі очікується розгортання системи. Помірна маржа 12 дБм хороша, але краще число буде від 20 до 30 дБм.

Як приклад, візьмемо потужність передачі 20 дБм, чутливість приймача –100 дБм, посилення антени 6 dBi, посилення антени 6 dBi та запас швидкості 12 дБ. Втрати кабелю незначні:

Максимальна втрата шляху = потужність передачі - чутливість приймача + посилення - втрати - запас швидкості

V - максимальна втрата шляху = 20 - (–100) + 12 - 12 = 120 дБ

Коли буде знайдена максимальна втрата шляху, ви можете знайти діапазон із формули:

Відстань (км) = 10 (максимальна втрата шляху - 32.44 - 20log (f)) / 20

де f = частота в МГц. Наприклад, якщо максимальна втрата шляху дорівнює 120 дБ при частоті 2.45 GHz або 2450 MHz, діапазон буде:

Відстань (км) = 10 (120 - 32.44 - 67.78) / 20 = 9.735 км

На малюнку 1 показана залежність між максимальною втратою тракту і діапазоном на частоті 2.45 ГГц.

1. Крива показує залежність між бюджетом зв'язку або максимальною втратою шляху в дБм та оціненим діапазоном у кілометрах.

Інтерпретація емпіричних результатів

Хоча емпіричні методи дуже корисні при визначенні діапазону, часто важко досягти ідеального ЛОС для вимірювань у реальному світі та важко зрозуміти, скільки запасається в системі, щоб зменшити запас міцності. Вимірені результати можуть допомогти виявити проблеми, що не відповідають розповсюдженню РФ, які можуть впливати на діапазон системи, наприклад, багатошлункове поширення, перешкоди та поглинання РЧ. Але не всі тести в реальному світі однакові, тому вимірювання в реальному світі повинні використовуватися в першу чергу для посилення кількості бюджетів посилання, обчислених вище.

Фактори, які можуть впливати на діапазон, досягнутий в емпіричному тесті, включають посилення антени, висоту антени та перешкоди. Коефіцієнт посилення антен є ключовим джерелом прибутку в системі. Часто виробники сертифікують своє радіо для роботи з різними типами антен: від високопотужних Yagi та патч-антен до більш всенаправлених антен з помірним посиленням. Важливо переконатися, що випробування проводилися з тим самим типом антени, з яким ви зараз використовуєте радіо. Перехід від антени 6-dBm до антени 3-dBm як на стороні передачі, так і на прийманні призведе до різниці 6-dBm в бюджеті зв'язку та зменшить діапазон удвічі.

Висота антени та зона Френеля

Висота антен - ще одна проблема для емпіричних вимірювань. Підвищення висоти антени робить дві основні речі. По-перше, це може допомогти вам отримати вище будь-яких можливих перешкод, таких як машини, люди, дерева та будівлі. По-друге, це може допомогти отримати справжній радіочастот LOS-сигналу принаймні 60% кліренсу в зоні Френеля.

Зона Френеля - це еліпсоїдний об'єм між передавачем і приймачем, площа якого визначається довжиною хвилі сигналу. Це розрахована площа, яка прагне врахувати блокування або дифракцію радіохвиль. Він використовується для обчислення належного зазору, щоб сигнал мав навколо перешкод для досягнення оптимальної сили сигналу. Загальне правило полягає в тому, щоб шлях LOS був чітким над перешкодами, які не перевищують 60% висоти антени.

Викривлення Землі також може впливати на LOS для бездротових радіопередач далекого радіусу дії. У таблиці наведено кілька прикладів впливу, коли висота Землі в середині точки лінії зв'язку не враховує пагорбів чи інших особливостей місцевості, а висота антени досягає сигналу, що становить принаймні 60% у зоні Френеля.
У багатьох практичних налаштуваннях ваші приймачі можуть функціонувати з меншою висотою антени, але це добре, що виробники розміщують свої антени на відповідній висоті. Для вашого застосування ви повинні прагнути мати відповідну висоту антени для досягнення найкращого діапазону. На малюнку 2 показано, як відстань шляху, висота перешкоди та висота антени пов'язані із зоною Френеля.

2. Бажана висота антени визначається висотою перешкоди та коефіцієнтом у запасі 60% для компенсації умов зони Френеля.

Нарешті, шум і перешкоди можуть негативно впливати на діапазон бездротової системи. Шум неможливо контролювати, але його слід враховувати, якщо це проблема. У промислових, наукових та медичних (ISM) діапазонах від 902 до 928 МГц (Північна Америка) та 2.4 ГГц (у всьому світі) часто можна очікувати втручання, але облік цього важкий. Виробники можуть проводити емпіричні випробування лише тоді, коли перешкод немає. Звісно, ​​що навколишнє середовище має більше перешкод, ніж це було при тестуванні виробника.

Підсумки

З такою кількістю змінних в системі, як ви можете знати, чи буде застосовуватися до вашої системи діапазон, про який заявляє виробник? Часто неможливо дізнатися, чи були проведені тести емпірично чи чи були розраховані номери діапазону. У будь-якому випадку, проаналізувавши максимальну потужність передачі та чутливість приймача, ви можете створити базову лінію для порівняння одного радіо з іншим. Використовуючи ці цифри, поряд із встановленою маржею невдалості та будь-якими надбавками від антен або втрат через радіочастотні кабелі, можна розрахувати максимальний бюджет зв'язку. Потім використовуйте вищевказане рівняння відстані, щоб обчислити власний діапазон. Для різних радіопристроїв це має забезпечити хорошу базову лінію для порівняння двох-трьох систем, що відповідають вашим потребам.

Щоб зрозуміти, чи будуть радіостанції працювати у вашій програмі, вам слід прагнути до точних тестів у реальному світі, які можуть враховувати висоту антени, багатошаровість, перешкоди та перешкоди. Затримка тестів у реальному часі для вашої програми та лише дослівне отримання номерів виробників можуть запитати вас: "Який мій асортимент?"

Залишити повідомлення 

список повідомлень