Förstå Wireless Range Beräkningar

En av de viktigaste beräkningarna i alla trådlösa design är intervallet, det maximala avståndet mellan sändare och mottagare för normal drift. Denna artikel identifierar de faktorer som beräkningen räckvidd och visar hur man kan uppskatta räckvidd ger en tillförlitlig kommunikationslänk.

Varför nuvarande utbredning kanske inte lika angivna intervallet

Har du någonsin köpt en trådlös radio för en inbäddad projekt och upptäckte att du inte uppnå radiofrekvens (RF) området anges i databladet? Varför? Det är troligen på grund av skillnader mellan hur leverantören mätte sortiment och hur du använder radion.

Leverantörer avgöra vanligtvis intervallet genom att härleda det empiriskt från verkliga tester eller genom att använda en beräkning. Antingen tillvägagångssätt är bra så länge du står för alla variabler. En empirisk lösning kan dock avslöja verkliga situationer som beräkningar inte ta itu med.

Innan vi jämför de metoder, låt oss definiera några termer att förstå en tillverkares siffror eller relevanta variabler för räckvidd.

Effekt Och dBm Beräkningar

RF-effekt är oftast uttrycks och mäts i decibel med en milliwatt referens, eller dBm. En decibel är en logaritmisk enhet som är ett förhållande mellan kraften i systemet till någon referens. En decibelvärde av 0 är ekvivalent med ett förhållande av 1. Decibel-milliwatt är uteffekten i decibel i förhållande till 1 mW.

Eftersom dBm bygger på en logaritmisk skala, är det en absolut effektmätning. För varje ökning av 3 dBm finns det ungefär dubbelt uteffekt, och varje ökning av 10 dBm innebär en tiofaldig ökning av makt. 10 dBm (10 mW) är 10 gånger mer kraftfull än 0 dBm (1 mW), och 20 dBm (100 mW) är 10 gånger mer kraftfull än 10 dBm.

Du kan konvertera mellan mW och dBm med hjälp av följande formler:

P (dBm) = 10 • log10 (P (mW))

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

Till exempel är en effekt av 2.5 mW i dBm:

dBm = 10log2.5 = 3.979

eller omkring 4 dBm. En dBm värde 7 dBm i mW är:

P = 107 / 10 = 100.7 = 5 mW

Path Loss

Vägförlusten är reduktionen i effekttätheten som sker som en radiovåg utbreder över ett avstånd. Den primära faktorn i vägförlust är minskningen i signalstyrka över avstånd av radiovågorna själva. Radiovågor följa en kvadratlagen för effekttäthet: effekttätheten proportionell mot inversen kvadraten på avståndet. Varje gång du dubbla avståndet, får du bara en fjärdedel av strömmen. Detta innebär att varje 6-dBm ökning av uteffekten fördubblas om avståndet som är möjligt.

Förutom sändareffekten, är en annan faktor som påverkar utbud mottagarens känslighet. Det är oftast i -dBm. Eftersom både uteffekt och mottagarkänslighet anges i dBm, kan du använda enkel addition och subtraktion för att beräkna den maximala vägförlusten att ett system kan medföra:

Maximal vägförlust = sändningseffekt - mottagarens känslighet + vinster - förluster

Vinster inkluderar eventuella vinster till följd av riktnings sändnings- och / eller mottagningsantenner. Antenn vinster oftast i dBi i förhållande till en isotrop antenn. Förluster inkluderar ett filter eller kabel dämpning eller kända miljöförhållanden. Detta förhållande kan också anges som en länkbudget, vilket är redovisningen av alla vinster och förluster i ett system för att mäta signalstyrkan på mottagaren:

Mottagen effekt = sändningseffekt + vinster - förluster

Målet är att göra den mottagna effekten är större än mottagarens känslighet

I fri rymd (en idealisk tillstånd), är den omvända kvadratlagen den enda faktor som påverkar intervallet. I den verkliga världen är emellertid intervallet även kan brytas ned av andra faktorer:

• Hinder som väggar, träd och kullar kan orsaka betydande signalförlust.

• Vatten i luften (luftfuktigheten) kan absorbera RF-energi.

• Metallobjekt kan reflektera radiovågor, skapar nya versioner av signalen. Dessa multipla vågor når mottagaren vid olika tidpunkter och destruktivt (och ibland konstruktivt) interfererar med sig själva. Detta kallas multipath.

Fade Marginal

Det finns många formler för att kvantifiera dessa hinder. Vid publicering range siffror, dock tillverkarna struntar ofta hinder och staten endast en line-of-sight (LOS) eller ideal väg ordningsnummer. I rättvisans namn till tillverkaren, är det omöjligt att känna till alla de miljöer där en radio kan användas, så det är omöjligt att beräkna det specifika området man kan uppnå. Tillverkarna kommer ibland innehålla en fade marginal i beräkningen att föreskriva sådana miljöförhållanden. Således ekvationen för avståndsberäkningar blir:

Maximal vägförlust = sändningseffekt - mottagarens känslighet + vinster - förluster - fade marginal

Fade marginal är ett bidrag en systemdesigner innefattar att ta hänsyn till okända variabler. Ju högre blekna marginalen, desto bättre övergripande länkkvaliteten vara. Med en fade marginalen till noll, är länkbudgeten fortfarande är giltiga endast i LOS förhållanden, vilket inte är mycket praktiskt för de flesta konstruktioner. Mängden blekna marginal som ska ingå i en beräkning beror på miljön i vilken systemet förväntas tas i bruk. En fade marginal 12 dBm är bra, men ett bättre antal skulle 20 till 30 dBm.

Som ett exempel, anta en sändningseffekt 20 dBm, en mottagare känslighet -100 dBm, ta emot antennförstärkning av 6 dBi, överföra antennförstärkning av 6 dBi, och en fade marginal 12 dB. Kabel förlust är försumbar:

Maximal vägförlust = sändningseffekt - mottagarens känslighet + vinster - förluster - fade marginal

V - maximal vägförlusten = 20 - (-100) + 12 - 12 = 120 dB

När den maximala vägförlusten har hittats, kan du hitta allt från formeln:

Avstånd (km) = 10 (max väg förlust - 32.44 - 20log (f)) / 20

där f = frekvens i MHz. Till exempel, om den maximala vägförlusten är 120 dB vid en frekvens av 2.45 GHz eller 2450 MHz, kommer intervallet att vara:

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

Figur 1 visar förhållandet mellan den maximala förlust vägen och intervall vid en frekvens av 2.45 GHz.

1. Kurvan visar förhållandet mellan länkbudgeten eller maximal vägförlusten i dBm och uppskattade räckvidden i kilometer.

Tolka empiriska resultat

Medan empiriska metoder är mycket användbara för att bestämma intervallet, ofta är det svårt att uppnå perfekt LOS för verkliga mätningar och svårt att förstå hur mycket blekna marginal för att bygga in ett system. Uppmätta resultat kan hjälpa till att identifiera problem utanför RF-utbredning som kan påverka utbudet av ett system, såsom flervägsutbredning, interferens, och RF-absorption. Men inte alla verkliga tester är samma, så verkliga mätningar bör i första hand användas för att stärka siffrorna länkbudget beräknad ovan.

Faktorer som kan påverka området uppnås i en empirisk prov inkluderar antennvinst, antennhöjd, och störningar. Antennförstärkningen är en viktig källa till vinst i systemet. Ofta tillverkare kommer att intyga sin radio att arbeta med olika typer av antenner från high-gain Yagi och patchantenner till mer måttlig gain rundstrålande antenner. Det är viktigt att se till tester utfördes med samma typ av antenn som du nu använder radion. Byte från en 6-dBm antennen till en 3-dBm antenn på både sändnings- och mottagningssidan kommer att orsaka en 6-dBm skillnad i länkbudgeten och minska intervallet med hälften.

Antennhöjd och Fresnel Zone

Antennhöjden är ett annat problem för empiriska mätningar. Höja höjden på en antenn gör två saker. För det första kan det hjälpa dig att komma över eventuella hinder som bilar, människor, träd och byggnader. För det andra, kan det hjälpa till att få din verkliga RF LOS signalväg minst 60% clearance i Fresnelzonen.

Fresnel-zonen är en ellipsoid volym mellan sändaren och mottagaren, vars area definieras av våglängden för signalen. Det är ett beräknat område som strävar efter att redogöra för blockering eller diffraktion av radiovågor. Det används för att beräkna den rätta spelet en signal bör ha runt hinder för att uppnå optimal signalstyrka. En allmän tumregel är att ha LOS väg klart över de hinder som inte är mer än 60% av antennhöjden.

Krökningen av jorden kan också påverka LOS för långväga trådlösa förbindelser. Tabellen ger några exempel på den effekt, där jordens höjd vid mittpunkten av den länkens väg inte tar hänsyn till kullar eller andra terräng funktioner och antennens höjd uppnår en signal som är åtminstone 60% i Fresnel-zonen.
I många praktiska inställningar kan transceivers fungera med en lägre antennhöjd, men det är en bra satsning att tillverkarna placera sina antenner på en lämplig höjd. För din ansökan bör du sträva efter att ha en lämplig antennhöjden för att uppnå det bästa utbudet. Figur 2 illustrerar hur väg avstånd, höjd på hinder och antennhöjd är relaterade till Fresnelzonen.

2. Önskad antennhöjd bestäms av höjd på hinder och factoring i 60% marginal för att kompensera för Fresnel zonen förhållanden.

Slutligen kan buller och störningar ha en negativ inverkan på utbudet av ett trådlöst system. Buller kan inte styras utan bör vägas in i intervallet om det är ett problem. I de industriella, vetenskapliga och medicinska (ISM) band vid 902 att 928 MHz (Nordamerika) och 2.4 GHz (i hela världen), kan ofta förväntas störningar, men står för det är svårt. Tillverkarna kan utföra empiriska tester endast när störningar inte är närvarande. Det är verkligen troligt att din omgivning har större störningar än vad som var närvarande under tillverkarens test.

Sammanfattning

Med så många variabler i ett system, hur kan du veta om området hävdade en tillverkare kommer att gälla för ditt system? är det ofta omöjligt att veta om tester utfördes empiriskt eller om intervallnummer beräknades. Hursomhelst, genom att analysera den maximala sändningseffekten och mottagarens känslighet, kan du skapa en baslinje för att jämföra en radio till nästa. Med hjälp av dessa siffror, tillsammans med en uppsättning fade marginal och vinst på grund av antenner eller förluster på grund av RF-kablar, kan du beräkna en maximal länkbudget. Använd sedan avståndet ekvationen ovan för att beräkna din egen serie. Av olika radioenheter, bör detta ge en god baslinje för att jämföra två eller tre system som uppfyller dina behov.

För att förstå om radioapparater kommer att fungera i din ansökan bör du sträva efter noggranna verkliga tester som kan förklara antennhöjden, flervägs, störningar och hinder. Försena verkliga test för din ansökan och endast ta tillverkarens siffror ordagrant kan lämna dig frågar, "Vad är mitt sortiment?"

Lämna ett meddelande 

meddelande~~POS=TRUNC