【技术专辑】估计无线范围

如何从无线电参数估计无线通信范围。

 

推荐等级

 

初学者

 

动机

 

在设计具有无线组件的系统时,需要知道的是两个设备可以通信的距离。在进行任何实际设计之前,需要快速计算来预测系统的行为。通常,无线电系统要么不告诉你范围,要么会给你一个模糊的想法。这通常是故意的!当环境未知时,很难确定无线电范围。即使已知环境,也没有可用于确定范围的完美模型,并且在许多情况下,经验测量是唯一的测量方法。那么,你可能会问,为什么我们甚至会打扰任何方程?答案是虽然方程在所有情况下都不完美,但它们给出了很好的近似值,并且是设计的一个很好的起点。有了这些信息,

 

弗里斯传输公式

 

Harald T. Friis在贝尔实验室工作期间于1945年开发了现在被称为Friis传输方程。该等式组合了若干无线电参数以估计链路预算。系统的链接预算是一种添加系统所有元素的方法。通常以分贝表示以使计算更容易,链接预算将所有增益(增加到范围)和损失(从范围中减去)相加。这是Friis方程式:

 

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Pr 获得了功率

Pt 将功率传输到天线

GT 发射器的天线增益

GR 接收器的天线增益

λ 信号的波长

R 发射和接收天线之间的距离

 

链接预算

 

链接预算与上面的等式非常相似。不同之处在于它增加了额外的损失条款。这些损失项可能是边际,多径,衰落,大气干扰等等。这些损失中的每一个都是复杂的,可能有自己的文章。出于本文的目的,我将它们全部集成到一个变量Lm中,称为链接边距。链路余量是估算非视距环境(例如办公室)范围的好方法。一个好的经验法则是使用~10-20dB的余量,具体取决于连接的环境和可靠性要求。在非常清晰的视线应用中,链接过程可能趋于零。

 

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其中L FS是路径损耗转换为MHz和英里的单位:

 

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让我们分析一下流行的无线电模块XBee®802.15.4(系列1)。以下是数据表中的一些关键规格。根据数据表,该模块内部100英尺,外部300英尺。

 

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求解范围和f = 2400MHz的链路预算公式:

 

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户外

 

将数据表中的值插入等式并将链路余量设置为零。

 

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这与数据表显示的值相同,因此我们对天线增益的估计可能是合理的。

 

室内

 

对于室内,链路余量变为10dB,以考虑2.4GHz典型的多径。

 

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外部天线

 

假设我们想要更多的射程并且能够使用更大的天线,例如八木。我们可以将外部天线模块与Yagi一起使用,如果我们将Yagi指向彼此,可以将我们的天线增益改为10dB。由于我们将获得更大的距离,因此即使我们将在户外,最好将链路余量保持在10dB。这将解释可能妨碍的项目,例如树木。

 

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这是一个很大的范围!这种安排的缺点是八木天线必须指向一个方向。如果八木指向错误的方向,范围将非常差。

 

潜在的改进

 

天线

 

就像在示例中一样,如果使用更大的天线,增益通常会提高。这在小型嵌入式设备中可能是一个问题,因为使天线伸出设备是不合需要的或不切实际的。理想情况下,在设计某物时,可以使用最大的天线。

 

发射功率

 

典型嵌入式设备的发射功率受到诸如FCC,成本和功耗等监管机构的限制。FCC 15.247将使用扩频调制技术的2.4GHz设备限制在30dBm和特定带宽要求。通常,设备的限制不是功率,而是带宽。需要复杂的滤波器来限制带宽,这有效地将发射功率限制在20dBm。在这个例子中,如果我们在器件上增加一个功率放大器,我们可以为系统增加20dB的增益,这将大大改善范围。权衡是放大器增加了系统的成本和功耗。额外的功耗可能是电池供电设备的问题。

 

接收灵敏度

 

接收灵敏度取决于噪声系数和系统所需的信噪比。噪声系数定义了电路向接收信号添加多少噪声。该数字越低,接收灵敏度越好,因为添加的噪声越少。接收所需的信噪比取决于所使用的调制技术。通常,系统的数据速率越高,所需的带宽就越多。这意味着接收器必须捕获更多信号,这意味着捕获更多噪声。

 

结论

 

范围是任何无线系统的重要指标。范围取决于许多变量。通常,更多功率,更慢的数据速率和更大的天线将允许更长的范围和更可靠的通信。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计