Grundlegendes zu Wireless Range Berechnungen

Einer der Schlüsselberechnungen in jedem drahtlosen Design-Bereich, der maximale Abstand zwischen Sender und Empfänger für den normalen Betrieb. In diesem Artikel werden die Faktoren bei der Berechnung Bereich beteiligt und zeigt, wie Bereich abzuschätzen, um eine zuverlässige Kommunikationsverbindung zu gewährleisten.

Warum tatsächliche Reichweite kann von dem angegebenen Bereich

Haben Sie jemals eine drahtlose Funk gekauft für ein eingebettetes Projekt und entdeckt, dass Sie nicht erreichen die Radiofrequenz (RF) im Datenblatt angegebenen Bereich? Warum das? Es ist wahrscheinlich aufgrund der Unterschiede zwischen dem, wie der Lieferant den Bereich gemessen und wie Sie das Radio verwenden.

Lieferanten üblicherweise notwendigen Bereich durch Ableiten empirisch aus der realen Welt Tests oder durch ein Berechnungs. Jeder Ansatz ist in Ordnung, solange Sie für alle Variablen zu berücksichtigen. Eine empirische Lösung kann jedoch realen Situationen, die Berechnungen nicht adressieren offenbaren.

Bevor wir vergleichen die Ansätze, definieren wir ein paar Begriffe, Zahlen eines Herstellers oder relevanten Variablen für Bereich zu verstehen.

Power And dBm Berechnungen

HF-Leistung wird am häufigsten zum Ausdruck gebracht und in Dezibel Milliwatt mit einer Referenz oder dBm gemessen. Ein Dezibel ist eine logarithmische Einheit, die ein Verhältnis der Leistung des Systems bis zu einem gewissen Referenz ist. A Dezibelwert 0 ist äquivalent zu einem Verhältnis von 1. Dezibel Milliwatt ist die Ausgangsleistung in Dezibel bezogen auf mW 1.

Seit dBm wird auf einer logarithmischen Skala basiert, ist es eine absolute Leistungsmessung. Für jeden Anstieg um 3 dBm gibt es ungefähr doppelt die Ausgangsleistung und jede Erhöhung der 10 dBm steht für eine zehnfache Steigerung der Leistung. 10 dBm (10 mW) ist 10 mal stärker als 0 dBm (1 mW) und 20 dBm (100 mW) ist 10 mal stärker als 10 dBm.

Sie können zwischen mW und dBm umrechnen nach den folgenden Formeln:

P (dBm) = 10 • log10 (P (mW))

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

Zum Beispiel ist eine Leistung von 2.5 mW in dBm:

dBm = 10log2.5 = 3.979

oder etwa 4 dBm. Ein dBm Wert 7 dBm in mW Leistung ist:

P = 107 / 10 = 100.7 = 5 mW

Wegverlust

Pfadverlust ist die Verringerung der Energiedichte, der als eine Funkwelle über eine Entfernung ausbreitet, auftritt. Der Hauptfaktor bei Pfadverlust ist die Abnahme in der Signalstärke über die Entfernung der Funkwellen selbst. Radiowellen folgen, einen Gravitationsgesetz für die Leistungsdichte: die Leistungsdichte ist proportional zum inversen Quadrat der Entfernung. Jedes Mal, wenn die Entfernung zu verdoppeln, nur ein Viertel erhalten Sie die Energie. Das bedeutet, dass jedes 6-dBm Erhöhung der Ausgangsleistung verdoppelt sich die mögliche Entfernung, die erreichbar ist.

Neben der Sendeleistung, ist ein weiterer Faktor, der die Palette Empfängerempfindlichkeit. Es wird normalerweise in -dBm ausgedrückt. Da sowohl die Ausgangsleistung und Empfängerempfindlichkeit in dBm angegeben, können Sie einfache Addition und Subtraktion zu verwenden, um die maximale Pfadverlust, dass ein System entstehen kann berechnen:

Maximale Pfadverlust = Sendeleistung - Empfängerempfindlichkeit + Gewinne - Verluste

Gewinne sind die Gewinne aus Richtungssende resultierenden und / oder Empfangsantennen. Antennengewinne werden in der Regel in dBi ausgedrückt in eine isotrope Antenne verwiesen. Verluste umfassen alle Filter oder Kabeldämpfung oder bekannte Umweltbedingungen. Diese Beziehung kann auch als Link-Budget, die die Bilanzierung aller Gewinne und Verluste eines Systems, um die Signalstärke am Empfänger zu messen, ist festzuhalten:

Empfangsleistung = Sendeleistung + Gewinne - Verluste

Das Ziel ist, die Empfangsleistung größer als die Empfängerempfindlichkeit zu machen

Im freien Raum (eine ideale Voraussetzung), ist die Gravitationsgesetz der einzige Faktor Bereich. In der realen Welt ist jedoch der Bereich auch durch andere Faktoren beeinträchtigt werden:

• Hindernisse wie Mauern, Bäumen und Hügeln kann zu erheblichen Signalverlust.

• Wasser in der Luft (Luftfeuchtigkeit) kann HF-Energie zu absorbieren.

• Metallische Gegenstände können Funkwellen zu reflektieren, neue Versionen des Signals. Diese mehrfachen Wellen erreichen den Empfänger zu unterschiedlichen Zeiten und zerstörungsfrei (und manchmal konstruktiv) stören sich. Dies wird als Mehrwege.

Fade Margin

Es gibt viele Formeln für die Quantifizierung dieser Hindernisse. Bei der Veröffentlichung von Zahlen Bereich jedoch die Hersteller oft ignorieren Hindernisse und Staat nur ein Line-of-Sight (LOS) oder idealen Weg Bereich Nummer. In Fairness gegenüber dem Hersteller, ist es unmöglich, alle Umgebungen, in denen ein Radio verwendet werden wissen, also ist es nicht möglich, den spezifischen Bereich könnte man erreichen, zu berechnen. Die Hersteller werden manchmal auch eine Fade-Marge in ihre Berechnung für solche Umweltbedingungen zu schaffen. Somit ist die Gleichung für die Entfernungsberechnungen wird:

Maximale Pfadverlust = Sendeleistung - Empfängerempfindlichkeit + Gewinne - Verluste - Schwundreserve

Fade-Marge ist eine Zulage ein Systementwickler umfasst, um für unbekannte Variablen zu berücksichtigen. Je höher die Schwundreserve, desto besser die Gesamtverbindungsqualität sein. Mit einem Fade-Marge auf Null gesetzt, ist die Link-Budget noch gültig ist, nur in LOS Bedingungen, das ist nicht sehr praktisch für die meisten Designs. Die Menge der Schwundreserve zu schließen in einer Berechnung abhängig von der Umgebung, in der das System voraussichtlich eingesetzt werden. Ein Fade-Marge von 12 dBm ist gut, aber eine bessere Zahl würde 20 dBm 30 werden.

Als Beispiel sei angenommen, eine Sendeleistung von 20 dBm, eine Empfängerempfindlichkeit -100 dBm erhalten Antennengewinn 6 dBi, das Sendeantennen-Verstärkungsfaktor des 6 dBi und einer Schwundreserve des 12 dB. Kabelverlust ist vernachlässigbar:

Maximale Pfadverlust = Sendeleistung - Empfängerempfindlichkeit + Gewinne - Verluste - Schwundreserve

V - maximale Streckendämpfung = 20 - (-100) + 12 - 12 = 120 dB

Sobald die maximale Pfadverlust wurde festgestellt, können Sie den Bereich von der Formel zu finden:

Entfernung (km) = 10 (maximale Pfadverlust - 32.44 - 20log (f)) / 20

wobei f = Frequenz in MHz. Wenn beispielsweise die maximale Streckendämpfung 120 dB bei einer Frequenz von 2.45 GHz oder 2450 MHz, wird der Bereich liegen:

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

Figur 1 zeigt die Beziehung zwischen der maximalen Pfadverlust und den Bereich mit einer Frequenz von 2.45 GHz.

1. Die Kurve zeigt die Beziehung zwischen dem Link-Budget oder die maximale Pfadverlust in dBm und geschätzte Reichweite in Kilometern.

Dolmetschen Empirische Ergebnisse

Während empirischen Methoden sind sehr nützlich bei der Bestimmung der Reichweite, oft ist es schwierig, ideal LOS für reale Messungen zu erreichen und schwer zu verstehen, wie viel Schwundreserve in ein System zu bauen. Messergebnisse können helfen, Probleme zu identifizieren, über HF-Ausbreitung, die den Bereich eines Systems beeinflussen können, wie beispielsweise Mehrwegeausbreitung, Interferenz und RF-Absorption. Aber nicht alle der realen Welt Tests sind die gleichen, so dass reale Messungen sollten in erster Linie verwendet, um die Link-Budget-Nummern oben berechneten stärken werden.

Faktoren, die die in einem empirischen Test erreicht Bereich beeinflussen können, gehören Antennengewinn, Antennenhöhe, und Interferenzen. Antennengewinn ist eine wichtige Quelle der Verstärkung im System. Oft Hersteller ihre Funk zertifizieren, um mit verschiedenen Arten von Antennen von High-Gain-Yagi und Patch-Antennen, um moderatere-Gain-Rundstrahlantennen funktionieren. Ist es wichtig, Tests wurden mit denen sie werden jetzt über Funk mit der gleichen Art von Antenne durchgeführt sorgen. Der Wechsel von einem 6-dBm Antenne an einen 3-dBm Antenne sowohl auf der Sende- und Empfangsseite wird eine 6-dBm Unterschied in der Link-Budget verursachen und verringern die Reichweite um die Hälfte.

Antennenhöhe und der Fresnel-Zone

Antennenhöhe ist ein weiteres Anliegen für empirische Messungen. Die Anhebung der Höhe einer Antenne macht zwei Dinge. Erstens kann es Ihnen helfen, sich über etwaige Hindernisse wie Autos, Menschen, Bäumen und Gebäuden. Zweitens kann es helfen, Ihre wahren RF LOS Signalpfad mindestens 60% Spiel in der Fresnel-Zone.

Die Fresnel-Zone ist ein Ellipsoid Volumen zwischen dem Sender und Empfänger, deren Fläche von der Wellenlänge des Signals festgelegt. Es ist eine berechnete Fläche, die für die Blockierung oder Beugung von Funkwellen entfallen strebt. Es wird verwendet, um den richtigen Abstand ein Signal sollte um Hindernisse zu berechnen, um eine optimale Signalstärke zu erreichen. Eine allgemeine Faustregel ist, um die LOS Weg frei über die Hindernisse, die nicht mehr als 60% der Antennenhöhe sind zu haben.

Die Krümmung der Erde kann auch LOS Auswirkungen für Langstrecken-Funkverbindungen. Die Tabelle enthält einige Beispiele für die Wirkung, wo die Erde in der Höhe in der Mitte der Verbindungspfad nicht für Hügeln oder anderen Geländemerkmale und der Antennenhöhe Konto erreicht ein Signal, das mindestens 60% in der Fresnel-Zone ist.
In vielen praktischen Einstellungen kann Ihr Transceiver mit einem niedrigeren Antennenhöhe zu funktionieren, aber es ist eine gute Wette, dass die Hersteller stellen ihre Antennen in einer geeigneten Höhe. Für Ihre Anwendung, sollten Sie sich bemühen, einen geeigneten Antennenhöhe, um die beste Auswahl zu erreichen. Abbildung 2 zeigt, wie Wegstrecke, Hindernishöhe und Antennenhöhe an die Fresnel-Zone zusammen.

2. Die gewünschte Antennenhöhe wird durch die Hindernishöhe und Factoring in 60% Marge entschlossen, für die Fresnel-Zone Bedingungen zu kompensieren.

Schließlich können Rauschen und Störungen haben einen negativen Einfluss auf die Reichweite eines Funksystems. Lärm kann nicht kontrolliert werden, sollte aber in den Bereich einbezogen, wenn es ein Problem gibt. In der industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen (ISM) Banden bei 902 zu 928 MHz (Nordamerika) und 2.4 GHz (weltweit), können Störungen oft erwarten, aber entfallen ist es schwierig. Die Hersteller können empirische Tests nur bei Störungen nicht vorhanden ist. Es ist sicherlich wahrscheinlich, dass Ihre Umgebung über größere Störungen als während des Tests des Herstellers vorhanden war.

Zusammenfassung

Bei so vielen Variablen, die in einem System, wie kann man wissen, ob der Bereich von einem Hersteller behauptet wird, um Ihr System gelten? Oft ist es unmöglich zu wissen, ob Tests wurden empirisch durchgeführt oder wenn der Bereich Zahlen wurden berechnet. Wie auch immer, durch Analyse der maximalen Sendeleistung und die Empfängerempfindlichkeit, können eine Grundlinie zu erzeugen, um eine Funk zum nächsten zu vergleichen. Mit diesen Zahlen, zusammen mit einer Reihe Schwundreserve und alle Gewinne aufgrund von Antennen oder Verluste aufgrund von HF-Kabel können Sie eine maximale Verbindungsbudget berechnen. Dann nutzen Sie den Abstand obigen Gleichung eigene Bereich zu berechnen. Für verschiedene Funkgeräte, sollte dies eine gute Ausgangswert bis zwei oder drei Systeme, die Ihren Bedürfnissen gerecht zu vergleichen.

Um zu verstehen, wenn die Funkgeräte werden in der Anwendung arbeiten, sollten Sie für die genaue realen Tests, die für die Antennenhöhe, Multipath, Störungen und Hindernisse ausmachen können bemühen. Eine Verzögerung der realen Welt Tests für Ihre Anwendung und nur unter den Herstellernummern wörtlich können Sie zu verlassen, zu fragen: "Was ist in meinem Bereich?"

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