Comprendre calculs portée sans fil

Un des calculs clés de toute la conception sans fil est portée, la distance maximale entre l'émetteur et le récepteur pour un fonctionnement normal. Cet article identifie les facteurs impliqués dans la plage de calcul et montre comment estimer gamme pour assurer un lien de communication fiable.

Pourquoi portée réelle peut ne pas correspondre Dit Range

Avez-vous déjà acheté une radio sans fil pour un projet intégré et découvert que vous ne l'avez pas à atteindre la fréquence radio (RF) a indiqué dans la fiche technique? Pourquoi donc? Il est probablement due à des différences entre la façon dont le fournisseur mesuré la portée et la façon dont vous utilisez la radio.

Fournisseurs déterminent habituellement gamme en le dérivant empiriquement à partir de tests du monde réel ou en utilisant un calcul. Soit approche est très bien tant que vous rendre compte de toutes les variables. Une solution empirique, cependant, peut révéler des situations du monde réel que les calculs ne tiennent pas compte.

Avant de nous comparons les approches, définissons quelques termes à comprendre les numéros d'un fabricant ou variables pertinentes pour la gamme.

Puissance et calculs dBm

Puissance RF est le plus souvent exprimée et mesurée en décibels avec une référence de milliwatt, ou dBm. Un décibel est une unité logarithmique qui est un rapport de la puissance du système à une référence. Une valeur de décibel de 0 est équivalent à un rapport de 1. Decibel-milliwatt est la puissance de sortie en décibels référencé à 1 mW.

Depuis dBm est basée sur une échelle logarithmique, il est une mesure de la puissance absolue. Pour chaque augmentation de 3 dBm il est environ deux fois la puissance de sortie, et chaque augmentation de 10 dBm représente une augmentation de dix fois au pouvoir. 10 dBm (10 mW) est 10 fois plus puissants que 0 dBm (1 mW), et 20 dBm (100 mW) est 10 fois plus puissant que 10 dBm.

Vous pouvez convertir entre mW et dBm en utilisant les formules suivantes:

P (dBm) = 10 • log10 (P (mW))

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

Par exemple, une puissance de 2.5 mW est en dBm:

dBm = 10log2.5 = 3.979

soit environ 4 dBm. Une valeur de dBm 7 dBm en mW de puissance est:

P = 107 / 10 = 100.7 = 5 mW

Perte de chemin

Perte de Path est la réduction de la densité de puissance qui se produit comme une onde radio se propage sur une distance. Le principal facteur dans la perte de trajet est la diminution de l'intensité du signal sur la distance des ondes radio elles-mêmes. Les ondes radio suivent une loi inverse du carré de la densité de puissance: la densité de puissance est proportionnelle au carré inverse de la distance. Chaque fois que vous doublez la distance, vous recevez seulement un quart de la puissance. Cela signifie que chaque augmentation 6-dBm puissance de sortie en double la distance possible qui est réalisable.

Outre la puissance de l'émetteur, un autre facteur affectant la gamme est la sensibilité du récepteur. Il est généralement exprimé en -dBm. Depuis la fois la puissance de sortie et la sensibilité du récepteur sont exprimés en dBm, vous pouvez utiliser une simple addition et la soustraction pour calculer la perte de trajet maximal que peut encourir un système:

Perte de trajet maximum = transmettre la puissance - la sensibilité du récepteur + gains - pertes

Les gains comprennent les gains résultant de transmission directionnelle et / ou recevoir des antennes. Les gains d'antenne sont généralement exprimés en dBi référencé à une antenne isotrope. Les pertes comprennent un filtre ou de l'atténuation du câble ou des conditions environnementales connues. Cette relation peut également être déclaré comme un bilan de liaison, qui est la comptabilisation de tous les gains et pertes d'un système pour mesurer la force du signal au niveau du récepteur:

Puissance reçue puissance = + transmettre gains - pertes

Le but est de rendre la puissance reçue supérieure à la sensibilité du récepteur

Dans l'espace libre (une condition idéale), la loi inverse du carré est le seul facteur affectant gamme. Dans le monde réel, cependant, la gamme peut également être dégradée par d'autres facteurs:

• Les obstacles tels que les murs, les arbres, et les collines peuvent causer des pertes de signal.

• L'eau dans l'air (humidité) peut absorber l'énergie RF.

• Les objets métalliques peuvent refléter des ondes radio, la création de nouvelles versions du signal. Ces multiples vagues atteignent le récepteur à des moments différents et destructive (et parfois de manière constructive) interférer avec eux-mêmes. Ceci est appelé propagation par trajets multiples.

Fade Marge

Il existe de nombreuses formules pour quantifier ces obstacles. Lors de la publication des numéros de gamme, cependant, les fabricants ignorent souvent des obstacles et de l'état seulement une ligne de visée (LOS) ou idéale numéro de série de chemin. En toute justice pour le fabricant, il est impossible de connaître tous les environnements où une radio peut être utilisé, il est donc impossible de calculer la gamme spécifique on peut atteindre. Les fabricants devront parfois inclure une marge d'évanouissement dans leur calcul de prévoir de telles conditions environnementales. Ainsi, l'équation pour les calculs de distance devient:

Perte de trajet maximum = transmettre la puissance - la sensibilité du récepteur + gains - pertes - marge d'évanouissement

Marge Fade est une allocation un concepteur de système comprend pour tenir compte des variables inconnues. Plus la marge d'évanouissement, meilleure est la qualité globale de lien sera. Avec une marge d'évanouissement mis à zéro, le bilan de liaison est toujours valable, que dans des conditions LOS, ce qui est pas très pratique pour la plupart des modèles. Le montant de la marge de fondu à inclure dans un calcul dépend de l'environnement dans lequel le système devrait être déployé. Une marge de 12 dBm fondu est bon, mais un meilleur chiffre serait 20 à 30 dBm.

A titre d'exemple, supposons une puissance d'émission de 20 dBm, une sensibilité du récepteur de -100 dBm, recevoir gain d'antenne de 6 dBi, transmettre gain d'antenne de 6 dBi, et une marge de 12 dB de fondu. Perte de câble est négligeable:

Perte de trajet maximum = transmettre la puissance - la sensibilité du récepteur + gains - pertes - marge d'évanouissement

V - perte de trajet maximal = 20 - (-100) + 12 - 12 = 120 dB

Une fois la perte de trajet maximal a été trouvée, vous pouvez trouver la gamme à partir de la formule:

Distance (km) = 10 (perte de trajet maximal - 32.44 - 20log (f)) / 20

où f = fréquence en MHz. Par exemple, si la perte de trajet maximal est 120 dB à une fréquence de 2.45 GHz ou 2450 MHz, la gamme sera:

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

Figure 1 montre la relation entre la perte de trajet maximum et plage à une fréquence de 2.45 GHz.

1. La courbe montre la relation entre le bilan de liaison ou une perte maximale de chemin en dBm et fourchette estimative en kilomètres.

Interprétation des résultats empiriques

Bien que les méthodes empiriques sont très utiles dans la détermination de la gamme, il est souvent difficile à réaliser LOS idéal pour les mesures du monde réel et difficile à comprendre combien la marge fondu à construire dans un système. Les résultats mesurés peuvent aider à identifier les problèmes au-delà de propagation des ondes radio qui peuvent affecter la portée d'un système, comme propagation par trajets multiples, les interférences, et l'absorption de RF. Mais pas tous les tests du monde réel sont les mêmes, de sorte que les mesures du monde réel doivent être utilisés principalement pour soutenir les chiffres du budget de liaison calculés ci-dessus.

Les facteurs qui peuvent influencer la gamme réalisés dans un test empirique incluent le gain antenne, hauteur de l'antenne, et les interférences. Le gain d'antenne est une source essentielle de gain dans le système. Souvent, les fabricants devront certifier leur radio pour travailler avec différents types d'antennes à gain élevé de Yagi et antennes patch à plus modérée de gain des antennes omnidirectionnelles. Il est important de veiller tests ont été effectués avec le même type d'antenne avec laquelle vous êtes en train d'utiliser la radio. Modification d'une antenne 6-dBm à une antenne 3-dBm à la fois sur l'émission et de réception côté fera une différence 6-dBm dans le bilan de liaison et de réduire la gamme de moitié.

Hauteur de l'antenne et de la zone de Fresnel

Hauteur de l'antenne est une autre préoccupation pour les mesures empiriques. Augmenter la hauteur d'une antenne fait deux choses principales. Premièrement, il peut vous aider à obtenir au-dessus tous les obstacles possibles comme les voitures, les gens, les arbres et les bâtiments. Deuxièmement, il peut aider à obtenir votre véritable chemin de signal RF LOS au moins 60 clairance% dans la zone de Fresnel.

La zone de Fresnel est un volume ellipsoïde entre l'émetteur et le récepteur dont la surface est définie par la longueur d'onde du signal. Il est une zone couverte qui vise à tenir compte de l'obstruction ou de la diffraction des ondes radio. Il est utilisé pour calculer le dégagement approprié un signal doit avoir autour des obstacles pour atteindre la force du signal optimale. Une règle générale est d'avoir le chemin LOS clair au-dessus les obstacles qui ne sont plus de 60% de la hauteur de l'antenne.

La courbure de la Terre peut également avoir un impact LOS à longue distance des liaisons sans fil. Le tableau donne quelques exemples de l'impact, où la hauteur de la Terre au milieu de la voie de liaison ne tient pas compte des collines ou d'autres caractéristiques du terrain et de la hauteur de l'antenne réalise un signal qui est au moins 60% dans la zone de Fresnel.
Dans de nombreux milieux de pratique, vos émetteurs-récepteurs peuvent fonctionner avec une hauteur d'antenne plus faible, mais il est fort à parier que les fabricants placent leurs antennes à une hauteur appropriée. Pour votre application, vous devriez vous efforcer d'avoir une hauteur de l'antenne appropriée pour atteindre la meilleure gamme. La figure illustre la manière dont 2 distance de trajet, hauteur de l'obstacle, et la hauteur de l'antenne sont reliés à la zone de Fresnel.

2. La hauteur de l'antenne souhaitée est déterminée par la hauteur de l'obstacle et la prise en 60% de marge pour compenser les conditions de la zone de Fresnel.

Enfin, le bruit et les interférences peuvent avoir un impact négatif sur la portée d'un système sans fil. Bruit ne peut pas être contrôlée, mais doit être pris en compte dans la gamme si elle est un problème. Dans les bandes industrielles, scientifiques et médicales (ISM) à 902 à 928 MHz (Amérique du Nord) et 2.4 GHz (dans le monde), des interférences peuvent souvent être attendus, mais qui représente pour elle est difficile. Les fabricants peuvent effectuer des tests empiriques que lorsque l'interférence est pas présent. Il est certainement probable que votre environnement a plus que des interférences était présent pendant l'essai du fabricant.

Résumé

Avec autant de variables dans un système, comment pouvez-vous savoir si la plage revendiquée par un fabricant appliquera à votre système? Souvent, il est impossible de savoir si des tests ont été effectués de manière empirique ou si les numéros de fourchette ont été calculées. De toute façon, en analysant la puissance d'émission maximale et la sensibilité du récepteur, vous pouvez générer une base de comparaison un poste de radio à l'autre. En utilisant ces nombres, avec une marge de fondu et les gains dus à des antennes ou des pertes dues aux câbles RF, vous pouvez calculer un budget maximum de lien. Ensuite, utilisez l'équation de la distance au-dessus de calculer votre propre gamme. Pour divers appareils de radio, ce qui devrait fournir une bonne base pour comparer deux ou trois systèmes qui répondent à vos besoins.

Pour comprendre si les radios vont travailler dans votre application, vous devez lutter pour des tests précis du monde réel qui peuvent expliquer hauteur de l'antenne, trajets multiples, ingérence, et les obstructions. Retarder les tests du monde réel pour votre application et seulement en prenant les chiffres du fabricant verbatim peut vous laisser demandant: «Quel est mon choix?"

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