Чем определяется дальность радиосвязи в укв диапазоне

Частотное распределение по г. Москве.

Внимание! Данный интернет-сайт носит исключительно информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, определяемой положениями части 2 Статьи 437 Гражданского кодекса Российской Федерации. Информацию о наличии и стоимости указанных на сайте товаров и услуг уточняйте, пожалуйста, у менеджеров компании.

Источник

О дальности радиосвязи

Дальность радиосвязи – это величина максимального расстояния, на котором возможно осуществление радиосвязи между приёмником и передатчиком с заданными параметрами качества. Так трактуется это определение во многих учебниках и справочниках.

Дальность радиосвязи является переменной величиной
и не относится к постоянным техническим характеристикам оборудования.

Для определения дальности действия рации в идеальных условиях на поверхности Земли в прямой видимости при отсутствии помех и любых видов другого излучения используют формулу:

Где:
L – дальность радиосвязи (м);
R – радиус Земли (6371000 м);
H1 – высота установки первой антенны (м);
H2 – высота установки второй антенны (м).

На дальность действия рации оказывает влияние сразу целый ряд внешних факторов: различный рельеф местности, солнечная активность, создающая радиацию и помехи, атмосферные явления типа высокой ионизации атмосферы, метеорологическая обстановка и погода, влажность, грозы, искривление поверхности земли, любые препятствия (деревья, холмы, здания и сооружения), частотный диапазон радиосигнала и даже время суток.

Данные расчёты оптимальны для идеальных условий прямой видимости, при появлении любых указанных выше внешних факторов эта цифра становится ещё больше. По этой причине мощность рации и дальность связи хоть и зависят друг от друга, но не являются ключевым фактором, влияющим на радиус действия рации.

Следующим фактором, относящимся к техническим характеристикам приёмопередающего устройства, является чувствительность приёмника.

Дальность радиопередачи обратно пропорциональна квадратному корню из числового значения чувствительности. Это означает, что значение чувствительности должно быть как можно меньшим. Радиостанция с чувствительностью 0,2 мкВ будет более увереннее и чище принимать сигнал, чем радиостанция с чувствительностью 0,5 мкВ. Поэтому на общую зону покрытия радиосвязью влияет не только мощность передачи, но и дальность приёма рации.

Не секрет, что для любой рации необходима антенна, которая не только оказывает большое влияние на радиус действия радиостанций, но и является одним из самых важных компонентов любой системы связи наряду с приёмопередающей аппаратурой. Ключевыми значениями являются высота её установки над землёй, конструкция и согласованность с радиостанцией.

Чем выше расположена антенна над уровнем земли, тем меньше дополнительные потери. Это связано с тем, что идеальное распространение сигнала происходит в свободном пространстве, поэтому, чем выше будет поднята антенна, тем меньше будет величина затухания сигнала и влияние внешних факторов на дальность действия радиостанции. Отсюда можно сделать вывод, что высота расположения антенны прямо пропорциональна возможной дальности связи.

В режиме передачи волновое сопротивление фидера согласовано с входным сопротивлением антенны, это обеспечивает в фидере режим бегущей волны и с выходом передатчика для максимальной отдачи мощности. В режиме приёма согласование входа приёмника с волновым сопротивлением фидера обеспечивает в последнем режиме бегущей волны, согласование же волнового сопротивления фидера с сопротивлением нагрузки — условие максимальной отдачи мощности в нагрузку приёмника.

Опираясь на вышеизложенную информацию и на тест раций на дальность, который неоднократно проводился как с портативными, так и с мобильными радиостанциями, можно судить о средних величинах радиуса действия раций в городе и в сельской местности. Повторим, что приведённые на схематичном изображении цифры являются средними показателями и могут отличаться не только в разных городах, но и в разных районах одного и того же города, однако дают представление о том, на какую примерную дальность УКВ радиостанций можно рассчитывать, общаясь на безлицензионных каналах пешком, на автомобиле или в случае, если рация используется в качестве базовой с высоко установленной антенной.

При работе с базовыми станциями нередко бывают случаи, что абонент с портативной рацией слышит диспетчера, а диспетчер его нет. Это связано с тем, что мощность и высота расположения портативной рации недостаточна для двусторонней связи. Чтобы повысить дальность связи между носимой и стационарной радиостанцией в прямом канале, необходимо заменить антенну на портативной рации, что может существенно повысить дальность передачи.

Если мы рассматриваем дальность автомобильной рации, а именно между двумя транспортными средствами, то она, опять же, может меняться в зависимости от положения обоих автомобилей даже во время движения. Если в густонаселённом городе связь будет небольшой, то после того как машины окажутся на шоссе, дальность связи значительно возрастёт. Так например, дальность связи для автомобильной радиостанции Такт 201 может достигать 15 километров по трассе. Автомобильные рации, радиус действия которых недостаточен, также можно настроить на работу через ретрансляторы. Для Си-Би раций можно использовать усилители, которые значительно увеличат дальность передачи сигнала.

В городе со сложной инфраструктурой много помех, которые существенно ограничивают дальность раций. Наиболее сильные помехи возникают вблизи линий электропередач, троллейбусов, трамваев или электропоездов. Также фактором помех являются сами по себе работающие автомобили и их внутренние схемы питания.

Выбрать рацию с большой дальностью – задача несложная, главное выяснить, в каких условиях необходима радиосвязь. Порой простая рация обеспечивает дальность от 3 до 20 км, а иногда самая дорогая работает лишь на несколько сотен метров. При выборе рации дальнего действия важно учитывать прежде всего внешние факторы и условия использования. Надеемся, наша статья поможет Вам сделать правильный выбор надёжного средства связи.

Источник

Максимальная дальность связи по радиоканалу в системе: как этого добиться?

Для того, чтобы добиться оптимальной дальности связи по радиоканалу при работе с радиомодулями CC1120 и CC1190 производства Texas Instruments, надо, прежде всего, вспомнить теорию, затем просчитать необходимые значения с помощью табличного процессора Excel, а уж потом – проверить расчет в ходе полевых испытаний при разных условиях окружающей среды.

Устойчивая приемо-передача радиосигнала для одинаково настроенных трансиверов существенно зависит от окружающей среды. Энергетический бюджет радиоканала, позиционирование антенн и их расстояния от поверхности Земли — важнейшие параметры для обеспечения максимально возможной дальности связи. В общем случае заданное расстояние никогда не может быть определено или гарантировано для любого типа радиосвязи, пока среда распространения радиоволн не определена. Оценка ожидаемой дальности связи — трудная задача, и вычисления с помощью табличного процессора Excel [1] помогают рассчитать реальное расстояние, которое может быть достигнуто для известной среды.

При проектировании системы, основанной на радиоканале, максимальное расстояние между передатчиком и приемником является одним из самых важных параметров, который будет в максимальной степени влиять на процесс проектирования и монтаж системы. В процессе разработки радиосистемы инженер, как правило, оптимизирует все остальные параметры для того, чтобы добиться максимальной дальности связи. Это позволяет избежать повышения выходной мощности, применения ретрансляторов или усилителей. При разработке системы радиосвязи необходимо всегда стремиться обеспечить максимальное расстояние. Если дальность связи получается слишком большой, имеет смысл уменьшить выходную мощность и, как следствие, потребление тока.

Передача радиосигнала через бетонные и кирпичные стены в городской среде с радиочастотными (RF) шумами на дистанции нескольких сотен метров может быть такой же трудной, как и обеспечение связи в прямой видимости (LOS) на дистанции в несколько километров.

Выбор оптимальной частоты для системы в диапазоне ISM, равном 0,169…2,4 ГГц, не всегда очевиден. Характеристики антенны и ее местоположение, законодательные ограничения по максимальной выходной мощности, нежелательные источники помех, рабочая частота, конфигурация радио и затухание в среде распространения — все это определяет максимальное расстояние между приемником (Rx) и передатчиком (Tx).

Примеры реалистических прогнозов расстояния рассматриваются на базе двухлучевой модели распространения радиоволн и по формуле Фрииса. Данная модель также может учитывать типичные строительные материалы зданий. Ниже будут приведены результаты практических тестов, которые проводились внутри высотного здания, в городской среде с плотной застройкой и на расстоянии более 100 км на открытом пространстве. В последнем случае для обеспечения условий прямой видимости передатчик был поднят на большую высоту относительно земли.

Теория

Распространение

Есть три основных модели распространения радиосигналов: волны частотой всего несколько МГц, которые параллельны Земле и огибают ее поверхность; пространственные волны, отражающиеся от верхних слоев атмосферы и Земли, которые находятся в диапазоне приблизительно 3…30 МГц; волны, распространяющиеся в пределах прямой видимости (LOS).

Самые общие диапазоны ISM для радиосвязи – это 169 МГц, 315 МГц, 433 МГц, 490 МГц, 780 МГц, 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. Распространение всех этих волн осуществляется в пределах LOS. Максимальное расстояние LOS (км) зависит от искривления Земли (радиус земли равен 6365 км) и высот антенны передатчика (H1) и приемника (H2) (таблица 1):

(1)

Поэтому, чтобы протестировать радиоканал с приемником, размещенным на уровне земли и имеющим бюджет, обеспечивающий передачу на дальность большее 112 км, передатчик должен быть размещен на высоте более 1000 метров.

Таблица 1. Расстояние прямой видимости с приемником на уровне земли

Бюджет канала

Бюджет канала ≈ Выходная мощность TX (дБм) – Чувствительность RX (-дБм) (2)

Фактический бюджет канала дополнительно учитывает усиление антенны передатчика и приемника, как показано в формуле (3):

Бюджет канала = Выходная мощность TX (дБм) + Коэффициент усиления антенны TX (дБи) – Чувствительность RX (-дБм) + Коэффициент усиления антенны RX (дБи) (3)

Бюджет канала = PТ + GТ + PR + GR, (4)

где PR — мощность, полученная от приемной антенны;
PT — мощность, подаваемая на передающую антенну;
GR — коэффициент усиления приемной антенны;
GT — коэффициент усиления передающей антенны.

Для идеальной дипольной антенны коэффициент усиления антенны (дБи) составляет 2,1 дБ; то есть в предыдущем примере бюджет канала составил бы 124,2 дБ.

В цифровых радиосистемах чувствительность часто определяется как уровень входного сигнала, при котором частота появления ошибок в приемнике превысит 1%. Частота появления ошибок может быть вычислена на основе частоты появления ошибок пакета (PER) или частоты появления ошибок битов (BER).

Потери распространения

Связь достигается за счет передачи энергии сигнала от точки расположения передатчика до местоположения приемника. Энергия полученного сигнала должна быть достаточной, чтобы отличить требуемый сигнал от всегда присутствующего шума. Это требование определяется как необходимое отношение «сигнал-шум» (S/N). В спецификациях приемника иногда задается отношение S/N, при котором обеспечивается нормальный прием сигнала, однако чаще чувствительность определяется как абсолютный уровень в дБм (отрицательная величина).

Уравнение Фрииса

Разберем теорию, используемую для определения расстояния для радиосистем в открытой среде и свободном пространстве. Расстояние в радиосвязи в общем случае вычисляется по уравнению Фрииса:

(5)

где PR — мощность, полученная от приемной антенны;
PT — мощность, подаваемая на передающую антенну;
GR — коэффициент усиления приемной антенны;
GT — коэффициент усиления передающей антенны;
d — расстояние;
c — скорость света в вакууме = 299,972458×106 м/с;
λ — длина волны; λ = c/f;
f — частота.

Формула (5) описывает уровень сигнала в приемнике (PR) относительно выходной мощности передатчика (PT), расстояния (d), частоты (λ) и коэффициентов усиления антенн (GT и GR).

Например, мощность, полученная от приемной антенны на расстоянии 100 м при работе на частоте 2445 МГц и значениях PT = 1 мВт (0 дБм); GR = 1 дБ; GT = 1 дБ, рассчитанная по стандартному выражению Фрииса, составляет:

(6)

То есть, в свободном пространстве потери распространения до приемника составляют 80,2 дБ.

Разность между мощностью полученного сигнала (PR) и чувствительностью приемника называется энергетическим запасом или защитной полосой. Для реалистической оценки бюджета канала и ожидаемого расстояния, помимо потерь, предсказанных Фриисом, должны быть приняты во внимание дополнительные потери.

Согласно формуле Фрииса (5), теоретическая дальность связи равна расстоянию, на котором канал работает на уровне сигнала, равном уровню чувствительности приемника.

Двухлучевая модель распространения радиоволн

В типичном радиоканале волны от передатчика отражаются и перекрываются всеми объектами, облучаемыми антенной передатчика. Вычисление расстояния в такой среде является достаточно сложной задачей. Часто среда включает несколько подвижных объектов, которые еще более усложняют расчет. Большинство измерений расстояния выполняется на больших открытых пространствах без каких-либо преград, движущихся объектов или мешающих радиоисточников. Это делается для того, чтобы добиться единообразных повторяемых измерений. Формула (5) требует прямой видимости между антеннами приемника и передатчика. Носимое оборудование обычно работает у поверхности земли. Это подразумевает, что для вычисления расстояния, которое бы было ближе к реальности, нужно учитывать также влияние Земли.

Рис. 1. Передача с отражением от Земли

На рисунке 1 показана ситуация с бесконечной абсолютно плоской поверхностью Земли и при отсутствии иных объектов, затрудняющих прохождение сигнала. Полная полученная энергия может быть при этом смоделирована как векторная сумма непосредственно переданной волны и волны, отраженной от Земли.

Эти две волны складываются с положительным или отрицательным эффектом в зависимости от различия их фазы в приемнике. Величина и фаза непосредственно переданной волны меняются в зависимости от пути распространения сигнала. Величина отраженной волны зависит от общего расстояния, на которое она распространяется, и коэффициента отражения (Γ), описывающего волны до и после отражения.

Коэффициент отражения

Всякий раз, когда падающий радиосигнал попадает на границу между различными диэлектрическими средами, часть энергии отражается, в то время как оставшаяся энергия передается через границу сред. Отраженная часть зависит от поляризации сигнала, угла падения и различных диэлектрических постоянных (εr, μr и σ). Предполагаем, что оба вещества имеют равные проводимости μr = 1 и что один диэлектрик — это свободное пространство, тогда формулы (7) и (8) будут задавать коэффициенты отражения Френеля для вертикально и горизонтально поляризованных сигналов:

(7)

(8)

Формулы (7) и (8) требуют некоторых электрических данных относительно поверхности земли в месте проведения теста. Для типичных условий земли (почва) обычно используется εr = 18. Для воды, как правило, используется εr = 88 и для песка εr = 2,5.

Рис. 2. Оценка расстояния при вертикальной поляризации

Рис. 3. Оценка расстояния для горизонтальной поляризации

Для большинства приложений характерны сильные кроссполяризационные компоненты (смесь вертикальной и горизонтальной поляризаций), что усложняет разделение поляризаций. Фактический уровень сигнала часто находится между вычисленными выше вертикальными и горизонтальными уровнями.

Местоположение мертвой точки меняется в зависимости от частоты, подстилающей поверхности земли и высоты антенны. Важно знать об этом во время тестирования расстояния, чтобы идентифицировать любые мертвые точки и правильно определить максимальное расстояние.

Невосприимчивость к нежелательным RF-сигналам (блокировка/селективность)

Необходимо проверить, что используемое испытательное пространство свободно от других RF-источников в том же диапазоне частот или на близких частотах (±10 МГц). Это можно сделать с помощью анализатора спектра (в режиме обзора широкой полосы частот), чтобы обнаружить RF-источники до проведения теста. Такую проверку во время тестирования желательно повторять регулярно. В общем случае рекомендуется выбрать испытательное пространство с низкой вероятностью помех.

В случае нежелательных RF-сигналов расстояние может существенно зависеть от уровня этих сигналов и от того, насколько они близки к рабочей частоте радио. Становится все труднее найти испытательные RF-пространства без источников помех, так как число беспроводных устройств увеличивается. По прогнозам из различных источников, в 2020 году ожидается приблизительно 24…50 миллиардов беспроводных устройств. Таким образом, вероятность обнаружения испытательного пространства, которое не охвачено другими RF-сигналами, становится очень малой. Проектирование радиоканала с учетом влияния нежелательных RF-сигналов становится более важным из-за роста количества беспроводных устройств.

Всегда нужно планировать работу проектируемого устройства в среде с внешними RF-воздействиями, при этом характеристики системы не должны ухудшаться при появлении нежелательных RF-сигналов. Радиосистемы с плохими характеристиками селективности и блокировки в среде c внешними RF-воздействиями в будущем, очевидно, не будут конкурентоспособными.

Селективность и блокировка — характеристики, позволяющие приемнику работать в условиях RF-помех. Селективность — способность подавить помехи от нежелательных RF-сигналов, работающих в том же самом диапазоне частот. Блокировка — способность отследить нежелательные RF-сигналы, которые работают на другой частоте, как правило, со сдвигом в несколько МГц (рисунок 4).

Рис. 4. Селективность и блокировка

Уровни селективности или блокировки на рисунках приведены в дБ, и не всегда очевидно, как их на практике учитывать при определении расстояния. Чтобы продемонстрировать влияние помех на устойчивость RF-канала, рассмотрим пример с двумя радио («A» и «B») с одним и тем же уровнем чувствительности, но с различными параметрами по селективности и блокировке.

Рис. 5. Слабый источник RF-помехи с уровнем –90 дБм

Рис. 6. Сильный источник RF-помехи с уровнем –50 дБм

Важно понимать возможные уровни помех в среде передачи, чтобы гарантировать заданную дальность. Приемники с отличными характеристиками селективности и блокировки станут более востребованы в будущем, когда число источников нежелательных RF-помех увеличится.

Моделирование расстояния в Excel

Чтобы облегчить оценку расстояния, была составлена специальная Excel-таблица, в которую можно ввести различные параметры для определения расстояния; этот файл можно загрузить с сайта сообщества E2E [1] (http://e2e.ti.com/support/wireless_connectivity/f/156/t/375556).

Поля для ввода данных показаны серым цветом (рисунок 7). Высоты антенн передатчика Tx (H1) и приемника Rx (H2) вводятся в верхней части листа; для портативных устройств высоты обычно задаются примерно равными 1,2 м. Обратите внимание, что есть большое различие между расстоянием, полученным по уравнению Фрииса для передачи в условиях прямой видимости, и ожидаемым расстоянием, вычисленным по модели с отражением от земли. Это различие уменьшается, когда высота антенн увеличивается (H1 = H2 ≥1 м). Реалистическая оценка расстояния базируется на модели, которая дополнительно учитывает отражение от земли.

Рис. 7. Скриншот листа Excel для ожидаемого расстояния

Доступен также список различных микросхем радио с указанием их чувствительности, предусмотрена настройка скорости передачи. Установка скорости передачи обязательна, так как она определяет фактический уровень чувствительности радио на конкретной скорости. При большой скорости передачи всегда будет более низкий уровень чувствительности.

В таблице 2 приведен список устройств с радиоканалом вместе со скоростями передачи данных, предусмотренный на листе Excel. Если нужное вам радио и скорость передачи не найдены – выберите строку, которая дает примерно тот же уровень чувствительности, как и у вашей микросхемы.

Таблица 2. Уровни чувствительности для различных устройств и скоростей передачи

Поле ”Select Effective Attenuation between Rx and Tx” (рисунок 7) содержит некоторые опции, которые учитывают размер защитной полосы (энергетический запас канала); есть также несколько полей, чтобы выбрать различные строительные материалы, обычно используемые для расчета расстояния внутри здания. Уровень защитной полосы зависит от требуемого уровня запаса. Теоретически он может быть равен 0 дБ, то есть радиоканал при этом будет работать на пределе чувствительности. Для более устойчивого приема должно быть обязательно выбрано значение защитной полосы, обычно оно находится в диапазоне 10…20 дБм. Для системы, которая требует надежного и отказоустойчивого RF-канала, запас может быть дополнительно увеличен, тогда как для системы, которая может допускать повторные передачи и временные потери связи, запас может быть уменьшен. С эффектами многолучевого распространения уровень сигнала может меняться до 15 дБ, что следует учитывать и задавать защитную полосу >15 дБ. Если не использовать пространственное разнесение антенн, то рекомендуемая защитная полоса составляет 20 дБ, а в случае разнесения антенн ее можно уменьшить до 10 дБ. Для дальнейшей информации относительно преимуществ разнесения антенн смотрите [4].

При расчете расстояния в условиях LOS вне здания можно выбрать три поля для ввода, как показано на рисунке 7. Для более точной оценки расстояния внутри здания могут быть выбраны различные строительные материалы, соответствующие трем полям для ввода. Выбор материала представлен в таблице 3.

Таблица 3. Типичное ослабление для различных строительных материалов

Как видно из этой таблицы, прохождение сигнала через материал существенно зависит от частоты, и преимущество работы на более низкой частоте четко сказывается на бюджете канала и ожидаемом расстоянии. Эмпирическое правило — каждое увеличение бюджета канала на 6 дБ удваивает расстояние. При передаче сигнала через восьмидюймовую (

20 см) бетонную стену на частоте 1 ГГц расстояние увеличится приблизительно вдвое по сравнению с подобной же системой, работающей на частоте 2,4 ГГц.

Если задать все параметры: высоту антенн, частоту, поляризацию, выходную мощность, коэффициент усиления антенны, земную поверхность, уровень чувствительности, защитную полосу и материал между Rx и Tx, тогда может быть вычислено более реалистичное расстояние по сравнению со стандартной формулой Фрииса.

Примеры Excel

Передача сигнала в помещении и в условиях прямой видимости: сравнение 868 МГц и 2,4 ГГц.

Характеристики радио на рисунках 8 и 9 очень похожи; единственное различие — рабочая частота. Как можно заметить, для указанных характеристик ожидаемое расстояние увеличивается с 233 м на частоте 2440 МГц до 292 м на частоте 868 МГц.

Рис. 8. Микросхема CC1200 на частоте 868 МГц вне здания и условия LOS, 500 кбит/с; ожидаемое расстояние – 292 м

Рис. 9. Микросхема CC2541 на частоте 2440 МГц вне здания и условия LOS, 500 кбит/с; ожидаемое расстояние – 233 м

Характеристики радио на рисунках 10 и 11 очень похожи; единственное различие — рабочая частота и меньшее ослабление в строительном материале на частоте 1 ГГц по сравнению с частотой 2 ГГц. Как можно заметить, для указанных характеристик ожидаемое расстояние увеличивается с 5 м на частоте 2440МГц до 31 м на частоте 868 МГц.

Рис. 10. Устройство CC1200 на частоте 868 МГц внутри здания, 500 кбит/с; ожидаемое расстояние – 31 м

Рис. 11. Устройство CC2541 на частоте 2440 МГц внутри здания, 500 кбит/с; ожидаемое расстояние – 5 м

Сравнение скоростей передачи в случае LOS на частоте 868 МГц

Скорость передачи для CC1200 была установлена равной 500 кбит/с на частоте 868 МГц, ожидаемое расстояние составляет 292 м. При уменьшении скорости передачи предел чувствительности улучшается благодаря меньшему шуму на входе приемника за счет соответствующего сужения полосы приема. Данное утверждение для скорости передачи верно до тех пор, пока полоса приемника не станет минимально возможной для конкретной модели микросхемы, поэтому может быть достигнуто большее расстояние. В таблице 4 представлено ожидаемое расстояние при изменении в предыдущем примере только скорости передачи; все другие параметры те же самые, что и на рисунке 8.

Таблица 4. Увеличение расстояния за счет уменьшения скорости передачи для микросхемы CC1200 на частоте 868 МГц

Таблица 5. Предполагаемое расстояние CC1200 на частоте 868 МГц

Конфигурации радио для больших расстояний

Чтобы достигнуть больших расстояний, выходная мощность может быть увеличена до максимального предела, разрешенного законодательством, а скорость передачи уменьшена, насколько позволяет приложение. Кроме этих двух параметров, есть дополнительные параметры, которые могут быть использованы, чтобы добиться большего расстояния, например обратная связь с функцией фазовой автоподстройки частоты (PLL), которая, помимо прочего, эффективно уменьшает полосу пропускания.

Обратная связь с функцией PLL для CC112x/CC12xx

Функция обратной связи с PLL (FB2PLL) расширяет полосу пропускания (BW) фильтра Rx (RX_BW), не увеличивая полосу пропускания для шума. Установка значения FREQOFF_CFG.FOC_LIMIT = 0 расширяет программируемую BW фильтра Rx на ±RX_BW/4. Например, если BW фильтра Rx запрограммирована на 50 кГц и значение FREQOFF_CFG.FOC_LIMIT = 0, то полоса пропускания шума все еще остается 50 кГц (полоса пропускания, которая устанавливает шумовой порог), но эффективная BW фильтра Rx будет равна 75 кГц.

Установка значения FREQOFF_CFG.FOC_LIMIT = 1 расширяет программируемую BW фильтра Rx на ±RX_BW/8. Например, если BW фильтра Rx запрограммирована на 50 кГц и значение FREQOFF_CFG.FOC_LIMIT = 1, то полоса пропускания шума все еще остается 50 кГц (полоса пропускания, которая устанавливает шумовой порог), но эффективная BW фильтра Rx будет равна 62,5 кГц.

Измерения в таблицах 6 и 7 показывают, что для одной и той же эффективной BW фильтра Rx применение функционала FB2PLL улучшает чувствительность и селективность в ближней зоне. Результаты измерения усреднены по пяти устройствам CC1200.

Таблица 6. Измерения при 1,2 кбит/с, ± 3 кГц, 2-GFSK. OBW (99%) = 6,9 кГц

Таблица 7. Измерения при 4,8 кбит/с, ±2,4 кГц, 2-GFSK. OBW (99%) = 8 кГц

Тесты на дальность

Табличный процессор Excel [1] — хороший инструмент, чтобы предсказать реалистичное расстояние для конкретной среды передачи при заданных параметрах радио. Чтобы подтвердить правильность расчетов, были проведены реальные тесты на дальность. Так как расстояние связи существенно зависит от среды распространения радиоволн, были проведены три различных теста дальности.

Таблица 8. Уровни чувствительности LRM868 МГц

Таблица 9. Уровни чувствительности LRM 433-510 МГц

Тесты на дальность на большой высоте

Как показано в таблице 1 и примерах Excel [1], LOS зависит от высоты антенн. Чтобы достигнуть большого расстояния передачи, высота антенны должна быть увеличена. Хорошее место для проведения теста на большую дальность, к примеру, находится в Кейптауне, Южная Африка. При расположении Tx на Столовой горе на высоте 1000 м может быть достигнуто очень большое расстояние связи.

Оборудование и настройки:

Результаты

Результаты измерений показаны на рисунках 12…14. Были переданы свыше 600 пакетов данных, и только два пакета потеряны на расстоянии 71 км; при передаче 1000 пакетов данных только два пакета были потеряны на расстоянии 98 км; при передаче 1000 пакетов данные получены без потерь на расстоянии 114 км. Достигнута очень большая дальность связи. Эти результаты показывают, что среда распространения является важнейшим фактором при дальней связи. Для тех же настроек радио, но при размещении обеих антенн на высоте в 1 метр, расчетное ожидаемое расстояние уменьшается с 136,6 км до 9,2 км.

Рис. 12. Лист Excel с ожидаемым расстоянием при тестировании на 71 км и 98 км; H2

Рис. 13. Лист Excel с ожидаемым расстоянием при тестировании на 114 км; H2 = 92 м

Рис. 14. Дорожный знак, показывающий то же
расстояние, которое достигнуто при тестировании

Испытательная установка: Тест на дальность внутри высотного здания

Результаты

Переданные данные были приняты на 12…16 этажей ниже модуля Tx.

Примечание: максимальное число этажей, через которые может пройти радиосигнал, существенно зависит от строительного материала здания. Уровни ослабления для различных типов строительных материалов приведены в таблице 3.

Результаты теста отображены на рисунках 15, 16.

Рис. 15. Уровень RSSI на различных этажах высотного здания

Рис. 16. Радиоканал в высотном здании

Для восьмидюймового бетона на частоте 500 МГц ослабление равно 21 дБ, поэтому с бюджетом канала 143 дБ ожидаемый результат — передача примерно через шесть этажей, если бы RF-сигнал проходил исключительно через бетонные полы. Поскольку модуль передатчика был помещен на лестнице, ослабление между каждым этажом обусловлено свободным пространством и ослаблением через бетон. Чтобы упростить вычисления, ослабление принято равным 10 дБ на один этаж (среднее между 21 и 1 дБ). Это коррелирует с результатами измерений, при которых сигнал был зарегистрирован на нижних 12…16 этажах здания.

Например, при бюджете канала 143/10, приблизительная дистанция связи — 14 этажей.

Рис. 17. Тестирование вне здания

Тест на дальность в плотной городской застройке

Тест проводился с помощью модуля CC1120EM с установленным термокомпенсированным генератором TCXO. Использовались программные настройки, оптимизированные для передачи данных на большие расстояния (Long Range Demo) – 600 бит/с, девиация ±1,5 кГц, BW фильтра Rx 7,8 кГц. Компенсация смещения частоты выполнялась для каждого пакета:

Результаты

Расстояние, измеренное на частоте 433 МГц, составляло 2 км (рисунок 18), на частоте 868 МГц расстояние составило 1,3 км (рисунок 19). Расстояние было больше на более низкой частоте из-за различия ослабления в строительных материалах, обычно используемых в городской среде.

Рис. 18. CC1120, 470 МГц, расстояние 2 км

Рис. 19. CC1120, 868 МГц, расстояние 1,3 км

Приложение. Алгоритм расчета уравнения Фрииса с учетом отражения радиосигнала от Земли

% **********************************************************************************************************
% function retvar – эта функция вычисляет потери в радиоканале с учетом отражения от земли
% h1 – высота передающей антенны над землей.
% h2 – высота приемной антенны над землей.
% d – расстояние между этими двумя антеннами (в проекции на плоскость земли)
% er – относительная диэлектрическая постоянная земли.
% pol – поляризация сигнала ‘H’ = горизонтальная, ‘V’ = вертикальная
% freq – частота сигнала в Гц
% Передающая и приемная антенны предполагаются идеальными изотропными с G = 0 дБ
% **********************************************************************************************************
function retvar=friis_equation_with_ground_presence(h1,h2,d,freq,er,pol)
c=299.972458e6; % Скорость света в вакууме [м/с]
Gr=1; % Усиление приемной антенны.
Gt=1; % Усиление передающей антенны.
Pt=1e-3; % Энергия к передающей антенне [Вт]
lambda=c/freq; % м
phi=atan((h1+h2)./d); % phi — угол падения на землю.
direct_wave=sqrt(abs(h1-h2)^2+d.^2); % Расстояние, пройденное прямой волной
refl_wave=sqrt(d.^2+(h1+h2)^2); % Расстояние, пройденное отраженной волной
if (pol==‘H’) % Коэффициент отражения при горизонтальной поляризации
gamma=(sin(phi)-sqrt(er-cos(phi).^2))./(sin(phi)+sqrt(er-cos(phi).^2));
else
if (pol==‘V’) % Коэффициент отражения при вертикальной поляризации
gamma=(er.*sin(phi)-sqrt(er-cos(phi).^2))./(er.*sin(phi)+sqrt(er-cos(phi).^2));
else
error ([pol,’неверная поляризация’]);
end %if
end %if
length_diff=refl_wave-direct_wave;
cos_phase_diff=cos(length_diff.*2*pi/lambda).*sign(gamma);
Direct_energy=Pt*Gt*Gr*lambda^2./((4*pi*direct_wave).^2);
reflected_energy=Pt*Gt*Gr*lambda^2./((4*pi*refl_wave).^2).*abs(гамма);
Total_received_energy=Direct_energy+cos_phase_diff.*reflected_energy;
Total_received_energy_дБм=10*log10(Total_received_energy*1e3);
retvar=Total_received_energy_дБм;
%end function.

Заключение

При вычислениях с помощью Excel [1] для получения реалистичной оценки дальности связи использованы формула Фрииса и двухлучевая модель распространения. Двухлучевая модель принимает во внимание земную поверхность, влияние которой всегда будет уменьшать достижимое расстояние. В модели учтены различные строительные материалы, которые используются для более точной оценки расстояния внутри зданий.

Рассмотренные примеры полевых испытаний демонстрируют важность учета высоты антенны и ограничений прямой видимости, показано преимущество работы на более низкой частоте, чтобы достигнуть большего расстояния как для сценариев с прямой видимостью, так и для связи внутри зданий.

Источник

• ← Чем определяется давление жидкости
• Чем определяется двоичное кодирование звука →