估计无线范围

如何估计无线电参数的无线通信范围。

推荐水平

初学者

动机

在设计具有无线组件的系统时，重要的是要知道两个设备可以通信。在进行任何实际设计之前，需要快速计算以预测系统的行为。通常，无线电系统不会告诉您范围，或者它会给您一个模糊的想法。这通常是故意的！当不知道环境时，很难确定无线电范围。即使已知环境，也没有可用的完美模型来确定范围，在许多情况下，经验测量是测量的唯一方法。那么，您可能会问，为什么我们甚至会打扰任何方程式呢？答案是，尽管方程在所有情况下都不是完美的，但它们提供了良好的近似值，并且是设计的绝佳起点。有了这些信息，您可以决定在哪里投入设计时间或更多钱以改善范围。

Friis传输方程

Harald T. Friis在1945年在贝尔实验室工作时开发了现在被称为Friis传输方程式。该方程组合了几个无线电参数，以估算链接预算。系统的链接预算是将系统的所有元素加起来的一种方法。通常在分贝中表达以使计算更容易，链接预算加大了所有收益（增加范围）和损失（从范围减去）。这是Friis方程：

$$ p_r = p_tg_tg_r（\ frac {\ lambda} {4 \ pi r}）^2 $$

链接预算

链接预算与上述方程非常相似。区别在于它增加了其他损失条款。这些损失项可以是边缘，多径，褪色，大气干扰等。这些损失中的每一个都是Compex，可以拥有自己的文章。出于本文的目的，我将它们全部分为一个变量LM，称为链接余量。链接边距是估计非视线环境（例如办公室）的好方法。一个好的经验法则是根据连接的环境和可靠性要求使用〜10-20dB的利润率。在非常清晰的视线应用中，链路磁芯可能趋于零。

$$ p_ {rx} = p_ {tx}+g_ {tx} -l_ {fs} -l_m+g_ {rx} $$

在哪里_FS路径损失转换为MHz和Miles的单位：

$$ l_ {fs} =（\ frac {\ lambda} {4 \ pi r}）^2 = 36.6db+ 20log（f_ {mhz}）+ 20log（range_ {Miles}）$$

例子

让我们分析流行的无线电模块XBEE®802.15.4（系列1）。这是一些来自数据表。根据数据表，该模块在内部100英尺，外部300英尺。

解决范围和F = 2400MHz的链路预算方程：

$$ range = antilog（\ frac {p_ {tx}+g_ {tx} -l_m+g_ {rx} -p_ {rx} -104} {20} {20}）\ text {miles} $$

户外

将数据表的值插入方程中，并将链接余量设置为零。

$$ range = antilog（\ frac {0dbm-6dbi-0db-6dbi+92dbm-104} {20}）\ text {miles} $$

$$范围= 0.0631 \ text {Miles} $$

$$范围= 101.54 \ text {meters} $$

$$范围= 333.15 \ text {脚} $$

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。

室内的

对于室内，链接边距更改为10dB，以说明典型的2.4GHz的多径。

$$ range = antilog（\ frac {0dbm-6dbi-10db-6dbi+92dbm-104} {20}）\ text {Miles} $$

$$范围= 0.02 \ text {Miles} $$

$$范围= 32.11 \ text {meters} $$

$$范围= 105.35 \ text {脚} $$

外部天线

假设我们想要更多范围，并具有使用较大天线（例如Yagi）的能力。我们可以将外部天线模块与Yagi一起使用，如果我们将Yagi彼此指向，则可以将天线增益更改为10dB。由于我们将获得更大的距离，因此即使我们在户外，也最好将链接保证金保持在10dB。这将说明可能阻碍树木的物品。

$$ range = antilog（\ frac {0dbm+10dbi-10db+10dbi+92dbm-104} {20} {20}）\ text {Miles} $$

$$范围= 0.794 \ text {Miles} $$

$$ range = 1278.35 \ text {meters} $$

$$ range = 4194.05 \ text {脚} $$

那是一个很大的范围！这种排列的缺点是必须将Yagi天线指向一个方向。如果Yagi指向错误的方向，该范围将非常差。

潜在的改进

天线

就像在示例中一样，如果使用了较大的天线，则增益通常会改善。这可能是小型嵌入式设备的问题，因为将天线伸出设备是不希望的或不切实际的。理想情况下，在设计某些东西时，可以使用最大的天线。

发射功率

典型嵌入式设备中的发射功率受法规机构（例如FCC，成本和功耗）的限制。FCC 15.247限制了2.4GHz设备，将使用范围调制技术用于30dBm和特定的带宽要求。通常，设备的限制不是功率，而是带宽。需要复杂的过滤器来限制带宽，从而有效地将发射功率限制为20dBm。在示例中，如果我们在设备中添加了功率放大器，则可以为系统添加20dB增益，这将大大改善范围。权衡是放大器为系统增加了成本和功耗。额外的功耗可能是电池供电设备的问题。

接受灵敏度

接收灵敏度取决于系统的噪声图和所需的信噪比。噪声图定义了电路添加了多少噪声。这个数字越低，接收灵敏度越好，因为添加噪声越小。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，需要带宽越多。这意味着接收器必须捕获更多的信号，这意味着捕获更多的噪声。

结论

范围对于任何无线系统都是重要的指标。该范围取决于许多变量。通常，更多的功率，数据速率和较大的天线将允许更长的范围和更可靠的通信。