了解无线范围计算

一个在任何无线设计的关键计算是范围，对正常操作发射器和接收器之间的最大距离。 本文确定参与计算范围的因素，并示出了如何估计范围，以确保可靠的通信链路。

为什么实际范围可能不等于规定范围

你曾经购买了无线电的嵌入式项目，发现你没有达到射频（RF）范围内的数据表中规定？ 这是为什么？ 这可能是由于该如何衡量供应商的范围，以及你如何使用无线电之间的差异。

供应商通常由从真实世界测试凭经验导出，或通过使用一个计算确定范围。 只要你占了所有变量两种方法是好的。 实证的解决方案，但是，可以揭示计算不解决​​现实世界中的情况。

在我们比较的方法，让我们来定义一些术语，了解制造商的数字或范围的相关变量。

POWER和dBm的计算

RF功率是最常见的表达，并与一毫瓦参考，或dBm的分贝测量的。 分贝是一个对数装置，它是系统的一些参考的功率的​​比率。 0的分贝值相当于1的比率。 分贝毫瓦为参考1毫瓦分贝输出功率。

因为dBm的是基于对数尺度，它是一个绝对功率测量。 对于dBm的3每增加有大致输出功率两次，10 dBm的每增加代表着力量增加了十倍。 10 dBm的（10 MW）是10倍0 dBm的（1毫瓦）和20 dBm的（100毫瓦）更厉害的是10倍10 dBm的更强大。

您可以使用下列公式毫瓦和dBm的之间的转换：

P（DBM）= 10•log10（P（MW））

P（MW）= 10（P（DBM）/ 10）

例如，2.5毫瓦以dBm一个功率为：

dBm的= = 10log2.5 3.979

或约4 dBm的。 在电力毫瓦7 dBm的dBm的值是：

P = 107 / 10 100.7 = = 5毫瓦

路径损耗

路径损耗是在功率密度时发生作为无线电波传播一段距离的减少。 在路径损耗的主要因素是在无线电波本身的距离的信号强度的降低。 无线电波遵循功率密度的平方反比定律：功率密度成正比的距离的平方成反比。 每次你一倍的距离的时候，你只能得到四分之一的电力。 这意味着，在输出功率每6-dBm的增加一倍的距离可以是可以实现的。

除了发射功率，影响范围的另一个因素是接收灵敏度。 它通常是在-dBm表示。 由于输出功率和接收灵敏度以dBm列示，可以用简单的加减法计算最大路径损耗，一个系统可以产生：

最大路径损耗=发射功率 - 接收灵敏度+收益 - 亏损

收益包括的任何收益从定向传送产生和/或接收天线。 天线增益通常在dBi的表示引用的全向天线。 损失包括任何过滤器或电缆衰减或已知的环境条件。 这种关系也可以被表示为一个链路预算，这是所有增益和一个系统来测量接收机处的信号强度的损失的会计：

接收功率=发射功率+收益 - 亏损

的目标是使所接收到的功率比的接收灵敏度更大的

在自由空间（理想的状态）时，平方反比定律是影响范围的唯一因素。 在现实世界中，但是，也范围可以由其他因素降解：

•障碍如墙壁，树木，和丘陵可引起显著信号损失。

•在空气（湿度）水可以吸收RF能量。

•金属物体会反射无线电波，创造了信号的新版本。 这些多波到达在不同的时间和相消（有时建设性）接收与自身干扰。 这就是所谓的多径。

衰落余量

有量化这些障碍许多公式。 当发布范围的数字，但是，厂家往往忽略的障碍，国家只线的视距（LOS）或理想的路径范围的数量。 公平地讲，制造商，这是不可能知道在哪里可以使用无线的所有环境，所以不可能计算出特定范围内人们可能实现的。 制造商有时会包括衰落储备到他们的计算，以提供这样的环境条件。 因此，对于距离计算方程变为：

最大路径损耗=发射功率 - 接收灵敏度+收益 - 亏损 - 衰落余量

衰落余量是津贴制度设计，包括考虑到未知变量。 在衰落余量越高，更好的整体链路质量会。 与衰落余量设置为零，链路预算仍然是有效的，仅在LOS条件，这是不适合大多数设计非常实用。 衰落余量的量，以包括在一个计算取决于在该系统预计要部署的环境。 12 dBm的衰落余量是好的，但一个更好的数量将20 30到dBm的。

作为一个例子，假设20 dBm时，-100 dBm的接收灵敏度的传输功率，接收6 dBi的天线增益，发射6 dBi的天线增益，和12分贝的衰落余量。 电缆损耗可以忽略不计：

最大路径损耗=发射功率 - 接收灵敏度+收益 - 亏损 - 衰落余量

v - 输出的最大路径损耗= 20 - （-100）+ 12 - 12 120 =分贝

一旦最大路径损耗已经找到了，你可以找到从公式的范围内：

距离（公里）= 10（最大路径损耗 - 32.44 - 20log（F））/ 20

其中f =频率以MHz为单位。 例如，如果最大路径损耗是120分贝2.45 GHz或2450兆赫的频率，范围将是：

距离（公里）= 10（120 - 32.44 - 67.78）/ 20 9.735 =公里

图1示出了在2.45 GHz的频率的最大路径损耗和范围之间的关系。

1。 曲线显示以dBm链路预算或最大路径损耗和估计的范围以公里之间的关系。

解释实证结果

虽然经验方法是在确定的范围内非常有用的，它往往是难以实现的理想LOS真实世界的测量，很难理解多少衰落余量构筑成一个系统。 测得的结果可以帮助确定超出RF传播问题可​​能影响系统的范围内，如多径传播，干扰，和RF吸收。 但不是所有的真实测试是相同的，所以实际的测量值应主要用于加强上述计算出的链路预算的数字。

这可以影响进行了实证检验所取得的一系列因素包括天线增益，天线高度和干扰。 天线增益是系统的增益的主要来源。 通常，制造商将证明他们的电台与不同类型的高增益八木天线和贴片天线，以较温和的增益全向天线工作。 以确保测试与您现在使用的无线用相同类型的天线进行是重要的。 从6-dBm的天线到3-dBm的天线改变在两个发送和接收侧将导致在链路预算中一个6-dBm的差异和减少一半的范围内。

天线高度和菲涅耳区

天线高度是实验测量的另一个问题。 提高天线的高度做两件事。 首先，它可以帮助你上面，如汽车，人，树和建筑物的任何可能的障碍物。 第二，它可以帮助你的真实的RF LOS信号通路中的菲涅耳区至少有60％的间隙。

菲涅耳带是在发射机和接收机，其面积是由信号的波长定义之间的椭球的体积。 这是致力于考虑无线电波的堵塞或衍射的计算面积。 它被用来计算适当的间隙信号应该绕过障碍，以达到最佳的信号强度。 一般的经验法则是有LOS路径明确以上是天线的高度不超过60％的障碍。

地球的曲率也可以影响的LOS远距离无线链路。 该表提供的影响，其中，在地球的链接路径的中点高度不占丘陵或其他地形特征和天线高度一些实例中实现的信号是至少60％，在菲涅耳区。
在很多实际的设置，您可以收发器具有较低的天线高度的功能，但它是一个不错的选择，该制造商将它们的天线在适当的高度。 对于您的应用程序，你应该力争有一个合适的天线高度，以达到最佳的范围。 图2说明如何路径距离，障碍物的高度，和天线高度相关的菲涅耳带。

2。 所需的天线高度由障碍物高度和保在60％的保证金确定为补偿菲涅耳区的条件。

最后，噪声和干扰可以对无线系统的范围内的负面影响。 噪声不能被控制，但应考虑的因素的范围，如果它是一个问题。 在902工业，科学，和医学（ISM）频带928兆赫（北美）和2.4千兆赫（全球），干扰通常可以预期的，但占它是困难的。 只有当干扰不存在，制造商可以进行实证检验。 这当然是可能是您的环境中有更大的干扰比是制造商的测试时在座。

总结

随着系统中这么多的变数，你怎么能知道由制造商声称的范围是否适用于你的系统？ 常是不可能知道的测试是否凭经验进行，或者如果计算的范围内的数字。 无论哪种方式，通过分析最大发送功率和接收灵敏度，可以生成一个基线到一个无线电比较到下一个。 利用这些数据，拥有一整套的衰落余量，并且由于天线或由于射频电缆损失的任何收益一起，就可以计算出最大链路预算。 然后使用以上的距离公式来计算自己的范围。 对于各种无线电设备，这应该提供一个良好的基线将两个或三个系统满足您的需求进行比较。

要了解如果收音机会在你的应用程序中工作，你应该努力准确真实世界的测试，可以考虑天线高度，多径干扰和阻碍。 延迟真实测试您的应用程序，仅采取制造商的数量逐字可能会离开你问，“什么是我的范围是多少？”

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