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物联网应用无线通信模块增加天线增益配置加大传输距离

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随着无线数据传输的发展,无线模块的应用也越来越广泛。无线模块广泛地应用于车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232 数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中。

无线模块传输距离主要受功率、接收灵敏度、天线等因素的影响。主要从这3个方面来讲述增加无线模块传输距离的方法。

1.发射功率

发射功率(Emissive Power)就是无线模块所发射出来的射频信号强度。从理论上讲,射频信号强度越大传输距离越远,即大功率的无线模块比小功率的无线模块传输距离更远。

例如,对比成都亿佰特公司的E32系列。

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如图所示,两种模块的频点都是433MHz,都是用的SX1278方案和UART接口发射功率是不一样的,所以传输距离肯定是有区别的。从理论对比,E32-TTL-100的功率小,传输距离更近;E32-TTL-1W的功率更大,传输距离是更远的。

2.接收灵敏度

接收机灵敏度(Receiver Sensitivity)是指给定接收机解调器在要求信噪比的条件下,接收机所能检测的最小信号电平。无线传输的接收灵敏度类似于人们沟通交谈时的听力,提高信号的接收灵敏度可使无线产品具有更强地捕获弱信号的能力。这样,随着传输距离的增加,接收信号变弱,高灵敏度的无线产品仍可以接收数据,维持稳定连接,大幅提高传输距离。即接收灵敏度越低,无线模块传输距离越远。

接收灵敏度的公式如下:

S=-174+NF+10lgB+10lgSNR

其中: NF为噪声系数,B为信号带宽,SNR为解调信噪比。带宽越大,系统的噪声系数越大,灵敏度就会越大,接收性能也会恶化,这就要求在设计接收机的时候,要考虑到系统的带宽、噪声系数对灵敏度的影响。

无线模块的接收灵敏度非常重要,尤其是在小功率的传输系统中,每个dB都很重要,尤其是”6dB法则”:即增加或者降低6dB,意味着增加一倍或者降低一半的功率。例如,发射端的发射能量为100mW或20dBm 时,如果11Mbps 速率下接收灵敏度为-83dBm ,理论上传输的无遮挡视距为 15km,而接收灵敏度为-77dBm时,理论上传输的无遮挡视距仅为15km的一半(7.5km),或者相当于发射端能量减少了1/4,既相当于 25mW,14dBm。因此,在无线模块传输系统中提高接收端的接收灵敏度,相当于提高发射端的发射能量,同时增加了无线模块传输的距离。

3.天线

天线(antenna)是一种变换器,它把传输线上传播的导行波,变换成在无界媒介中传播的电磁波,或者进行相反的变换。一般天线都具有可逆性,即同一副天线既可用作发射天线,也可用作接收天线,同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。

从天线的理论参数来讲,天线的输入阻抗、天线的增益这两个方面的因素可以决定天线的性能,同时决定无线模块的传输距离。从天线的输入阻抗来讲,一般天线做成标准的50欧姆,无线模块的阻抗也是标准的50欧姆,这样天线和无线模块完全匹配,保证没有传输信号的流失,进而保证无线模块的距离。从天线的增益来讲,发射总能量等于发射功率(dBm)与天线增益(dBi)之和,天线增益越大,发射总能量越大,无线模块传输距离越远。

从天线的实际测试中来讲,由于现场的实际环境不可能是绝对平坦的,如有山丘、建筑物、树木,不同程度和方式影响电波的传播。因此,在工程实施前,必须进行现场电波传播和接收场强测试(准确到多少dBm),以便根据现场环境和工作要求,确定设备的功率、天线类型、架设高度等参数,使上下行信号达到足够的抗干扰能力,才能实现有效可靠的无线数据传输。

例如,对比成都亿佰特公司的三种433M天线。

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如图所示,三种天线的阻抗都是标准的50欧姆,驻波比也都小于等于1.5,只有增益是不一样的,所以传输距离肯定是有区别的。从理论对比,TX433-JZG-6的增益最小、传输距离最近,TX433-JK-20次之,TX433-XP-200的增益最大、传输距离是最远的。

但是在实际测试中,不可能是绝对的平坦和没有遮挡物的,因此无线模块的传输距离受很多方面因素的影响,没有绝对性。


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