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        深圳市鵬鑫威科技有限公司

        影響COFDM無線通訊距離的幾個因素

        發布時間:2016/08/03


        對于COFDM無線通信以及無線系統,影響通信距離的主要性能指標有
        4個:

        1是發射機發出來的功率;

        2是接收機的靈敏度;

        3是整個系統抗干擾能力;

        4是發射/接收天線的類型及增益。

        而在這四個主要指標中,各國電磁兼容性標準(如北美的FCC、歐洲的EN規范)均只限制發射功率,只要對接收靈敏度系統的抗干擾能力兩項指標進行優化,即可在符合FCC CE標準的前提下擴大系統的通信距離。

         一、影響無線通信距離的諸多因素

         1、地理環境

        通信距離最遠的是海平面及陸地無障礙的平直開闊地,這也是通常用來評估無線通信設備的通信距離時所使用的地理條件。其次是郊區農村、丘陵、河床等半障礙、 半開闊環境,通信距離最近的是城市樓群中或群山中,總之,障礙物越密集,對無線通信距離的影響就越大,特別是金屬物體的影響最大。一些常見的環境對無線信 號的損耗如下表所示:

        根據路徑損耗公式: Ld=32.4+20logf+20logd   

         f=MHZ  d=Km 可知信號每損耗6dB,通訊距離就會減少一半!

              另一個因素就是多路徑影響,所以如果無線模塊附近的障礙物較多時也會影響通訊的距離和可靠性。

         2、電磁環境

              直流電機、高壓電網、開關電源、電焊機、高頻電子設備、電腦、單片機等設備對無線通信設備的通信距離均有不同程度的影響。

         3、氣侯條件

              空氣干燥時通信距離較遠,空氣潮濕(特別是雨、雪天氣)通信距離較近,在產品容許的環境工作溫度范圍內,溫度升高會導致發射功率減小及接收靈敏度降低,從而減小了通信距離。

         4、發射功率

               發射功率越大,通信距離越大;從理論上說發射功率可無限制地增加,但實際上由于受成本或法律規定的限制,發射機的輸出功率也是有限的,特別時對于低功耗系統的要求。

         5、接收器靈敏度

              接收器靈敏度反映了接收機捕捉微弱信號的功能,接收靈敏度越高,通信距離也越遠。但由于受自然界電磁噪聲及工業污染、電子元器件固有噪聲的影 響,-123dBm(即0.158uv)通常被認為是現代無線電通信中純硬件實現的接收靈敏度的極限值,很難突破,即使加上軟件糾錯也只能再改善1-3dB,如果通信系統的接收靈敏度已接近這一極限值就已無潛力可挖了,要提高通信距離只能從其它方面著手了。

         6、系統抗干擾能力

               實際的通信環境總是存在著各種干擾源,在同樣的發射功率和同樣的接收靈敏度的前提下,系統的抗干擾能力越強,實際通信距離也越遠。許多高頻工 程師都有這樣的體會:在實驗室(屏蔽網房)內測試,調幅機與調頻機的發射功率和接收靈敏度都相同,但在實際環境中測試時,調頻機的通信距離往往是調幅機的 若干倍,甚至調幅機根本就不能工作,而調頻機仍能有較遠的通信距離,原因是調頻機的抗干擾能力要比調幅機強得多。

                而影響無線通信系統抗干擾能力的因素也很多,主要與調制/解調方式,工作帶寬,電路設計PCB 板布局和退耦及屏蔽措施是否得當有關,一般而言,調頻系統的抗干擾能力優于調幅系統,而窄帶系統的抗干擾能力優于寬帶系統。

                因此,帶寬越窄,抗干擾能力就越強,在同一發射功率和接收靈敏度條件下,通信距離也越遠。

         7、天線類型及其增益

              天線的增益越高,通信距離也越遠。當發射機采用高增益的定向天線時,能顯著提高通信方向上的功率密度(場強),而接收機采用高增益定向天線時能顯著改善信號/噪聲比,并提高接收場強,從而大幅度提高通信距離。目前適合ISM/SRD 免證使用頻段的無線通信設備使用的天線有以下幾種:

        鞭狀天線(螺旋天線、拉桿天線):增益0~3.5dB,適合便攜式移動手持機使用。

        中增益吸盤天線:增益5.5~7dB,適合固定機及車載機使用。

        高增益全向天線:增益8.5~10dB,需室外安裝,適合于固定機組網用。

        高增益定向天線:增益10~12dB,需室外安裝,適合于遠距離固定機用。

        需要說明的一點是:增益越高的天線其幾何尺寸也越大,特別是高增益的定向或全向天線要求室外安裝才能發揮其最佳效率,所以選項購天線是也要考慮使用及安裝是否方便。

         8、天線有效高度

               在各種條件相同的前提下,天線距離地平面的高度越高,通信距離越遠,特別是在城市環境下,提高天線的高度比增大發射功率對通信距離的影響要大得多。

         二、無線通信距離的估算

               從上面的分析可知:很多因素都會影響無線通信設備的通信距離,而其中的地理環境、電磁環境、氣侯條件對無線通信距離的影響是由用戶的使用條件決定的,難以改變,也很難用一個數學表達式描述出來,只有那些能量化的因素才能用一個數學表達式描述。

        對于工作頻率范圍在300MHZ~3GHZ 之間的無線通信設備,在視距范圍(又稱自由空間)內,已知發射功率Ptx、接收靈敏度Prx、、發射天線增益G1 及接收天線增益G2(單位均為倍,而不是dB)、載頻波長λm),則通信距離Rm)可由下公式計算獲得:

          

         

         為什么實際距離與理論值之間會有這么大的差距呢?

         原因有三個方面:

                首先,公式中的結果是一個純理論值,只考慮了電磁波在自由空間中傳播過程中隨著距離的增加,能量擴散到更大空間后能量密度減小后導致信號場強減小的結果,而沒有考慮空氣及地面等介質對電磁波吸收、衰減的影響;

                其次,沒有考慮發射天線的發射效率和接收天線的接收效率(理論上可以做到100%但實際上達不到)的影響;

               最后,也沒有考慮各種電磁干擾及接收機的抗干擾能力的影響,從而導致了實際結果與理論計算值有較大的誤差。

              實際的通信環境中總是存在著各種各樣的干擾源,有時雖然接收天線上感應到的信號強度遠高于接收靈敏度,但是當接收機所處環境的電磁干擾較大時,有用信號仍 被淹沒有干擾信號中,而接收機又不能有效抑制干擾,同樣不能進行有效的無線電通信,如果接收機的抗干擾能力很強,這種影響就比較小。在發射功率和接收靈敏 度都相同的前提下,系統的抗干擾能力越強,實際通信距離也就越遠。許多高頻工程師都有這樣的體會:在實驗室(屏蔽網房)內測試,調幅系統與調頻系統的發射 功率和接收靈敏度都相同時,在實際環境中測試時,調頻系統的通信距離往往是調幅系統的若干倍,特別是當環境干擾嚴重時,調幅系統根本就不能通信,而調頻系 統仍能保持較遠的通信距離,原因是調頻系統的抗干擾能力要比調幅系統強得多。

                相對而言,調頻系統的抗干擾能力優于調幅系統,而窄帶系統的抗干擾能力優于寬帶系統,因此,在發射功率及接收靈敏度相同的前提下,帶寬越窄,通信距離也越遠。

                通過上述分析,我們可以得出這樣的結論:在實際通信環境中,微功率無線通信系統的通信距離主要取決于系統的抗干擾能力。

         三、提高通信距離的措施

               當地理環境和電磁環境一定時,為了保證無線通信的穩定和可靠,并充分挖掘低電壓微功率無線通信設備的潛力,又要做到經濟實用,在工程設計中可考慮以下措施:

         1、盡可能提高天線的有效高度

              提高天線的有效高度能顯著擴大通信距離,特別是在城市環境中,將天線設在樓頂時能避開很多障礙并遠離干擾源,從而擴大通信范圍。

         2、采用高增益天線

              天線是無源器件,其本身不能放大信號,但高增益天線能顯著提高通信方向上的能量密度,提高信號/噪聲比,從而擴大通信范圍,其作用就與手電筒或是探照燈上的聚光鏡相似。但高增益天線的成本較高,幾何尺寸及重量都比較大,只適合于固定安裝使用。

              因此,在一點對多點或多點對一點的無線通信組網中可考慮主機用高增益的全向天線,分機則根據距主機距離的不同選用不同增益的天線,對于固定安裝并且距離主 機特別遠的分機還可選用高增益的定向天線,而距離主機較近的分機可選用低成本的普通鞭狀天線,以降低系統成本。發射機采用高增益定向天線可顯著提高通信方 向上的信號強度,而接收機采用高增益定向天線可顯著提高通信方向上的接收信號場強和信號/噪聲之比,從而大幅度地擴大通信距離,但只適合于同一個方向上的 通信,并且成本也較高,天線的幾何尺寸大,重量也較重,只適合于固定安裝使用。

        3、盡量縮短射頻電纜的長度

              用于連接無線通信機與室外天線的射頻同軸電纜對射頻信號也有一定的損耗,例如:50- 3 型電纜的損耗為0.2dB/m,50-7 型電纜的損耗為0.1dB/m,50-9 型電纜的損耗為0.07dB/m,

           電纜越長,損耗就越大,對所傳輸的射頻信號的損耗的增大又會導致通信距離的下降,所以必要時可將射頻組件直接裝在室外天線的底部,而射頻組件與用戶系統間的連線則采用多芯屏蔽電纜連接。

         3、盡量遠離各種干擾源

              距干擾源越近,信號/噪聲比就越低,也會導致通信距離下降。必要時可分別對數傳模塊和會產生電磁干擾的部件采取屏蔽措施,并用特性阻抗為50? 的射頻同軸電纜將天線引到遠離干擾源的地方,同時與射頻組件相連的電源線、信號線也采用屏蔽電纜,并增加必要的濾波網絡,以最大降度地抑制干擾,充分發揮接收機高靈敏度的優勢。

         4、優先采用抗干擾能力強的無線通信產品  

               當無線通信接收機處在電磁干擾較大的環境中工作時,如果抗干擾能力跟不上,接收靈敏度高將變得毫無意義,此時應優先采用抗干擾能力較強的產品,如果是數字通信系統還應優先采用有軟件糾錯功能的產品。

         6、防雷、防水、防潮

               對于采用室外天線的系統,必須采取避雷、防雷措施,如加裝避雷針、避雷器,同時,對于露天架空的供電電源線、信號傳輸線也要采取避雷防雷措施,以防雷電從 電纜串入機器。對于露天安裝的射頻組件還應采取防水措施,以防下雨時雨水進入機器,如果設備不是長期通電或不經常使用,而空氣又比較潮濕,則還應采取防潮 措施,例如在機殼內適當地方放置并定期更換干燥劑,總之,要防止機器進水和受潮,以免電路組件發霉、生銹而失效。

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