如何计算2.4GHz频段模块的路径损耗

本文摘要:2.4GHz频段现沦为家庭、办公室和工厂短距离无线应用于的广泛自由选择。一般来说,2.4GHz信道隶属于免除许可的工业、科学和医学(ISM)频段。ZigBee(IEEE802.15.4)、Bluetooth(IEEE802.15.1)、Wi-Fi(IEEE802.11b/g/n)、无线标准化串行总线(WUSB)和私有协议(如MiWi)等许多协议以及部分无绳电话皆使用此频段。 然而,在2.4GHzISM频段运营的有所不同协议不会互相阻碍。

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2.4GHz频段现沦为家庭、办公室和工厂短距离无线应用于的广泛自由选择。一般来说,2.4GHz信道隶属于免除许可的工业、科学和医学(ISM)频段。ZigBee(IEEE802.15.4)、Bluetooth(IEEE802.15.1)、Wi-Fi(IEEE802.11b/g/n)、无线标准化串行总线(WUSB)和私有协议(如MiWi)等许多协议以及部分无绳电话皆使用此频段。

然而,在2.4GHzISM频段运营的有所不同协议不会互相阻碍。  因此,评估无线传输的范围和性能以创立涉及模型来估计模块用作室内外短距离传输时的路径损耗就变得极为重要。

利用创立的模型,设计人员可可行性估计出有无线通信系统的性能。性能参数还包括范围、路径损耗、接收器灵敏度、误码率(BER)和误包率(PER),这些参数在任何通信系统中都十分最重要。  以功率和天线类型各不相同的三个模块为事例Microchip的MRF24J40MA、MRF24J40MB和MRF24J40MC。

MRF24J40MA是一款经证书的构建PCB天线的2.4GHzIEEE802.15.4无线收发器模块,限于于无线传感器网络、家庭自动化、楼宇自动化和消费类电子应用于。  MRF24J40MB与MRF24J40MA类似于,不过更加合适自动读表系统等长距离应用于。MRF24J40MC备有外部天线(如图1右图),某种程度限于于长距离应用于。这三个模块已通过各项法规和模块化证书,它们通过四线制SPI模块与单片机连接。

  路径损耗模型  大尺寸模型用来预估长距离传输时的平均值性能。大尺寸模型各不相同距离以及与频率关系不大的最重要环境特性。随着距离延长,该模型不会完全崩溃,但其对于确认无线系统的工作范围并粗略规划网络容量很简单。

小尺寸(衰败)模型叙述了一对一的信号变化。这类模型主要牵涉到多路径效应(振幅抵销)。

路径波动被视作维持恒定,但主要各不相同频率和比特率。  不过,最初的重点一般来说是信号在短距离或短时间内较慢变化的小尺寸模型。如果估计的接管功率充足大(一般来说与接收器灵敏度有关,也有可能与用于的通信协议有关),则这条链路之后可用作发送数据。

接管功率远超过接收器灵敏度的量称作链路余量。  链路余量或衰败余量被定义为保证发送器与接收器间可信无线链路所需的远超过接收器灵敏度水平的功率(余量)。在理想条件下(天线已准确对准、不不存在多路径或光线并且没损耗),必须的链路余量为0dB。

必须的清楚衰败余量各不相同链路所须要超过的可靠性,但根据经验,最差始终保持22dB至28dB的衰败余量。如果衰败余量在较好天气条件下不大于15dB,则可充分保证RF系统在险恶条件(因天气、日光和射频阻碍所致)下之后有效地运营。

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  接管天线与发送到天线之间的路径损耗一般来说通过使距离对波长的关系归一化,以无量纲形式记录。但是,有时分别考虑到距离和波长引发的损耗更加便利。

这种情况下,注目用于的单位尤其最重要,因为自由选择的单位有所不同,牵涉到的位移常数也有所不同。  举例来说,评估一个包括两个RF节点(节点1和节点2)的1km链路(范围)的可行性,其中节点用于MRF24J40MB模块,输出功率为20dBm。节点1与增益为1dBi的全向PCB天线连接,节点2也与增益为1dBi的类似于PCB天线连接。

节点1的发射功率为100mW(或20dBm),灵敏度为-102dBm。节点2的发射功率为100mW(或20dBm),灵敏度与节点1相近。

电缆长度很短,两端的损耗各为1dB左右。之后,将所有增益相乘并乘以节点1到节点2链路的所有损耗(仅有考虑到1km链路路径的自由空间损耗)。  由于-60dB小于节点2的大于接收灵敏度(-102dBm),因此信号级别恰好不足以使节点2与节点1通信。此时的余量为42dB(102dB~60dB),这可在较好的天气条件下构建有效地传输,但在险恶的天气条件下有可能足以构建可信通信。

  由于来往路径上的路径损耗完全相同,因此,节点1一处接管到的信号级别为-60dB。而节点1的接收灵敏度为-102dBm,故衰败余量为42dB(102dB~60dB)。此外,还不存在因环境[在视距(LoS)内]造成的损耗(衰败),这不会使信号级别更进一步减少20dB,此时合乎通信拒绝但没任何可选增益。    图1:带子板和外部天线的MRF24J40MC模块  现在,我们将节点2更换为增益(输出功率)为0dB的MRF24J40MA模块。

由于节点1的接收灵敏度为-95dBm,故衰败余量为35dBm(95dB~60dB)。此外,还不存在因环境[在视距(LoS)内]造成的损耗(衰败),这不会使信号级别更进一步减少20dB,此时的通信仅有15dB到20dB的可选增益。


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