通讯距离测试报告

12 / 12 距距离测试报告距离测试报告一、产品介绍： 必创射频通讯模块是一种遵从IEEE802.15.4标准设计的短距离，低功耗通讯模块，工作在2.4G ISM开放频段。典型的应用包括，但不局限于以下： 桥梁建筑物模态振动，应变，位移，温度测量； 结构静态应变，位移测量； 振动常规测量（飞机落振，汽车摩托车路面试验，包装跌落试验，火炮选装振动测量，车连舒适度测量等）； 旋转机械扭矩，应变测量； 建筑结构在线监测； 工业机械设备在线监测； 粮仓温度湿度监测； 电力传输温度监测； 石油管道监测； 运输试验必创射频通讯模块是基于BeeNet协议，应用于必创科技无线传感器网络节点和网关中的无线数据传输模块。内置（LNA）放大器, 改善接收灵敏度和通讯距离，必创射频通讯模块包括了对LNA使能的必需电路,它提供F天线版本，体积小巧，并提供SMA接头版本，可以使用外部的鞭状天线，同时可以方便地连接到测试设备。本次测试在典型开阔平坦的应用环境下，对必创射频通讯模块的通讯距离进行测试，测试结果详细的记录在报告中。本次测试得到通讯距离并不能代表在所有的环境下都能达到。二、测试方法本次测试采用随机抽测的方式，从成品中随机抽取两块必创射频通讯模块进行测试，带SMA接头（接鞭状天线）版本，将每块测试模块分别写入测试程序。本次测试分为两个部分：第一部分对必创射频通讯模块进行接收灵敏度的测试，使用两块带有SMA接头的射频模块，通过调节衰减器不断增大传输通道中的衰减，测量其接收误码率从而得到灵敏度；第二部分对必创射频通讯模块进行实地测试，通过已得到接收灵敏度，根据距离模型计算出的理论数值进行实地测量，分别比较使用不同天线在相同收发环境下的传输距离，以便为客户的使用提供参考。三、接收灵敏度射频模块芯片的匹配是影响接收灵敏度及通讯距离的主要因素。以下将详细描述必创射频通讯模块接收灵敏度特性。3.1 接收灵敏度测试方法本部分详细描述了必创射频通讯模块接收灵敏度测试过程。遵从标准定义，灵敏度测试的数据包PSDU长度是20位字节。802.15.4标准中对设备的接收灵敏度要求做了详细的定义，下表摘录自P802.15.4/D18-6.1.6，6.5.3.3.：6.5.3.3 “在6.1.6条定义的条件下，符合标准要求的设备的接收灵敏度应该达到-85dBm 或更好。”包误码率（PER）没有正确接收到的发送数据包的平均值对整个随机PSDU数据平均测量接收灵敏度能够在定义的误码率下接收到的信号功率PSDU长度=20字节PER1%在天线终端测试功率没有干扰存在通过调节衰减器不断增大传输通道中的衰减，直到接收到的数据误码率大于1%。如图1所示，测试使用了两块必创射频通讯模块。发送的模块通过一个电子衰减器连接到接收的模块。每块模块都通过USB接口连接到笔记本电脑，并在笔记本电脑运行误码率测试程序。整个误码率测试过程中不使用重发功能。图1 连接示意图，使用带有SMA接头的模块3.2 接收灵敏度测试结果由于必创射频通讯模块上设计了LNA，所以接收灵敏度的测试结果包含LNA的放大效果，所采用的模块硬件相同，结果带有普遍性。图2 接收灵敏度-误码率曲线图以得到，必创射频通讯模块接收灵敏度为-99dBm。四、距离测试模型实际测量过程，我们须考虑天线指向性及信号在传播过程中的损耗，天线指向性遵循其技术指标。在应用最简单的距离模型-路径损耗公式时，应该注意以下的三个变量：1 在接收输入端接收到的功率。2 发射端实际输出到天线的功率。3 接收和反射端的天线增益。路径损耗公式计算得到的是自由空间的传输损耗，在本报告5.3节“距离总结”对理论计算值和实测值进行了比较。假设天线是单位增益，公式可以简化为：路径损耗L=10NLog10（f）+10NLog10（d）+32.44dB这里： N 是传输损耗系数f 是频率MHzd 是距离 Km这个距离模型公式仅适用于当发射天线处于远场区域的情况下。在理想的条件下，本公式的传输损耗系数N=2.当传输通道在非理想条件下，可视情况下典型的传输损耗系数N取2.05-2.5，室内/非可视情况下取3.0-4.0.传输通道的非理想条件是由于传输波产生反射，衍射或散射造成。反射是由于电磁波在传输的过程中碰到比它的波长尺寸大的物体时产生的。这些障碍物可能是建筑物，墙，地面等等。一些波的能量可能会被障碍物吸收掉一部分，然后被媒介的表面反射回来。反射波的能量是一个和障碍物几何外形，材料特性以及反射波的幅度，相位，极性相关的函数。衍射是由于电磁波在传输的过程中碰到有尖锐边缘的物体时，在边缘处形成二次波源。和发射波一样，衍射受到障碍物的物理特性和事件波的特性。某些时候，当接收器被严重的遮挡的时候，衍射波仍能够传递出有效的信号。散射当电磁波在传输的过程中碰到许多小尺寸的物体时产生。比如说路灯杆，灌木从，树叶等。当发生散射现象时，反射波是朝着四面八方传播的。除了天线的指向性之外，其他的因素也会影响传输距离： 天线衰减损耗 多径效应 其他无线电波的干扰 背景噪声所有的因素随机的组合在一起，就会产生相当复杂的情况。各种针对户外/室内传播的数学模型已经被建立以解决各种实际的应用问题。针对户外不规则地形预测路径损耗的模型有： Longley-Rice 模型 Durkin 模型 Okumura 模型五、距离测试从上节距离模型公式分析，地形严重地影响电磁波的传输。我们选取了户外典型地形，对必创射频通讯模块的通讯距离进行了实测，以评估必创射频通讯模块的通讯距离。测试的内容主要对平坦地形可视距离测试，平坦路面具有普遍性，对使用的分析具有参考意义。其他可能影响通讯距离的因素测试包括： 天线的方向（标准或竖直） 射频通讯模块的输出功率（最大和缺省） 天线（鞭状或F）51 距离测试建立发射和接收模块都放置于离地1.2米的位置，都通过USB和电脑连接。运行的测试程序是误码率测试程序和距离测试程序软件。测试软件的选择不是影响距离的因素。所有的测试在晴朗、温度适中的天气下进行。52测量结果表1是整理的测量结果。板类型天线类型天线方向输出功率(dBi)LNA状态环境地形通讯距离 (米)必创模块鞭状天线一竖直+2开可视平坦425必创模块鞭状天线一水平+2开可视平坦245必创模块鞭状天线二竖直+2开可视平坦600必创模块鞭状天线二水平+2开可视平坦315表1 距离测试结果图3 地形俯视图图4 实际测试环境 图5 所用的天线，左为鞭状天线一，右为天线二(高增益吸盘天线)53 距离小结从第4节距离模型公式的分析可以得到，可以通过以下措施来提高通讯距离： 使天线的方向处于竖直的位置； 把内部的PA的发射功率调到最大； 使用LNA； 使用大增益天线； 把发射模块放在接收模块的可视范围内；在平坦地形条件下，我们对计算得到的预测距离和实测距离进行了比较，计算时使用的值为： 鞭状天线增益：2 dBi 带馈线的鞭状天线增益：5 dBi 使用LNA的接收灵敏度：-99 dBm 最大发射功率：2 dBm表2是预测计算距离和实测距离值鞭状天线带馈线的鞭状天线预测值(米)440540实测值(米)425600表2 预测距离和实测距离值比较表预测距离和实测距离值的结果表明上述的距离模型公式受到自由场边界条件的限制。在平坦地形条件下，传输损耗系数N取2.2比较合适。如果需要更好的预测结果，可以使用第4节提到的其他数学模型。距离测试结果和路径损耗计算对无线传感器网络实际使用中的通讯预算非常有用。必创射频通讯模块在平坦路面情况下测试的通讯距离达到600米。在实际应用中，考虑到各种异常的情况和通讯冗余，可使用的通讯距离在50到150米左右。可以通过下面的公式计算实际有用的通讯距离：L=Ptx + Gtx Prx + Grx - M这里 L 可接受的路径损耗 单位dBmPtx 发射输出功率 单位dBmGtx 发射天线增益 单位dBiPrx 接受灵敏度 单位dBmGrx 接收天线增益 单位dBiM 通讯冗余 单位dB通讯冗余的定义是在保证收发可靠通讯的基础上在接收灵敏度上加上的一个冗余量。在最适宜的条件下（天线处于最佳接收位置，没有多径效应和反射存在，没有衰减损耗），冗余量可以是0dB