影響無線通訊可靠性和距離的幾個因素

無線通信距離的主要性能指標(biāo)有四個：一是發(fā)射機的射頻輸出功率，二是接收機的接收靈敏度，三是系統(tǒng)的抗干擾能力，四是發(fā)射/接收天線的類型及增益，而在這四個主要指標(biāo)中，各國電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)（如北美的ＦＣＣ、歐洲的ＥＮ規(guī)范）均只限制發(fā)射功率，只要對接收靈敏度及系統(tǒng)的抗干擾能力兩項指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，即可在符合ＦＣＣ或ＣＥ標(biāo)準(zhǔn)的前提下擴大系統(tǒng)的通信距離。

一、影響無線通信距離的因素

1、地理環(huán)境

通信距離最遠(yuǎn)的是海平面及陸地?zé)o障礙的平直開闊地，這也是通常用來評估無線通信設(shè)備的通信距離時使用的地理條件。其次是郊區(qū)農(nóng)村、丘陵、河床等半障礙、半開闊環(huán)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(huán)境對無線信號的損耗見下表

根據(jù)路徑損耗公式（Ld為路徑損耗）:

Ld=32.4+20logf +20logd （f=MHZ d=Km）

由上式可見，，自由空間中電波傳播損耗（亦稱衰減）只與工作頻率f和傳播距離d有關(guān)，當(dāng)f或d增大一倍時，［Lfs］將分別增加6dB.

可知信號1）每損耗6dB 通訊距離就會減少一半!2）頻率變大一倍，通訊距離就會減少一半!

2、電磁環(huán)境

直流電機、高壓電網(wǎng)、開關(guān)電源、電焊機、高頻電子設(shè)備、電腦、單片機等設(shè)備對無線通信設(shè)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(yuǎn)，空氣潮濕（特別是雨、雪天氣）通信距離較近，在產(chǎn)品容許的環(huán)境工作溫度范圍內(nèi)，溫度升高會導(dǎo)致發(fā)射功率減小及接收靈敏度降低，從而減小了通信距離。

4、發(fā)射機的射頻輸出功率

發(fā)射功率越大，通信距離越大；從理論上說發(fā)射功率可無限制地增加，但實際上由于受成本或技規(guī)的限制，發(fā)射機的輸出功率也是有限的。

5、接收機的接收靈敏度

接收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(yuǎn)。但由于受自然界電磁噪聲及工業(yè)污染、電子元器件固有噪聲的影響，-123dBm（即0.158uv）通常被認(rèn)為是現(xiàn)代無線電通信中純硬件實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)抗干擾能力

實際的通信環(huán)境總是存在著各種干擾源，在同樣的發(fā)射功率和同樣的接收靈敏度的前提下，系統(tǒng)的抗干擾能力越強，實際通信距離也越遠(yuǎn)。許多高頻工程師都有這樣的體會：在實驗室（屏蔽網(wǎng)房）內(nèi)測試，調(diào)幅機與調(diào)頻機的發(fā)射功率和接收靈敏度都相同，但在實際環(huán)境中測試時，調(diào)頻機的通信距離往往是調(diào)幅機的若干倍，甚至調(diào)幅機根本就不能工作，而調(diào)頻機仍能有較遠(yuǎn)的通信距離，原因是調(diào)頻機的抗干擾能力要比調(diào)幅機強得多。而影響無線通信系統(tǒng)抗干擾能力的因素也很多，主要與調(diào)制/解調(diào)方式，工作帶寬，電路設(shè)計PCB 板布局和退耦及屏蔽措施是否得當(dāng)有關(guān)，一般而言，調(diào)頻系統(tǒng)的抗干擾能力優(yōu)于調(diào)幅系統(tǒng)，而窄帶系統(tǒng)的抗干擾能力優(yōu)于寬帶系統(tǒng)，因此，帶寬越窄，抗干擾能力就越強，在同一發(fā)射功率和接收靈敏度條件下，通信距離也越遠(yuǎn)。

8、天線類型及其增益

天線的增益越高，通信距離也越遠(yuǎn)。當(dāng)發(fā)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(shè)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(wǎng)用無線信號傳輸過程中的損耗

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(dǎo)致信號場強減小，除此之外，以下幾個因素是實際使用中必須考慮到的

1、空氣及地面等介質(zhì)對電磁波吸收、衰減的影響

2、發(fā)射天線的發(fā)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(dá)不到）

3、各種電磁干擾及接收機的抗干擾能力的影響

實際的通信環(huán)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(yīng)到的信號強度遠(yuǎn)高于接收靈敏度，但是當(dāng)接收機所處環(huán)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(jìn)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(fā)射功率和接收靈敏度都相同的前提下，系統(tǒng)的抗干擾能力越強，實際通信距離也就越遠(yuǎn)。許多高頻工程師都有這樣的體會：在實驗室（屏蔽網(wǎng)房）內(nèi)測試，調(diào)幅系統(tǒng)與調(diào)頻系統(tǒng)的發(fā)射功率和接收靈敏度都相同時，在實際環(huán)境中測試時，調(diào)頻系統(tǒng)的通信距離往往是調(diào)幅系統(tǒng)的若干倍，特別是當(dāng)環(huán)境干擾嚴(yán)重時，調(diào)幅系統(tǒng)根本就不能通信，而調(diào)頻系統(tǒng)仍能保持較遠(yuǎn)的通信距離，原因是調(diào)頻系統(tǒng)的抗干擾能力要比調(diào)幅系統(tǒng)強得多。相對而言，調(diào)頻系統(tǒng)的抗干擾能力優(yōu)于調(diào)幅系統(tǒng)，而窄帶系統(tǒng)的抗干擾能力優(yōu)于寬帶系統(tǒng)，因此，在發(fā)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(yuǎn)。通過上述分析，我們可以得出這樣的結(jié)論：在實際通信環(huán)境中，微功率無線通信系統(tǒng)的通信距離主要取決于系統(tǒng)的抗干擾能力。

三、提高通信距離的措施：

當(dāng)?shù)乩憝h(huán)境和電磁環(huán)境一定時，為了保證無線通信的穩(wěn)定和可靠，并充分挖掘低電壓微功率無線通信設(shè)備的潛力，又要做到經(jīng)濟實用，在工程設(shè)計中可考慮以下措施：

1、盡可能提高天線的有效高度

從計算通信距離的公式中可以看出，通信距離與收/發(fā)天線有效高度之積的平方根成正比，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(huán)境中，將天線設(shè)在樓頂時能避開很多障礙并遠(yuǎn)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，在一定對多點或多點對一點的無線通信組網(wǎng)中可考慮主機用高增益的全向天線，分機則根據(jù)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(yuǎn)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(tǒng)成本。發(fā)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?shù)纳漕l信號的損耗的增大又會導(dǎo)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(tǒng)間的連線則采用多芯屏蔽電纜連接。

4、盡量遠(yuǎn)離各種干擾源

距干擾源越近，信號/噪聲比就越低，也會導(dǎo)致通信距離下降。必要時可分別對數(shù)傳模塊和會產(chǎn)生電磁干擾的部件采取屏蔽措施，并用特性阻抗為50Ω 的射頻同軸電纜將天線引到遠(yuǎn)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(wǎng)絡(luò)，以最大降度地抑制干擾，充分發(fā)揮接收機高靈敏度的優(yōu)勢。

5，優(yōu)先采用抗干擾能力強的無線通信產(chǎn)品

當(dāng)無線通信接收機處在電磁干擾較大的環(huán)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(yīng)優(yōu)先采用抗干擾能力較強的產(chǎn)品。

6，防雷、防水、防潮

對于采用室外天線的系統(tǒng)，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(yīng)采取防水措施，以防下雨時雨水進(jìn)入機器，如果設(shè)備不是長期通電或不經(jīng)常使用，而空氣又比較潮濕，則還應(yīng)采取防潮措施，例如在機殼內(nèi)適當(dāng)?shù)胤椒胖貌⒍ㄆ诟鼡Q干燥劑，總之，要防止機器進(jìn)水和受潮，以免電路組件發(fā)霉、生銹而失效。