無(wú)線通信距離的主要性能指標(biāo)有四個(gè)：一、是發(fā)射機(jī)的射頻輸出功率；二、是接收機(jī)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(lèi)型及增益。而在這四個(gè)主要指標(biāo)中，各國(guó)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(duì)接收靈敏度及系統(tǒng)的抗干擾能力兩項(xiàng)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(kuò)大系統(tǒng)的通信距離。 ?

一、影響無(wú)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(kāi)闊地，這也是通常用來(lái)評(píng)估無(wú)線通信設(shè)備的通信距離時(shí)使用的地理?xiàng)l件。其次是郊區(qū)農(nóng)村、丘陵、河床等半障礙、半開(kāi)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(duì)無(wú)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(jiàn)的環(huán)境對(duì)無(wú)線信號(hào)的損耗見(jiàn)下表：

根據(jù)路徑損耗公式:
Ld=32.4+20logf+20logd；f=MHz；d=Km 可知：信號(hào)每損耗6dB，通訊距離就會(huì)減少一半。另一個(gè)因素就是多路徑影響，所以如果無(wú)線模塊附近的障礙物較多時(shí)也會(huì)影響通訊的距離和可靠性。 ?

2、電磁環(huán)境

直流電機(jī)、高壓電網(wǎng)、開(kāi)關(guān)電源、電焊機(jī)、高頻電子設(shè)備、電腦、單片機(jī)等設(shè)備對(duì)無(wú)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(shí)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(huì)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(jī)的射頻輸出功率

發(fā)射功率越大，通信距離越遠(yuǎn)；從理論上說(shuō)發(fā)射功率可無(wú)限制地增加，但實(shí)際上由于受成本或技術(shù)法規(guī)的限制，發(fā)射機(jī)的輸出功率也是有限的。

5、接收機(jī)的接收靈敏度

接收靈敏度反映了接收機(jī)捕捉微弱信號(hào)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(wú)線電通信中純硬件實(shí)現(xiàn)的接收靈敏度的極限值，很難突破，即使加上軟件糾錯(cuò)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(wú)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(shí)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(qiáng)，實(shí)際通信距離也越遠(yuǎn)。 許多高頻工程師都有這樣的體會(huì)：在實(shí)驗(yàn)室（屏蔽網(wǎng)房）內(nèi)測(cè)試，調(diào)幅機(jī)與調(diào)頻機(jī)的發(fā)射功率和接收靈敏度都相同，但在實(shí)際環(huán)境中測(cè)試時(shí)，調(diào)頻機(jī)的通信距離往往是調(diào)幅機(jī)的若干倍，甚至調(diào)幅機(jī)根本就不能工作，而調(diào)頻機(jī)仍能有較遠(yuǎn)的通信距離，原因是調(diào)頻機(jī)的抗干擾能力要比調(diào)幅機(jī)強(qiáng)得多。 而影響無(wú)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(jì)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(qiáng)，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)。 ?

7、軟件糾錯(cuò)

具有軟件糾錯(cuò)的系統(tǒng)，其通信距離也比無(wú)軟件糾錯(cuò)的系統(tǒng)遠(yuǎn)；軟件糾錯(cuò)能改善接收靈敏度1~3dB，但會(huì)產(chǎn)生一定的延時(shí)，在實(shí)時(shí)性要求很高的系統(tǒng)中也要考慮這一因素的影響。

8、天線類(lèi)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(jī)采用高增益的定向天線時(shí)，能顯著提高通信方向上的功率密度（場(chǎng)強(qiáng)），而接收機(jī)采用高增益定向天線時(shí)能顯著改善信號(hào)/噪聲比，并提高接收?qǐng)鰪?qiáng)，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(wú)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(dòng)手持機(jī)使用。

中增益吸盤(pán)天線：增益5.5~7dB，適合固定機(jī)及車(chē)載機(jī)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(jī)組網(wǎng)用。

高增益定向天線：增益10~12dB，需室外安裝，適合于遠(yuǎn)距離固定機(jī)用。

需要說(shuō)明的一點(diǎn)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(fā)揮其最佳效率，所以選購(gòu)天線時(shí)也要考慮使用及安裝是否方便。

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9、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(yuǎn)，特別是在城市環(huán)境下，提高天線的高度比增大發(fā)射功率對(duì)通信距離的影響要大得多。

二、無(wú)線通信距離的估算

? 從上面的分析可知：很多因素都會(huì)影響無(wú)線通信設(shè)備的通信距離，而其中的地理環(huán)境、電磁環(huán)境、氣侯條件對(duì)無(wú)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(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式描述出來(lái)，只有那些能量化的因素才能用一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式描述。對(duì)于工作頻率范圍在300MHZ~3GHZ之間的無(wú)線通信設(shè)備，在視距范圍（又稱(chēng)自由空間）內(nèi)，已知發(fā)射功率P（W）、接收靈敏度E（uv）、發(fā)射天線R的有效高度Ht(m)及接收天線有效高度Hr（m）、發(fā)射天線增益Gt及接收天線增益Gr（單位均為倍，而不是dB）、載頻波長(zhǎng)（m），則通信距離d（m）可由下：

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設(shè)發(fā)射功率為P（W），發(fā)射天線及接收天線增益分別為Gt和Gr（單位均為倍），發(fā)射天線及接收天線的有效高度分別為ht和hr（單位均為米），發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離為d（m），射頻信號(hào)波長(zhǎng)為λ（m），提高發(fā)射及接收天線的有效高度對(duì)信號(hào)臺(tái)場(chǎng)強(qiáng)的提高影響最顯著。對(duì)于XE1203模塊，工作在1.2KBps的條件時(shí)接收靈敏度為-115dBm，代入上式可計(jì)算得在開(kāi)闊地的通信距離約為10Km左右，但調(diào)試良好的XE203模塊在上述條件下的實(shí)測(cè)距離為600~1000m，約為理論值的6%-10%左右。 ?

為什么實(shí)際距離與理論值之間會(huì)有這么大的差距呢？ 原因有三個(gè)方面： ? 首先是公式中的結(jié)果是一個(gè)純理論值，只考慮了電磁波在自由空間中傳播過(guò)程中隨著距離的增加，能量擴(kuò)散到更大空間后能量密度減小后導(dǎo)致信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)減小的結(jié)果，而沒(méi)有考慮空氣及地面等介質(zhì)對(duì)電磁波吸收、衰減的影響； ? 其次是沒(méi)有考慮發(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(shí)際上達(dá)不到）的影響； ? 最后是也沒(méi)有考慮各種電磁干擾及接收機(jī)的抗干擾能力的影響，從而導(dǎo)致了實(shí)際結(jié)果與理論計(jì)算值有較大的誤差。

實(shí)際的通信環(huán)境中總是存在著各種各樣的干擾源，有時(shí)雖然接收天線上感應(yīng)到的信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于接收靈敏度，但是當(dāng)接收機(jī)所處環(huán)境的電磁干擾較大時(shí)，有用信號(hào)仍被淹沒(méi)有干擾信號(hào)中，而接收機(jī)又不能有效抑制干擾，同樣不能進(jìn)行有效的無(wú)線電通信，如果接收機(jī)的抗干擾能力很強(qiáng)，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(qiáng)，實(shí)際通信距離也就越遠(yuǎn)。 通過(guò)上述分析，我們可以得出這樣的結(jié)論：在實(shí)際通信環(huán)境中，微功率無(wú)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(shí)，為了保證無(wú)線通信的穩(wěn)定和可靠，并充分挖掘低電壓微功率無(wú)線通信設(shè)備的潛力，又要做到經(jīng)濟(jì)實(shí)用，在工程設(shè)計(jì)中可考慮以下措施：

1、盡可能提高天線的有效高度

從計(jì)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(kuò)大通信距離，特別是在城市環(huán)境中，將天線設(shè)在樓頂時(shí)能避開(kāi)很多障礙并遠(yuǎn)離干擾源，從而擴(kuò)大通信范圍。

2、采用高增益天線

天線是無(wú)源器件，其本身不能放大信號(hào)，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(hào)/噪聲比，從而擴(kuò)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(duì)多點(diǎn)或多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)的無(wú)線通信組網(wǎng)中可考慮主機(jī)用高增益的全向天線，分機(jī)則根據(jù)距主機(jī)距離的不同選用不同增益的天線，對(duì)于固定安裝并且距離主機(jī)特別遠(yuǎn)的分機(jī)還可選用高增益的定向天線，而距離主機(jī)較近的分機(jī)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(jī)采用高增益定向天線可顯著提高通信方向上的信號(hào)強(qiáng)度，而接收機(jī)采用高增益定向天線可顯著提高通信方向上的接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)和信號(hào)/噪聲之比，從而大幅度地?cái)U(kuò)大通信距離，但只適合于同一個(gè)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(zhǎng)度

用于連接無(wú)線通信機(jī)與室外天線的射頻同軸電纜對(duì)射頻信號(hào)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(zhǎng)，損耗就越大，對(duì)所傳輸?shù)纳漕l信號(hào)的損耗的增大又會(huì)導(dǎo)致通信距離的下降，所以必要時(shí)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(hào)/噪聲比就越低，也會(huì)導(dǎo)致通信距離下降。必要時(shí)可分別對(duì)數(shù)傳模塊和會(huì)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(shí)與射頻組件相連的電源線、信號(hào)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(jī)高靈敏度的優(yōu)勢(shì)。

5、優(yōu)先采用抗干擾能力強(qiáng)的無(wú)線通信產(chǎn)品

當(dāng)無(wú)線通信接收機(jī)處在電磁干擾較大的環(huán)境中工作時(shí)，如果抗干擾能力跟不上，接收靈敏度高將變得毫無(wú)意義，此時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用抗干擾能力較強(qiáng)的產(chǎn)品，如果是數(shù)字通信系統(tǒng)還應(yīng)優(yōu)先采用有軟件糾錯(cuò)功能的產(chǎn)品。

6、防雷、防水、防潮

對(duì)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(shí)，對(duì)于露天架空的供電電源線、信號(hào)傳輸線也要采取避雷防雷措施，以防雷電從電纜串入機(jī)器。對(duì)于露天安裝的射頻組件還應(yīng)采取防水措施，以防下雨時(shí)雨水進(jìn)入機(jī)器，如果設(shè)備不是長(zhǎng)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(jī)殼內(nèi)適當(dāng)?shù)胤椒胖貌⒍ㄆ诟鼡Q干燥劑，總之，要防止機(jī)器進(jìn)水和受潮，以免電路組件發(fā)霉、生銹而失效。 ?

編輯：黃飛

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