Meranie výkonu a dosahu vf modulov 433 MHz

Chcel som zistiť na akú vzdialenosť je možné komunikovať pomocou bežne dostupných vf modulov od firmy Aurel. Možno tieto informácie budú zaujímať aj niekoho druhého, takže svoje výsledky dávam k dispozícii.

Použil som moduly pracujúce s nosnou 433,92 MHz, informácia je prenášaná AM s hĺbkou 100% (tiež nazývaná OOK alebo ASK (s dvomi úrovňami)). Konkrétne sa jednalo o vysielač TX-SAW 433/s-Z, má byť schopný pracovať s modulačnou frekvenciou max 4 kHz, napájanie 3 - 12 V, menovitý výkon 10 dBm. Ďalšie informácie sú na stránke výrobcu. Prijímací modul RX-4MM5. Má fungovať do 2 kHz, citlivosť -114 dBm, napájanie 5 V. Ďalšie informácie na stránke výrobcu.


Meranie výkonu Tx modulu

Ako prvé som chcel odmerať výkon aký dodáva Tx modul v závislosti od napájacieho napätia a použitého modulačného vstupu (keďže sú dva). Ešte dodám, že modul vysiela keď je vstup vo vysokej úrovni, keď je vstup v nízkej nevysiela nič. Na toto meranie som použil spektrálny analyzátor. Modul bol cez asi 15 cm koaxu pripojený na atenuátor (50 Ω, útlm 20 dB) a následne rovno do vstupu SA. Moduloval som trvalou vysokou úrovňou. Napájacie napätie modulu bolo dodávané z akumulátora, znížené pomocou LM317T, následne ošetrené tantalovým a keramickým kondíkom. Meral som výkon pri budení do vstupu č.2 pri Ucc v rozsahu 3 - 12 V, pri Ucc do 5 V bolo modulačné napätie Ucc, pri vyšších napätiach 5 V. Pri budení do vstupu č.3 som meral pri Ucc v rozsahu 5 - 10 V, modulačné napätie 5 V.

Spektrum výstupu vyzerá takto:
spektrum

Namerané hodnoty (A2 je úroveň pri budení do modulačného vstupu 2, A3 analogicky):

Ucc [V] 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12,3
A2 [dBm] -10 2,5 6,5 7 8 11 12 13 14 16
A3 [dBm] 0,5 5 7,5 9,5 11 12

graf vykonu Tx modulu

Dá sa to zhrnúť tak, že pri použití modulačného vstupu č.2 je výkon vyšší ako pri použití vstupu č.3. Výstupná frekvencia bola počas merania 433,81 MHz. Modul fungoval približne od Ucc = 2,9 V, takže použiť ho s napájaním 3 V by malo fungovať, ale bude treba zabezpečiť aby napätie nekolísalo tak, že by prestal vysielať. Po pripojení rovno na akumulátor dával 16 dBm.


Meranie dosahu spojenia s rôznymi anténami

Okrem jednoduchého zistenia na akú vzdialenosť dokážem prenášať dáta a s akými chybami som chcel aj porovnať tri možné typy vysielacej antény. Aby boli výsledky porovnateľné, prijímacia anténa bola vždy rovnaká.
pouzite anteny
Jedná sa o jednoduché, ľahko vyrobiteľné antény so štvrťvlnným žiaričom a protiváhou, bez prispôsobovania impedancie. Žiarič mal dĺžku 170 mm, je vyrobený z mosadzného drótu Ø1, protiváhy boli použité 3 rôzne:

  1. jeden vodič v osi žiariča, dĺžka 200 mm Ms drót Ø1
  2. vodič kolmo na žiarič (dve radiály), dĺžka 340 mm Cu drót Ø1
  3. kruhová vodivá plocha, vyrobená z cuprextitu, Ø50

V 3. prípade bol žiarič prispájkovaný na malú plochu medi v strede kruhu, samozrejme oddelenú od zemnej plochy, tak aby 2 mm prečnieval cez vodivú plochu. Rozmer tejto protiváhy bol zvolený tak, aby sa zmestila do lietadla.

Vysielacie antény boli vždy pripojené k modulu cez 15 cm koaxu. Vysielací modul bol napájaný 9 V, čoby min napätie aké by mohol dodávať 3-článok Li-xx. Na moduláciu bol použitý vstup č.2.
Prijímacia anténa bola prvého z uvedených typov, pripojená ku vstupom modulu krátkymi vodičmi. Vstup AGC na prijímači bol vo vysokej úrovni.

Skúšku dosahu spojenia pri zemi sme robili na otvorenom priestranstve, na asfaltovej ceste obklopenej poliami. Povrch cesty bol suchý, okolitá pôda vlhká. Bolo to koncom novembra pri teplote vzduchu 4°C. Prijímač aj vysielač boli držané v rukách nad hlavou, teda asi 2m nad zemou, žiarič orientovaný zvislo.

Pri skúške dosahu som meral veľkosť napätia na RSSI výstupe prijímacieho modulu a zisťoval som správnosť obsahu prijatého dátového paketu. Podľa dovolených modulačných frekvencií Tx a Rx som zvolil prenosovú rýchlosť UART-u 3600 b/s, teda modulácia 1800 Hz.
Na odmeranie RSSI bol použitý jednoduchý obdĺžnikový signál. Dátový paket bol odosielaný len 1, s opakovacou frekvenciou 1 Hz. Skladal sa z obdĺžnikového signálu v trvaní 8 rámcov slúžiaceho na vybudenie prijímača (UART reprezentácia 0x55), nasledovaného krátkou medzerou vo vysokej úrovni a 6 rámcami dát.
Prijímacia časť zobrazovala koľko budiacich rámcov sa podarilo zachytiť a obsah dátovej časti paketu.

Namerané dáta pre jednotlivé tvary antén:
anténa 1:

d [m] f RSSI [mV] budiace
rámce
dáta chyby
50 ok 1390 7-8 ok -
100 ok 1365 7-8 ok -
150 ok 1325 6-8 ok začínajú chyby v budení
200 ok 1310 7-8 ok -
250 ok 1260 8 ok časté chyby v dátach
300 ok 1250 ťažko chytiť dáta
350 - 1170 - žiadne bez spojenia

anténa 2:

d [m] f RSSI [mV] budiace
rámce
dáta chyby
50 ok 1590 7-8 ok -
100 ok 1495 6-8 ok -
150 ok 1500 7-8 ok -
200 ok 1410 6-8 ok začínajú chyby v budení
250 ok 1400 5-8 ok -
300 ok 1380 4-8 ok
350 ok 1300 5-8 ok
400 ok 1320 5-8 ok
450 ok 1340 6-8 ok
500 ok 1280 6-8 ok veľa chýb v dátach
550 ok 1270 6-7 ok -||-
600 ok 1250 málo
úspešných
paketov
hranica spojenia

anténa 3:

d [m] f RSSI [mV] budiace
rámce
dáta chyby
50 ok 1490 7-8 ok -
100 ok 1410 6-8 ok -
150 ok 1390 6-8 ok začínajú chyby v budení
200 ok 1360 5-7 ok
250 ok 1280 <=7 ok veľa chýb v budení
300 ok 1260 6-8 ok
350 ok 1260 6-8 ok
400 ok 1220 - - bez spojenia

Veľkosť RSSI pre všetky antény v spoločnom grafe:
graf RSSI

Z meraní teda vyšlo, že najlepší dosah bude s anténou s 2 protiváhami kolmo ku žiariču, pričom som nezistil, že by orientácia protiváh smerom k Rx alebo kolmo na smer k Rx mala nejaký vplyv na úroveň signálu. Protiváhu z cuprextitu je tiež možné použiť ak priestorové obmedzenia nedovolia použiť väčšiu, za cenu zmenšenia dosahu, stále však bude mať väčší dosah ako jedna protiváha v osi žiariča.
Hranicou spojenia bola vždy vzdialenosť kedy RSSI kleslo na asi 1250 mV. (V čase bez signálu Tx bolo na RSSI výstupe okolo 1160 mV.)
Pozitívnym je zistenie, že vybudenie prijímača netrvá príliš dlho, častokrát sa stalo, že sa podarilo zachytiť všetkých 8 budiacich rámcov. Chyby v budení boli také, kedy miesto 0x55 prišlo niečo iné, napr. 0x75 a pokračovali ďalšie rámce s obsahom 0x55. V dátovej časti rámca sa nestávalo, že by chodili skreslené bajty. So zväčšujúcou sa vzdialenosťou však rástla pravdepodobnosť, že sa paket nepodarí korektne prijať, hlavne kvôli rušeniu od iných zdrojov signálu.

Toto meranie neprebehlo v laboratórnych presne definovaných podmienkach, takže čiastočne nespĺňa podmienku opakovateľnosti, ale prebehlo v reálnych podmienkach v akých bude komunikácia pracovať, takže dáva predstavu o tom čo sa dá v prevádzke čakať. Tiež mi ukázalo aké poruchy sa môžu v prenose vyskytovať, teda aj návod ako sa proti nim brániť. Avšak, pre všetky 3 antény boli podmienky rovnaké, takže ich porovnanie považujem za objektívne.