无线抄表手持机通过屏蔽方式延长通讯距离

电子设计 发表于 2018-09-12 08:15:00 收藏 已收藏
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无线抄表手持机通过屏蔽方式延长通讯距离

电子设计 发表于 2018-09-12 08:15:00

1、项目背景

某电网集团因开拓海外市场需要将以往的红外抄表方式改成远距离的408MHz频段无线抄表方式。致远研发团队根据客户需求提供了HPC-3000EWBM手持机+408MHz模块的解决方案。在这套方案的实现过程中遇到了许多困难,但最终都被善于攻关的研发团队一一克服了。

2、发送链路

第一版样机,安装在手持机上的无线模块与安装在封闭电表内的无线模块之间的通信距离只有3米!我们首先怀疑的是无线模块根本就没有功率输出,于是对发模块的发射功率进行了测试,结果如图2所示,从矢量分析仪N9030A上看到模块的输出功率达到了10dBm,果断排除了模块PA工作不正常的可能性。其次,是对连接在模块上的天线进行测试,结果如图1所示,在N9912A上可以看到被测试的天线在408MHz这点的VSWR为1.09,可见天线与模块的输出阻抗匹配良好。既然发射电路工作正常,那么会不会是发送数据包格式没配置对呢?为解开必中的疑问,接着使用N9030A结合VSA89600B软件对无线模块发射到空间的电磁波进行抓包还原调制的原始数据,经过多次抓包分析后得出结论:无线模块已按正确的包格式将数据以电磁波的形式传输到空间。至此,很肯定整个发送链路工作正常,问题一定出在接收链路上。

无线抄表手持机通过屏蔽方式延长通讯距离

3、接收链路

在调试接收链路时,是这样做的:将一个无线模块串一个20dB的衰减器通过馈线连接到另一个无线模块,然后收发数据,并增加串接衰减器的衰减量,当衰减量增加到115dB时还可稳定收发数据。但把馈线及衰减器取下,拧上天线,仍旧只有3米左右的通信距离。难道3米的距离就可以将408MHz 的电磁波衰减115dB吗?显然是不可能的,那又是什么别的原因呢?此时一位经验丰富的工程师提出了测试手持机噪声的想法。

4、噪声发现

在进行噪声测试时采取了这样措施:把正常工作状态下的手持机靠近固定在屏蔽箱内的天线,天线的输出通过馈线耦合到N9030A,如图3所示。

果然,在407.993MHz这个频率上有一个-78dBm左右的噪声,源源不断地辐射电磁波,测试结果见图4。

无线抄表手持机通过屏蔽方式延长通讯距离

5、噪声源定位

对噪声频谱分析发现:在…404MHz、408MHz、412MHz…这些频点上都有相对较强的功率,因此推测噪声源是一个4MHz的信号,而这些频点的噪声是其高次谐波。随后,开始对手持机上的晶体和时钟信号逐个排查,苦苦挣扎两天还是没法定位噪声源。后来,在一次测量过程中,正当大家一筹莫展之际,手持机进入了屏幕保护状态,噪声功率降到了-105dBm附近!大家立刻联想到这个噪声一定是来自屏幕,对屏幕电路硬件和软件分析后,发现这个噪声源是屏幕时钟分频后输出的一个4MHz的方波时钟。由于改硬件需要较长的时间,情急之下调整了屏幕的分频系数,因此屏幕时钟就略微偏离了4MHz使得其12次谐波不落在通信频带内(408MHz±100KHz)。修改屏幕分频系数后噪声功率水平如图5所示,通信频带内的噪声明显下降了25dB左右,通信距离提高到了50米的水平,显然还不能满足要求,还必须设法提高通信距离。

无线抄表手持机通过屏蔽方式延长通讯距离

6、解决方案

无线模块的接灵敏度在-107dBm的水平,欲保证误码率在十万分之一,则信噪比(S/N)大于12dB是必要条件,即当噪声功率水平在-119dBm以下时,才对通信几乎没有影响。对屏幕时钟信号整改后,噪声峰值得到了大幅度的削弱,但还有很多尖峰在-105dBm的水平,这些噪声频谱类似白噪声频谱,是来自多个器件产生噪声的叠加,欲通过进一步降低手持机的噪声来提高通信距离,显然是不现实的。虽然没法再降低手持机的噪声了,但是我们还是可以降低模块工作环境的噪声,办法其实很简单,只要给无线模块加上屏蔽即可。当用铜箔纸把无线模块包扎五六圈(见图7)后再进行抄表距离测试,通信距离达到了100多米。这个小小的尝试,验证了通过增加屏蔽来提高通信距离的思路是正确的,并且这也是最终方案,只是用屏蔽盖代替了铜箔纸而已。

无线抄表手持机通过屏蔽方式延长通讯距离

7、结束语

射频产品的开发调试中,单凭工程师经验已无法满足当前的新科技发展要求,更要善于借用先进仪器(如N9030A+N9912A+N5182A)来协助产品的开发调试。

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