無(wú)線抄表手持機(jī)如何延長(zhǎng)通訊距離？

1、項(xiàng)目背景

某電網(wǎng)集團(tuán)因開(kāi)拓海外市場(chǎng)需要將以往的紅外抄表方式改成遠(yuǎn)距離的408MHz頻段無(wú)線抄表方式。致遠(yuǎn)研發(fā)團(tuán)隊(duì)根據(jù)客戶需求提供了HPC-3000EWBM手持機(jī)+408MHz模塊的解決方案。在這套方案的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中遇到了許多困難，但最終都被善于攻關(guān)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)一一克服了。

2、發(fā)送鏈路

第一版樣機(jī)，安裝在手持機(jī)上的無(wú)線模塊與安裝在封閉電表內(nèi)的無(wú)線模塊之間的通信距離只有3米!我們首先懷疑的是無(wú)線模塊根本就沒(méi)有功率輸出，于是對(duì)發(fā)模塊的發(fā)射功率進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖2所示，從矢量分析儀N9030A上看到模塊的輸出功率達(dá)到了10dBm，果斷排除了模塊PA工作不正常的可能性。其次，是對(duì)連接在模塊上的天線進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1所示，在N9912A上可以看到被測(cè)試的天線在408MHz這點(diǎn)的VSWR為1.09，可見(jiàn)天線與模塊的輸出阻抗匹配良好。既然發(fā)射電路工作正常，那么會(huì)不會(huì)是發(fā)送數(shù)據(jù)包格式?jīng)]配置對(duì)呢?為解開(kāi)必中的疑問(wèn)，接著使用N9030A結(jié)合VSA89600B軟件對(duì)無(wú)線模塊發(fā)射到空間的電磁波進(jìn)行抓包還原調(diào)制的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)多次抓包分析后得出結(jié)論：無(wú)線模塊已按正確的包格式將數(shù)據(jù)以電磁波的形式傳輸?shù)娇臻g。至此，很肯定整個(gè)發(fā)送鏈路工作正常，問(wèn)題一定出在接收鏈路上。

3、接收鏈路

在調(diào)試接收鏈路時(shí)，是這樣做的：將一個(gè)無(wú)線模塊串一個(gè)20dB的衰減器通過(guò)饋線連接到另一個(gè)無(wú)線模塊，然后收發(fā)數(shù)據(jù)，并增加串接衰減器的衰減量，當(dāng)衰減量增加到115dB時(shí)還可穩(wěn)定收發(fā)數(shù)據(jù)。但把饋線及衰減器取下，擰上天線，仍舊只有3米左右的通信距離。難道3米的距離就可以將408MHz 的電磁波衰減115dB嗎?顯然是不可能的，那又是什么別的原因呢?此時(shí)一位經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師提出了測(cè)試手持機(jī)噪聲的想法。

4、噪聲發(fā)現(xiàn)

在進(jìn)行噪聲測(cè)試時(shí)采取了這樣措施：把正常工作狀態(tài)下的手持機(jī)靠近固定在屏蔽箱內(nèi)的天線，天線的輸出通過(guò)饋線耦合到N9030A，如圖3所示。

果然，在407.993MHz這個(gè)頻率上有一個(gè)-78dBm左右的噪聲，源源不斷地輻射電磁波，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。

5、噪聲源定位

對(duì)噪聲頻譜分析發(fā)現(xiàn)：在…404MHz、408MHz、412MHz…這些頻點(diǎn)上都有相對(duì)較強(qiáng)的功率，因此推測(cè)噪聲源是一個(gè)4MHz的信號(hào)，而這些頻點(diǎn)的噪聲是其高次諧波。隨后，開(kāi)始對(duì)手持機(jī)上的晶體和時(shí)鐘信號(hào)逐個(gè)排查，苦苦掙扎兩天還是沒(méi)法定位噪聲源。后來(lái)，在一次測(cè)量過(guò)程中，正當(dāng)大家一籌莫展之際，手持機(jī)進(jìn)入了屏幕保護(hù)狀態(tài)，噪聲功率降到了-105dBm附近!大家立刻聯(lián)想到這個(gè)噪聲一定是來(lái)自屏幕，對(duì)屏幕電路硬件和軟件分析后，發(fā)現(xiàn)這個(gè)噪聲源是屏幕時(shí)鐘分頻后輸出的一個(gè)4MHz的方波時(shí)鐘。由于改硬件需要較長(zhǎng)的時(shí)間，情急之下調(diào)整了屏幕的分頻系數(shù)，因此屏幕時(shí)鐘就略微偏離了4MHz使得其12次諧波不落在通信頻帶內(nèi)(408MHz±100KHz)。修改屏幕分頻系數(shù)后噪聲功率水平如圖5所示，通信頻帶內(nèi)的噪聲明顯下降了25dB左右，通信距離提高到了50米的水平，顯然還不能滿足要求，還必須設(shè)法提高通信距離。

6、解決方案

無(wú)線模塊的接靈敏度在-107dBm的水平，欲保證誤碼率在十萬(wàn)分之一，則信噪比(S/N)大于12dB是必要條件，即當(dāng)噪聲功率水平在-119dBm以下時(shí)，才對(duì)通信幾乎沒(méi)有影響。對(duì)屏幕時(shí)鐘信號(hào)整改后，噪聲峰值得到了大幅度的削弱，但還有很多尖峰在-105dBm的水平，這些噪聲頻譜類似白噪聲頻譜，是來(lái)自多個(gè)器件產(chǎn)生噪聲的疊加，欲通過(guò)進(jìn)一步降低手持機(jī)的噪聲來(lái)提高通信距離，顯然是不現(xiàn)實(shí)的。雖然沒(méi)法再降低手持機(jī)的噪聲了，但是我們還是可以降低模塊工作環(huán)境的噪聲，辦法其實(shí)很簡(jiǎn)單，只要給無(wú)線模塊加上屏蔽即可。當(dāng)用銅箔紙把無(wú)線模塊包扎五六圈(見(jiàn)圖7)后再進(jìn)行抄表距離測(cè)試，通信距離達(dá)到了100多米。這個(gè)小小的嘗試，驗(yàn)證了通過(guò)增加屏蔽來(lái)提高通信距離的思路是正確的，并且這也是最終方案，只是用屏蔽蓋代替了銅箔紙而已。

7、結(jié)束語(yǔ)

射頻產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)調(diào)試中，單憑工程師經(jīng)驗(yàn)已無(wú)法滿足當(dāng)前的新科技發(fā)展要求，更要善于借用先進(jìn)儀器(如N9030A+N9912A+N5182A)來(lái)協(xié)助產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)調(diào)試。