無線抄表手持機通過屏蔽方式延長通訊距離

1、項目背景

某電網(wǎng)集團因開拓海外市場需要將以往的紅外抄表方式改成遠距離的408MHz頻段無線抄表方式。致遠研發(fā)團隊根據(jù)客戶需求提供了HPC-3000EWBM手持機+408MHz模塊的解決方案。在這套方案的實現(xiàn)過程中遇到了許多困難，但最終都被善于攻關(guān)的研發(fā)團隊一一克服了。

2、發(fā)送鏈路

第一版樣機，安裝在手持機上的無線模塊與安裝在封閉電表內(nèi)的無線模塊之間的通信距離只有3米！我們首先懷疑的是無線模塊根本就沒有功率輸出，于是對發(fā)模塊的發(fā)射功率進行了測試，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到了10dBm，果斷排除了模塊PA工作不正常的可能性。其次，是對連接在模塊上的天線進行測試，結(jié)果如圖1所示，在N9912A上可以看到被測試的天線在408MHz這點的VSWR為1.09，可見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，那么會不會是發(fā)送數(shù)據(jù)包格式?jīng)]配置對呢？為解開必中的疑問，接著使用N9030A結(jié)合VSA89600B軟件對無線模塊發(fā)射到空間的電磁波進行抓包還原調(diào)制的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過多次抓包分析后得出結(jié)論：無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，很肯定整個發(fā)送鏈路工作正常，問題一定出在接收鏈路上。

3、接收鏈路

在調(diào)試接收鏈路時，是這樣做的：將一個無線模塊串一個20dB的衰減器通過饋線連接到另一個無線模塊，然后收發(fā)數(shù)據(jù)，并增加串接衰減器的衰減量，當衰減量增加到115dB時還可穩(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？此時一位經(jīng)驗豐富的工程師提出了測試手持機噪聲的想法。

4、噪聲發(fā)現(xiàn)

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

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

5、噪聲源定位

對噪聲頻譜分析發(fā)現(xiàn)：在…404MHz、408MHz、412MHz…這些頻點上都有相對較強的功率，因此推測噪聲源是一個4MHz的信號，而這些頻點的噪聲是其高次諧波。隨后，開始對手持機上的晶體和時鐘信號逐個排查，苦苦掙扎兩天還是沒法定位噪聲源。后來，在一次測量過程中，正當大家一籌莫展之際，手持機進入了屏幕保護狀態(tài)，噪聲功率降到了-105dBm附近！大家立刻聯(lián)想到這個噪聲一定是來自屏幕，對屏幕電路硬件和軟件分析后，發(fā)現(xiàn)這個噪聲源是屏幕時鐘分頻后輸出的一個4MHz的方波時鐘。由于改硬件需要較長的時間，情急之下調(diào)整了屏幕的分頻系數(shù)，因此屏幕時鐘就略微偏離了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，還必須設法提高通信距離。

6、解決方案

無線模塊的接靈敏度在-107dBm的水平，欲保證誤碼率在十萬分之一，則信噪比（S/N）大于12dB是必要條件，即當噪聲功率水平在-119dBm以下時，才對通信幾乎沒有影響。對屏幕時鐘信號整改后，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，是來自多個器件產(chǎn)生噪聲的疊加，欲通過進一步降低手持機的噪聲來提高通信距離，顯然是不現(xiàn)實的。雖然沒法再降低手持機的噪聲了，但是我們還是可以降低模塊工作環(huán)境的噪聲，辦法其實很簡單，只要給無線模塊加上屏蔽即可。當用銅箔紙把無線模塊包扎五六圈（見圖7）后再進行抄表距離測試，通信距離達到了100多米。這個小小的嘗試，驗證了通過增加屏蔽來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

射頻產(chǎn)品的開發(fā)調(diào)試中，單憑工程師經(jīng)驗已無法滿足當前的新科技發(fā)展要求，更要善于借用先進儀器（如N9030A+N9912A+N5182A）來協(xié)助產(chǎn)品的開發(fā)調(diào)試。