A primeira pergunta que as pessoas fazem quando elas indagam a respeito de um equipamento de rádio é: "Qual é o seu alcance?" Nós respondemos essa questão dizendo que: "Seu alcance, na linha do horizonte, é de aproximadamente 600 m. Em teste se verificou um valor de 1.200 m".
Tomihiko Uchikawa - Tradução: Eutíquio Lopez
Nota: Artigo publicado na revista Saber Eletrônica 462 de junho de 2012.
A Circuit Design, como os outros fabricantes, tenta apresentar a melhor figura possível. Tanto os usuários quanto os fabricantes parece que consideram um longo alcance de comunicação como um bom critério de julgamento da potência de um equipamento de rádio. No entanto, existem hoje todos os tipos de condições que formam a base desses valores e, de fato, você não pode julgar qualquer coisa simplesmente olhando essas figuras.
Atualmente, as pessoas em geral se surpreendem ao ouvirem que o equipamento alcançou um range de 1.200 m, então no fim nós temos que explicar detalhadamente as condições de medida.
Neste teste, a comunicação foi viável numa distância de 6.500 a 7.000 m com um módulo de rádio de 10 mW, mas, lamentavelmente, este não se encontrava a uma altura de 1 ou 2 m do nível do terreno.
Em outras palavras, o alcance de comunicação varia significativamente dependendo do ambiente de uso e da quantidade de dados, e mesmo que ele tenha alcançado 600 m, você não poderá afirmar que esse é um valor garantido para aquele ambiente. Normalmente, o alcance de um equipamento de rádio de baixa potência não é mostrado claramente como uma especificação no seu manual, mas apresentado somente como um valor de referência. Dito isto, uma vez que o alcance é um parâmetro importante para a escolha do equipamento de rádio, os fabricantes devem dar algum tipo de resposta referente ao seu "communication range".Existem regras para a obtenção do alcance de comunicação e se você está ciente disso quando do projeto de um sistema, o mesmo irá operar de forma estável no futuro e não perderá a confiança do cliente. Sabemos que dar suporte e manter um sistema instável exige muito trabalho e custo.
Este artigo técnico mostra os resultados de um teste de comunicação do modem do rádio MU-2, explicando a relação entre o local de instalação de um sistema de rádio e o seu alcance de comunicação. Recomendamos usar também o pequeno programa "Applet Java" que nós fornecemos no website da Circuit Design para o cálculo das características de propagação das ondas de rádio, como uma diretriz para o alcance de comunicação.
A configuração do teste do alcance de comunicação
O teste foi realizado entre o telhado do edifício da Circuit Design (altitude = 578 m) e a galeria de arte Ikedacho (altitude = 625 m). A distância entre esses pontos é de 6.500 m. Geograficamente, há uma descida aproximada de 50 m desde o telhado da Circuit Design até o Rio Takase (na altura dos 5.000 m), sendo que os últimos 1.500 m para a galeria sobem aproximadamente uns 100 m.
A altura das antenas era de 10 m para a transmissora e 49 m (estimados) para a receptora, levando-se em conta a elevação.
As condições de medida são conforme mostrado a seguir, mas nós comparamos o valor medido real com os resultados do cálculo para propagação de ondas de rádio usando um modelo de 2 ondas.
Condições de Medida RSSI
• Rádio: MU-2, da Circuit Design
• Frequência de trabalho: 429,2500 MHz
• Potência transmitida: 10 mW (10 dBm)
• Ganho da antena: 2,14 dBi para transmissão e recepção
A unidade-base foi instalada sobre um poste de serviço em um terreno da Circuit Design, numa altura de 10 m.
A unidade-servo (móvel) foi instalada na traseira de um carro, a uma altura de 2 m, sendo que o nível de sinal recebido e o ruído de fundo eram medidos sempre em cada lugar escolhido para teste.
Instalação da Unidade-Base
Veja as figuras 1 e 2. A unidade-base foi instalada em um poste de radioamador no terreno da Circuit Design. Na 2' figura é dado um "zoom" para melhor visualização dessa unidade.
Instalação da Unidade-Servo (móvel)
Veja as figuras 3 e 4. A unidade-servo foi fixada na traseira de um carro a 2 m de altura em relação ao solo. A caixa quadrada na frente contém a CPU de controle e as baterias.
Em cima da caixa tem um painel solar, mas ele não é para energia, sendo usado como sensor de luz. Os dados (informações) são enviados para a unidade-base. Os dados do sensor de temperatura também.
O "case" é simples e econômico paras as finalidades do teste, mas a foto da figura 4 mostra o aspecto de um equipamento profissional de qualidade.
Modelo separado da unidade-servo
A unidade-servo contém um rádio--modem MU-2 e a CPU de controle. Esta, coleta os dados do sensor e os envia para o MU-2. Como o sensor está próximo, neste caso nós usamos esta configuração, mas, se ele estiver distante do componente rádio, será bom providenciar um controlador e uma fonte de alimentação para o mesmo (sensor), e enviar os dados para o rádio via cabo de interface RS232C. Observe a figura 5.
Placa de circuito impresso da unidade-base
A unidade-base tem o mesmo case (invólucro) da unidade-servo e a placa de circuito impresso é montada com o MU-2 e o driver RS232C somente. O range de controle com RS232C é de 15 m de acordo com o padrão antigo mas, de fato, o controle sem erros parece ser possível até os 50 m, aproximadamente.
O comprimento da placa de circuito impresso é o mesmo do comprimento da antena de 17 cm e a unidade funciona de forma estável em alta frequência.
Se você criar um programa de controle que permita verificar e mudar as configurações internas com controle do rádio, poderá garantir uma boa "mantenabilidade" futura, mesmo que o componente rádio esteja instalado num local alto. Além disso, o MU-2 tem um comando único que alcança e devolve o nível de sinal recebido de outras unidades. Atente para a figura 6.
Mapa do local de teste
Acompanhe agora a figura 7. Nesse mapa não aparecem obstáculos entre os pontos A e B, mas na realidade há muitas casas e árvores.
Geografia do teste x Valores medidos
Geograficamente, existe uma descida de aproximadamente 50 m desde o telhado do prédio da Circuit Design até o Rio Takase (na altura dos 5.000 m de distância), e os últimos 1.500 m até a galeria sobem acentuadamente uns 100 m.
As antenas tinham altura de 10 m para a transmissora e 49 m (estimados) para a receptora, considerando-se a elevação. Você pode observar que, quando o alcance de comunicação é longo, uma altura de 10 m não parece muito elevada.
A forte intensidade do sinal recebido nesse lugar foi de - 96 dBm. A sensibilidade de recepção do MU-2 é igual a - 110 dBm e o ruído de fundo medido foi de - 129 dBm de tal forma que a comunicação pôde ser estabelecida. Veja figura 8.
Resultados das medições e valores teóricos
Vamos comparar agora os resultados medidos com o valor teórico da propagação das ondas de rádio. O trajeto real feito pelas ondas de rádio até alcançarem a antena receptora é muito complicado, mas aqui nós simplificaremos o ambiente e pensaremos sobre isso nos termos de uma expressão teórica. Evitaremos parâmetros difíceis e tomaremos algumas pequenas liberdades, assumindo que o terreno é um condutor perfeito sem perdas de reflexão. A fórmula para o modelo de 2 ondas é explicada em outra parte, e aqui nós mostraremos os resultados do cálculo usando o "Applet Java" do website da Circuit Design. Para a comunicação de rádio, é necessário estabelecer a 1' Zona de Fresnel* Observe a figura 9, neste caso a distância da comunicação é de 6.500 m, então, no ponto médio de 3.250 m, o raio da 1' zona de Fresnel vale 34 m. Portanto, se as alturas de ambas antenas forem iguais a 34 m, quando o "modelo 2 ondas" for aplicado, a perda de propagação será de 93,5 dB e a potência recebida será de - 81,1 dBm. (Se a altura da antena for muito elevada, favor observar o padrão de antena "alto"*).
(*) Para maiores detalhes sobre a zona de Fresnel, consultar o website da Circuit Design no que se refere às ferramentas de cálculo e informação técnica.
Assumiremos que a potência recebida no valor de -81,1 dBm é a potência ideal que pode ser obtida. Se fizermos o cálculo com as mesmas condições ao ar livre, a perda de propagação será de 101,4 dB e a potência recebida - 87,1 dBm, logo, o resultado do cálculo com o "modelo 2 ondas" para antenas de 34 m de altura é 6 dB mais intenso.
Por outro lado, na situação real do teste com antena transmissora de 10 m e receptora de 49 m, aplicando-se o mesmo modelo de 2 ondas, a perda de propagação é de 99,4 dB e a potência recebida de - 85,1 dBm.
Aqui, o resultado real da medida para potência recebida é de - 96 dBm, de modo que existe uma atenuação de 14,9 dB em relação à potência ideal recebida e de aproximadamente 10,9 dB em relação ao valor calculado.
(*) Para ver detalhes a respeito do height pattern (padrão de altura), consultar o website da Circuit Design também.
Cálculos da Zona de Fresnel
Raio de Fresnel no ponto médio:
Raio de Fresnel no ponto 1/4:
É claro que existem obstáculos dentro da zona de Fresnel, de modo que podemos interferir que está ocorrendo perda de propagação.
Applet para o cálculo das características de propagação das ondas de rádio
Se você entrar com as condições para o teste no applet de cálculo das características de propagação das ondas de rádio, a potência recebida de - 85,1 dBm deverá ser obtida na Galeria de Arte Ikedacho situada a 6.500 m de distância. O valor real medido foi de – 96 dBm.
A razão disso é que, provavelmente, uma zona de Fresnel não tenha sido alcançada realmente, embora com a linha de visão realizada conforme explicado antes. A figura 10, a seguir, mostra a imagem do applet Java para os cálculos da zona de Fresnel no website da Circuit Design.
