Radio frekansı ile haberleşen ürünlere günlük hayatta çok sık rastlamaktayız. Hayatımızın bir parçası olan ama teknik detayları mühendislik öğrencileri için bile karmaşık olabiliyor. Bu yazımızda pratik bilgiler ile RF modülü haberleşme mesafesini hesaplayacağız.
KISA BİLGİLER:
- Ürünlerin katalog değerlerinde yazan alıcı hassasiyeti değeri ulaşılabilecek en yüksek seviyeyi göstermektedir. Coğrafi koşullar, sıcaklık, veri aktarım hızı gibi parametrelerden dolayı alıcı hassasiyeti değeri farklılık gösterebilmektedir.
- Verici gücünü arttırmak yerine alıcı hassasiyetini yükselterek haberleşme mesafesi arttırılabilir ve yasal kısıtlamalara çözüm üretilebilir.
Link Budget Hesaplaması:
Kablosuz haberleşmenin temel kavramlarından biri olan link budget (link bütçesi) kavramı ile bağlantının durumu hesaplanmaktadır. Basitleştirilmiş hali ile vericiden çıkan sinyalin ortamdan (atmosfer, kablo, dalga kılavuzu gibi) geçerek alıcıya ulaşana kadarki bütün kazanç ve kayıpların hesaplanmasıdır.
Desibel kavramı:
Haberleşme sistemlerinde kazançlar ve kayıpların hepsi farklı birimlerde olabildiğinden genellikle ses için aşina olduğumuz desibel (dB) birimi kullanılmaktadır. Logaritmik bir birim olan bu ölçüm birimi ile çıkış gücü, kayıplar, anten kazancı, alıcı hassasiyeti gibi parametreler ifade edilir.
Basit Link Budget Denklemi:
ALINAN GÜÇ (dBm) = VERİCİ GÜCÜ (dBm) + KAZANÇLAR (dB) − KAYIPLAR (dB)
Formülün kolay hesaplanması için bütün kazanç ve kayıplar yukarıda belirttiğim gibi desibel (db) cinsinden hesaplanmaktadır. Bu kolay denklem ile genel hatları ile sinyal kalitesini hesaplayabilmekteyiz.
Denklemdeki kazançlar anten kazancı veya sisteme dahil edilebilecek güç yükselticiler olabilir.
Kayıplar kısmında ise kablo kayıpları, atmosfer kayıpları, binalar, polarizasyon kayıpları gibi kayıplar düşünülebilir. Çoğunlukla katsayılar ve teorik hesaplamaları bulunmakla birlikte pratik hesaplar yapmak ve online araçlar, hazır yazılımlar kullanmak mümkün oluyor.
Alınan güç kısmındaki değer sinyalin kalitesini gösterir. Bu değer sistemdeki alıcı hassasiyetinden yüksek bir değerde ise haberleşme sağlanabilmektedir.
Link Kalitesi:
Fade Margin, yani sönüm marjı olarak çevirebileceğimiz terim linkin kayıplara karşı ne kadar fazladan sinyal gücü olduğunu gösterir. Alınan Güç ve Alıcı hassasiyeti arasındaki fark ne kadar büyükse sinyal kalitesi o kadar iyi olacaktır. Yüksek hızlara çıktıkça ve gecikme istenmediğinde bu değerin alıcı hassasiyetinden farkının yüksek tutulması önemlidir.
Bağlantı kalitesi kötüleştiğinde yazılım ve diğer katmanlarda verileri aktarabilmek için buffer, yeniden gönderme, veri paketi optimizasyonu gibi işlemlerle bağlantının kopmaması hedeflenmektedir. Bu da anlık aktarımı zorlaştırmaktadır.
Modemden uzaklaştığınızda bağlantı sorunları yaşasanız da düşük hızlarda ara sıra kopma yaşayarak bağlantıya devam etmeniz ve modeme yakınken kalitenin yükselmesi bu şekilde açıklanabilir. Wi-Fi gibi protokollerde fade margin yani sinyal kalitesi belirli aralıklarda iyi-kötü-mükemmel gibi derecelendirmelere sahiptir.
Dikkat edilmesi gereken nokta ise linkinizin ne kadar kaliteli olduğunu hesaplamak için uygulamanızı iyi analiz etmeniz gerekmektedir. En yüksek 64kb/s veri hızının yeterli olduğu data aktarımı yapan bir sistemde mükemmel link kalitesini yakalamak için 22db mükemmel kabul edilebilir. Canlı video aktarımı yapan bir sistemde ise 22db alt sınır olarak bile kabul edilebilir. Kapalı sistem örneğin wi-fi modülü kullanıyorsanız bağlantı hızını kendisi otomatik optimize etmeye çalışacaktır. Ancak protokolün standartlarının altına düşütüğünde bağlantı yok ifadesi görebilirsiniz. Alt seviyede sadece rf modül ile çalışırken parametreleri kendiniz belirleyebilirsiniz.
Haberleşme Menzili Hesaplama
Link bütçesinde bizim elimizde olmayan ve menzil hesabında en büyük kayıp birimi olan açık alan kaybı FSPL (Free Space Path Loss) parametresi karmaşık gibi görünebilecek matematiksel bir denklemle ifade edilir.
d mesafeyi, f rekansı, c ışık hızını ifade eder. Bu forülde Gt ve Gr ise anten kazançlarını ifade eder. Dilerseniz burada çıkarmak yerine link budget denkleminde kazançlar kısmına da yazabilirsiniz ancak iki kez eklememeye dikkat edin.
Pratik olarak ise bir çok uygulama ve web sitesinde hesaplama araçları bulunmaktadır.
Buradaki kayıp antenlerin birbirini gördüğü, sinyalin sadece havada ilerlediği durumlarda geçerlidir. Çarparak ilerleyen sinyaller, su yüzeyi ve altında ilerleme, metal, beton gibi geçirgenliği düşük veya yansıtıcı yüzeylerin etkilerini hesaplamak oldukça zor olmakla birlikte pratikte bazı deneyimler üzerinden ilerleyebilirsiniz. Örneğin dalga boyu arttıkça yani frekans düştükçe cisimlerin içinden geçme zorlaştığından şehir içinde mesafeyi bir kaç kat düşürür. Ancak dalganın bozulması açık alanda daha zor olduğundan düşük frekanslar açık havada iletişimde daha fazla menzil sunar.
Düşük frekansın daha az veri taşıyabileceğini unutmayalım. Wi-Fi genellikle şehirlerde kullanılan cihazlarda 2.4gHz hatta 5.8GHz gibi bantlar hem haberleşme kolaylığı hem de yüksek hız için kullanılır. Telsiz gibi genellikle dışarıda ve doğada kullanılan cihazlarda veri paketi düşük olduğundan 433mHz gibi göreceli düşük frekanslar kullanılır. Cep telefonlarında ise 868mHz ile başlayan yolculuk veri ihtiyacı arttıkça frekans her jenerasyonda artmaktadır. Gelişen teknolojide yüksek hızlarda kayıplar daha kolay telafi edilebildiğinden ve baz istasyonları daha gelişmiş-yaygın olduğundan frekanslar sürekli artmaktadır.
Alıcı Hassasiyeti:
Alıcı hassasiyeti (receiver sensitivity) kavramı, en az bit hata oranında belirlenen sinyal/gürültü oranını (signal-to-noise ratio) yakalamak için gerekli değerdir. Genellikle negatif olarak ifade edilir. Örneğin alıcı hassasiyeti -80dbm olan bir sistem -75dbm seviyesindeki bir sinyali algılayabilir. Bit hata oranı kabul edilebilir seviyede olacak şekilde sinyal-gürültü oranını yakalayarak sinyalin içerdiği mesajı yakalayabilmektedir. Gelen sinyalde gürültü çok fazla olduğunda anlamlı veri almak imkansız hale gelecektir. Radyo ve telsizlerde antensiz veya frekans tam ayarlanmadığında çıkan sesi bu gürültülü hata olarak düşünebilirsiniz.
Alıcı hassasiyeti bir modülün kalitesini gösteren en önemli parametrelerdendir. Alıcı tarafta yer alan bu parametre transciever yani hem alıcı hem verici olan modüllerde de alıcı bölüm için gösterilir. Kaliteli modüllerde özellikle sıcaklığa bağlı olarak değişmemesi gereklidir. Yine bağlantı hızı ve frekansa göre değerler değişebileceğinden modülün datasheet bilgileri iyi incelenmeldir.
RF Modül Seçimi Yaparken:
Çıkış Gücüne Değil Toplam Link Bütçesine Odaklanın
Ülkemizde ve dünya genelinde telsiz kullanımı belirli regülasyonlara bağlıdır. Birçok frekans askeri ve güvenlik amaçlı operasyonlara tahsis edilmiştir. Bu frekanslarda yayın yapmak ve dinlemek yasaktır. Özel lisans alınarak kullanılabilecek bant aralıkları da mevcut olmakla birlikte ISM bandı yani halka açık bantta dilediğiniz gibi yayın yapabilir, dinleyebilirsiniz. Özel lisans için örneğin radyo firmalarının 99.8mHz bir kanal için lisans alarak o kanaldan yayın yapması olarak düşünebilirsiniz. ISM bandı ise endüstride, hobi maçlı, özel bilgi içermeyen sağlık sistemleri gibi sistemlerde herhangi bir izine ihtiyaç duymadan kullanılabilecek bant aralığıdır.
Elbette bu frekansı kullanmanın da belirli kısıtlamaları mevcuttur. En bilinen kısıtlaması ise çıkış gücüdür. Yüksek güçte yayın yaparak diğer radyoları bastırmak yasaklanmıştır.
Genellikle modül seçerken daha yüksek güçte olması istenmektedir. Ancak örneğin 10dBm çıkış gücüne sahip bir sistemde alıcı -110dBm değere sahipse diğer yandan 20dBm çıkış gücüne sahip bir verici -90dBm alıcı hassasiyetine sahip bir alıcıya sinyal gönderdiğinde ilk sistem daha verimli ve yüksek menzilde çalışacaktır.
Anten kazancı, kaliteli kablo kullanımı, antenlerin konumu da diğer yapılabilecek iyileştirmelerdir.
Ürünlerin Alıcı Hassasiyetini Karşılaştırırken Uygulamanızı Göz Önünde Bulundurun
Alıcı hassasiyeti değeri modülasyon tipi, bağlantı hızı, coğrafi koşullara göre değişebilmektedir. Örneğin rfm96w modelinde en yüksek hız 300kbps olarak belirtilmiştir. Ancak bu hıza erişildiğinde alıcı hassasiyeti değeri -110dbm e düşmektedir. Modül seçimi yaparken 300kbps hızda -148dbm alıcı hassasiyeti yakalanacağını düşünmek yapılan en büyük hatalardandır. Çok özel bir modül olan rfm96w modülünde durum bu iken katalog değeri -90dbm olan bir ürünü en yüksek bant genişliğinde kullanarak mesafenin beklentinin altında kaldığı durumlara sıkça rastlanılmaktadır.
Kullanmayacağınız Bağlantı Hızını Düşürün
Öncelikle ne kadar haberleşme hızının gerekli olduğuna karar verin. Böylece gereksiz bant genişliği kullanımı yapmamış olursunuz ve mesafe artacaktır. Mesafe ihtiyacınız yoksa bile aynı mesafede bağlantı kaliteniz artacaktır.
Kablosuz Sistemlerde Veri Kaybı Kaçınılmazdır
Dahili preamble, crc veya hata ayıklama algoritmaları yapan modüller kullanım açısından kolaylık sağlamaktadır. Kablosuz iletişimde veri kaybı kaçınılmazdır. Hata ayıklama yöntemleri ile bu kayıplar en aza indirilmeye çalışılmaktadır. Günümüzde özellikle wi-fi ve iot cihazları kendi içinde ciddi şekilde hata optimizasyonlu gelmektedir. Ancak en alt seviyeden uygulamayı kendiniz geliştirmek isterseniz en azından basit dahili preamble gibi özelliklerden faydalanmak zaman kazandıracaktır.
Doğru Frekans Seçimi Fark Yaratır
Doğru frekans seçimi yapın. Genel olarak coğrafi koşullar ve beklentilerinizi netleştirdikten sonra işler kolaylaşacaktır. 3km ilerideki bağ evinizin sulama sistemi için wi-fi veya 2.4gHz yerine düşük frekanslarda düşük veri hızında iletişim modülleri kullanmak daha iyi bir örnek olacaktır. Etrafta çalışan diğer cihazlar, coğrafi koşullar ve veri hızı parametrelerini göz önünde bulundurun. Aynı frekansta yoğun kullanım olduğunu düşünüyorsanız boş aralıklarda çalışmak daha iyi sonuç verecektir.
Yazı ile ilgili hata düzeltme, öneri ve görüşlerinizi yorumlarda belirtmeniz çok mutlu edecektir.
Yeni bir içerikte görüşmek üzere.
bilgilendirici bir makale olmuş teşekkürler