Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Comment atteindre le silence radio dans une boîte

Un peu d’arrière-plan: j’ai conçu, entre autres choses, un tout petit modem radio VHF pour goTenna, une startup du matériel de Brooklyn. C’est une conception très exigeante, avec des limites strictes en matière de durée de vie de la batterie, de taille, de forme, d’autonomie, de puissance - tout ce à quoi vous pouvez penser est à la limite de ce qui peut être fait. Grâce à goTenna, vous pouvez coupler l'appareil avec votre smartphone pour envoyer des communications en rafale (messages textuels, géolocalisations, par exemple), de smartphone en smartphone (via goTenna, bien sûr) sans avoir à vous connecter à la centrale. connectivité. Oui, c’est vrai: des communications totalement hors réseau, 100% décentralisées, à l’aide du téléphone que vous avez déjà sur vous tout le temps! (Et goTenna passe en pré-commande aujourd’hui: apprenez-en plus sur goTenna et achetez une paire ici à 149,99 $!) Au cours de ce processus, j’ai appris beaucoup de nouvelles techniques. J'espère les partager avec vous, ingénieur RF en herbe! Aujourd’hui, nous discutons de la mesure de la sensibilité d’une radio.

Dans toute liaison radio, la portée est déterminée par deux facteurs simples: la puissance d’émission et la sensibilité. Plus chacun est bon, meilleure est la portée. Les deux sont mesurés en dBm, et changer l'un ou l'autre a, par dBm, à peu près le même effet. Une amélioration de 15 dBm de la puissance d'émission permettra d'atteindre les mêmes améliorations de portée qu'une amélioration de 15 dBm de la sensibilité de réception. Ainsi, lorsque nous avons épuisé toutes les améliorations que nous pouvons apporter en augmentant la puissance de transmission, il est temps d'améliorer la sensibilité.

Pour maximiser et ajuster notre appareil, nous devons être en mesure de mesurer l’effet de ces ajustements. Nous avons créé un test BER (taux d’erreur sur les bits). Nous avons d’abord créé une séquence pseudo-aléatoire fixe identique pour notre émetteur et notre récepteur. Lorsque ce signal est fort, le récepteur va faire correspondre les bits entrants avec sa propre copie interne de la séquence. S'ils correspondent tous, les rapports d'erreur sont remis à zéro. Avec un signal plus faible, le nombre d'instances de bits non concordants augmente, le nombre de BER augmente également. En d'autres termes, BER est le nombre de bits d'erreur divisé par le nombre total de bits transmis. Tant que le TEB est inférieur à un seuil - dans notre cas, 1% - nous savons que la liaison est bonne et quels que soient les chiffres que nous obtenons à ce stade, ce sont les chiffres qui caractérisent le matériel testé.

Mesurer des signaux de puissance extrêmement faible n'est pas facile. Notre sensibilité cible de -123dBm est égale à un centième de femtowatt. C’est absurdement peu d’énergie! Bien que nous puissions constater qu'avec notre équipement de test, les chiffres deviennent de plus en plus imprécis à mesure que nous lisons des niveaux de puissance plus faibles. Au lieu de cela, nous allons mesurer précisément la puissance de l'émetteur directement et la réduire avec un atténuateur de haute qualité. Nous soustrayons la valeur de l'atténuateur (telle que lue sur le cadran) de notre puissance de sortie connue, et la valeur résultante en dBm est supposée correspondre à ce qui parvient au récepteur. La seule erreur est dans l'atténuateur lui-même, généralement environ un ou deux dB.

figure 0, un schéma de notre configuration

Que diriez-vous d'un exemple. Notre émetteur fonctionne à 32dBm. Si nous connectons une extrémité de mon atténuateur à l'émetteur et si je règle l'atténuateur sur -155dB, la puissance sortant de l'autre extrémité sera de -123dBm. Si le récepteur signale un TEB supérieur à 1%, je peux dire que nous avons atteint notre objectif de sensibilité de -123 dBm. Cet exemple est un résultat réel obtenu au laboratoire.

Génial! Vous cherchez bien! Nous sommes tous des génies. Si cela fonctionne si bien, essayons encore plus de lancer cet atténuateur. À -133, toujours zéro BER. Maintenant -160, BER de 0. WOW! -180, toujours zéro BER. Je dois être une sorte d'ingénieur RF super génial qui a découvert un circuit super sensible encore inconnu! Maintenant, ils peuvent utiliser des téléphones cellulaires sur l'ISS, grâce à mes compétences incroyables! Je veux mon PRIX NOBEL!

Ha ha NON.

figure 1, la configuration sans boîte et l'analyseur en vue montrant le signal parasite

C'est de l'énergie parasite qui entache la mesure. Dans notre configuration de test, nous avons remplacé l'antenne par un câble coaxial blindé. Ce câble se connecte à l'atténuateur, puis davantage de câbles vont au récepteur. En théorie, toute l’alimentation radio devrait rester dans l’atténuateur et les câbles. En réalité, une bonne quantité provient des autres composants RF du dispositif émetteur. En fonctionnement normal, l’énergie parasite est si faible qu’il ne faut pas s’inquiéter car elle est submergée par l’énergie de l’antenne. Mais dans notre situation de test, l’énergie parasite est plus que suffisante pour mettre sous tension le dispositif de réception et générer de faux résultats.

Nous devons réduire la perte de puissance à des niveaux inférieurs à ceux mesurables par notre récepteur. Il y a deux façons de faire cela. éloignez-vous vraiment de la source d’énergie parasite ou bloquez-la avec une sorte de protection. S'éloigner vraiment n'est pas pratique en laboratoire. Du moins pas à Brooklyn! Nous allons donc utiliser l’option «bloquer».

figure 2, la boîte

Imaginez que vous essayez de faire une pièce totalement sombre. Vous isoleriez tous les coins, et encore mieux, vous feriez en sorte que ces coins soient intrinsèquement étanches. C’est essentiellement la même chose pour les ondes radio. Il suffit de fabriquer une belle boîte en métal solide et de s’assurer que les coutures sont étroitement couplées et connectées électriquement. Pour une étanchéité plus complète, ajoutez une bride à la partie extérieure du couvercle de votre boîte, un peu comme le couvercle d'un pot lourd. Le métal qui se chevauche crée un chemin sinueux pour le rf, ce qui le rend plus difficile à échapper. Cela, combiné à beaucoup de bon contact avec du métal propre, donne un volume insensible aux RF.

figure 3, connecteur coaxial sur le couvercle

Maintenant, faites un petit trou dans la partie supérieure et vissez un connecteur de câble coaxial qui permet une connexion blindée étanche au couvercle de notre boîtier. Placez l'émetteur dans cette boîte, connectez-le au connecteur traversant et fermez-le. Clunk! La puissance parasite diminue complètement, nous laissant un environnement calme et propice à de véritables mesures.

figure 4, ligne plate sur l'analyseur, tout va bien maintenant

Voici la preuve! Maintenant, il n’ya aucun signe de signal parasite lors de l’exécution d’un test. Nos chiffres sont maintenant (probablement) exacts! Hourra! Peut être! Probablement! Je vais sur une jambe et en cours de route.

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