Aprendiendo algo de radio (de forma barata)

Vamos a ver cómo unos conocimientos muy básicos puestos en práctica, van a mejorar de forma notable la distancia a la que nos podremos comunicar con nuetro pequeño módulo de AM.

Conociendo un poco el módulo de Tx/Rx

Según el vendedor, este módulo (MX-05V y MX-FS-03V) transmite en ASK pero para ser más precisos lo hace en OOK.

Básicamente en modo OOK transmitimos un pulso cuando enviamos un 1 y no transmitimos nada cuando enviamos un 0. Es decir la amplitud al enviar un 0 es… 0 y la amplitud al enviar un 1 es X.

Para el receptor, la tensión de alimentación es de 5V y para el emisor va de 3.5-12V con lo cual podemos transmitir con diferentes potencias, lo que hace que la distancia útil varíe.

Para terminar, la tasa de transferencia es de 4Kb/s.

Utilizando una antena

Como podéis ver

Módulos OOK

la pareja viene sin una antena con lo que el rango útil de utilización es de unos pocos centímetros, así que vamos a instalarle una antena.

Sabiendo que la velocidad de las ondas electromagnéticas es constante e igual a:

c = λ / t = λ · f

enemos una longitud de onda de aproximadamente 693mm y como resulta que si cogemos “un cable” y usamos fracciones simples: 1/2, 1/4… también vemos aparecer una onda estacionaria, vamos a coger el tamaño de 1/4 λ = 173mm1

Ahora bien, empíricamente se observa que la longitud física de la antena, debería ser un 5% menor (he leído que esto es debido a la componente capacitiva de la punta de la antena pero esto entra en contradicción con el siguiente punto… tendré que profundizar…), es decir, nos quedamos en unos 165mm.

Esto nos lleva a una lección importante: la longitud física y la longitud eléctrica pueden (y es lo más normal) ser diferentes para una antena resonante a la frecuencia ‘f’.

Lo que además nos lleva a otra importante lección: una componente capacitiva acortará nuestra longitud eléctrica de la antena, mientras que una componente inductiva la alargará. Lo que habitualmente en la práctica quiere decir que podemos reducir la longitud física de la antena y aún así, hacerla resonante a una menor frecuencia añadiendo una inducctancia adecuada.

Trataré esto más adelante. Vamos a conformarnos antes con nuestra antena de 1/4λ.

Nuestra antena de 165mm al ser de 1/4 λ necesita de un plano de tierra (si hubiéramos cogido 1/2 λ no sería necesario… pero habrían otras variables que deberíamos tener en cuenta). Insisto, si quieres saber más puedes buscar en Internet o dónde consideres oportuno, aunque básicamente la justificación es que el plano de tierra nos hará de espejo y creará la otra cuarta parte de la antena que la convertiría en un dipolo (o antena de 1/2 λ).

Esta parte es un poco “donde la matan” puesto que en teoría se montan unos radios de 1/4 λ para crear el plano de tierra… y cuantos más mejor… pero la mejora es asintótica en cuanto al número de radios. Esto es, llega un momento en que poner más radios no mejora apenas nada el plano de tierra. La teoría dice que el número de radios debería estar en torno a los 50… pero en la práctica no se suelen montar más de 3 ó 4. Además, el ángulo que formen estos radios respecto a la horizontal es crucial para mejorar el SWR. Aquí hago un inciso.

La gente hace muchísimo incapié en calcular la longitud de la antena puesto que una antena resonante a la frecuencia deseada será la que mejor utilice la energía, pero se olvida de un factor mucho más pesado: el SWR. Resulta que al conectar dos circuitos, para aprovechar al máximo la energía la impedancia de uno y otro han de ser iguales. Por ejemplo, si usamos una antena de 1/4 λ (que tiene una impedancia de unos 37 Ω) y la alimentamos con un cable de TV de 75 Ω 2 estamos con un SWR 2.0:1, o lo que es lo mismo: ¡¡estamos perdiendo más de un 10% de potencia!! además de que podemos romper el transmisor por la potencia que le llega reflejada. Por tanto, no te preocupes en si tu antena es 1mm más larga o más corta, es más importante que las impedancias sean iguales.

Llegamos donde le suele chocar a la gente: la geometría de antena importa, y mucho. Por ejemplo, habitualmente los equipos de radio tienen una impedancia de 50Ω si usamos nuestra antena de 1/4 λ tenemos SWR = 50/37 = 1.3 con lo cual perdemos aproximadamente un 2% de la potencia, pero… si colocamos los radios de nuestro plano de tierra unos 45º por debajo de la horizontal, la impendancia de la antena estará sobre los 50 Ω con lo cual aprovechamos más la potencia del trasmisor.

Vamos a medir ahora cuánto hemos mejorado gracias a nuestra peña antena y vamos a probar varias configuraciones:

  • Sin antena unos pocos centímetros
  • Antena sin tierra
  • Antena con tierra (3 radios) y ángulo de 0º
  • Antena con tierra (3 radios) y ángulo de -45º finalmente no lo haré

Voy a enviar simplemente 1000 mensajes, consistentes en la letra ‘A’ y voy a contar cuántos llegan jjj arbitrario total jjj. Una vez tengamos “la mejor” configuración probaremos con una tensión de 12V en lugar de 5V a ver qué tal va la cosa.

El programa del emisor será:

/*
 * Receptor.
 *
 * Contar cuantas 'A' han llegado y mostrar el resultado.
 */

int received = 0;

void setup() {
  // Activar puerto serie
  Serial.begin(2400);
  delay(100);
}

void loop() {
  // Si llega algo al puerto ver si es una 'A' y llevar la cuenta
  if (Serial.available())
  {
	char c = Serial.read();

	if (c == 'A')
  	received++;
	Serial.print("Recibidos: ");
	Serial.println(received);
  }
}

Y el programa del receptor:

/*
 * Emisor.
 *
 * Emitimos 1000 'A'. El receptor contara cuantas han llegado.
 */
static const int tries = 1000;

void setup() {
  // Activar puerto serie
  Serial.begin(2400);
  delay(100);
  // Solo enviamos una vez la rafaga
  int i = 0;
  for (i = 0; i < tries; i++)
  {
	Serial.print('A');
	delay(10);
  }
}

void loop() {
}

Resultados

Aclaración importante

Un dato IMPORTANTE que no he apuntado… el ángulo entre emisor/receptor es de unos 0º. Digo esto porque no es ni lejos la configuración óptima puesto que los lóbulos para 1/4 λ tienen su máxímo sobre los 30º.

EZNEC cuarto de onda 433Mhz 3 radios

Antena 1/4 λ sin plano de tierra (o mínimo…)

Como se puede ver en la tabla más abajo la distancia útil de uso está sobre los 11m si no hay obstáculos. No está nada mal si tenemos en cuenta que hemos pasado de unos pocos centímetros a 11m y además no hemos usado el necesario plano de tierra.

Módulos OOK con antena (receptor)

Como se ve en la foto la antena está colocada perpendicularmente a la placa del módulo. En realidad, en la práctica no debe haber diferencia a colocarla así o alineada, puesto que el tamaño de la placa es más pequeño que el 1/4 λ que necesitaría… pero como no hice la prueba no lo puedo asegurar, aunque la teoría me dice que no habrá diferencia.

Antena 1/4 λ con plano de tierra (3 radios) y ángulo 0º

Si añadimos un plano de tierra con 3 radios la diferencia es notable en cuanto a la distancia ya que pasamos de largo los 11 metros anteriores. Tuve que parar al llegar a los 18 metros porque ya no tenía más tiempo pero apostaría a que se superan los 20m sin problema.

Estadísticas 433Mhz 5V

Tabla

Lo primero que nos llama la atención es que de 1000 paquetes llegan el 20% y 15% respectivamente. Lo que viene a ser un desastre… pero es muy extraño que estos porcentajes se mantienen en la distancia óptima de funcionamiento. En el primer experimento se ve prácticamente una línea recta hasta los 9m. En realidad esto es debido a que NO he tenido en cuenta el protocolo RS-232 y la forma de funcionar de los módulos de radiofrecuencia. Éste es un punto de mejora TODO.

La segunda es que hay una variación significativa entre el número de paquetes que llegan entre el primer y el segundo experimento. Esto es debido a que se hicieron en días diferentes y se montó y desmontó el chiringuito… esta todo montado con protoboards y el montaje no era robusto.

Por tanto, el primer paso es realizar un montaje adecuado de los módulos con sus antenas para seguir con las mediciones.

Para ver qué pasa con estos porcentajes tan bajos voy a cambiar el programa del receptor y voy a hacer que muestre todo lo que le llega por el puerto serie. En realidad por experiencias propias creo saber qué pasa. El AGC nos juega una mala pasada y trunca el primer bit, todos los demás llegan bien. Pero bueno, esto lo tendremos que corroborar.

Podemos decir que sin plano de tierra podríamos trabajar hasta 9m y con plano de tierra hasta 12 sin una merma importante en el rendimiento. Posiblemente no merezca el trabajo extra para ganar solo 3 metros…

Pequeña/gran mejora

Si simulamos un dipolo vertical a la altura de λ vemos que tenemos una ganancia de casi 5db (el triple de potencia)… por tanto tal vez sería interesante cambiar nuestra configuración inicial por esta otra… Creo que definitivamente esta configuración hay que probarla antes de hacer la yagi.

Dipolo 433Mhz

Sky is not the limit3

Si pasamos a tener 12V tenemos una gráfica de datos como la siguiente:

Cuarto de onda 433Mhz 12V

Desgraciadamente hacía aire y se me rompió el chiringuito tras la primera lectura con un ángulo mayor entre emisor/receptor. Pero se puede comprobar que cuanto más nos acerquemos a los teóricos 30º mejor serán los resultados. En este caso tenemos una mejora de un 50%… no está nada mal teniendo en cuenta que el ángulo entre Tx/Rx es de solo 10º, muy lejos de los 30º que serían óptimos.

En este caso, el rango de trabajo está entre 150m y 190m, habría que ver dónde empieza a decaer de forma importante el rendimiento pero sabemos está entre esos dos valores.

Como veremos cuando termine el experimento, el ángulo entre emisor/receptor es IMPORTANTE que esté sobre los 30º, así que si tu configuración te lo permite no lo dudes y eleva el receptor sobre el emisor.

Dipolo

TODO

Yagi

TODO

  1. En realidad escoger 1/4 λ tiene su razonamiento y su justificación, pero no voy a hablar aquí de ello. Puedes buscar más info en Internet. Yo por ejemplo usé “Practical Antenna Handbook, de Joseph J.Carrr & George W. Hippisley” para aprender algo de antenas, pero seguro que hay material gratuito para este particular. ↩︎

  2. Un dipolo, 1/2 λ tiene una impedancia de unos 73 Ω alimentado en su centro; una antena 1/4 λ la mitad, etc… ↩︎

  3. The Sky is not the limit ↩︎