Ho visto troppe telecamere PTZ perdere la connessione sul campo. Un'antenna non è sufficiente quando il sito si trova a chilometri di distanza dal ripetitore più vicino.
Un progetto a doppia antenna migliora la copertura del segnale nelle aree remote utilizzando la diversità di spazio e la Tecnologia MIMO 1. Due antenne ricevono i segnali da percorsi diversi, riducono il fading e aumentano il throughput dei dati. In questo modo la telecamera PTZ rimane connessa e in streaming anche ai margini della copertura cellulare o Wi-Fi.
copertura del segnale della telecamera PTZ a doppia antenna aree remote
In questo articolo spiego esattamente come funziona la doppia antenna nelle installazioni reali. Parlo delle opzioni per le antenne esterne, dei guadagni di velocità MIMO, della resistenza alle interferenze e della corretta spaziatura delle antenne. Se vi rifornite di telecamere PTZ solari 4G dalla Cina per progetti remoti, queste sono le informazioni di cui avete bisogno prima di effettuare il vostro prossimo ordine.
È possibile utilizzare un'antenna Yagi esterna ad alto guadagno con la porta dell'antenna secondaria?
Ricevo spesso questa domanda da integratori di sistemi che lavorano nelle zone rurali dell'America. I loro siti sono lontani dalle stazioni base e le antenne integrate non sono sufficienti.
Sì, la maggior parte delle telecamere PTZ 4G di livello industriale con un vero design a doppia antenna è dotata di due porte RF - Main e Div - che utilizzano connettori standard SMA o TS9. È possibile collegare un'antenna esterna ad alto guadagno Antenna Yagi 2 alla porta secondaria per aumentare la sensibilità di ricezione ed estendere la portata utile da 15% a 25%.
antenna Yagi ad alto guadagno porta secondaria telecamera PTZ 4G
Perché la porta secondaria è importante
Molti pensano che la porta dell'antenna secondaria sia solo una riserva. Non è così. In un vero sistema a doppia antenna, il modulo 4G all'interno della fotocamera ha due catene RF separate. Una si collega all'antenna Principale porta. L'altra si collega alla porta Div (diversità). Entrambe sono attive contemporaneamente.
Quando collego un'antenna Yagi ad alto guadagno alla porta secondaria, fornisco al ricevitore diversity un segnale più forte con cui lavorare. Il sistema combina quindi entrambi i segnali. Questa operazione è chiamata Combinazione a rapporto massimo (MRC). Il risultato è un rapporto segnale/rumore effettivo (SNR) più elevato.
Che tipo di antenna Yagi devo usare?
Per le bande 4G LTE comunemente utilizzate negli Stati Uniti (Banda 12, Banda 13, Banda 71), consiglio un'antenna Yagi direzionale con almeno 10 dBi di guadagno. Puntatelo verso il ripetitore più vicino. Questa configurazione può trasformare una connessione marginale in una connessione utilizzabile.
Ecco un rapido confronto:
| Tipo di antenna | Guadagno tipico | Larghezza del fascio | Il miglior caso d'uso |
|---|---|---|---|
| Omni incorporato (stock) | 3-5 dBi | 360° | Aree urbane con segnale forte |
| Omni esterno (aggiornamento) | 6-8 dBi | 360° | Periferia, segnale moderato |
| Yagi esterna (direzionale) | 10-14 dBi | 30°-60° | Rurale, segnale debole, lunga portata |
Attenzione ai falsi progetti a doppia antenna
Devo essere onesto. Alcune fotocamere economiche sul mercato hanno due antenne esterne, ma solo una è effettivamente collegata al modulo 4G. L'altra è solo estetica. Si tratta di un trucco comune per far apparire un prodotto più capace.
Quando valuto un fornitore, chiedo sempre il rapporto di prova RF. Voglio vedere entrambe le porte Main e Div misurate in modo indipendente. In Loyalty-Secu, entrambe le porte d'antenna sono collegate ad antenne in rame ad alto guadagno. Testiamo la corrispondenza RF su ogni unità. In ambienti in cui la potenza del segnale scende a -110 dBm, Le nostre fotocamere mantengono comunque una connessione stabile. Questa è la differenza tra un vero sistema a doppia antenna e uno di facciata.
In che modo il design MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) aumenta la velocità di caricamento?
Alcuni clienti mi hanno chiamato frustrati perché i flussi delle loro telecamere PTZ 4G continuano a essere bufferizzati. La telecamera funziona bene in magazzino. Ma in un cantiere remoto, il video è inguardabile.
MIMO utilizza due antenne per inviare e ricevere più flussi di dati contemporaneamente. In una configurazione MIMO 2×2, il modulo 4G può gestire due flussi di dati paralleli. Ciò può quasi raddoppiare la velocità di upload rispetto a un sistema a singola antenna, soprattutto quando la qualità del segnale è moderata.
Telecamera PTZ MIMO a doppia antenna con velocità di caricamento 4G
Come funziona effettivamente il MIMO sul campo
Nelle reti LTE, la stazione base può dividere i dati in due flussi separati. Ogni flusso viaggia attraverso un percorso spaziale diverso e arriva a un'antenna diversa della fotocamera. Il modulo 4G riassembla quindi i dati. Questa operazione è chiamata Multiplazione spaziale. Funziona al meglio quando le condizioni del segnale sono decenti, in genere quando SINR 3 è superiore a 10 dB.
Ma ecco quello che la maggior parte delle persone non capisce. Nelle aree con segnale debole, la rete non utilizza il multiplexing spaziale. Al contrario, passa a Diversità di trasmissione modalità. In questa modalità, la stazione base invia gli stessi dati da più antenne. La telecamera a doppia antenna riceve entrambe le copie e le combina. Questo non raddoppia la velocità, ma rende la connessione molto più affidabile. Può fare la differenza tra uno streaming stabile a 1080p e un buffering costante.
Numeri reali da implementazioni reali
Ho assistito a test sul campo in cui il collegamento di un'antenna MIMO 2×2 adeguata a un terminale 4G ha migliorato l'RSRP di Da -90 dBm a -66 dBm, e il SINR è passato da quasi 0 a oltre 20. Il collegamento è passato da “appena connesso” a “di alta qualità” in pochi secondi.
Per una telecamera PTZ solare 4G che esegue la codifica H.265+, in genere ho bisogno di circa 1-3 Mbps in upload per uno streaming stabile a 1080p. Ecco come il MIMO ci aiuta:
| Condizione del segnale | Caricamento a singola antenna | Doppia antenna (2×2 MIMO) Upload |
|---|---|---|
| Segnale forte (RSRP > -80 dBm) | 8-15 Mbps | 15-30 Mbps |
| Segnale moderato (da -80 a -100 dBm) | 3-6 Mbps | 5-12 Mbps |
| Segnale debole (da -100 a -110 dBm) | 0,5-1,5 Mbps | 1,5-4 Mbps |
Perché è importante per lo streaming PTZ 4K
Per quanto riguarda il segnale debole, una singola antenna raggiunge a malapena 1 Mbps. Questo non è sufficiente per ottenere video fluidi, anche con H.265+ 4. Ma con il sistema MIMO a doppia antenna, si parla di 1,5-4 Mbps. Questo intervallo è sufficiente per eseguire un flusso nitido a 1080p o persino un flusso compresso a 4K in scene a basso movimento come il monitoraggio del perimetro.
Lo dico sempre ai miei clienti: Il MIMO non trasformerà “l'assenza di segnale” in “barre piene”. Ma nelle zone in cui c'è un po' di segnale - le aree marginali, le zone intermedie - il MIMO è ciò che mantiene vivo il vostro feed video. E quando lo si combina con la codifica H.265+ che riduce le esigenze di larghezza di banda di 50% o più, si ottiene un sistema che funziona davvero nel mondo reale.
La configurazione a doppia antenna ridurrà il “fading” del segnale nelle aree con forti interferenze?
Ho installato telecamere in prossimità di raffinerie di petrolio, magazzini metallici e fitti filari di alberi. In questi punti le telecamere a singola antenna perdono costantemente il segnale. Il segnale va e viene come una luce tremolante.
Sì, le configurazioni a doppia antenna riducono in modo significativo il fading del segnale causato dall'interferenza multipath. Utilizzando la diversità spaziale e la polarizzazione incrociata, due antenne catturano versioni diverse dello stesso segnale. Il sistema sceglie quella più forte o le combina entrambe, recuperando così da 3 a 5 dB di segnale perso.
doppia antenna ridurre l'interferenza di multipath fading del segnale
Che cosa provoca l'affievolimento del segnale?
I segnali radio non viaggiano in linea retta e non si fermano. Rimbalzano sugli edifici, sul terreno, sugli alberi, sulle strutture metalliche e persino sull'acqua. Ogni rimbalzo crea una copia del segnale che arriva all'antenna in un momento e con un'angolazione leggermente diversi. Queste copie possono sommarsi in modo costruttivo (rendendo il segnale più forte) o distruttivo (annullandosi a vicenda).
Quando si verifica un'interferenza distruttiva, il segnale si abbassa improvvisamente. Questo fenomeno è chiamato multipath fading. Può accadere in pochi millisecondi. La fotocamera potrebbe mostrare tre barre un secondo e zero barre il secondo successivo. Questa è la causa principale delle disconnessioni intermittenti che frustrano molti dei miei clienti.
Come le doppie antenne combattono il fading
La fisica è semplice. Due antenne collocate in posizioni diverse presentano schemi di dissolvenza diversi. Quando un'antenna incontra un segnale nullo (un punto morto), l'altra antenna quasi certamente non si trova nello stesso punto nullo. Il sistema può quindi selezionare il segnale migliore o combinarli entrambi.
Esistono tre tecniche principali:
Selezione Combinazione
Il sistema monitora continuamente entrambe le antenne e sceglie quella con il segnale più forte in qualsiasi momento. Questo è l'approccio più semplice e funziona bene per la diversità di base.
Combinazione a rapporto massimo (MRC)
Il sistema pesa entrambi i segnali in base alla loro qualità e li somma. In questo modo si ottiene la migliore uscita possibile. La maggior parte dei moderni moduli 4G utilizza il sistema MRC.
Diversità di polarizzazione trasversale
Nelle nostre telecamere PTZ a doppia antenna, configuro un'antenna per la polarizzazione verticale e una per quella orizzontale. Dopo il rimbalzo sulle superfici, la direzione di polarizzazione del segnale cambia in modo imprevedibile. Coprendo entrambi i piani di polarizzazione, catturo una parte maggiore dell'energia totale del segnale.
Il risultato nella pratica
In ambienti con forte multipath - canyon urbani, complessi industriali, aree boschive - la diversità a doppia antenna fornisce in genere un guadagno equivalente di Da 3 dB a 5 dB su una singola antenna. Potrebbe sembrare poco. Ma in ingegneria RF, ogni 3 dB raddoppia la potenza effettiva ricevuta. Questo significa che è possibile installare una telecamera PTZ a doppia antenna Da 15% a 25% più lontano dalla stazione base rispetto a una telecamera con un'unica antenna, mantenendo la stessa qualità di connessione.
Per i miei clienti che operano nei ranch del Texas o nei siti minerari del Canada, questo margine extra non è solo una bella caratteristica. È la differenza tra una telecamera che funziona e una che rimane lì a lampeggiare “offline”.”
Qual è la distanza consigliata tra le due antenne per ottenere la massima efficienza?
Una volta ho avuto un cliente che ha montato entrambe le antenne, una accanto all'altra, sulla stessa staffa. Il giorno dopo mi chiamò confuso. “Han, non vedo alcun miglioramento rispetto a un'antenna singola”.”
Per ottenere il massimo guadagno di diversità, le due antenne devono essere distanziate di almeno mezza lunghezza d'onda. Per le frequenze 4G LTE intorno ai 700 MHz, ciò significa circa 20 cm (8 pollici). Per le bande 1800-2600 MHz, sono sufficienti da 6 a 8 cm (circa 3 pollici). La polarizzazione incrociata può ridurre ulteriormente la distanza richiesta.
distanza tra le antenne telecamera PTZ a doppia antenna
Perché la spaziatura è importante
L'obiettivo delle antenne doppie è quello di far sì che si verifichino condizioni di segnale diverse. Se le metto troppo vicine, vedono quasi lo stesso segnale: le stesse dissolvenze, le stesse interruzioni. Il vantaggio della diversità si riduce quasi a zero.
La regola generale dell'ingegneria delle antenne è: distanza minima di λ/4 a λ/2, dove λ (lambda) è la lunghezza d'onda della frequenza operativa. Alle frequenze 4G LTE, le lunghezze d'onda variano molto a seconda della banda.
Linee guida per la spaziatura per banda di frequenza
Ecco una pratica tabella di riferimento che utilizzo per progettare la disposizione delle antenne delle nostre telecamere:
| Banda LTE | Gamma di frequenza | Lunghezza d'onda (λ) | Distanza minima (λ/4) | Spaziatura consigliata (λ/2) |
|---|---|---|---|---|
| Banda 71 (600 MHz) | 617-698 MHz | ~46 cm | ~12 cm | ~23 cm |
| Banda 12/13 (700 MHz) | 698-798 MHz | ~41 cm | ~10 cm | ~20 cm |
| Banda 4 (1700 MHz) | 1710-1755 MHz | ~17 cm | ~4 cm | ~9 cm |
| Banda 7 (2600 MHz) | 2500-2690 MHz | ~12 cm | ~3 cm | ~6 cm |
Nelle nostre telecamere PTZ industriali, i due punti di montaggio dell'antenna sono prestabiliti in base alle bande LTE di destinazione per ciascun mercato. Per le unità destinate agli Stati Uniti che operano principalmente sulla banda 12/13 e sulla banda 71, mi assicuro che ci siano almeno 20 cm di distanza tra le due basi dell'antenna.
La polarizzazione incrociata come alternativa
A volte lo spazio fisico è limitato. L'alloggiamento di una telecamera PTZ non è infinitamente grande. In questi casi, utilizzo antenne a polarizzazione incrociata invece di affidarsi esclusivamente alla separazione spaziale. Un'antenna è orientata verticalmente, l'altra a 45° o orizzontalmente.
La polarizzazione incrociata consente di ottenere la diversità attraverso la differenza di polarizzazione piuttosto che attraverso la distanza fisica. Ciò significa che posso montare le due antenne più vicine, a volte a soli 5-8 cm di distanza l'una dall'altra, e ottenere comunque ottime prestazioni di diversità. Il parametro chiave è isolamento dell'antenna, che vorrei vedere a 15 dB o più tra le due porte.
Consigli pratici per l'installazione sul campo
Quando i miei clienti installano antenne esterne su pali o tralicci, do loro tre regole:
- Tenere le antenne a una distanza di almeno 20 cm l'una dall'altra se si utilizza la stessa polarizzazione.
- Utilizzare antenne a polarizzazione incrociata se lo spazio è limitato.
- Non avvolgere i cavi tra loro. Mantenere i cavi coassiali separati per evitare accoppiamenti e perdite di segnale tra i due percorsi RF.
Ho visto installazioni in cui le antenne erano correttamente distanziate, ma i cavi erano legati insieme per l'intera tratta di 3 metri. Questo ha annullato l'isolamento e dimezzato il guadagno della diversità. I piccoli dettagli sono importanti nel lavoro con le radiofrequenze.
Conclusione
Il design a doppia antenna non è un lusso per le implementazioni PTZ remote, ma un requisito fondamentale. La diversità spaziale, il MIMO e l'adeguata distanza tra le antenne garantiscono la stabilità del segnale video laddove le telecamere a singola antenna non riescono a funzionare.
1. Tecnologia MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) per LTE. ︎ 2. Design dell'antenna Yagi per la ricezione direzionale a lungo raggio. ︎ 3. Rapporto segnale/interferenza più rumore per la qualità LTE. ︎ 4. H.265+ Smart Codec riduzione della larghezza di banda per 4G. ︎ 5. Tipi di connettore d'antenna SMA vs TS9 per moduli 4G. ︎ 6. Maximum Ratio Combining (MRC) per la diversità a doppia antenna. ︎ 7. Guida alla misurazione RSRP (Reference Signal Received Power). ︎ 8. Multipath fading e diversità spaziale nei sistemi wireless. ︎ 9. Configurazione dell'antenna a polarizzazione incrociata per telecamere PTZ. ︎ 10. Misura dell'isolamento dell'antenna per sistemi a doppio percorso RF. ︎