Verbesserung der Empfangsempfinlichkeit mit Vorverstärker

Obwohl das Link Budget bei mir zuhause vollkommen ausreicht, denke ich schon länger daran die Empfangsempfindlichkeit meines TiNo-Gateways mit einem Vorverstärker auf die Spitze zu treiben. Das Prinzip ist von jeder Satellitenanlage her bekannt – für den Signal/Rausch Abstand ist im Wesentlichen die erste Verstärkerstufe in einer Kaskade von aktiven Komponenten verantwortlich.

Der SPF5189Z von RFMD ist ein Breitband LNA (Low Noise Amplifier), spezifiziert bis 4 GHz mit einer Rauschzahl von 0.6 dB bei 900MHz und einer Verstärkung von nominal 18.7dB. Fertig aufgebaute Boards mit SMA Anschlüssen gibt es für ca. 4 EUR zu kaufen.

Das Ergebnis

Auf dem Diagramm ist die Bitfehlerrate eines empfangenen Pakets in Abhängigkeit vom Eingangspegel aufgetragen. Nimmt man bei einer Bitfehlerrate von 0.1% die Differenz, so beträgt die Verbesserung der Empfindlichkeit beim TiNo-HP mit dem RFM69HCW Modul etwa 5 dB (blaue bzw. rote Kurve), beim TiNo-LC mit dem RFM69CW Modul sogar 8 dB (grüne bzw. violette Kurve).

Berechnung mit der Friis-Formel

Nach der Friis-Formel berechnet sich die Rauschzahl mit LNA zu: wobei Frest die Rauschzahl des RFM Moduls ist, FLNA die Rauschzahl des Vorverstärkers und GLNA die Leistungsverstärkung des Vorverstärkers. Aber was ist die Rauschzahl des RFM69(H)CW Moduls?

Blick ins Datenblatt

Das Datenblatt des RFM69HCW spezifiziert die Rauschzahl nicht explizit, aber es findet sich ein Hinweis bei der Erklärung des Algorithmus der AGC (automatic gain control). Dieser Algorithmus geht von einer Rauschzahl von 7 dB für den LNA aus und von einem Signal-Rausch-Abstand von 8dB welches der Demodulator braucht um FSK Signale detektieren zu können.

Abschätzung der Empfangsempfindlichkeit

Mit den Angaben aus dem Datenblatt kann man die erwartete Empfangsempfindlichkeit abschätzen:

-174dBm/Hz + 10 log10(RXBW*2) + SNDemod + FLNA = -174+51+8+7 = -108 dBm

-174dB/Hz ist das Hintergrundrauschen. Multipliziert mit der Filterbandbreite RXBW in Hz des Empfängers bekommt man die Rauschleistung am Antenneneingang, die immer da ist und unvermeidbar ist. Zu dieser Rauschleistung kommt die vom LNA erzeugte Rauschleistung FLNA hinzu. Um Signale sauber detektieren zu können soll das Signal etwa 8dB über dem Rauschen liegen, also SNDEMOD=8dB. Damit ist die erwartete Empfindlichkeit des TiNo etwa -108 dBm. Das entspricht genau dem wert den ich sonst auch immer messe. Schaltet man nun den SPF5189Z LNA vor den TiNo, verringert sich die Rauschzahl nach der Friis-Formel auf ca. 1 dB, die Empfindlichkeit verbessert sich also um 6 dB auf -114 dBm.
Bei dem für diesen Beitrag vermessenen TiNo-HP ist die Empfindlichkeit ohne LNA -110dBm, was um 2 dB deutlich über dem Durchschnitt liegt. Dementsprechend ist auch die Empfindlichkeit mit vorgeschaltetem LNA etwa 1 dB besser als erwartet.

Praxistest

Achtung! Der folgende Testaufbau ist nicht zur Nachahmung empfohlen, wenn das Gateway auch etwas senden soll, beispielsweise Empfangsbestätigungen. Dies kann den LNA zerstören!

Der Aufbau im Bild links dient ausschliesslich dazu das Konzept mit vorgeschaltetem LNA in der Praxis zu testen. Dazu habe ich den TiNo als Empfaenger konfiguriert und mit einer SMA Buchse versehen. In der Firmware habe ich eine Sperre eingebaut damit nicht gesendet werden kann. An die Antennenbuchse des TiNo wird der Ausgang des LNA gekoppelt, an dessen Eingang kommt eine selbst gebaute Dipol Antenne. Die Stromversorgung erfolgt mit 3.3V direkt vom FTDA Adapter.

Weil ich keine Sensoren betreibe wo die Grenzen der Empfindlichkeit erreicht werden, stelle ich momentan eigentlich nur fest dass die Signale mit wesentlich höherem RSSI herein kommen, um eine Empfindlichkeitsverbesserung nachzuweisen muss ich ein paar Nodes entsprechend konfigurieren.