Введение

Учет усиления и потерь сигнала в системах связи

Бюджет канала связи – это расчет всех усилений и потерь мощности, которые испытывает сигнал в телекоммуникационной системе, от передатчика через среду передачи, такую как радиоволны, кабель, волновод или оптическое волокно, до приемника. Это уравнение, определяющее мощность принятого сигнала, исходя из мощности передатчика, после ослабления сигнала при распространении, а также с учетом усиления антенны, потерь в линии передачи и других потерь, и усиления сигнала в приемнике или любых ретрансляторах, через которые он проходит. Бюджет канала связи является инструментом проектирования, рассчитываемым при разработке системы связи для определения мощности принятого сигнала и обеспечения разборчивости принимаемой информации с достаточным отношением сигнал/шум. Случайные изменения характеристик канала, такие как затухание, учитываются путем добавления некоторого запаса, зависящего от предполагаемой степени их влияния. Необходимый запас может быть уменьшен за счет использования методов компенсации, таких как антенное разнесение или технология MIMO (множественный вход, множественный выход). Простое уравнение бюджета канала связи выглядит следующим образом:

Мощность принятого сигнала (дБм) = Мощность переданного сигнала (дБм) + Усиление (дБ) – Потери (дБ)

Уровни мощности выражаются в (дБм), усиления и потери мощности – в децибелах (дБ), которые являются логарифмической мерой, поэтому сложение децибел эквивалентно умножению фактических коэффициентов мощности.

В радиосистемах

Для радиосистемы прямой видимости основным источником потерь является уменьшение мощности сигнала при его распространении на увеличивающуюся площадь, пропорциональное квадрату расстояния (геометрическое распространение). Передающие антенны могут быть всенаправленными, направленными или секторными, в зависимости от ориентации мощности антенны. Всенаправленная антенна равномерно распределяет мощность во всех направлениях плоскости, поэтому диаграмма направленности имеет форму сферы, сжатой между двумя параллельными плоскими поверхностями. Они широко используются во многих приложениях, например, в точках доступа Wi-Fi. Направленные антенны концентрируют мощность в определенном направлении, называемом осью направленности, и широко применяются в точках типа беспроводных мостов и спутниковой связи. Секторные антенны концентрируют мощность в более широком секторе, обычно охватывающем 45°, 60°, 90° или 120°. Они регулярно используются в базовых станциях сотовой связи.

Необходимо упрощение

Потеря свободного пространства легко рассчитывается с использованием уравнения передачи Фриса, которое утверждает, что потеря пропорциональна квадрату расстояния и квадрату частоты. Кроме того, потери возникают в большинстве радиосвязных линий, включая атмосферное поглощение газами, дождем, туманом и облаками. Также возникают затухания, вызванные изменениями в канале, многолучевыми потерями и рассогласованием антенн. В каналах связи без прямой видимости наиболее важными являются потери на дифракцию и отражение, поскольку прямой путь недоступен.

Линия передачи и потери поляризации

В практических ситуациях (телекоммуникации в глубоком космосе, слабосигнальная DXing и т. д.) необходимо также учитывать другие источники потерь сигнала. Передающие и принимающие антенны могут быть частично перекрестно поляризованы. Кабели между радиостанциями и антеннами могут вносить значительные дополнительные потери. Потери в зоне Френеля, вызванные частично прегражденным радиоканалом прямой видимости. Потери мощности сигнала в приемнике, вызванные эффектом Доплера.

Конец игры

Если расчетная мощность принятого сигнала достаточно велика (обычно относительно чувствительности приемника), что может зависеть от используемого протокола связи, канал связи будет пригоден для передачи данных. Разница между мощностью принятого сигнала и чувствительностью приемника называется запасом прочности канала связи.

Радиоприемник вне зоны видимости

Из-за строительных преград, таких как стены и потолки, затухание сигнала в помещении может быть значительно выше. Это происходит из-за сочетания ослабления сигнала стенами и потолками, а также блокировки, вызванной оборудованием, мебелью и даже людьми. Например, стена из деревянных стоек размером 5x10 см, обшитая гипсокартоном с обеих сторон, приводит к потере около 6 дБ на стену при частоте 2,4 ГГц. В старых зданиях внутренние потери могут быть даже больше, чем в новых, из-за используемых материалов и проблем с прямой видимостью. Практика показывает, что распространение в прямой видимости сохраняется только на первых 3 метрах. На расстоянии более 3 метров затухание сигнала в помещении может увеличиваться до 30 дБ на каждые 30 метров в плотных офисных помещениях. Это хорошее эмпирическое правило, поскольку оно является консервативным (в большинстве случаев оно завышает потери сигнала). Фактическое затухание сигнала может значительно варьироваться в зависимости от конструкции и планировки здания. Ослабление сигнала сильно зависит от частоты сигнала.

В волноводах и кабелях

Направляющие среды, такие как коаксиальный и витой парный электрический кабель, радиочастотные волноводы и оптическое волокно, имеют потери, которые экспоненциально возрастают с расстоянием. Затухание сигнала будет выражаться в децибелах на единицу длины. Это означает, что всегда существует определенное расстояние, после которого потери в направляющей среде превысят потери на линии прямой видимости той же длины. Дальномагистральная волоконно-оптическая связь стала возможной только с разработкой ультрапрозрачных стеклянных волокон. Типичное затухание сигнала для одномодового волокна составляет 0,2 дБ/км, что значительно ниже, чем для любой другой направляющей среды.

Земля-Луна-Земля коммуникации

Бюджеты каналов связи важны для связи Земля-Луна-Земля. Поскольку альбедо Луны очень низкое (максимально 12%, но обычно ближе к 7%), а затухание сигнала на расстоянии возврата в 770 000 километров крайне велико (примерно от 250 до 310 дБ в зависимости от используемого диапазона VHF/UHF, формата модуляции и эффекта Доплера), необходимо использовать высокую мощность передачи (более 100 Вт) и антенны с высоким коэффициентом усиления (более 20 дБ). На практике это ограничивает применение данной методики спектром частот, начиная с VHF и выше. Для возможности осуществления связи EME Луна должна находиться над горизонтом.

Программа "Вояджер"

Космические аппараты программы "Вояджер" демонстрируют наибольшие известные потери сигнала (308 дБ по состоянию на 2002 год) и наименьший энергетический запас канала связи среди всех телекоммуникационных каналов. Сеть дальнего космоса (Deep Space Network) смогла поддерживать связь с более высокой, чем ожидалось, скоростью передачи данных благодаря ряду усовершенствований, включая увеличение размера антенны с 64 м до 70 м, что дало прирост в 1,2 дБ, и модернизацию до малошумящей электроники, обеспечившей прирост в 0,5 дБ в 2000–2001 годах. Во время пролёта мимо Нептуна, помимо 70-метровой антенны, использовались две 34-метровые и двадцать семь 25-метровых антенн для увеличения усиления сигнала на 5,6 дБ, что обеспечило дополнительный запас прочности канала связи для четырехкратного увеличения скорости передачи данных.