Связать бюджет

Учет усиления и потери сигнала в связи

Бюджет линии связи — это учет всех приростов и потерь мощности , которые испытывает сигнал связи в телекоммуникационной системе; от передатчика через среду связи , такую ​​как радиоволны , кабель , волновод или оптическое волокно , к приемнику. Это уравнение, позволяющее получить полученную мощность из мощности передатчика после затухания передаваемого сигнала из-за распространения, а также усиления антенны , фидерной линии и других потерь, а также усиления сигнала в приемнике или любых ретрансляторах , через которые он проходит. . Бюджет канала — это вспомогательное средство проектирования, рассчитываемое во время проектирования системы связи для определения принимаемой мощности, чтобы гарантировать, что информация принимается разборчиво с адекватным соотношением сигнал/шум . Случайно изменяющиеся коэффициенты усиления канала, такие как замирание , учитываются путем добавления некоторого запаса в зависимости от ожидаемой серьезности его последствий. Требуемый запас можно уменьшить за счет использования методов снижения помех, таких как разнесение антенн или многовходовое и многовыходное управление (MIMO).

Простое уравнение ссылочного бюджета выглядит следующим образом:

Принимаемая мощность (дБм) = передаваемая мощность (дБм) + усиление (дБ) − потери (дБ)

Уровни мощности выражаются в ( дБм ). Приросты и потери мощности выражаются в децибелах (дБ), что является логарифмическим измерением, поэтому добавление децибел эквивалентно умножению фактического коэффициента мощности.

В радиосистемах

Для радиосистемы прямой видимости основным источником потерь является уменьшение мощности сигнала по мере его распространения по увеличивающейся площади по мере распространения, пропорционально квадрату расстояния (геометрическое расширение).

• Передающие антенны могут быть всенаправленными, направленными или секторными, в зависимости от того, как направлена ​​мощность антенны. Всенаправленная антенна равномерно распределяет мощность во всех направлениях плоскости, поэтому диаграмма направленности имеет форму сферы, зажатой 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 направлением прицела, и широко используются в приложениях «точка-точка», таких как беспроводные мосты и спутниковая связь. Секторные антенны концентрируют мощность в более широкой области, обычно охватывающей 45°, 60°, 90° или 120°. Они обычно размещаются в вышках сотовой связи.

Необходимы упрощения

Потери в свободном пространстве легко рассчитать с помощью уравнения передачи Фрииса , которое утверждает, что потери пропорциональны квадрату расстояния и квадрату частоты. Кроме того, в большинстве радиоканалов возникают потери, включая атмосферное затухание из-за газов, дождя, тумана и облаков. Замирание из-за изменений в канале, потерь из-за многолучевого распространения и несоосности антенны. В линиях, не находящихся в прямой видимости, потери на дифракцию и отражение являются наиболее важными, поскольку прямой путь недоступен.

Линия передачи и потери поляризации

В практических ситуациях (телекоммуникации в дальнем космосе, передача слабого сигнала и т. д.) необходимо также учитывать другие источники потери сигнала.

• Передающая и приемная антенны могут быть частично кросс-поляризованными.
• Кабели между радиостанциями и антеннами могут привести к значительным дополнительным потерям.
• Потери зоны Френеля из-за частичного перекрытия пути прямой видимости.
• Потери мощности сигнала в приемнике, вызванные доплеровским сдвигом .

Финал

Если расчетная полученная мощность достаточно велика (обычно относительно чувствительности приемника ), что может зависеть от используемого протокола связи, канал будет полезен для отправки данных. Величина, на которую принимаемая мощность превышает чувствительность приемника, называется запасом связи .

Уравнение

Уравнение бюджета канала, включающее все эти эффекты, выраженные логарифмически, может выглядеть следующим образом:

${\displaystyle P_{\text{RX}}=P_{\text{TX}}+G_{\text{TX}}-L_{\text{TX}}-L_{\text{FS}}-L_{M}+G_{\text{RX}}-L_{\text{RX}}\,}$

где:

${\displaystyle P_{\text{RX}}}$, полученная мощность (дБм)

${\displaystyle P_{\text{TX}}}$, выходная мощность передатчика (дБм)

${\displaystyle G_{\text{TX}}}$, усиление антенны передатчика (дБи)

${\displaystyle L_{\text{TX}}}$, потери передатчика (коаксиал, разъемы...) (дБ)

${\displaystyle L_{\text{FS}}}$, потери на трассе , обычно потери в свободном пространстве (дБ)

${\displaystyle L_{\text{M}}}$, разные потери ( затухание , потеря массы, несоответствие поляризации, другие потери, ...) (дБ)

${\displaystyle G_{\text{RX}}}$, усиление антенны приемника (дБи)

${\displaystyle L_{\text{RX}}}$, потери приемника (коаксиальный кабель, разъемы, ...) (дБ)

Потери из-за распространения между передающей и приемной антеннами, часто называемые потерями на трассе, можно записать в безразмерной форме, нормировав расстояние на длину волны:

${\displaystyle L_{\text{FS}}{\text{(dB)}}=20\log _{10}\left(4\pi {{\text{distance}} \over {\text{wavelength}}}\right)}$(где расстояние и длина волны выражены в одних и тех же единицах)

При подстановке в уравнение бюджета линии, приведенное выше, результатом является логарифмическая форма уравнения передачи Фрииса .

В некоторых случаях удобно учитывать потери из-за расстояния и длины волны отдельно, но в этом случае важно отслеживать, какие единицы измерения используются, поскольку каждый выбор предполагает различное постоянное смещение. Некоторые примеры приведены ниже.

${\displaystyle L_{\text{FS}}}$(дБ) ≈ 32,45 дБ + 20 log10[частота (МГц)] + 20 log10[расстояние (км)] ^[1]

${\displaystyle L_{\text{FS}}}$(дБ) ≈ -27,55 дБ + 20 log10[частота (МГц)] + 20 log10[расстояние (м)]

${\displaystyle L_{\text{FS}}}$(дБ) ≈ 36,6 дБ + 20 log10[частота (МГц)] + 20 log10[расстояние (мили)]

Эти альтернативные формы могут быть получены путем замены длины волны на отношение скорости распространения ( c , приблизительно3 × 10 ⁸  м/с ), разделенных на частоту и путем введения соответствующих коэффициентов преобразования между км или милями и метрами, а также между МГц и (1/с).

Радио вне прямой видимости

Из-за строительных препятствий, таких как стены и потолки, потери при распространении внутри помещений могут быть значительно выше. Это происходит из-за сочетания затухания стенами и потолками и блокировки оборудованием, мебелью и даже людьми.

• Например, деревянная каркасная стена размером 2 на 4 дюйма с гипсокартоном с обеих сторон приводит к потерям около 6 дБ на стену на частоте 2,4 ГГц. ^[2]
• Старые здания могут иметь даже большие внутренние потери, чем новые здания, из-за материалов и проблем с прямой видимостью.

Опыт показал, что распространение в пределах прямой видимости сохраняется только на протяжении примерно первых 3 метров. Потери при распространении на расстоянии более 3 метров в помещении могут увеличиваться до 30 дБ на 30 метров в плотных офисных помещениях. Это хорошее практическое правило, поскольку оно консервативно (в большинстве случаев оно завышает потери на пути). ^{[ нужна цитата ]} Фактические потери при распространении могут значительно варьироваться в зависимости от конструкции и планировки здания.

Затухание сигнала сильно зависит от частоты сигнала.

В волноводах и кабелях

В направляемых средах, таких как коаксиальный электрический кабель и витая пара, радиочастотный волновод и оптическое волокно, потери экспоненциально зависят от расстояния.

Потери на трассе будут выражаться в дБ на единицу расстояния.

Это означает, что всегда существует расстояние пересечения, за которым потери в направляемой среде превысят потери на пути прямой видимости той же длины.

Оптоволоконная связь на большие расстояния стала практичной только с развитием сверхпрозрачных стеклянных волокон. Типичные потери на трассе одномодового волокна составляют 0,2 дБ/км, ^[3] намного ниже, чем в любой другой направляемой среде.

Связь Земля-Луна-Земля

Бюджеты каналов важны для связи Земля-Луна-Земля . Поскольку альбедо Луны очень низкое (максимум 12%, но обычно ближе к 7%), а потери на трассе на обратном расстоянии в 770 000 километров очень велики (около 250–310 дБ в зависимости от используемого диапазона ОВЧ-УВЧ, формата модуляции и эффекты доплеровского сдвига ), необходимо использовать антенны большой мощности (более 100 Вт) и с высоким коэффициентом усиления (более 20 дБ). 

• На практике это ограничивает использование этого метода спектром ОВЧ и выше.
• Луна должна находиться над горизонтом, чтобы была возможна связь EME.

Программа Вояджер

Космический корабль программы «Вояджер» имеет самые высокие известные потери на трассе (308  дБ по состоянию на 2002 год ^{[4] : ​​26} ) и самый низкий бюджет канала среди всех телекоммуникационных схем. Сеть Deep Space Network смогла поддерживать связь на более высокой, чем ожидалось, скорости передачи данных благодаря ряду улучшений, таких как увеличение размера антенны с 64  м до 70  м для  усиления 1,2 дБ и переход на малошумящую электронику для усиления 0,5 дБ.  Прирост дБ в 2000–2001 гг. Во время облета Нептуна помимо 70-метровой антенны были использованы две 34-метровые антенны и двадцать семь 25-метровых антенн, что позволило увеличить коэффициент усиления на 5,6  дБ, обеспечив дополнительный запас на линии связи, который можно использовать для увеличения мощности в 4 раза. битрейт. ^{[4] : 35}

Смотрите также

• Уравнение передачи Фрииса
• Отношение коэффициента усиления антенны к шумовой температуре
• Изотропный радиатор
• Диаграмма направленности
• Многолучевое распространение
• РФ планирование

Рекомендации

1. «Архивная копия». люди.deas.harvard.edu . Архивировано из оригинала 1 сентября 2005 года . Проверено 12 января 2022 г.{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
2. «Учебное пособие по базовому анализу бюджета ссылок» (PDF) . sss-mag.com . Проверено 4 июня 2023 г.
3. «Архивная копия» (PDF) . www.corningcablesystems.com . Архивировано из оригинала (PDF) 28 сентября 2007 года . Проверено 12 января 2022 г.{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
4. JPL Системы дальней космической связи и навигации (март 2002 г.). «Вояджер Телекоммуникации» (PDF) . descanso.jpl.nasa.gov . Проверено 4 августа 2017 г.

Внешние ссылки

• Калькулятор бюджета канала для беспроводной локальной сети
• Калькулятор бюджета двухточечной линии связи
• Калькулятор/планировщик бюджета MUOS Link
• Примеры бюджетов каналов LTE, GSM и UMTS
• Калькулятор бюджета связи Python для спутников
• Бюджет малых спутниковых каналов (с примерами на Python)