Бюджет ссылки

Учет усиления и потери сигнала в коммуникациях

Бюджет линии связи — это учет всех усилений и потерь мощности , которые испытывает сигнал связи в телекоммуникационной системе; от передатчика, через среду связи, такую ​​как радиоволны , кабель , волновод или оптоволокно , к приемнику. Это уравнение, дающее полученную мощность от мощности передатчика, после затухания переданного сигнала из-за распространения, а также усиления антенны и фидерной линии и других потерь, и усиления сигнала в приемнике или любых ретрансляторах , через которые он проходит. Бюджет линии связи — это вспомогательное средство проектирования, рассчитываемое во время проектирования системы связи для определения полученной мощности, чтобы гарантировать, что информация принимается разборчиво с адекватным отношением сигнал/шум . Случайно изменяющиеся усиления канала, такие как замирание, учитываются путем добавления некоторого запаса в зависимости от ожидаемой серьезности его эффектов. Величина требуемого запаса может быть уменьшена с помощью смягчающих методов, таких как разнесение антенн или множественный вход и множественный выход (MIMO).

Простое уравнение бюджета ссылки выглядит следующим образом:

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

Уровни мощности выражаются в ( дБм ). Прирост и потеря мощности выражаются в децибелах (дБ), что является логарифмической величиной, поэтому добавление децибел эквивалентно умножению фактических соотношений мощностей.

В радиосистемах

Для радиосистем прямой видимости основным источником потерь является уменьшение мощности сигнала по мере его распространения на все большую площадь пропорционально квадрату расстояния (геометрическое рассеивание).

• Передающие антенны могут быть всенаправленными, направленными или секторными, в зависимости от того, как ориентирована мощность антенны. Всенаправленная антенна будет равномерно распределять мощность в каждом направлении плоскости, поэтому диаграмма направленности имеет форму сферы, зажатой между двумя параллельными плоскими поверхностями. Они широко используются во многих приложениях, например, в точках доступа WiFi. Направленные антенны концентрируют мощность в определенном направлении, называемом линией визирования, и широко используются в приложениях точка-точка, таких как беспроводные мосты и спутниковая связь. Секторные антенны концентрируют мощность в более широкой области, обычно охватывающей 45º, 60º, 90º или 120º. Они обычно развертываются в сотовых вышках.

Необходимы упрощения

Потери в свободном пространстве легко вычисляются с помощью уравнения передачи Фрииса , которое гласит, что потери пропорциональны квадрату расстояния и квадрату частоты. Кроме того, потери возникают в большинстве радиолиний, включая атмосферное затухание из-за газов, дождя, тумана и облаков. Затухание из-за изменений канала, многолучевые потери и несоосность антенны. В линиях связи вне прямой видимости потери из-за дифракции и отражения являются наиболее важными, поскольку прямой путь недоступен.

Линия передачи и потери поляризации

В практических ситуациях (дальняя космическая связь, слабый сигнал DXing и т. д.) необходимо также учитывать другие источники потери сигнала.

• Передающие и приемные антенны могут быть частично кросс-поляризованы.
• Прокладка кабелей между радиостанциями и антеннами может привести к значительным дополнительным потерям.
• Потери в зоне Френеля из-за частичного перекрытия линии прямой видимости.
• Доплеровский сдвиг вызвал потери мощности сигнала в приемнике.

Эндшпиль

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

Уравнение

Уравнение бюджета связи, включающее все эти эффекты, выраженное 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:

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

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

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

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

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

${\displaystyle L_{\text{M}}}$, прочие потери ( затухание , потеря в корпусе, несоответствие поляризации, другие потери, ...) (дБ)

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

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

Потери, возникающие при распространении между передающей и приемной антеннами, часто называемые потерями на трассе, можно записать в безразмерной форме, нормализуя расстояние к длине волны:

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

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

В некоторых случаях удобно рассматривать потери из-за расстояния и длины волны отдельно, но в этом случае важно отслеживать, какие единицы используются, поскольку каждый выбор подразумевает 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 можно получить, заменив длину волны отношением скорости распространения ( c , приблизительно3 × 10 ⁸  м/с ), деленное на частоту, и путем введения соответствующих коэффициентов преобразования между км или милями и метрами, а также между МГц и (1/с).

Радиосвязь вне зоны прямой видимости

Из-за строительных препятствий, таких как стены и потолки, потери распространения внутри помещений могут быть значительно выше. Это происходит из-за комбинации ослабления стенами и потолками, а также блокировки оборудованием, мебелью и даже людьми.

• Например, деревянная каркасная стена размером 2 на 4 дюйма с гипсокартоном с обеих сторон приводит к потере около 6 дБ на стену на частоте 2,4 ГГц. ^[2]
• В старых зданиях внутренние потери могут быть даже больше, чем в новых зданиях, из-за проблем с материалами и прямой видимостью.

Опыт показал, что распространение по прямой видимости сохраняется только на расстоянии около первых 3 метров. За пределами 3 метров потери распространения в помещении могут увеличиться до 30 дБ на 30 метров в плотных офисных помещениях. Это хорошее эмпирическое правило, поскольку оно консервативно (в большинстве случаев оно завышает потери на пути). ^{[ необходима цитата ]} Фактические потери распространения могут значительно различаться в зависимости от конструкции и планировки здания.

Затухание сигнала сильно зависит от частоты сигнала.

В волноводах и кабелях

Направляемые среды, такие как коаксиальный и витой электрический кабель, радиочастотный волновод и оптоволокно, имеют потери, которые экспоненциально зависят от расстояния.

Потери на трассе будут измеряться в дБ на единицу расстояния.

Это означает, что всегда существует расстояние пересечения, за пределами которого потери в направленной среде будут превышать потери на пути прямой видимости той же длины.

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

Связь Земля–Луна–Земля

Бюджеты связи важны для связи Земля–Луна–Земля . Поскольку альбедо Луны очень низкое (максимум 12%, но обычно ближе к 7%), а потери на пути обратного сигнала на расстоянии 770 000 км экстремальны (около 250–310 дБ в зависимости от используемого диапазона VHF-UHF, формата модуляции и эффектов доплеровского сдвига ), необходимо использовать антенны высокой мощности (более 100 Вт) и с высоким коэффициентом усиления (более 20 дБ).  

• На практике это ограничивает использование данной технологии спектром VHF и выше.
• Для обеспечения возможности EME-связи Луна должна находиться над горизонтом.

Программа «Вояджер»

Космические аппараты программы Voyager имеют самые высокие известные потери на трассе (308  дБ по состоянию на 2002 год ^{[4] : 26} ) и самые низкие бюджеты связи среди всех телекоммуникационных цепей. Сеть Deep Space Network смогла поддерживать связь на более высокой, чем ожидалось, скорости передачи данных благодаря ряду усовершенствований, таких как увеличение размера антенны с 64  м до 70  м для усиления на 1,2  дБ и модернизация до малошумящей электроники для  усиления на 0,5 дБ в 2000–2001 годах. Во время пролета Нептуна , в дополнение к 70-метровой антенне, использовались две 34-метровые антенны и двадцать семь 25-метровых антенн для увеличения усиления на 5,6  дБ, что обеспечивает дополнительный запас связи для использования при 4-кратном увеличении скорости передачи данных. ^{[4] : 35}

Смотрите также

• Уравнение передачи Фрииса
• Коэффициент усиления антенны к шумовой температуре
• Изотропный радиатор
• Диаграмма направленности излучения
• Многолучевое распространение
• планирование радиочастот

Ссылки

1. "Архивная копия". people.deas.harvard.edu . Архивировано из оригинала 1 сентября 2005 года . Получено 12 января 2022 года .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
2. "Учебник по базовому анализу бюджета ссылок" (PDF) . sss-mag.com . Получено 4 июня 2023 г. .
3. "Архивная копия" (PDF) . www.corningcablesystems.com . Архивировано из оригинала (PDF) 28 сентября 2007 г. . Получено 12 января 2022 г. .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
4. JPL Deep Space Communications and Navigation Systems (март 2002 г.). "Voyager Telecommunications" (PDF) . descanso.jpl.nasa.gov . Получено 04.08.2017 .

Внешние ссылки

• Калькулятор бюджета соединения для беспроводной локальной сети
• Калькулятор бюджета соединения точка-точка
• Калькулятор/планировщик бюджета MUOS Link
• Примеры бюджетов соединений LTE, GSM и UMTS
• Калькулятор бюджета ссылок Python для спутников
• Бюджет связи малых спутников (с примерами на Python)