Бюджет канала

редактировать

Учет усилений и потерь сигнала при обмене данными

A Бюджет канала - это учет всего мощности прибыли и убытки, которые испытывает коммуникационный сигнал в телекоммуникационной системе ; от передатчика через среду (свободное пространство, кабель, волновод, оптоволокно и т. д.) к приемнику. Это уравнение, дающее полученную мощность от мощности передатчика после ослабления передаваемого сигнала из-за распространения, а также коэффициенты усиления антенны и линии питания и другие потери, и усиление сигнала в приемнике или любых ретрансляторах, через которые он проходит. Бюджет линии связи - это вспомогательное средство проектирования, которое рассчитывается при проектировании системы связи для определения принимаемой мощности, чтобы гарантировать, что информация принимается понятным образом с адекватным отношением сигнал / шум. Случайно меняющиеся коэффициенты усиления канала, такие как затухание, учитываются путем добавления некоторого запаса в зависимости от ожидаемой серьезности его эффектов. Величина требуемого запаса может быть уменьшена за счет использования методов смягчения, таких как разнесение антенн или скачкообразная перестройка частоты.

Простое уравнение бюджета канала выглядит следующим образом:

Принимаемая мощность (дБ ) = передаваемая мощность (дБ) + усиление (дБ) - потери (дБ)

Обратите внимание, что децибелы являются логарифмическими измерениями, поэтому добавление децибел эквивалентно умножение фактических числовых соотношений.

Содержание

1 В радиосистемах
- 1.1 Необходимые упрощения
- 1.2 Линия передачи и потери поляризации
- 1.3 Финал
- 1.4 Уравнение
2 Радиосвязь вне зоны прямой видимости
3 В волноводах и кабелях
- 3.1 Связь Земля – Луна – Земля
- 3.2 Программа «Вояджер»
4 См. Также
5 Ссылки
6 Внешние ссылки

В радиосистемах

Для системы прямой видимости радио основным источником потерь является уменьшение мощности сигнала из-за равномерного распространения, пропорциональное обратному квадрату расстояния (геометрическое распространение).

Передающие антенны по большей части не являются ни изотропными (воображаемый класс антенны с однородным излучением в трех измерениях), ни всенаправленными (настоящий класс антенн с однородным излучением в двух измерениях).
Использование Всенаправленные антенны редко используются в телекоммуникационных системах, поэтому почти каждое уравнение бюджета линии должно учитывать усиление антенны.
Передающие антенны обычно концентрируют мощность сигнала в предпочтительном направлении, обычно в том, в котором размещена приемная антенна.
Мощность передатчика эффективно увеличивается (в направлении максимального усиления антенны). Это системное усиление выражается включением усиления антенны в бюджет линии связи.
Приемная антенна также обычно является направленной и при правильной ориентации собирает больше энергии, чем изотропная антенна; как следствие, усиление приемной антенны (в децибелах от изотропного, дБи) добавляет к принимаемой мощности.
Коэффициенты усиления антенны (передающей или приемной) масштабируются длиной волны рассматриваемого излучения. Этот шаг может не потребоваться, если достигнуты адекватные системные бюджеты каналов.

Необходимы упрощения

Часто уравнения бюджета каналов запутаны и сложны, поэтому для упрощения уравнения передачи Фрииса были разработаны стандартные методы в уравнение бюджета ссылки. Он включает в себя усиление передающей и приемной антенны, потери на трассе в свободном пространстве, а также дополнительные потери и усиления в предположении прямой видимости между передатчиком и приемником.

Член длины волны (или частоты) является частью части потерь в свободном пространстве в бюджете линии связи.
Член расстояния также учитывается в потерях в свободном пространстве.

Линия передачи и потери поляризации

В практических ситуациях (связь в дальнем космосе, DX-передача слабого сигнала и т. Д.) Также следует учитывать другие источники потери сигнала

Передающая и приемная антенны могут быть частично кросс-поляризованными.
Прокладка кабелей между радиостанциями и антеннами может привести к значительным дополнительным потерям.
Потери в зоне Френеля из-за частично загороженного пути прямой видимости.
Доплеровский сдвиг вызвал потери мощности сигнала в приемнике.

Финал

Если предполагаемая принимаемая мощность достаточно велика (обычно относительно чувствительности приемника ), которая может зависеть от используемого протокола связи, ссылка будет полезна для отправки данных. Величина, на которую принимаемая мощность превышает чувствительность приемника, называется запасом линии.

Уравнение

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

PRX = PTX + GTX - LTX - LFS - LM + GRX - LRX {\ displaystyle P_ {RX} = P_ {TX} + G_ {TX} -L_ {TX} -L_ {FS} -L_ {M} + G_ {RX} -L_ {RX} \,}

P_ {RX} = P_ {TX} + G_ {TX} - L_ {TX} - L_ {FS} - L_M + G_ {RX} - L_ {RX} \,

где:

PRX {\ displaystyle P_ {RX}}

P_ {RX}

= принимаемая мощность (дБм)

PTX {\ displaystyle P_ {TX}}

P_ {TX}

= выходная мощность передатчика (дБм)

GTX {\ displaystyle G_ {TX}}

G_ {TX}

= передатчик усиление антенны (дБи)

LTX {\ displaystyle L_ {TX}}

L_ {TX}

= потери передатчика (коаксиальный кабель, разъемы...) (дБ)

LFS {\ displaystyle L_ {FS}}

L_ {FS}

= потери на трассе, обычно потери в свободном пространстве (дБ)

LM {\ displaystyle L_ {M}}

L_M

= различные потери (запас замираний, потери тела, рассогласование поляризации, другие потери...) (дБ)

GRX {\ displaystyle G_ {RX}}

G_ { RX}

= приемник усиление антенны (дБи)

LRX { \ displaystyle L_ {RX}}

L_ {RX}

= потери в приемнике (коаксиальный кабель, разъемы...) (дБ)

Потери из-за распространения между передающей и приемной антеннами, часто называемые потерями на трассе, могут быть записывается в безразмерной форме путем нормализации расстояния к длине волны:

LFS (дБ) = 20 log 10 ⁡ (длина волны 4 π) {\ displaystyle L_ {FS} {\ text {(dB)}} = 20 \ log _ {10} \ left (4 \ pi {{\ text {distance}} \ over {\ text {wavelength}}} \ right)}

{\ displaystyle L_ {FS} {\ text {( дБ)}} = 20 \ log _ {10} \ left (4 \ pi {{\ text {distance}} \ over {\ text {wavelength}}} \ right)}

(где расстояние и длина волны указаны в одинаковых единицах)

При подстановке в приведенное выше уравнение бюджета канала 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 измерения используются, так как каждый выбор включает в себя разное постоянное смещение. Ниже приведены некоторые примеры.

LFS {\ displaystyle L_ {FS}}

L_ {FS}

(дБ) = 32,45 дБ + 20 × log [частота (МГц)] + 20 × log [расстояние (км)]

LFS {\ displaystyle L_ {FS}}

L_ {FS}

(дБ) = - 27,55 дБ + 20 × log [частота (МГц)] + 20 × log [расстояние (м)]

LFS {\ displaystyle L_ {FS} }

L_ {FS}

(дБ) = 36,6 дБ + 20 × log [частота (МГц)] + 20 × log [расстояние (мили)]

Эти альтернативные формы могут быть получены путем замены длины волны на коэффициент распространения скорость (c, приблизительно 3 × 10 ^ 8 м / с), деленная на частоту, и путем вставки соответствующих коэффициентов преобразования между километрами или милями и метрами, а также между МГц и (1 / с).

Радиосвязь вне зоны прямой видимости

Из-за препятствий в здании, таких как стены и потолки, потери распространения в помещении могут быть значительно выше. Это происходит из-за комбинации затухания стенами и потолком, а также засорения оборудованием, мебелью и даже людьми.

Например, стена с деревянными каркасами «2 x 4 » с гипсокартоном с обеих сторон приводит к потерям примерно 6 дБ на стену.
Старые здания могут имеют даже большие внутренние потери, чем новые здания из-за материалов и проблем с прямой видимостью.

Опыт показал, что распространение прямой видимости сохраняется только в течение первых 3 метров. Потери при распространении сигнала 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 следования). Фактические потери при распространении могут значительно отличаться в зависимости от конструкции и планировки здания.

Ослабление сигнала сильно зависит от частоты сигнала.

В волноводах и кабелях

Направляемые среды, такие как коаксиальный и витая пара, электрический кабель, радиочастотный волновод и оптическое волокно, имеют потери, экспоненциальные с увеличением расстояния.

потери на трассе будут выражаться в дБ на единицу расстояния.

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

Дальние расстояния оптоволоконная связь стала практичной только с появлением сверхпрозрачных стеклянных волокон. Типичные потери на трассе для одномодового волокна составляют 0,2 дБ / км, что намного ниже, чем в любой другой управляемой среде.

Связь Земля – Луна – Земля

Бюджеты каналов связи важны в Связи Земля – Луна – Земля. Поскольку альбедо Луны очень низкое (максимум 12%, но обычно ближе к 7%), и потери на трассе на обратном расстоянии 770 000 километров составляют экстремальные (от 250 до 310 дБ в зависимости от используемого диапазона VHF-UHF, формата модуляции и эффектов доплеровского сдвига ), высокой мощности (более 100 Вт) и необходимо использовать антенны с высоким коэффициентом усиления (более 20 дБ).

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

Первый любитель, достигший этого, использовал антенну шириной 25 м, которую он построил дома.

Программа «Вояджер»

Космический корабль программы Вояджер имеет самые высокие известные потери на трассе (308 дБ по состоянию на 2002 г.) и самый низкий бюджет канала связи среди всех телекоммуникационных цепей. Deep Space Network смогла поддерживать канал с более высоким, чем ожидалось, битрейтом за счет ряда улучшений, таких как увеличение размера антенны с 64 м до 70 м для усиления 1,2 дБ и переход на низкий уровень шума. электроника для усиления 0,5 дБ в 2000/2001 гг. Во время пролета Нептун, помимо 70-метровой антенны, были использованы две 34-метровые антенны и двадцать семь 25-метровых антенн для увеличения усиления на 5,6 дБ, что обеспечило дополнительный запас линии связи. для увеличения скорости передачи данных в 4 раза.

См. также

Ссылки

Внешние ссылки