Теория передачи сигналов в диапазоне радиочастот RF

Выше были кратко описаны беспроводные системы, электромагнитный спектр и основные диапазоны частот, которые используются в беспроводных сетях. Далее рассматриваются теоретические основы радиосвязи.

Энергия электромагнитных волн

Для того, чтобы понять, каким образом функционирует беспроводная связь, необходимо изучить вопрос о том, как генерируются и распространяются в пространстве электромагнитные волны. При прохождении тока по металлическому проводу создается электрическое поле, которое, в свою очередь, порождает магнитное поле. У переменного тока, в отличие от постоянного, электрическое поле создается и исчезает с той же частотой, с какой меняется направление тока. Магнитное поле порождается и исчезает с той же скоростью, как и электрическое поле. При таком изменении полей возникает электромагнитная волна, которая излучается проводом, выступающим в данном случае в роли антенны.

Возникающая электромагнитная волна или импульс имеет синусоидальную форму и, соответственно, имеет три основных характеристики волнового процесса — амплитуду, фазу и частоту. Эти характеристики наследуются волной от первоначального электрического сигнала, который дублируется в антенне после того, как он был сгенерирован передатчиком.

Наиболее важными факторами, определяющими эффективность функционирования системы беспроводной связи, являются мощность конечного усилителя радиочастоты и уровень сигнала на входе приемника. Составными элементами передачи на радиочастотах являются передающие каналы, антенны и атмосферный интерфейс.

Измерение мощности

Первым элементом радиопередачи являются передающие каналы. Однако перед обсуждением этих каналов необходимо подчеркнуть важность мощности сигнала и ее измерения, поскольку эта мощность является одним из наиболее важных факторов, определяющих успешную работу системы связи. Назначение передающего канала состоит в том, чтобы надежно передать сигнал на антенну, сведя при этом к минимуму потери в среде передачи. Канал передачи должен иметь соответствующие электрические спецификации, такие как импеданс, коэффициент передачи мощности и уровень потерь. Эти характеристики связаны между собой и весьма важны для разработчика системы. Однако их рассмотрение выходит за рамки настоящего вступительного обзора.

В беспроводной связи мощность сигнала обычно измеряется в ваттах или в дБм. Исходной величиной является мощность 1 мВт, которая принимается за значение О дБм. В мощных радиопередатчиках мощность обычно измеряется в ваттах, однако в устройствах с небольшой выходной мощностью удобнее измерять мощность в дБм.

В табл. 20.2 показано соотношение величин мощности в дБм и Вт.

Для быстрого вычисления мощности в ваттах при наличии значений в дБм следует выполнить следующие действия:

•          При увеличении мощности на 1 дБм значение в ваттах необходимо умножить на 1,25;

•     При увеличении мощности на 2 дБм значение в ваттах следует умножить на 1,5;

•     При увеличении мощности на 3 дБм значение в ваттах следует умножить на 2.

Эти правила можно применять и для обратного преобразования. Например, уменьшение мощности на 3 дБм приводит к уменьшению мощности в ваттах в 2 раза. Для сигнала мощностью 20 дБм или 100 мВт при увеличении мощности на 5 дБм значение в ваттах надо сначала умножить на 2, а затем на 1,5, что дает значение 300 мВт.

Под затуханием понимается потеря мощности сигнала при его прохождении по физической среде, независимо от ее природы — в атмосфере, в физическом передающем канале или в электрической цепи, такой как фильтр. Подобно тому как измеряется усиление (gain) сигнала, так же измеряется и его ослабление или затухание (attenuation). Учет этих потерь необходим для того, чтобы после передачи сигнал поступал на принимающую станцию с достаточным уровнем мощности. Приемник должен быть достаточно чувствительным для того, чтобы он смог выделить требуемую частоту. Если приемник не сможет этого сделать, то невозможно будет выполнить обратное преобразование сигнала и выделить из него передаваемую полезную информацию.

Передающие каналы

Назначение передающего канала состоит в обеспечении физического соединения между передающим и принимающим устройствами. Передающие каналы могут быть реализованы в различных формах и с использованием разных материалов. В беспроводных сетях обычно используются следующие типы каналов:

•      коаксиальные кабели;

•      волноводы.

Каждый из этих типов передающих каналов имеет множество разновидностей, однако независимо от выбранного типа канал обладает следующими характеристиками, которые должны быть учтены при проектировании:

•     затухание радиочастот;

•      импеданс;

•          потери по постоянному току (если этот канал используется также для подачи постоянного тока на преобразователь частоты);

•      физические характеристики, такие как вес и радиус изгиба;

•     стоимость.

Первые три характеристики в определенной степени взаимосвязаны, а также зависят от частот, которые передаются по каналу. Чем выше частота, тем больше затухание и, соответственно, потери.

Критически важным является также значение импеданса, поскольку он должен быть одним и тем же на обоих концах канала. Несовпадение импеданса приводит к ухудшению передачи электрической энергии в точках механического соединения. Другой проблемой, которая возникает при несовпадении импедансов, является возникающее отражение сигналов. Если не все 100% передаваемой энергии передаются через механическое соединение в цепь получателя, то часть энергии направляется в окружающее пространство (такое явление называется утечкой) или отражается в направлении передающего устройства.

Эта энергия может вызвать серьезные проблемы, если фаза отраженного сигнала не совпадает с первоначальной. Если на первоначальный сигнал накладывается его собственное отражение, равное по амплитуде, но с фазой, измененной на 180 градусов, то первоначальный сигнал фактически становится равным нулю. Конечно, трудно представить ситуацию 100%-го отражения сигнала с точно противоположной фазой, однако в определенной степени отражение с измененной фазой всегда имеет место. Результирующий сигнал может увеличиться по сравнению с первоначальным, если имеет мест полное совпадение фаз, но в случае несовпадения фаз происходит ослабление сигнала.

В беспроводных системах такое ослабление замеряется и называется коэффициентом стоячей волны (Voltage Standing Wave Ratio — VSWR). Это значение VSWR характеризует степень несоответствия импедансов передающего канала и его нагрузки, которой в данном случае является антенна. Чем больше это значение, тем больше несоответствие импедансов.

Антенны

Вторым компонентом системы RF-передачи является антенна. Выше была рассмотрено функционирование базового приемника/передатчика и подсоединенного к нему передающего канала. Далее следует рассмотреть другой конец передающего канала, на котором находится антенна. Антенна выполняет две основные функции. Первая из них состоит в приеме энергии радиочастоты от передатчика и ее излучения в требуемом направлении, т.е. в направлении принимающей антенны. Второй функцией является прием энергии от передатчика и передача ее приемнику. Работа антенны определяется несколькими ключевыми факторами, которые обсуждаются далее.

Одновременная дуплексная передача

Рассмотрим понятие одновременной дуплексной передачи. Некоторые радиосистемы позволяют осуществлять постоянную дуплексную (двустороннюю) передачу сигналов. В принципе для такой передачи необходимы две антенны или какое-либо устройство, которое может обеспечить одновременное прохождение сигналов принимающей и передающей частот при использовании одной антенны. Такое устройство называется дуплексором.

Главной функцией дуплексора является разделение и объединение сигналов, что позволяет использовать две различных частоты при наличии лишь одной антенны. Приемная и передающая частоты передаются по одному каналу с одними и теми же RF-характеристиками, поэтому они должны быть достаточно близки друг к другу. Такое использование дуплексора называется мультиплексированием с разделением частот Сfrequency division multiplexing — FDM).

Много лет назад автору пришлось работать с микроволновой радиорелейной системой, в которой использовались квадруплексоры. Это позволяло использовать две передающих и две принимающих частоты при наличии лишь одной антенны. Квадру- плексор был фиксированным, т.е. он не допускал настройки частот и был изготовлен из алюминия путем фрезерования. Его электрические характеристики были аналогичны характеристикам полости и он функционировал как волновод, обеспечивающий прохождение требуемых сигналов и существенно ослабляющий все остальные.

Изотропной антенной называется теоретическая антенна, которая излучает электромагнитные волны равномерно во всех направлениях. Такая антенна используется в качестве эталона при рассмотрении свойств направленных антенн. При оценке антенн используется такая характеристика, как коэффициент усиления антенны, который часто измеряется в dBi и отражает принимающие или излучающие свойства конкретной антенны по сравнению с изотропной. Измерение этой величины позволяет сравнивать различные антенны. На рис. 20.2 проиллюстрированы некоторые положения теории антенн.

Рис. 20.2. Некоторые понятия теории антенн

Эффективная изотропная мощность излучения (Effective Isotropic Radiated Power — EIRP)

Эффективная изотропная мощность излучения (Effective Isotropic Radiated Power — EIRP) равна мощности сигнала радиочастоты, поданного на антенну, умноженной на коэффициент усиления, соответствующий изотропному излучателю.

EIRP вычисляется по формуле: EIRP (dBW) = Ptx (dBW) + Gant (dBi) – Ltlc (dB)

где

•      Ptx — выходная мощность передатчика в дБВт ;

•     Gant — усиление в антенне, обычно вдоль главного лепестка антенны;

•      Ltlc — потери в канале передачи, включая потери в соединениях.

Мощность EIRP обычно выражается в дБВт , однако может быть вычислена в дБм или просто в ваттах. Ниже приводится пример вычисления EIRP в дБм:

EIRP (dBm) = Ptx (dBm) + Gant (dB) – Ltlc (dB)

Например, предположим, что выходная мощность передатчика равна 8,5 Вт, коэффициент антенны равен 11 дБ, потери в кабеле 1,2 дБ и в разъемах 0,25 дБ. Выходная мощность передатчика должна быть сначала преобразована из Вт в ДБм.

EIRP равна

EIRP = 39,29 дБм + 11,0 дБ – 1,45 дБ = 48,84 дБм ( EIRP) Типы антенн

Существует много различных типов антенн. Выбор типа антенны определяется видом излучения, частотой и радиочастотными характеристиками покрытия беспроводной сети. Именно при выборе антенны должна быть оценена принятая концепция EIRP, поскольку она является критически важным фактором при выборе антенны.

Для беспроводных систем существует много типов антенн. Основным критерием при выборе антенны является ее направленность. В этом отношении антенны делятся на два основных типа:

•      Всенаправленные;

•      Однонаправленные или просто направленные антенны.

Всенаправлеиными называются антенны, в которых излучаемая энергия распространяется равномерно во всех направлениях. В однонаправленной антенне энергия распространяется преимущественно в одном направлении.

Перед тем, как продолжить обсуждение, целесообразно более подробно проанализировать понятие "во всех направлениях".

При описании антенны необходимо также рассмотреть такую ее характеристику, как поляризация. Под поляризацией понимается физическое расположение активного элемента относительно Земли. Активным элементом антенны называется та ее часть, на которую подается сигнал, и с которой, соответственно, происходит излучение энергии. Антенны могут иметь горизонтальную или вертикальную поляризацию. Различие между изотропной и всенаправленной антеннами состоит в том, что всесторонняя антенна излучает электромагнитные волны на весь сектор 360°, однако реальный характер излучения определяется поляризацией активного элемента.

Физические компоненты антенны включают в себя один или несколько активных элементов, рефлекторы (отражатели) и пассивные вибраторы. Активным элементом называется часть антенны, с которой происходит излучение энергии или прием электромагнитных волн от других источников излучения. Это элемент соединен с приемником/передатчиком через передающий канал.

Одностороння антенна направляет излучаемую энергию в конкретном направлении и, следовательно, концентрирует ее. Это осуществляется с помощью рефлекторов. Основными типами направленных антенн являются параболические антенны, полупараболические, зеркальные, панельные и антенны типа "волновой канал". Они имеют высокий коэффициент усиления и могут иметь очень узкую направленность. Эти антенны используются как в каналах типа "точка-точка", так и в многоточечных каналах. При использовании соответствующей конструкции они могут иметь частичную направленность, в том смысле, что их диапазон излучения представляет собой сектор. Например, в мобильной связи или в широкополосной многоточечной связи приемопередатчик концентратора может использовать три антенны, каждая из которых охватывает сектор 120°, что позволяет сконцентрировать излучаемую энергию в требуемом секторе (рис. 20.3). При этом в каждом секторе необходимо обеспечить эффективное использование доступных частот. Если имеется несколько смежных областей и их сотовые ячейки используют схожие разделения частот, то становится возможным интерференция между ними, поэтому необходимо установить такое разделение частот, которое исключало бы наложение частот различных сигналов.

Рис. 20.3. Три сектора антенны, каждый из которых охватывает диапазон 120 градусов

Важным понятием, которое используется при выборе типа однонаправленной конической (или зеркальной) антенны, является ширина луча. Излучаемая энергия концентрируется при помощи конуса, который выполняет функции рефлектора. Аналогичный принцип используется в карманных фонариках типа Maglite. В этом фонарике при повороте обоймы фактически происходит перемещение лампочки по оси, что приводит к сужеиию или расширению светового пучка. Такое же явление имеет место для электромагнитных волн, излучаемых зеркальной антенной. Действительный уровень излучаемой энергии ( в данном случае световой) остается неизменным, однако эта энергия распространяется на большей площади. Вследствие этого зона, в которой может быть принят сигнал, становится более широкой. При такой концентрации излучения можно использовать сигнал меньшей мощности или достигать большей дальности передачи. На рис. 20.4 показан один из типов направленной антенны.

На рис. 20.5 показана типичная всенаправленная антенна. Такие антенны используются в тех случаях, когда желательно распространять передаваемый сигнал от базовой станции или передатчика во всех направлениях, т.е. в полном круговом секторе 360°. Типичными системами, в которых это требуется, являются широковещательные радиостанции и навигационные системы. Однако даже при использовании всенапрашенной антенны следует иметь в виду, что из-за внешних по отношению к антенне факторов на практике равномерного кругового охвата получить все же не удается. Это связано как с особенностями излучения антенны, так и с различиями в среде распространения сигналов.

Рис. 20.6. Зона Френеля и кривизна Земли

Для вычисления радиуса зоны Френеля используется следующая формула: Rft= 72.! ""квадратный корень из D1 * D2 / FD

где

•      Rft — радиус первой зоны Френеля в футах,

•      D1 — расстояние от передатчика до препятствия на маршруте передачи сигнала;

•      D2 — расстояние от препятствия па маршруте передачи сигнала ло приемника;

•      F — частота сигнала в ГГп;

•      D = Dl + D2 — расстояние передачи в милях.

Для вычисления эффекта кривизны Земли используется следующая формула: Кривизна Земли в футах = D2 / 8 где

•      D2 — квадрат расстояния между антеннами

В табл. 20.3 приведены стандартные значения для типичных расстояний передачи сигналов.

Для эффективной передачи сигнала необходимо найти способ добиться того, чтобы зона Френеля была достаточно свободна от препятствий и учесть кривизну Земли. Возможно, что для этого придется поднять антенну на мачте. Необходимо также принять во внимание географические особенности местности. Для того, чтобы беспроводная система работала в соответствии с предъявляемыми требованиями, необходимо

Литература:

Руководство по технологиям объединенных сетей, 4-е издание. : Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильяме», 2005. — 1040 с.: ил. – Парал. тит. англ.

Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.

Оставьте отзыв

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

 
Rambler's Top100