Связать бюджет

— Бюджет линии связи это учет всех приростов и потерь мощности связи , которые испытывает сигнал в телекоммуникационной системе; от передатчика через среду связи , такую ​​как радиоволны , кабель , волновод или оптическое волокно , к приемнику. Это уравнение, позволяющее получить полученную мощность от мощности передатчика после затухания передаваемого сигнала из-за распространения, а также коэффициентов усиления антенны , фидерных линий и других потерь, а также усиления сигнала в приемнике или любых повторителях , 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. Требуемая маржа может быть уменьшена за счет использования методов смягчения последствий, таких как разнесение антенн или множественный вход и множественный выход (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 прямой видимости радиосистемы 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 вне 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.
• доплеровским сдвигом . Потери мощности сигнала в приемнике, вызванные

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:

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

где:

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

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

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

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

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

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

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

$L_{\text{RX}}$, 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:

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

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

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

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

Эти альтернативные формы можно получить, заменив длину волны отношением скорости распространения ( c , примерно 3 × 10 ⁸ м/с ), разделенный 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, размером 2 на 4 деревянная каркасная стена дюйма с гипсокартоном с обеих сторон приводит к потерям около 6 дБ на стену на частоте 2,4 ГГц.
• 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). Фактические потери при распространении могут существенно различаться в зависимости отконструкция и планировка 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.

на большие расстояния Оптоволоконная связь стала практичной только с развитием сверхпрозрачных стеклянных волокон. Типичные потери на трассе для одномодового волокна составляют 0,2 дБ/км. намного ниже, чем в любой другой управляемой 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, модуляции формата 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 г.). ) и самые низкие бюджеты каналов связи среди всех телекоммуникационных сетей. 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.

См. также

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

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)