ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.12.2023
Просмотров: 125
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Так, при полностью совпадающих остальных параметрах, мощность на входе приемной антенны радиосигнала с частотой 10 ГГц в 100 раз меньше мощности сигнала с частотой в 1 ГГц.
Существенным плюсом модели распространения в свободном про- странстве является ее крайняя простота, что позволяет использовать ее для быстрых, прикидочных расчетов без применения вычислительной техники. Минус данной модели - ее крайняя неточность (ошибка до 1-2
порядков) в сложных условиях распространения. Рассмотрим в качестве примера идеальный канал связи с единичным коэффициентом затухания и единичными коэффициентами усиления приемной и передающей ан- тенн. В этом случае ослабление сигнала через 1 м; 1 км и 10 км для сиг- нала с частотой в 1 ГГц и коэффициентами усиления антенн, принятыми за единицу, может быть вычислено по данной формуле:
L
weak
=
P
rec
(d)
P
trans
(d)
=
c f
2
·
1 16 · π
2
d
γ
≈
3 · 10 8
10 9
2
·
0.006
d
γ
≈ 5.7 · 10
−4
·
1
d
γ
(5.2)
Таким образом, при передаче в свободном пространстве и в границах пря- мой видимости на дальность уже в 100 метров минимальное ослабление радиосигнала составляет более 5 · 10
−8
, что соответствует, при мощности излучения передатчика в 1 Вт, требованиям к чувствительности
6
прием- ника в 10 · log
10
(5 · 10
−8
1 2 3 4 5 6 7 8 9
)
=-73 дБВт=-43 дБмВт.
5.1.2
Децибелы и сопутствующие вычисления
Здесь мы впервые упомянули термин (и единицу измерения) деци- бел
7
(дБ, dB)) и производные от него - дБВт и дБмВт. Данная единица измерения используется при измерении отношения двух произвольных ве- личины в логарифмической шкале - когда такое отношение невозможно наглядно представить в шкале линейной. Измерение в децибелах чаще
6
Чувствительность приемника - минимальный уровень сигнала, воспринимаемый прием- ником в указанном канале связи при стационарном (не меняющемся с течением времени)
уровне шумов и помех.
7
Децибел - одна десятая бела - редко используемой логарифмической единицы измерений,
названной в честь Александра Грэхема Белла. Децибел не является официальной единицей,
включенной в систему СИ, но по решению Генеральной конференции по мерам и весам до- пускается его применение без ограничений совместно с СИ. Децибелы широко применяются в любых областях техники, где требуется измерение величин, меняющихся в широком диа- пазоне - в радиотехнике, оптике, акустике. Именно в децибелах принято измерять динами- ческий диапазон любой величины.
59
всего используется для упрощения вычислений и сокращения нотации - разница в мощности двух сигналов на каждые 10 дБ соответствует разни- це еще в 10 раз; на 3 дБ - в 2 раза; на 6 дБ - в 4 раза и т.д. Так, сигнал, обла- дающий мощностью в 42 децибел-Вт превосходит в 2·10·10·10·10 = 20000
раз сигнал мощностью в 1 Вт, т.е. обладает мощностью в 20 кВт; напро- тив, сигнал мощностью в -160 дБВт в 10
−16
меньше по мощности, чем 1
Вт, т.е. обладает мощностью в 0.1 фемтоВатта.
Это интересно:
В большинстве случае в радиотехнической лите- ратуре и описаниях устройств используется англоязычный термин dBm
8
Формула преобразования из дБВт в dBm следующая: M дБВт=M+30
дБмВт.
5.1.3
Модель свободного распространения и ВЧ- сигналы
Согласно показанной выше модели свободного распространения при возрастании частоты сигнала в N раз полезная дальность связи падает в
N
2
. Однако в современных системах связи используются исключительно высокочастотные сигналы. В чем же преимущества и причины использо- вания высокочастотных сигналов перед низкочастотных? Основных, фун- даментальных причин - три; вторичных имеется множество. Итак, это:
• Дефицит радиоресурса, связанный с огромным количеством радио- систем, используемых в мире. Полоса радиочастот ниже 1 ГГц пре- дельно жестко регламентирована с дискретностью до нескольких кГц подзаконными актами во всех странах мира.
• Требования к скорости передачи информации. Из теории инфор- мации известно, что реальная пропускная способность 1 Гц полосы частот не превышает 2-4 бит. Таким образом, для передачи потоков хотя бы в несколько Мегабит-с одновременно несколькими источни- ками
9
необходимо осуществлять вещание на высоких частотах.
• Требования к размерам антенны - так называемый эффективный
10
размер антенны должен быть сопоставим с длиной волны. Таким об- разом, для обеспечения эффективного приема сигналов с частотами
8
dBm или дБмВт - то, насколько децибел заданное значение мощности более одного мил- ливатта.
9
Типичный случай современных АССиПД, например, сетей сотовой связи 3-го поколения.
10
участок антенны, эффективно воспринимающий энергию радиоволн.
60
раз сигнал мощностью в 1 Вт, т.е. обладает мощностью в 20 кВт; напро- тив, сигнал мощностью в -160 дБВт в 10
−16
меньше по мощности, чем 1
Вт, т.е. обладает мощностью в 0.1 фемтоВатта.
Это интересно:
В большинстве случае в радиотехнической лите- ратуре и описаниях устройств используется англоязычный термин dBm
8
Формула преобразования из дБВт в dBm следующая: M дБВт=M+30
дБмВт.
5.1.3
Модель свободного распространения и ВЧ- сигналы
Согласно показанной выше модели свободного распространения при возрастании частоты сигнала в N раз полезная дальность связи падает в
N
2
. Однако в современных системах связи используются исключительно высокочастотные сигналы. В чем же преимущества и причины использо- вания высокочастотных сигналов перед низкочастотных? Основных, фун- даментальных причин - три; вторичных имеется множество. Итак, это:
• Дефицит радиоресурса, связанный с огромным количеством радио- систем, используемых в мире. Полоса радиочастот ниже 1 ГГц пре- дельно жестко регламентирована с дискретностью до нескольких кГц подзаконными актами во всех странах мира.
• Требования к скорости передачи информации. Из теории инфор- мации известно, что реальная пропускная способность 1 Гц полосы частот не превышает 2-4 бит. Таким образом, для передачи потоков хотя бы в несколько Мегабит-с одновременно несколькими источни- ками
9
необходимо осуществлять вещание на высоких частотах.
• Требования к размерам антенны - так называемый эффективный
10
размер антенны должен быть сопоставим с длиной волны. Таким об- разом, для обеспечения эффективного приема сигналов с частотами
8
dBm или дБмВт - то, насколько децибел заданное значение мощности более одного мил- ливатта.
9
Типичный случай современных АССиПД, например, сетей сотовой связи 3-го поколения.
10
участок антенны, эффективно воспринимающий энергию радиоволн.
60
в единицы МГц длины антенн должны составлять величины поряд- ка единиц и даже десятков метров. Напротив, сигналы гигагерцовых диапазонов позволяют обходиться миниатюрными антеннами в пе- чатном исполнении, что приводит к возможности миниатюризации аппаратуры связи.
5.2 Зоны распространения радиоволн
Как уже говорилось выше, кроме необходимого требования на пря- мую видимость, для свободного распространения радиоволн присутству- ют дополнительные условия. Одним из которых является работа радиоси- стемы в так называемой дальней зоне распространения. Поясним данный и смежные ему термины.
5.2.1
Структура ближней и дальней зон распростра- нения
Электромагнитная волна (электромагнитное поле) существенно ме- няет свои свойства при различном удалении от источника излучения. Так,
в непосредственной близости (в так называемой ближней зоне) от источ- ника на свойства электромагнитной волны оказывает влияние сам источ- ник излучения (рисунок ниже).
Рис. 5.2: Ближняя зона распространения радиоволн
При этом, как видим, сама ближняя зона имеет две области - на- ходящуюся максимально близко к излучающей апертуре
11
- так назы- ваемая
реактивная
- неизлучающая зона. При работе в данной зоне приемник является как бы продолжением антенно-фидерного тракта пе- редатчика, оказывает непосредственное влияние на передающий тракт и
11
Апертура - раскрыв антенной системы.
61
5.2 Зоны распространения радиоволн
Как уже говорилось выше, кроме необходимого требования на пря- мую видимость, для свободного распространения радиоволн присутству- ют дополнительные условия. Одним из которых является работа радиоси- стемы в так называемой дальней зоне распространения. Поясним данный и смежные ему термины.
5.2.1
Структура ближней и дальней зон распростра- нения
Электромагнитная волна (электромагнитное поле) существенно ме- няет свои свойства при различном удалении от источника излучения. Так,
в непосредственной близости (в так называемой ближней зоне) от источ- ника на свойства электромагнитной волны оказывает влияние сам источ- ник излучения (рисунок ниже).
Рис. 5.2: Ближняя зона распространения радиоволн
При этом, как видим, сама ближняя зона имеет две области - на- ходящуюся максимально близко к излучающей апертуре
11
- так назы- ваемая
реактивная
- неизлучающая зона. При работе в данной зоне приемник является как бы продолжением антенно-фидерного тракта пе- редатчика, оказывает непосредственное влияние на передающий тракт и
11
Апертура - раскрыв антенной системы.
61
непоправимо повреждает сигнал (внося в него недопустимые нелинейные амплитудные и фазовые искажения - так называемую реактивную со- ставляющую
), не позволяя принять его ни самому себе, ни другим при- емным устройствам. Граница реактивной зоны может быть вычислена по следующей формуле для антенн с маленькой эффективной длиной:
r <
λ
2 ∗ pi
(5.3)
Рис. 5.3: Размеры ближней зоны для антенн с маленькой эффективной длиной
И по несколько другой формуле для антенн с существенным значе- нием эффективной длины:
r < 0.62 ·
r
D
3
λ
,
(5.4)
Рис. 5.4: Размеры ближней зоны для антенн с большой эффективной длиной где D - эффективная длина антенны (м.). Данная граница для сиг- налов диапазона в несколько ГГц соответствует расстояниям в несколько десятков сантиметров.
62
), не позволяя принять его ни самому себе, ни другим при- емным устройствам. Граница реактивной зоны может быть вычислена по следующей формуле для антенн с маленькой эффективной длиной:
r <
λ
2 ∗ pi
(5.3)
Рис. 5.3: Размеры ближней зоны для антенн с маленькой эффективной длиной
И по несколько другой формуле для антенн с существенным значе- нием эффективной длины:
r < 0.62 ·
r
D
3
λ
,
(5.4)
Рис. 5.4: Размеры ближней зоны для антенн с большой эффективной длиной где D - эффективная длина антенны (м.). Данная граница для сиг- налов диапазона в несколько ГГц соответствует расстояниям в несколько десятков сантиметров.
62
Вторая, излучающая область ближней зоны называется зоной Фре- неля
12
, обладающую двумя основными свойствами:
• Законы распространения в области Френеля схожи с распростране- нием оптической волны
13
• Электромагнитное поле в области Френеля обладают интересным свойством - при своем нахождении в области Френеля любой прием- ник забирает очень большую часть общей мощности радиоволны.
14
Граница области Френеля обычно определяется на расстоянии нескольких метров по следующей формуле:
r <
2 · D
2
λ
(5.5)
, но ее характерные эффекты обычно распространяются, хотя и с существенно меньшей интенсивностью, и далее, вплоть до расстояния в
10-20 длин ЭМ
15
волны. Данная переходная область так и называется - переходной зоной распространения радиоволн или средней зоной распро- странения
Зона, находящаяся после области Френеля, называется дальней зо- ной распространения радиоволн или зоной Фраунгофера. Дальняя зо- на распространения является основной для рассмотрения эффектов рас- пространения радиоволн и основной зоной для работы терминального и базового оборудования произвольных АССиПД. Мощность сигнала, рас- пространяющегося в прямой видимости в зоне Фраунгофера в общем слу- чае подчиняется 5.1 модели распространения в свободном пространстве.
Сама же электромагнитная волна имеет так называемый сферический фронт распространения, что показано на следующем рисунке:
12
Более корректно называть данную область - областью или регионом Френеля, чтобы не путать с зонами Френеля, рассматриваемыми ниже.
13
И, таким образом, существенно подвержены эффектам диффракции и интерференции,
аналогичных случаю оптических волн.
14
К сожалению, причины столь интересного эффекта находятся далеко за пределами ма- териала рассматриваемого курса лекций. Для получения более подробной информации чита- телю требуется обратиться за специализированной литературой по АФУ и распространению радиоволн, например [] из списка литературы.
15
ЭМ-электромагнитной
63
Рис. 5.5: Сферический фронт ЭМ-волны в дальней зоне распространения
5.2.2
Зоны Френеля как дополнительные условия к
LOS
К сожалению, к выполнению условия LOS, кроме прямой видимости и необходимости работать в дальней зоне, налагается еще одно допол- нительное условие - минимизация препятствий в так называемой первой зоне Френеля радиотракта
Что же такое зона Френеля для используемого радиотракта? Дело в том, что при возникновении препятствий на пути фронта волны, он дохо- дит до приемника с амплитудными и фазовыми искажениями, что суще- ственно искажает форму ЭМ-сигнала и может уменьшить его мощность в случае прихода на приемную сторону сигналов в противофазе. Зоны Фре- неля как в оптике, так и в радиотехнике показывают влияние эффекта дифракции
16
и представляют собой набор концентрических эллипсоидов,
вытянутых вдоль пути распространения (рис. ниже).
16
Эффект преломления фронта волны из-за наличия препятствия на пути распростране- ния
64
Рис. 5.6: Внешний вид зон Френеля вдоль пути распространения ЭМ-волн
Радиус n-й зоны Френеля на произвольном участке пути распростра- нения определяется по следующей формуле:
F
n
=
r nλd
1
d
2
d
1
+ d
2
,
(5.6)
где F
n
- радиус n-й зоны Френеля (м.); d
1
, d
2
- расстояния от обеих концов радиолинии.
Итак, последним условием соблюдения признака LOS является усло- вие отсутствия препятствий в 60% от первой зоны Френеля (данный объем называется также минимальной зоной Френеля с условием максимизации ее радиуса посередине тракта:
r f 1
= 8.657
r
D
f
,
(5.7)
где 2 · D - длина радиотракта, км; f - частота, ГГц.
65
Лекция 6
Механизмы и модели распространения радиоволн
Очень часто в реальных условиях, например, при работе АССиПД
в условиях городской местности, не выполняется одно или несколько из условий распространения радиоволн в свободном пространстве (LOS). В
этом случае для оценки мощности на приемной стороне и условий распро- странения рассматриваются модели и механизмы распространения радио- волн вне условий прямой видимости - модели и механизмы NLOS
1 6.1 Основные механизмы распространения радиоволн в NLOS
При распространении радиоволн СВЧ
2
, в основном использующихся на сегодняшний день в гражданских АССиПД следует отметить четыре основных механизма распространения в среде с препятствиями: отраже- ние, дифракцию, рассеивание и поглощение.
6.1.1
Отражение радиоволн
Отражение радиоволн от объектов происходит, когда на пути рас- пространения волны находится объект, чьи физические размеры значи- тельно выше длины волны. Радиоволны могут отражаться от скал, зда- ний, больших стеклянных окон, стен и т.д. Так, отражение является основ-
1
NLOS - non-line of sight - вне зоны прямой видимости
2
В общем виде под волнами СВЧ (сверхвысоких частот) понимаются радиоволны с ча- стотой не ниже 100 МГц и плоть до оптического диапазона (сотни ГГц).
66
ной причиной так называемого эффекта многолучевого распространения
3
в современных АССиПД. Именно практически из-за полного отсутствия эффектов отражения ДВ и КВ-волны
4
передаются на огромные рассто- яния и могут быть приняты даже на противоположной стороне земного шара
5
. Пример эффекта отражения приведен на рис. ниже.
Рис. 6.1: Отражение радиоволн от объектов на пути распространения
6.1.2
Дифракция радиоволн
Механизм дифракции радиоволн, также как и отражения, схож с од- ноименным оптическим механизмом распространения. Дифракция радио- волны - это изменение направления распространения волны, происходя- щее в случае попадания электромагнитной волны на кромку объекта, на- пример, кромку крыши здания. Однако, в отличие от оптических волн,
для случая СВЧ-сигналов дифракция меняет не только направление рас- пространения, но и амплитуду, фазу и поляризацию волны в точке ди- фракции.
Необходимо заметить, что при очень высоких частотах сигналов (де- сятки Ггц) эффект дифракции начинает встречаться все реже - данное обстоятельство объясняется тем, что электромагнитная волна на таких частотах начинает вести себя скорее как поток частиц, а не как волна.
Именно механизм дифракции позволяет принимать сигналы не в преде- лах прямой видимости (в т.н. зоне полутени
6
); более того, в ряде случаев,
вызывает перераспределение энергии волны и может привести к некото- рому усилению радиосигнала за препятствием.
3
Когда сигнал приходит на оконечное устройство не одной волной, а несколькими, с раз- личных направлений и с различными временными задержками.
4
Длинные волны (0,3-3 Мгц); короткие волны - (3-30 МГц).
5
Данные типы волн также называются поверхностными благодаря способностью огибать особенности рельефа.
6
Зона тени - зона приема существенно ослабленного радиосигнала или отсутствия приема сигнала. Зона радиотени - зона, находящаяся за препятствием и прием в которой возможен вследствие основных механизмов распространения радиоволн по траекториям NLOS.
67
3
в современных АССиПД. Именно практически из-за полного отсутствия эффектов отражения ДВ и КВ-волны
4
передаются на огромные рассто- яния и могут быть приняты даже на противоположной стороне земного шара
5
. Пример эффекта отражения приведен на рис. ниже.
Рис. 6.1: Отражение радиоволн от объектов на пути распространения
6.1.2
Дифракция радиоволн
Механизм дифракции радиоволн, также как и отражения, схож с од- ноименным оптическим механизмом распространения. Дифракция радио- волны - это изменение направления распространения волны, происходя- щее в случае попадания электромагнитной волны на кромку объекта, на- пример, кромку крыши здания. Однако, в отличие от оптических волн,
для случая СВЧ-сигналов дифракция меняет не только направление рас- пространения, но и амплитуду, фазу и поляризацию волны в точке ди- фракции.
Необходимо заметить, что при очень высоких частотах сигналов (де- сятки Ггц) эффект дифракции начинает встречаться все реже - данное обстоятельство объясняется тем, что электромагнитная волна на таких частотах начинает вести себя скорее как поток частиц, а не как волна.
Именно механизм дифракции позволяет принимать сигналы не в преде- лах прямой видимости (в т.н. зоне полутени
6
); более того, в ряде случаев,
вызывает перераспределение энергии волны и может привести к некото- рому усилению радиосигнала за препятствием.
3
Когда сигнал приходит на оконечное устройство не одной волной, а несколькими, с раз- личных направлений и с различными временными задержками.
4
Длинные волны (0,3-3 Мгц); короткие волны - (3-30 МГц).
5
Данные типы волн также называются поверхностными благодаря способностью огибать особенности рельефа.
6
Зона тени - зона приема существенно ослабленного радиосигнала или отсутствия приема сигнала. Зона радиотени - зона, находящаяся за препятствием и прием в которой возможен вследствие основных механизмов распространения радиоволн по траекториям NLOS.
67
Рис. 6.2: Дифракция радиоволн на кромках объектов
Чем выше частота волны, тем хуже прием в области радиотени.
6.1.3
Эффект рассеивания
Рассеивание радиоволн происходит в том случае, когда в среде рас- пространения электромагнитной волны находится много мелких (по срав- нению с длиной волны) элементарных объектов -
пылинок
. Таким обра- зом, эффект рассеивания, в основном, происходит в иррегулярных струк- турах, находящихся на пути распространения волны - облаках, листве деревьев; вносят свой вклад в рассеивание электромагнитных волн фо- нарные столбы и дорожные знаки
7
Рис. 6.3: Эффект электромагнитного рассеивания на иррегулярных структурах
Электромагнитное рассеивание - один из наиболее пагубных меха- низмов распространения радиоволн в NLOS.
6.1.4
Механизм поглощения радиоволн
При попадании радиоволн внутрь слабоструктурированного объек- та, происходит поглощение радиоволн, связанных с хаотичным распро- странением и взаимной компенсацией отдельных участков ЭМ-волны при распространении внутри данного объекта.
Одним из наиболее показательных примеров является поглощение радиоволн рассеянными в воздухе частицами воды (водной взвесью). При- мер характеристик поглощения радиоволны водной взвесью в зависимо- сти от частоты сигналы приведены на следующем рисунке.
7
Данный эффект связан с слишком малым размером поперечного сечения данных объ- ектов для обеспечения эффекта отражения и отсутствием углов для срабатывания эффекта дифракции.
68