Материал: Основы автоматизации проектирования беспроводных систем и сетей связи. Семёнов Р.В

Бюджет – это метод оценки, позволяющий определить достоверность передачи системы связи. Требуемая достоверность передачи определяет значение Eb N0 , которое

должно быть доступным в приемнике для получения этой достоверности. Основная задача анализа канала связи – это определить действительную рабочую точку системы на графике, изображенном на рис. 1.6, и установить, что вероятность ошибки, связанная с этой точкой, меньше (или равна) требуемой. Из множества спецификаций, анализов и табличных представлений, используемых для разработки системы связи, бюджет канала занимает особое место, поскольку обеспечивает обзор системы в целом.

Изучая бюджет канала, можно многое узнать об обшей структуре и производительности системы. Например, из энергетического резерва канала связи можно узнать, как система удовлетворяет многочисленным требованиям – идеально, с натяжкой или вообще нс удовлетворяет. Бюджет канала связи может показывать, существуют ли какие-либо аппаратные ограничения и можно ли их компенсировать за счет других частей канала. Вообще, бюджет канала часто используется для расчета компромиссов системы и изменения конфигурации; кроме того, он способствует пониманию различных аспектов и взаимозависимостей на уровне подсистем. Вместе с другими методами моделирования бюджет канала помогает предсказать вес и размер оборудования, первоначальные энергетические требования, технические риски и стоимость системы.

При распространении сигнала в канале связи существует две основные причины снижения достоверности передачи: уменьшение отношения сигнал/шум и искажение сигнала, которое может быть вызвано межсимвольной интерференцией (intersymbol interference – ISI).

Для БСС вероятность ошибки зависит от отношения

16

(signal-to-noise ratio - SNR или S/N). Если не оговорено другое,

под SNR подразумевается отношение средней мощности сигнала к средней мощности шума. Сигналом может быть информационный сигнал, видеоимпульс или модулированная несущая. Уменьшение SNR может происходить двумя способами: путем снижения желаемой мощности сигнала и посредством повышения мощности шума или мощности сигналов, интерферирующих с полезным сигналом.

Эти механизмы будем называть, соответственно, ослаблением (или потерями) и шумами (или интерференцией). Ослабление происходит при поглощении, отклонении или отражении части сигнала при его прохождении к заданному приемнику; таким образом, часть переданной энергии не доходит до пункта назначения. Существует несколько источников электрических шумов и интерференции, возникающих вследствие различных механизмов: тепловой шум, галактический шум, атмосферные помехи, помехи от коммутирующих элементов, перекрестные помехи и интерферирующие сигналы от других источников. При промышленном использовании термины потеря и шум часто не различаются, поскольку их эффект на систему одинаков.

Основная задача бюджета канала – доказать, что система связи будет работать согласно плану; т.е. качество сообщений (достоверность передачи) будет удовлетворять заданным требованиям. Бюджет канала отслеживает «потери» и «прибыли» (ослабление и усиление) передаваемого сигнала от начала его формирования в передатчике до полного получения в приемнике. Вычисления показывают, чему равно отношение Eb N0 в приемнике и какой запас прочности

существует. Процесс вычисления бюджета канала начинается с дистанционного уравнения, связывающего принятую мощность с расстоянием между передатчиком и приемником.

В мобильных БСС несущая распространяется от передатчика с помощью передающей антенны. Передающая антенна – это устройство, преобразовывающее электрические

17

сигналы в электромагнитные поля. В приемнике принимающая антенна выполняет обратное преобразование; она превращает электромагнитные поля в электрические сигналы. Вывод уравнения, связывающего приемник и передатчик, обычно начинается с рассмотрения ненаправленного источника радиоизлучения, равномерно передающего в 4π стерадиан. На рис. 1.5 показан идеальный источник, называемый изотропным излучателем (isotropic radiator).

Pr = p(d)Aer

Рис. 1.5. Дистанционное уравнение. Выражение принятой мощности через расстояние

Поскольку площадь поверхности сферы радиуса d равна 4πd 2 , плотность мощности p(d ) данной сферы с центром в источнике излучения связана с переданной мощностью Pt :

Для d, значительно превышающего длину распространяющейся волны (дальняя зона), мощность, извлеченную на принимающей антенне, равна

площадь) принимающей антенны, определяемое следующим образом:

18

Если рассматриваемая антенна является передающей, её эффективная площадь обозначается как Aet . Если не указано, выполняет ли антенна принимающую или передающую функцию, эффективная площадь обозначается через Ae .

Это говорит о том, что не вся падающая мощность была извлечена; вследствие различных механизмов происходят потери. Номинальное значение η для параболической антенны

составляет 0,55, а для рупорной – 0,75.

Определим параметр антенны, который связывает выходную (или входную) мощность с мощностью изотропного излучателя и именуется коэффициентом направленного действия (КНД):

коэффициент направленного действия антенны (в направлении максимальной интенсивности излучения) определяется из формулы (1.9). В то же время, если существует некоторая диссипация или несогласованность, коэффициент направленного действия антенны уменьшается на множитель, соответствующий этим потерям [4]. Будем предполагать, что диссипативные потери равны нулю, а импедансы согласованы идеально. Таким образом, формула (1.9) описывает максимальный коэффициент направленного действия антенны; его можно рассматривать как результат концентрации изотропного излучения в некоторой ограниченной области,

19

меньшей 4π стерадиан. Теперь мы можем определить эффективную излученную мощность относительно изотропного излучателя (эффективная изотропно-излучаемая мощность – effective isotropic radiated power, EIRP) как произведение переданной мощности Pt , и коэффициента

изотропной антенны, в уравнении (1.6) мы меняем Pt на EIRP, что дает следующее:

света ( = 3 ×108 м/с). Теорема взаимности утверждает, что для данной антенны при данной длине волны КНД приема и передачи идентичны.

Зона обзора антенны является величиной телесного угла, в котором сконцентрирована большая часть мощности поля. Зона обзора – это мера анизотропных свойств антенны, она обратно пропорциональна усилению антенны, т.е. антеннам с большим КНД соответствует более узкая зона обзора. Часто зону обзора выражают не через телесный угол, а через плоский угол раскрыва антенны (beamwidth), измеряемый в радианах или градусах. Угол раскрыва – это угол, образованный точками, в которых максимальная мощность поля ослаблена на 3 дБ.

Из уравнения (1.12) можно видеть, что КНД

20