2.5. Отношение «сигнал-шум» в цифровых системах связи

Очень важной характеристикой производительности цифровых систем связи является отношение "сигнал-шум". Отношение "сигнал-шум" - это отношение энергии сигнала на 1 бит к плотности мощности шумов на 1 герц ( ). Рассмотрим сигнал, содержащий двоичные цифровые данные, передаваемые с определенной скоростью - R бит/с. Напомним, что 1 Вт = 1 Дж/с, и вычислим удельную энергию одного бита сигнала: E_b = S*T_b (S - мощность сигнала, T_b - время передачи одного бита). Скорость передачи данных R можно выразить в виде . Учитывая, что тепловой шум, присутствующий в полосе шириной 1 Гц, для любого устройства или проводника составляет

где N₀ - плотность мощности шумов в ваттах на 1 Гц полосы; k - постоянная Больцмана, ; T - температура в Кельвинах (абсолютная температура), то, следовательно,

Отношение имеет большое практическое значение, поскольку скорость появления ошибочных битов является (убывающей) функцией данного отношения. При известном значении , необходимом для получения желаемого уровня ошибок, можно выбирать все прочие параметры в приведенном уравнении. Следует отметить, что для сохранения требуемого значения при повышении скорости передачи данных R придется увеличивать мощность передаваемого сигнала по отношению к шуму.

Довольно часто уровень мощности шума достаточен для изменения значения одного из битов данных. Если же увеличить скорость передачи данных вдвое, биты будут "упакованы" в два раза плотнее, и тот же посторонний сигнал приведет к потере двух битов информации. Следовательно, при неизменной мощности сигнала и шума увеличение скорости передачи данных влечет за собой возрастание уровня возникновения ошибок.

Расчет зоны действия сигнала. Она берется из инженерной формулы расчета потерь в свободном пространстве:

FSL (Free Space Loss) - потери в свободном пространстве (дБ); F- центральная частота канала, на котором работает система связи (МГц); D - расстояние между двумя точками (км). FSL определяется суммарным усилением системы. Оно считается следующим образом:

где - мощность передатчика; - коэффициент усиления передающей антенны; - коэффициент усиления приемной антенны; - чувствительность приемника на данной скорости; - потери сигнала в коаксиальном кабеле и разъемах передающего тракта; - потери сигнала в коаксиальном кабеле и разъемах приемного тракта.

В зависимости от марки радиомодулей максимальная чувствительность может немного варьироваться. Ясно, что для разных скоростей максимальная дальность будет разной. FSL вычисляется по формуле

,

где SOM(System Operating Margin) - запас в энергетике радиосвязи (дБ).

Параметр SOM обычно берется равным 10 дБ. Считается, что 10-децибельный запас по усилению достаточен для инженерного расчета. Центральная частота канала F берется из следующей таблицы:

Таблица3.

Дальность связи вычисляется по формуле:

Расчет зоны Френеля. Радиоволна в процессе распространения в пространстве занимает объем в виде эллипсоида вращения с максимальным радиусом в середине пролета, который называют зоной Френеля (рис. 2.9). Естественные (земля, холмы, деревья) и искусственные (здания, столбы) преграды, попадающие в это пространство, ослабляют сигнал.

Рис. 2.9. Зона Френеля

Радиус первой зоны Френеля над предполагаемой преградой может быть рассчитан с помощью формулы

где R - радиус зоны Френеля (м). S, D - расстояние от антенн до самой высшей точки предполагаемого препятствия (км). f - частота (ГГц).

Этот расчет сделан в предположении, что земля плоская. Он не учитывает кривизну земной поверхности. Для протяженных каналов следует проводить совокупный расчет, учитывающий рельеф местности и естественные преграды на пути распространения. В случае больших расстояний между антеннами следует стараться увеличивать высоту подвеса антенн, принимая во внимание кривизну земной поверхности.

Построение антенно-фидерных трактов и радиосистем с внешними антеннами. Задачи по подключению к беспроводному оборудованию дополнительных антенн, усилению мощности передатчика, включению в систему дополнительных фильтров довольно часто встречаются в практике построения беспроводных сетей. На эту тему возникает много вопросов, самыми распространенными из которых являются вопросы о соответствии разъемов на используемом оборудовании и дополнительных кабелях, а также вопросы расчета полученных систем. Сразу необходимо отметить, что вынос антенны - дело неблагодарное, так как возникающие при этом негативные факторы, такие как затухание сигнала на кабельных сборках и увеличение уровня паразитных шумов, значительно ухудшают характеристики исходной радиосистемы. Вместе с тем подключенные антенны (особенно с большими коэффициентами усиления) во многом компенсируют все эти негативные факторы, но при проектировании все же стараются максимально сократить расстояние от порта активного оборудования точек доступа до вынесенной антенны и по возможности подключить антенну напрямую к точке доступа. Очень часто бывают случаи, когда необходимо увеличить зону охвата внутри помещений, для этого используют антенны во внутреннем (indoor) исполнении. Для связи между домами или районами используют более дорогое оборудование во внешнем (outdoor) исполнении.

Антенно-фидерный тракт с усилителем. На рис. 2.10 показана беспроводная система с антенно-фидерным трактом, в которую включено множество элементов. Их может быть значительно больше, но здесь показаны наиболее часто используемые. Далее поясним, для чего используется тот или иной элемент, как он называется, и какие нюансы необходимо учесть при его использовании.

Рис. 2.10 Антенно-фидерный тракт с усилителем

Точка доступа со съемной антенной. Почти все беспроводное оборудование D-Link комплектуется съемными штатными антеннами 2-5 дБb (например, DWL-2100AP, DWL-3200AP, DWL-8200AP, DWL-2700AP, DWL-7700AP, DWL-G520 и т. д.) - это означает, что штатную антенну можно легко снять и подключить вместо нее более мощную антенну с необходимым коэффициентом усиления и диаграммой направленности. В технических характеристиках беспроводного оборудования всегда сказано, каким типом антенн оно комплектуется по умолчанию. Кроме поддерживаемых технологий и скоростных характеристик точка доступа имеет несколько важных физических характеристик, которые являются исходными данными для расчета антенно-фидерного тракта и энергетических характеристик системы. К таким характеристикам относятся: мощность передатчика, которая измеряется или в милливаттах (мВт) или в децибел-милливаттах (дБмВт); чувствительность приемника для определенной скорости(чем она выше, тем выше скорость).

Полосовой фильтр. Его довольно редко включают в систему, но тем не менее он присутствует в системах профессионального уровня. Принято думать, что кабель вносит только потери, связанные с длиной кабеля, и достаточно выбрать кабель с малым затуханием или поставить усилитель, и все проблемы будут решены. Однако это не совсем так. В первую очередь, длинный кабель собирает помехи во всем диапазоне частот, поэтому работе будут мешать все радиоустройства, способные создать на входе приемника карты достаточно сильную помеху. Поэтому часто случается, что в городской среде, в которой присутствует сильное зашумление, связь между точками доступа в системах с вынесенной на большое расстояние антенной крайне нестабильна, и поэтому в кабель необходимо включать дополнительный полосовой фильтр непосредственно перед входным разъемом точки доступа, который внесет еще потери не менее 1,5 дБ. Полосовые фильтры бывают настраиваемыми и с фиксированной центральной частотой, которая настраивается в процессе производства. Поэтому желательно заранее определиться с требованиями по настройке и указать их при заказе. Фильтры различаются шириной полосы пропускания, определяющей диапазон частот, которые не ослабляются.

Кабельная сборка SMA-RP-plug ↔ N-type-male. Часто ее еще называют pigtale - это небольшой переходник с антенного вывода indoor точки доступа, который называется SMA-RP (реверс SMA), на широко используемый в антенно-фидерном оборудовании высокочастотный разъем N-type (рис. 2.11).

Рис. 2.11 Кабельная сборка pigtale

Pigtale - кабель входит в комплект поставки всех внешних (outdoor) антенн D-Link, антенны для внутреннего использования также комплектуются необходимыми кабелями. Вносит дополнительное затухание около 0,5 дБ.

Инжектор питания. Включается в тракт между активным оборудованием и входным портом усилителя (вносит затухание не более 0,5 дБ) и подключается к блоку питания, который подключается к розетке 220В. Инжектор имеет 2 порта - оба N-type-female. Инжектор питания и блок питания входят в комплект поставки усилителей.

Переходник TLK-N-type-MM. Переходник N-Type Male-Male (рис.2.12) служит для изменения конфигурации порта с female на male. Здесь он используется для подключения к инжектору кабельную сборку (стандартные кабельные сборки обычно имеют разъемы

Рис. 2.12. Переходник TLK-N-type-MM

N-type-male ↔ N-type-female). Обшепринятым считается, что коаксиальный кабель, установленный стационарно, например входы или выходы усилителей, фильтров, генераторов сигналов, разъемы для подключения, устанавливаемые на антеннах, имеют конфигурацию "гнездо" (female), а разъемы на подключаемых к ним кабелях имеют конфигурацию "штекер" (male). Однако данное правило не всегда соблюдается, поэтому иногда возникают проблемы при сборке тракта на элементах от различных производителей. Решить эту проблему позволяет использование переходника N-type-male ↔ N-type-male.

Кабельная сборка (например, HQNf-Nm15). Это 15-метровая кабельная сборка N-type (female) ↔ N-type (male) (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Кабельная сборка N-type (female) ↔ N-type (male)

Можно также использовать кабельные сборки большой длины, например, последовательно объединив две 15-метровые сборки (или другие длины). Важно только чтобы: уровень сигнала на входном порту усилителя попадал в допустимый диапазон, который указан в характеристиках усилителя; уровень сигнала, принятого от удаленной точки доступа и усиленного в усилителе, имел достаточную интенсивность для восприятия приемником точки после прохождения кабельной сборки.

Усилитель 2,4 ГГц (например, NCS24XX). Двунаправленный магистральный усилитель (рис. 2.14) предназначен для увеличения мощности передаваемого сигнала и повышения чувствительности канала приема в беспроводных сетях передачи данных, а также компенсации потерь в канале между радиомодемом и антенной.

Рис. 2.14. Усилитель 2,4 ГГц

Усилитель имеет внешнее исполнение и может быть установлен непосредственно на антенном посту. Использование усилителя позволяет организовать связь даже при самых неблагоприятных условиях соединения. При включении усилителя в радиосистему в значительной степени увеличивается зона ее покрытия. При использовании усилителей необходимо учитывать следующие моменты:

1. если мощность передатчика точки доступа слишком велика и не попадает в диапазон допустимой интенсивности сигнала на входном порту усилителя, то использовать ее с усилителем все-таки можно, но требуется включить в тракт между усилителем и точкой доступа кабельную сборку или какой-либо специальный элемент, затухание на котором обеспечит необходимое ослабление сигнала, с тем чтобы его интенсивность попала в допустимый диапазон;

2. ослабляя переданный сигнал нужно помнить, что одновременно ослабляется и принятый сигнал. Ниже в таблице приведены все величины затухания от среды распространения сигналов.

Простой антенно-фидерный тракт. На рис. 2.15 представлена простая беспроводная система, в которой отсутствует усилитель, и антенно-фидерный тракт состоит только из пассивных элементов.

Рис. 2.15. Простой антенно-фидерный тракт

На рис. 2.15 показаны:

1. точка доступа DWL-2100AP;

2. pigtale (в комплекте с антенной);

3. кабельная сборка;

4. модуль грозовой защиты (в комплекте с антенной);

5. антенна ANT24-1400.

Расстояние, на которое можно вынести антенну в данном случае, ограничивается мощностью передатчика точки доступа и затуханием, вносимым пассивными элементами. При выносе антенны на большое расстояние как принятый, так переданный сигнал может полностью поглотиться кабельными сборками и переходниками.

При использовании даже самой короткой кабельной сборки к антенне подводится мощность, значительно меньшая исходной, что незамедлительно отразится на дальности действия радиосистемы. Поэтому в таких схемах рекомендуется использовать кабельные сборки не длиннее 6 метров и, по возможности, антенны с максимальным коэффициентом усиления.

Точка доступа, подключенная напрямую к антенне. Если подключить точку доступа напрямую к антенне, как показано на рис. 2.16 исключив промежуточную кабельную сборку, будет достигнута максимальная возможная для данного комплекта оборудования дальность связи. На рис. 2.16 показаны:

1. точка доступа DWL-2100AP;

2. pigtale (в комплекте с антенной);

3. модуль грозовой защиты (в комплекте с антенной);

4. антенна ANT24-1400.

Рис. 2.16. Точка доступа, подключенная напрямую к антенне

В принципе, ради дальности иногда можно пожертвовать и модулем грозовой защиты, чтобы исключить вносимое им затухание, но лучше этого не делать. Такая схема довольно широко используется - это позволяет установить indoor точку доступа в непосредственной близости от антенного поста и минимизировать потери мощности сигнала.