Бюджет канала связи

Цель расчетно-графической работы состоит в изучении принципа действия и освоении методики исследования характеристик и параметров беспроводных каналов.

Краткая теоретическая часть

Радиоканал и его основные характеристики

Канал - это часть системы связи, которая включает источник информации, устройство кодирования и модуляции, передающее устройство, физический канал (среду распространения сигнала), приемник с устройствами обработки информации и получатель информации. Анализ канала связи включает бюджет канала – расчет потерь энергии сигнала, связанных с физическими процессами, протекающими в устройствах и среде распространения. Бюджет – это метод оценки, позволяющий определить достоверность передачи системы связи. Среда распространения или электромагнитный тракт связи, соединяющий передающее и приемное устройства называются каналом. Каналы могут представлять собой проводники, коаксиальные и оптоволоконные кабели, волноводы, а также атмосферу, ионосферу или другую среду, в которой распространяются радиоволны. В последнем случае говорят о радиоканале. В дальнейшем мы ограничимся рассмотрением радиоканала.

Бюджет канала связи

При анализе радиоканала часто используется модель свободного пространства. В рамках этой модели предполагается, что в канале отсутствуют такие процессы, как отражение, преломление, поглощение, рассеяние и дифракция радиоволн. Если рассматривается распространение радиоволн в атмосфере, то она предполагается однородной и удовлетворяющей указанным выше условиям. Предполагается, что земная поверхность находится достаточно далеко от радиоканала, так что ее влиянием можно пренебречь. Модель свободного пространства является эталонной при анализе распространения радиоволн на различных трассах. В рамках этой модели энергия сигнала зависит только от расстояния между передатчиком и приемником и убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.

Достоверность передачи информации определяется несколькими факторами, среди которых можно выделить отношение сигнал/шум, а также искажения сигнала, вызванные межсимвольной интерференцией.

В цифровой связи вероятность ошибки зависит от нормированного отношения

,

где – энергия бита, – спектральная плотность мощности шума. Уменьшение отношения сигнал/шум может быть вызвано снижением мощности сигнала, повышением мощности шума или мощности сигналов, интерферирующих с полезным сигналом.

Эти механизмы называются, соответственно, потерями (ослаблением) и шумом (интерференцией). Ослабление может происходить в результате поглощения энергии сигнала, отражения части энергии сигнала или рассеяния. Существуют несколько источников шумов и интерференции – тепловой шум, галактический шум, атмосферные и промышленные помехи, перекрестные и интерферирующие сигналы от других источников.

Перечислим некоторые причины потерь:

1. Потери, связанные с ограничением полосы канала.

2. Межсимвольная интерференция.

3. Интермодуляционные искажения.

4. Поляризационные потери.

5. Пространственные потери

6. Помехи соседнего канала

7. Атмосферные и галактические шумы.

8. Потери в антенно-фидерном тракте.

9. Модуляционные потери.

10. Собственные шумы приемника.

При передаче коротких импульсных сигналов по каналу связи возникают искажения, связанные с наличием нескольких путей распространения сигнала от передающей антенны к приемной, с изменением во времени характеристик канала и другими причинами. При передаче очень короткого импульса принимаемый сигнал может выглядеть как последовательность импульсов. Одной из характеристик такого многолучевого канала является время рассеяния сигнала. Изменение во времени условий распространения сигнала может приводить к изменению амплитуд отдельных принимаемых импульсов, относительной задержки этих импульсов и даже числа импульсов.

При многолучевом распространении каждой траектории соответствуют свои значения времени задержки и затухания сигнала.

В многолучевых каналах наблюдаются изменения во времени фаз сигналов . При определенных соотношениях фаз сигналы, приходящие вдоль разных траекторий могут взаимно компенсироваться, при других – усиливаться. Наблюдаемые вариации амплитуды принимаемого сигнала, обусловленные нестационарностью канала, называются замираниями.

В том случае, когда импульсная характеристика моделируется как комплексный гауссовский случайный процесс с нулевым средним, огибающая в любой момент времени распределена по Релею. В этом случае канал называют каналом с релеевскими замираниями. При наличии вдоль трассы распространения фиксированных рассеивателей или отражателей сигнала в дополнение к случайно перемещающимся рассеивателям имеет райсовское распределение, и канал называют каналом с райсовскими замираниями.

Если передается узкополосный сигнал с полосой и взаимные задержки сигналов удовлетворяют условию , то говорят о модели однолучевого канала. В однолучевой модели сигнала разность фаз на различных частотах близка к нулю. Это приводит к неселективным по частоте замираниям сигнала. При говорят о многолучевом канале. В этом случае разности фаз сигналов на различных частотах могут существенно отличаться, что приводит к селективным по частоте замираниям.