Радиосвязь. Некоторые термины.

Мощность - физическая величина, равная в общем случае скорости изменения, преобразования, передачи или потребления энергии системы. В более узком смысле мощность равна отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени. Измеряется в ваттах (W, Вт).

Уровень сигнала (signal level) - количественная характеристика сигнала, рассматриваемая относительно выбранного опорного значения

Употребляется в документе: Приложение № 1ГОСТ Р 50304-92 Системы для сопряжения радиоэлектронных средств интерфейсные. Термины и определения

Мощность сигнала. В телекоммуникациях – мощность передатчика, измеренная с помощью антенны на некотором расстоянии от передающей антенны. Сигнал с высокой мощностью (например, в телерадиовещании) выражается в децибел-милливольтах на метр (dBmV/m). Сигнал с небольшой мощностью, например, мобильных телефонов, выражается в децибел-микровольтах на метр (dBµV/m) или в децибелах относительно референтного значения в 1 мВт (dBm)

 

Коэффициент усиления (КУ) антенны (antenna gain) — отношение мощности на входе эталонной антенны к мощности, подводимой ко входу рассматриваемой антенны, при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля или такой же плотности потока мощности. КУ является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (dB, dBi, dBd). Для обозначения КУ используют латинскую букву G (от англ. Gain).

dB (Decibel) – величина названная в честь Александр Белла. Данная величина показывает различие между уровнями сигнала. Используется, чтобы описать влияние элемента системы на мощность сигнала. Например, кабель с потерей сигнала 5 dB или усилитель c коэффициентом передачи (gain) 16дБ. Это полезно, так как мощность сигнала изменяется логарифмически, а не линейно. Так как шкала логарифмическая, она позволяет пользоваться небольшими простыми числам для больших изменений сигнала. Э то очень удобно, так как потери и коэффициенты передачи можно рассчитывать, оперируя целыми числами.

Каждый раз, когда мощность сигнала увеличивается (или уменьшается) в 2 раза, к уровню сигнала следует прибавить (или отнять от него) 3 dB. Эта величина говорит о росте коэффициента передачи (или потерь) на 50%.  Разница в 10 dB говорит о десятикратном изменении уровня сигнала, в 20 dB – о стократном. Другими словами, при передаче сигнала устройство (например, кабель) с уровнем потерь 20 dB, будет потеряно 99% мощности этого сигнала.

dBm (dB milliWatt) – мощность сигнала. 0 dBm определяется как 1мВт мощности на оконечном устройстве (termination load), таком как антенна или измеритель мощности. Слабые сигналы имеют отрицательные значения (например -83 dBm).

Для примера, беспроводной адаптер 802.11b имеет выходную мощность +15 dBm (32мВт). Другая его характеристика: чувствительность приемника (RX sensitivity) -83 dBm (минимальный уровень сигнала, необходимый для приема данных со скоростью 11Mbps). 125 мВт соответствует 21 dBm  , 250 мВт – 24 dBm.

dBd (dB dipole) Различие коэффициента усиления данной антенны и полуволновым диполем (антенна, состоящая из двух проводников, длина которых равна ¼ длины волны, размещенных на одной линии, в итоге общая длина антенны примерно L = λ/2). Диполь – разновидность антенны с самым низким коэффициентом усиления. Термин dBd (иногда просто dB) как правило, используется, для описания антенн, работающих на частоте до 1 ГГц. Причина, по которой коэффициент усиления антенн измеряется в dBd в том, что производители антенн калибруют оборудование с использованием небольших диполей в качестве эталона, а затем заменяют диполь тестируемой антенной.  Т.о. величина в dBd показывает разницу в коэффициенте усиления между тестируемой антенной и диполем.

dBi (dB isotropic, изотропный децибел)  Изотропный излучатель — воображаемая (идеальная) антенна, излучающая во все направления электромагнитную энергию одинаковой интенсивности. Диаграмма направленности изотропного излучателя — круговая во всех сечениях (по векторам E и H в частности). Изотропный излучатель излучает без потерь. Изотропный излучатель считается эталоном при проектировании антенн и расчёте их направленных свойств. Коэффициент усиления антенн (свыше 1 ГГц) как правил указывается в dBi. Например, диполь имеет КУ 2.15 dB, изотропная антенна – 0 dB.  Таким образом, если КУ антенны указан в dBd, следует добавить к нему 2.15, чтобы получить КУ в dBi. Так, например, если КУ антенны 5 dBd, он соответствует 7.15 dBi.

Обратить внимание: если КУ антенны указан в dB следует обязательно уточнить у вендора имеется ввиду dBd или dBi.

EIRP (Effective Isotopic Radiated Power, эквивалентная изотропно излучаемая мощность).  Определяется как эффективная мощность, измеренная на главном лепестке (lobe) передающей антенны по отношению к изотропному излучателю имеющему КУ 0 dB. Равно сумме КУ антенны (в dBi) плюс мощность (в dBm) сигнала, подаваемого на антенну. К примеру, если на антенну с КУ 12 dBi подается сигнал мощностью 15dB, EIRP будет равняться 27 dBm (500 мВт).

Передатчик мощностью 15 dBm (250мВт) и всенаправленная антенна с КУ 12 dBi будут иметь EIRP

12 dBi + 24dBm = 36 dBm (500 мВт), что эквивалентно EIRP передатчика мощностью 1Вт (+30dBm) с антенной 6dBi: 6 dBi + 30 dBm = 36 dBm (4 Watts).

Но при этом гораздо лучше иметь антенну с более высоким КУ, так как при одинаковом EIRP КУ антенны влияет также и на прием. Значит, при использовании антенн с более высоким КУ с меньшей вероятностью потребуется усилитель на клиентской стороне.

Обратить внимание: ERP измеряется только на главном лепестке. При использовании всенаправленной антенны диаграмма излучения очень узкая и плоская (как блин). Из-за этого, если антенна висит слишком высоко, на клиентской стороне может возникнуть проблема с приемом сигнала, т.к. волна будет распространяться выше, чем находятся приемники. Однако иногда это необходимо, чтобы организовать прямую видимость между WIPOP (Wireless Point Of Presence) антенной и клиентскими устройствами. В таком случае решением являются наклоненные вниз секторные антенны. КУ у них выше, чем у направленных антенн, и главный лепесток можно сфокусировать в желаемой зоне покрытия. Такое расположение также определяет «соту», предотвращающее слишком далекое распространение сигнала, что позволяет минимизировать интерференцию, создаваемую сигналами удаленных WIPOP, а также использовать эту же частоту в другой соте на расстоянии нескольких километров.

Потеря сигнала в свободном пространстве (free-space path loss, FSPL) - это уменьшение мощности электромагнитной волны, распространяющейся в зоне прямой видимости (обычно в воздухе) при отсутствии препятствий, вызывающих отражение или дифракцию. Выражается в децибелах. Рассчитывается по следующей формуле:

L (dB) = 20 log₁₀(d) + 20 log₁₀(f) + 92.45, где d – расстояние от источника до приемника в метрах, f – частота в ГГц.

System Operating Margin (SOM, Fade Margin). Определяет разницу между уровнем принимаемого сигнала (в dBm) и чувствительностью приемника (в dBm), необходимую для приема без потерь. Например, если уровень принимаемого сигнала -71 dBm, а чувствительность приемника -83 dBm (типичная величина для 11Mbps WLAN) SOM равняется -71dBm -(-83 dBm) = 12 dB SOM. Рекомендуемое значение 10 dB SOM или более. Отличным является значение 20 dB.

Обратить внимание: SOM следует рассчитывать относительно точки с самым слабым TX сигналом. Так, например, если в WIPOP сигнал усиливается, а на клиентском устройстве – нет, SOM следует считать исходя из характеристик клиентского устройства.

RSSI (Received Signal Strength Indicator). Чувствительность приемника связана с уровнем мощности радиосигнала, необходимым для его успешного приема (самый слабый сигнал, который приемник способен декодировать). В стандарте IEEE 802.11-2007 RSSI определен как опциональная метрика, используемая для измерения мощности сигнала со значением от 0 до RSSI Max. Вендоры используют RSSI для измерения мощности радиосигнала, принимаемого антенной. Разные вендоры могу по-разному выбирать значение RSSI Max, и, в соответствии со стандартом, соотнесение уровня RSSI с реальным уровнем принимаемого сигнала зависит от конкретной реализации оборудования и ПО.
Значение RSSI используется для корректной работы важных механизмов, таких как роуминг и DRS.

SNR (Signal to Noise Ratio). Шумовой порог — это фоновый уровень радиоволн в конкретном канале.  Он может включать в себя модулированные радиоволны, создаваемые находящимися поблизости радиоустройствами, работающими по стандарту 802.11, а также немодулированные, создаваемые такими устройствами как микроволновые печи и Bluetooth-адаптеры. Амплитуда шумового порога (также называемого фоновым шумом) меняется в зависимости от условий. Например, шумовой порог на частоте 2.4 ГГц может быть в районе -100 dBm в обычных условиях, и в районе -90 dBm на производственном предприятии из-за работающих там электромеханизмов.  Нужно отметить, что шум на частоте 5 ГГц, как правило, ниже чем на 2.4 ГГц. SNR представляет собой разницу между принимаемым сигналом и шумовым порогом.  Например, если шумовой порог -100 dBm, а мощность принимаемого сигнала -85 dBm, то SNR составит 15 dB. При низком SNR данные будут повреждаться при пересылке, что потребует их повторной отправки и негативно скажется на производительности. Если SNR 25 dB или выше, сигнал считается хорошим, 10 dB или ниже – очень плохим.
Обратить внимание: радио модуль не может одновременно передавать данные и работать как спектроанализатор, поэтому, как правило, определяемый устройствами шумовой порог может отличаться от реального.

EVM (Error Vector Magnitude). Данная характеристика применяется для описания качества модуляции количества ошибок. Когда для модуляции используются созвездия (constellations), каждый сдвиг фазы отображается в двухмерной системе координат и расположение в ней точки соответствует определенной последовательности бит. Однако, в связи с тем, что радиоканалы не бывают идеальными, положение точки, как правило, отличается от идеального. EVM показывает разницу между расположением идеального и реального векторов, т.е. на сколько отличается положение точки на диаграмме, что позволяет судить о качестве сигнала.
EVM измеряется в децибелах. Чем выше значение, тем лучше качество сигнала (ниже уровень ошибок, лучше результаты модуляции). К примеру, -40 dB означает 1% ошибок, в то время как -25 dB означает 5,6% ошибок.

Апертура (aperture). Физическая апертура антенны, по сути, есть площадь поверхности, используемая для отправки и приема сигнала.

Эффективная апертура – параметр, описывающий мощность сигнала, улавливаемого антенной и передаваемого приемнику. Зависимость мощности от апертуры выражается следующей формулой:

P_t=pA_e

Где P_t – мощность в Вт, p – плотность потока мощности в Вт/м², A_e – эффективная апертура в Вт.

Зависимость эффективной апертуры от коэффициента усиления (gain), выражается следующей формулой:

 

Где A_e – эффективная апертура в Вт, λ – длина волны, G – коэффициент усиления антенны.

Эффективная апертура антенны может быть измерена путем сравнения с известной антенной либо с использованием описанной выше формулы.

Прямой зависимости между физической и эффективной апертурой, как правило, нет.

 

Источники:

YDI Wireless. Understanding Decibels and Their Use in Radio Systems by Michael F. Young

ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения

http://www.wikipedia.com

http://www.nado5.ru/e-book/plotnost-potoka-ehlektromagnitnogo-izlucheniya

David D. Coleman, David A. Westcott CWNA: Certified Wireless Network Administrator Official Study Guide

http://electronicdesign.com/engineering-essentials/understanding-error-vector-magnitude 

Бернард Скляр Цифровая связь: Теоретические основы и практическое применение

http://www.antenna-theory.com/basics/aperture.php