5.4 Отношение сигнал/шум в цифровых системах связи

Отношение энергии сигнала на 1 бит к плотности мощности шумов на 1 герц — используется в качестве меры производительности цифровых систем связи. Рассмотрим цифровой или аналоговый 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: (где – мощность сигнала; – время передачи одного бита). Скорость передачи данных R можно выразить в виде . Следовательно,

.

Отношение, выраженное в децибелах, принимает следующий вид:

Отношение имеет большое практическое значение, поскольку скорость появления ошибочных битов является (убывающей) функцией данного отношения. При известном значении , требуемом для получения желаемого уровня ошибок, можно выбирать все прочие параметры в приведенном уравнении. Необходимо отметить, что для сохранения требуемого значения при повышении скорости передачи данных R потребуется 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 приведёт к потере двух битов информации. Следовательно, при неизменной мощности сигнала и шума увеличение скорости передачи данных влечет за собой возрастание уровня возникновения ошибок.

5.5 Атмосферное поглощение

Причиной дополнительных потерь мощности сигнала между передающей и принимающей антеннами является атмосферное поглощение, при этом основной вклад в ослабление сигнала вносят водные пары и кислород. Максимальные потери мощности сигнала наблюдаются вблизи точки 22 ГГц, что вызвано взаимодействием с водяными парами. Для частот ниже 15 ГГц потери мощности намного меньше. Пик потерь мощности вследствие взаимодействия электромагнитных волн с кислородом наблюдается вблизи точки 60 ГГц; действие данного фактора ослабляется при частотах ниже 30 ГГц. Дождь и туман (капли воды, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе) приводят к рассеиванию радиоволн и, в конечном счете, к ослаблению сигнала. Указанные факторы могут быть основной причиной потерь мощности сигнала. Следовательно, в областях, для которых характерно значительное выпадение осадков, необходимо либо сокращать расстояние между приемником и передатчиком, либо использовать для связи более низкие частоты.

5.6 Многолучевое распространение

Если расположение антенн в системе связи является относительно произвольным, может случиться так, что тракт связи совпадет с линией прямой видимости между передатчиком и приемником (при отсутствии препятствий, приводящих к интерференции). Как правило, именно такое расположение выбирается для спутниковых систем или двухточечных сверхвысокочастотных каналов связи. Противоположным примером может служить мобильная телефонная связь — в данном случае препятствия на пути распространения сигнала встречаются довольно часто. Препятствия могут отражать сигнал, что приводит к появлению нескольких его копий, поступающих с различными интервалами задержки. В некоторых крайних случаях исходный сигнал может вообще отсутствовать. В зависимости от разницы между траекториями распространения прямой волны и ее отраженных копий мощность первой может быть меньше или больше суммы мощностей отражённых сигналов. Для систем связи стационарных антенн с удачно выбранным расположением, а также связи спутника и неподвижной наземной станции может осуществляться усиление исходного сигнала и отсечение побочных компонентов, вызванных многолучевым распространением. Единственным исключением является прохождение сигнала над поверхностью воды, отражающая поверхность которой постоянно колеблется из-за ветра. Для систем мобильной телефонной связи, а также для антенн с неудачным расположением эффекты многолучевого распространения могут быть основным фактором, влияющим на качество сигнала.

На рисунках 5.2 и 5.3 схематически изображены основные виды многолучевого распространения, типичные для неподвижных сверхвысокочастотных устройств, а также для наземных и мобильных систем связи.

Рисунок 5.2 - Сверхвысокочастотная линия визирования

На первом из упомянутых рисунков, кроме распространения вдоль линии прямой видимости, сигнал может преломляться атмосферой. Могут также присутствовать сигнальные компоненты, вызванные отражением от земли. При мобильной связи отражающую поверхность представляют здания и другие объекты местности.

Рисунок 5.3 - Мобильная радиосвязь