ПТСМС / Tema_3

Тема 3. Распространение сигналов. Потери при распространении сигналов. Многолучевое распространение

Впроводных сетях сигнал распространяется по проводам (медная витая пара, коаксиальный кабель, оптокабель и т.д.). Если провод не поврежден, он в большинстве случаев обладает одинаковыми характеристиками и в любой своей точке. Поэтому поведение сигнала, распространяющегося по этому проводу, (например, зависимость принимаемой мощности от длины кабеля) можно точно рассчитать.

Вслучае беспроводной передачи такое предсказуемое поведение возможно лишь в вакууме, т.е., когда между передатчиком и приемником нет никакого вещества. В этом случае ситуация выглядит так, как показано на рис. 3.1.

Рис.3.1. Зоны передачи, детектирования и помех

Впределах зоны передачи возможна двухсторонняя связь между устройствами с достаточно малым количеством ошибок. В зоне детектирования приемник способен выделить сигнал передатчика на фоне шума, однако для установления связи количество ошибок оказывается слишком велико. В зоне помех приемник не может выделить сигнал передатчика на фоне шумов, поэтому этот сигнал лишь создает помехи другим сигналам.

Однако реальная жизнь происходит не в вакууме, и при радиопередаче необходимо учитывать наличие атмосферы, гор, зданий, возможное перемещение передатчиков и приемников и т.д. Три описанных выше окружности на практике превращаются в многоугольники, форма которых изменяется со временем и зависит от частоты передачи.

Всвободном пространстве радиосигналы распространяются так же, как и свет (независимо частоты), т.е. по прямой линии (без учета гравитационных эффектов). Если между передатчиком и приемником можно провести подобную линию, то ее называют линией прямой

видимости (ЛПР). Если передача происходит в вакууме, то мощность сигнала все равно уменьшается при удалении от передатчика. Если обозначить расстояние между передатчиком и приемником через d,, то принимаемая мощность Рп будет пропорциональна 1/d2 (закон обратных квадратов). Причина этого явления в следующем. Представим, что передатчик – это точка в пространстве. После излучения передатчиком сигнала с определенной энергией он распространяется в пространстве со скоростью света как волна сферической формы. Если нет никаких препятствий, то радиус сферы постоянно возрастает, и энергия сигнала равномерно распределяется по ее поверхности. Площадь же поверхности сферы S возрастает с увеличением радиуса d согласно уравнению S = 4πd2.

Даже в вакууме мощность принимаемого сигнала зависит от длины волны и коэффициентов направленного действия антенн передатчика и приемника. Когда между передатчиком и приемником появляется вещество, ситуация еще более усложняется. Большинство радиопередач ведется через атмосферу, поэтому сигналы распространяются через воздух, дождь, снег, туман, пыль, смог и т.п. Хотя на небольших расстояниях такие потери на пути распространения или затухание не приводят к значительным осложнениям, передача на большие расстояния сильно подвержена влиянию атмосферы. Погодные условия могут сильно влиять на распространение сигналов, поглощая большую часть излучаемой энергии, что может привести к прекращению функционирования каналов связи.

Радиоволны способны частично проходить сквозь различные объекты. Обычно, чем ниже частота передачи, тем выше степень проникновения. Длинные волны распространяются на большие расстояния даже в воде – этот эффект используется для связи с подводными лодками. В то же время для экранирования радиоволн высокой частоты может оказаться достаточно даже одного дерева. Чем выше частота, тем больше поведение радиоволн напоминает поведение света. Это явление легко понять с помощью спектра частот, изображенного на рис. 1.1.

Крайней формой затухания является блокирование или экранирование радиосигналов крупными препятствиями (рис. 3.2, слева). Еще один важный эффект – отражение сигналов, показан на рис. 3.2 справа. Если объект достаточно крупный по сравнению с длиной волны сигнала, то сигнал будет от него отражаться. Так как при этом некоторая часть энергии сигнала всегда поглощается объектом, при отражении происходит ослабление сигнала. Отражение позволяет передавать сигналы даже при отсутствии прямой видимости.

Рис.3.2. Экранирование и отражение радиоволн

Если препятствие имеет размеры порядка длины волны или меньше, радиоволны могут рассеиваться на нем (рис. 3.3, слева). При рассеивании поступающий сигнал разделяется на несколько более слабых исходящих сигналов. Например, длины волн сигналов в системе GSM составляют несколько десятков сантиметров, поэтому источниками рассеивания сигналов может быть множество предметов нашего обычного окружения. Еще одним эффектом является дифракция волн. Радиоволна, встречая при распространении в однородной среде препятствие, изменяется по амплитуде и фазе и проникает в область тени, отклоняясь от прямолинейного пути. Дифракция радиоволн на сферической поверхности Земли является одной из причин приёма радиосигналов за пределами прямой видимости, когда передатчик и приёмник разделены выпуклостью земного шара. Эффект дифракционного проникновения радиоволны в область тени зависит от соотношения между размером препятствия и длиной волны и выражен тем сильнее, чем больше длина волны. С другой стороны, радиоволны, распространяясь вблизи полупроводящей поверхности Земли, затухают вследствие частичного поглощения энергии волны Землёй тем сильнее, чем короче волна. Поэтому дальность распространения так называемой земной волны существенно зависит от её длины. Достаточно длинные волны могут распространяться за счёт дифракции на значительные расстояния, достигающие иногда нескольких тысяч км.

Дифракция радиоволн на отдельно стоящих зданиях и выпуклостях рельефа, расположенных вдоль трассы (горы и др.), также может играть полезную роль. Она вызывает перераспределение энергии волны и может привести к "усилению" радиосигнала за препятствием.

Прямой передаче радиосигналов от передатчика к приемнику всегда сопутствуют эффекты распространения, рассмотренные выше, что является причиной возникновения многолучевого распространения. На рис. 3.3 показан передатчик (слева) и возможный приемник (справа). Радиоволны, испускаемые передатчиком, могут распространяться по прямой линии, отражаться от крупного здания или рассеиваться на меньших препятствиях. На этом упрощенном рисунке приведено лишь три

возможных пути распространения сигнала. В действительности их может быть намного больше. Из-за конечности скорости света распространяющиеся по различным путям сигналы достигнут антенны приемника в разнос время. В городах задержка, или временное рассеяние, отраженных сигналов относительно сигнала, распространяющегося в пределах прямой видимости, составляет порядка 3 мкс. Система GSM, например, допускает максимальное значение временного рассеивания 16 мкс, т.е. более чем трехкилометровую разность хода отдельных лучей. Это приводит к расширению импульса на приеме или приему нескольких импульсов. При значительной разности хода между различными лучами может иметь место межсимвольная интерференция, т.е. символы одного сигнала накладываются на соседние символы другого сигнала. Межсимвольная интерференция ограничивает пропускную способность радиоканала при многолучевом распространении.

Рис. 3.3. Многолучевое распространение

По мере удаления приемника от передатчика сигнал ослабевает пропорционально квадрату расстояния. При этом происходит плавное изменение уровня сигнала. При многолучевом распространении приемник принимает несколько сигналов сдвинутых по фазе, поэтому уровень результирующего сигнала получается выше или ниже уровня сигнала, распространяющегося в пределах прямой видимости.

Характеристика канала изменяется во времени. Это может быть вызвано изменением окружающей обстановки или движением приемника или передатчика. Это приводит к колебаниям (замираниям) уровня принимаемого сигнала.

Замирания имеют две составляющие: долговременную или усредненную и кратковременную (рис.3.4).

Диапазон изменения уровня сигнала при кратковременных замираниях может достигать 40 дБ, из которых 10 дБ – превышение над средним уровнем и 30 дБ – провалы ниже среднего уровня, причем более глубокие провалы встречаются реже, чем менее глубокие. Период колебаний зависит от длины волны сигнала и скорости движения

мобильной станции. Кратковременные затухания могут приводит к потере канала связи.

Рис. 3.4. Краткосрочное и долгосрочное затухание