Как спектр связан с длительностью импульса
Перейти к содержимому

Как спектр связан с длительностью импульса

Недопустимый идентификатор

Идентификатор 11701/17190/1/ не соответствует правильному Файл архива электронных ресурсов. Это могло произойти по одной из следующих причин:

  • URL текущей страницы неверен. Если Вы попали сюда извне архива электронных ресурсов, то, возможно, адрес набран неправильно или поврежден.
  • Вы ввели недопустимый ID в форму — пожалуйста, повторите попытку.

Если у Вас возникли проблемы или Вы считаете, что ID должен работать, то свяжитесь с администраторами сайта.

Связь между длительностью импульса и шириной его спектра

Из спектра одиночного импульса ясно, что чем меньше , тем шире спектр. При ® 0 – спектр равномерный; а при = – имеем на спектре одну постоянную составляющую.

Эта связь вытекает непосредственно из общего свойства преобразования Фурье.

Пусть ƒ(t) соответствует спектр F(ω).

Изменим масштаб функции ƒ(t) по оси времени в a раз и рассмотрим спектр функции aƒ(at):

заменим переменные at = z; adt = dz; t = z/a, то есть длительность функции ƒ(t) уменьшится в a раз, во столько же раз возрастет ширина ее спектра.

Вопрос о соотношении между длительностью импульса и шириной его спектра имеет громадное практическое значение. В вычислительной технике необходимы короткие и мощные импульсы и в тоже время требуется, чтобы спектр импульса был как можно уже, так как широкие спектры вызывают трудности при создании аппаратуры.

Эти требования противоречивы.

Возникает вопрос: нельзя ли найти такие сигналы, которые обладали бы ограниченным спектром и одновременно ограниченной длительностью? Формализм преобразования Фурье этого не позволяет, однако для реальных сигналов могут быть введены разумные ограничения, которые позволяют ограничить либо Δt, либо Δƒ, либо и то и другое.

Наиболее удобным в этом смысле, как мы уже говорили ранее, является энергетический критерий. При этом можно представить себе следующие модели сигналов:

1. Сигналы ограничены во времени. Спектр – неограничен теоретически; физически он всегда ограничен и учитывается только та часть спектра, где сосредоточена подавляющая часть энергии сигнала.

2. Сигналы имеют ограниченный спектр, то есть математически это периодические, неограниченные во времени сигналы. Фактически, реальный процесс всегда ограничен во времени, поэтому учитывается только интервал времени, в котором сосредоточена подавляющая часть всей энергии сигнала.

где t0 – часто задается естественно: для симметричного импульса t0 = 0; для одиночного так же t0 = 0 и формула имеет вид:

3. Сигналы, у которых и длительность (Δt) и ширина спектра (Δƒ) ограничены как интервалы, в которых сосредоточена подавляющая часть энергии сигнала. Математический аппарат преобразования Фурье дает в этом случае приближенные разультаты.

При ограничениях по Δt и Δƒ можно поставить следующую задачу – отыскать такую форму сигнала, для которой произведение Δt · Δƒ достигает min.

Такому условию соответствует импульс, имеющий колоколообразную форму, которая описывается кривой Гаусса (кривой нормального распределения).

Рис. 10.17. Кривая Гаусса

Произведение Δt · Δƒ может быть уменьшено только до определенного предела:

Δt · Δƒ ≈ const > 0,

где const зависит от выбора определения Δƒ и Δt.

Приведем значения Δt · Δƒ для различных видов сигналов в предположении, что

Δt · Δƒ – max для импульсов с разрывом (экспонента, прямоугольник); меньше для импульсов с разрывом в первой производной (треугольник и косинусоидальный) и наименьшее значение у колоколообразного импульса, у которого функция непрерывна со всеми своими производными. http://peredacha-informacii.ru/

Наиболее плодотворной и близкой к реальной действительности является модель с ограниченным спектром.

Этому способствует тот факт, что спектр мощности реального сигнала достаточно быстро спадает вне интервала частот, на который приходится основная часть мощности.

В инженерной практике принимают (в первом приближении независимо от формы сигнала):

Практически, независимо от формы сигнала содержится > 90% энергии.

1. Если Tимп = 3млсек, то какая требуется полоса частот, чтобы пропустить основную долю энергии?

2. Какова длительность телевизионных импульсов, если FTVmax = 6мггц?

3. Какова min длительность импульсов, проходящих по телефонному каналу?

4. При передаче трансцоидального импульса происходит его искажение. Чаще всего это сглаживание (показано пунктиром). На рис. 10.18. показаны длительность импульса и длительности фронтов (переднего и заднего). Из приведенных соотношений видно, что для сохранения фронтов требуется значительно более широкий спектр, чем для передачи основной энергии импульса.

Если сохранить фронт, то:

Спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов

В предыдущих разделах мы рассмотрели разложение периодических сигналов в ряд Фурье, а также изучили некоторые свойства представления периодических сигналов рядом Фурье. Мы говорили, что периодические сигналы можно представить как ряд комплексных экспонент, отстоящих друг от друга на частоту рад/c, где — период повторения сигнала. В результате мы можем трактовать представление сигнала в виде ряда комплексных гармоник как комплексный спектр сигнала. Комплексный спектр, в свою очередь, может быть разделен на амплитудный и фазовый спектры периодического сигнала.

В данном разделе мы рассмотрим спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов, как одного из важнейших сигналов, используемого в практических приложениях.

Спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов

Пусть входной сигнал представляет собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов амплитуды , длительности секунд следующих с периодом секунд, как это показано на рисунке 1

Рисунок 1. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов

Единица измерения амплитуды сигнала зависит от физического процесса, который описывает сигнал . Это может быть напряжение, или, сила тока, или любая другая физическая величина со своей единицей измерения, которая меняется во времени как . При этом, единицы измерения амплитуд спектра , , будут совпадать с единицами измерения амплитуды исходного сигнала.

Тогда спектр , , данного сигнала может быть представлен как:

Спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов представляет собой множество гармоник с огибающей вида .

Свойства спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов

Рассмотрим некоторые свойства огибающей спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов.

Постоянная составляющая огибающей может быть получена как предел:
Для раскрытия неопределенности воспользуемся правилом Лопиталя [1, стр. 257]:

где называется скважностью импульсов и задает отношение периода повторения импульсов к длительности одиночного импульса.

Таким образом, значение огибающей на нулевой частоте равно амплитуде импульса деленной на скважность. При увеличении скважности (т.е. при уменьшении длительности импульса при фиксированном периоде повторения) значение огибающей на нулевой частоте уменьшается.

Используя скважность импульсов выражение (1) можно переписать в виде:

Нули огибающей спектра последовательности прямоугольных импульсов можно получить из уравнения:

Знаменатель обращается в ноль только при , однако, как мы выяснили выше , тогда решением уравнения будет

Тогда огибающая обращается в ноль если

На рисунке 2 показана огибающая спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов (пунктирная линия) и частотные соотношения огибающей и дискретного спектра .

Рисунок 2. Cпектр периодической последовательности прямоугольных импульсов

Также показаны амплитудная огибающая , амплитудный спектр , а также фазовая огибающая и фазовый спектр .

Из рисунка 2 можно заметить, что фазовый спектр принимает значения когда огибающая имеет отрицательные значения. Заметим, что и соответствуют одной и той же точке комплексной плоскости равной .

Пример спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов

Пусть входной сигнал представляет собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов амплитуды , следующих с периодом секунды и различной скважностью . На рисунке 3а показаны временные осциллограммы указанных сигналов, их амплитудные спектры (рисунок 3б), а также непрерывные огибающие спектров (пунктирная линия).

Рисунок 3. Cпектр периодической последовательности прямоугольных импульсов при различном значении скважности
а — временные осциллограммы; б — амплитудный спектр

Как можно видеть из рисунка 3, при увеличении скважности сигнала, длительность импульсов уменьшается, огибающая спектра расширяется и уменьшается по амплитуде (пунктирная линия). В результате, в пределах главного лепестка увеличивается количество гармоник спектра .

Спектр смещенной во времени периодической последовательности прямоугольных импульсов

Выше мы подробно изучили спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов для случая, когда исходный сигнал являлся симметричным относительно . В результате спектр такого сигнала является вещественным и задается выражением (1). Теперь мы рассмотрим, что произойдет со спектром сигнала если мы сместим сигнал во времени,как это показано на рисунке 4 .

Рисунок 4. Сдвинутая во времени периодическая последовательность прямоугольных импульсов

Смещенный сигнал можно представить как сигнал , задержанный на половину длительности импульса . Спектр смещенного сигнала можно представить согласно свойству циклического временного сдвига как:

Таким образом, спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов, смещенной относительно нуля, не является чисто вещественной функцией, а приобретает дополнительный фазовый множитель . Амплитудный и фазовый спектры показаны на рисунке 5.

Рисунок 5. Амплитудный и фазовый спектры сдвинутой во времени периодической последовательности прямоугольных импульсов

Из рисунка 5 следует, что сдвиг периодического сигнала во времени не изменяет амплитудный спектр сигнала, но добавляет линейную составляющую к фазовому спектру сигнала.

В данном разделе мы получили аналитическое выражение для спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов.

Мы рассмотрели свойства огибающей спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов и привели примеры спектров при различном значении скважности.

Также был рассмотрен спектр при смещении во времени последовательности прямоугольных импульсов и показано, что смещение во времени изменяет фазовый спектр и не влияет на амплитудный спектр сигнала.

Вопросы, замечания и пожелания вы можете оставить на странице обсуждения статьи
Программная реализация в библиотеке DSPL

Данные для построения рисунков данного раздела были просчитаны при использовании библиотеки DSPL-2.0

Ниже приведён исходный код программы расчета данных для построения рисунка 3: fourier_series_pimp_q.c

 #include #include #include "dspl.h" /* Размер векторов входных сигналов и огибающей спетра */ #define N 1000 /* Период повторения импульса. Для изменения скважности мы будем менять * длительность импульса при фиксированном периоде повторения */ #define T 4.0 /* Амплитуда */ #define A 2.0 /* Количество спектральных гармоник разложения в ряд Фурье */ #define M 41 /* длина команды Gnuplot */ #define PLOTCMD_LEN 256 int main(int argc, char* argv[]) < double t1[N]; /* время (сек) на одном периоде повторения */ double t4[N]; /* время (сек) на четырех периодах повторения */ double s[N]; /* входной сигнал */ complex_t S[M]; /* комплексный спектр периодического сигнала */ double Smag[M]; /* амплитудный спектр периодического сигнала */ double w[M]; /* частота (рад/c) дискретного спектра */ double wc[N]; /* частота (рад/с) огибающей спектра */ double Sc[N]; /* огибающая спектра */ double tau; /* длительность импульса */ /* скважность */ double Q[3] = ; int q, m, n; char fname[64]; /* имя файла данных */ char plotcmd[PLOTCMD_LEN]; /* Команда Gnuplot */ void* hdspl; /* DSPL handle */ void* hplot; /* GNUPLOT handle */ hdspl = dspl_load(); if(!hdspl) < printf("Cannot to load libdspl!\n"); return 0; >/* Вектор частот непрерывной огибаюхей вида sin(w/2*tau) / (w/2*T) */ linspace(-M_PI*(double)M/(double)T, M_PI*(double)M/(double)T, N, DSPL_SYMMETRIC, wc); /* заполнение массива временных отсчетов */ /* на одном периоде повторения сигнала */ linspace(-T/2.0, T/2.0, N, DSPL_PERIODIC, t1); /* заполнение массива временных отсчетов * на 4-x периодах повторения сигнала * для отображения на осциллограмме */ linspace(-T*2.0, T*2.0, N, DSPL_PERIODIC, t4); /* Построение графиков пакетом GNUPLOT */ gnuplot_create(argc, argv, 800, 640, "img/fourier_series_rec.png", &hplot); gnuplot_cmd(hplot, "unset key"); gnuplot_cmd(hplot, "set multiplot layout 3,2 rowsfirst"); gnuplot_cmd(hplot, "set yrange [0:2.2]"); for(q = 0; q < 3; q++) < tau = T/Q[q]; /* 4 периода повторения п-импульса скважности Q[q] */ signal_pimp(t4, N, A, tau, 0.0, T, s); /* сохранение в текстовый файл временных осциллограмм */ sprintf(fname, "dat/pimp_time_%.2lf.csv", Q[q]); writetxt(t4, s, N, fname); /* Построение временнОй осциллограммы */ sprintf(plotcmd, "plot '%s' with lines", fname); gnuplot_cmd(hplot, plotcmd); /* один период повторения п-импульса скважности Q[q] */ signal_pimp(t1, N, A, tau, 0.0, T, s); /* разложение в ряд Фурье */ fourier_series_dec(t1, s, N, T, M, w, S); /* Рассчет амплитудного спектра */ for(m = 0; m < M; m++) < /*printf("S[%d] = %f %f\n", m, RE(S[m]), IM(S[m]));*/ Smag[m] = ABS(S[m]); >/* Сохранение в файл амплитудного спетра для скважности Q[q] */ sprintf(fname, "dat/pimp_freq_discrete_%.2lf.csv", Q[q]); writetxt(w, Smag, M, fname); /* Построение на график амплитудного спектра для заданной скважности */ sprintf(plotcmd, "plot '%s' with impulses lt 1 ,\\", fname); printf("%s\n", plotcmd); gnuplot_cmd(hplot, plotcmd); sprintf(plotcmd, "'%s' with points pt 7 ps 0.5 lt 1 ,\\", fname); printf("%s\n", plotcmd); gnuplot_cmd(hplot, plotcmd); /* Расчет огибающей */ for(n = 0; n < N; n++) Sc[n] = (wc[n] == 0.0) ? A/Q[q] : fabs( A * sin(0.5*wc[n]*tau) / (0.5*wc[n] * T)); /* сохранение огибающей в файл для скважности Q[q] */ sprintf(fname, "dat/pimp_freq_cont_%.2lf.csv", Q[q]); writetxt(wc, Sc, N, fname); /* Построение на график непрерывной огибающей амплитудного спектра для заданной скважности */ sprintf(plotcmd, "'%s' with lines", fname); printf("%s\n", plotcmd); gnuplot_cmd(hplot, plotcmd); >gnuplot_cmd(hplot, "unset multiplot"); gnuplot_close(hplot); /* remember to free the resource */ dspl_free(hdspl); return 0; > 

Как спектр связан с длительностью импульса

В физическом плане, беспроводные сети значительно отличаются от сетей Ethernet, а вот с точки зрения логики работы, они весьма схожи. Отличие это выражается хотя бы в том, что воздушная среда передачи данных разительно отличается от витой пары. Многие последние технические разработки ведутся в области широкополосной беспроводной связи. Эти инновации и будут описаны ниже.

Принудительное расширение частотного спектра сигнала является основой приемо-передачи шумоподобных сигналов.

Наглядно, этот сигнал можно представить в виде совокупности синусоидальных гармоник, имеющих разную частоту и амплитуду. Следует учесть, что большая часть энергии импульса будет находиться в спектральной полосе, которая соответствует длительности передаваемого сигнала.

Ширина спектра рассчитывается по формуле: Ширина спектра = 1/tи, где tи — длительность импульса. Формула показывает, что при уменьшении длительности импульса увеличивается ширина полосы, по которой проходит сигнал. Возникает сложность с передачей сигнала не большой мощности.

Процесс повышения надежности приема не сложен. Для этого просто необходимо внести в него избыточность. В роли избыточности выступает шумоподобный код или ЧИП (числовая последовательность). В результате, энергия сигнала распределяется по всему спектру.

Шумоподобный сигнал

В среде передачи (эфире) всегда присутствует шум. Были разработаны специальные последовательности, в их основу положена автокорреляция, которые выделяют ЧИП из этого шума. Это означает, что когда корреляция накладывается сам на себя (имея не большой сдвиг) будет возникать совпадение кода. Данное совпадение возникнет только при условии небольшого смещения. Наглядным примером такого кода служит 11-ти разрядный код Баркера (11100010010). Используют прямой и инверсный его вариант для передачи 1 и 0. В результате, появляется возможность выделить сигнал из шума и преобразовать его в узкополосный.

Таким образом, путем не сложных подсчетов, получается, что при информационной скорости в 1 Мб/с, ЧИП длительностью 1/11 мкс будут следовать на 11 Мчип/с, и ширина спектра составит 22 Мгц (частота соответствует 2/Т, где Т — длительность импульса). Обращаем ваше внимание на тот факт, что существует возможность увеличить сигнальную скорость более чем 2 раза. Для этого используют комплиментарные коды — это более сложные механизмы представления данных.

Следует подчеркнуть, что фазовая модуляция RadioEthernet по своей физической сути не сильно отличается от, например, xDSL. Такое сходство характерно для большинства таких систем.

Диапазон частот

Правом распределения частот среди желающих во многих странах обладают специальные службы по телекоммуникации. Кроме того, диапазоны частот 2400-2483,5 МГц и 5725-5875 МГц используется для передачи данных в промышленной, медицинской и научной сфере. Такое распределение было установлено на Всемирной Административной Радио Конференции (ВАРК).

Начиная с 1986 года в странах Европы и США было официально отменено обязательное лицензирование ISM-диапазонов. Теперь каждый желающий может использовать данный диапазон широкополосными средствами связи. Это разрешение действует и на устройства Radio-Ethernet. Однако тут существует ограничение — мощность передатчика не должна превышать 100 мВт.

Такой подход поспособствовал появлению большого числа беспроводных технологий (Wireless LAN). Изначально, задумывались такие решения для возможности мобильности пользователей внутри одного помещения или кампуса. За использования частоты в этих целях плата не взималась. На территории СНГ Wireless LAN так и не стало популярным. Такое оборудование провайдеры использовали для связи сетей областного масштаба между собой.

Ситуация с бесплатными каналами частот совсем иная в Украине. Здесь, как и в прошлом, процветает бюрократия: вся процедура регистрации очень сложная и запутанная. Кроме того, за частоту нужно платить, и не мало. Описывать здесь всю процедуру мы не будем. Укажем лишь, что только стоимость работ будет составлять десятки тысяч долларов США. Ждать изменения данной ситуации к лучшему в ближайшем будущем не приходится. Процесс упрощения и удешевления движется очень медленно.

Надо указать на то, что при этом тотальном контроле за средой, на практике отсутствуют реальные методы борьбы с пиратскими линиями связи. Во многих больших городах России пиратство расцвело на столько, что легальных операторов просто вытеснили с диапазон 2,4 ГГц. При этом средства, потраченные на лицензию, никто не вернул.

Борьба с пиратством усложнилась еще и тем, что для работы стало достаточно ноутбука с радиомодулем и некоторое активное оборудование, стоимость которого составляет до 100$. Следовательно, каждый, кто имеет такое оборудование уже потенциальный пират.

Все идет к тому, что и другие диапазоны, так же, присвоят пираты. Связано это с продолжающей снижаться ценой на оборудование, предназначенного для работы на диапазоне 3,4 и 5,2 ГГц. Чем все закончится — сейчас сказать сложно. Однозначно одно, принятая государством политика жесткого регулирования потерпела крах. Права легальных компаний защитить она не в силах.

Методы передачи

Методов существует несколько. В частности, существуют две принципиально разных технологии, которые позволяют работать с широкой полосой частот. Этими методами являются Frequency Hopping Spread Spectrum — FHSS (частотных скачков) и Direct Sequence Spread Spectrum — DSSS (прямая последовательность).

В методе частотных скачков весь широкополосной диапазон 2,4 ГГц используется как одна полоса с 79 подканалами. В методе прямой последовательности широкая полоса разбита на несколько DSSS-каналов. Это значит, что одновременно, на одной полосе среды, независимо друг от друга, могут использоваться 3 канала. При этом, скорость передачи каждого из каналов, будет 2 Мбит/с.

Преимущества DSSS на лицо: большая дальность связи, устойчивость к узкополосным помехам, высокая производительность. Производительность составляет 2 Мбит/с на один канал, 6 Мбит/с на весь диапазон 2,4 ГГц.

Вторая технология — FHSS отличается более низкой пропускной способностью, но при этом она дешевле и проще. Под эту технологию многими фирмами производится оборудование. Основным преимуществом FHSS над DSSS считается сохранение работоспособности в условиях широкополосных помех. Самый главный недостаток FHSS состоит в том, что они мешают обычным узкополосным устройствам.

Взаимодействие устройств

Был разработан специальный набор стандартов, который призван регламентировать теоретические вопросы локальных сетей, построенных по принципу Radio Ethernet. Такими стандартами является семейство IEEE 802.11. В этом стандарте определен порядок организации беспроводных сетей. Описаны оба уровня доступа: МАС и PHY. В первом из них доступ к среде передачи данных, во втором — физический уровень.

Максимальная скорость передачи данных, которую предусматривал данный стандарт, была 1 Мбит/с. Затем, было разработано дополнение — IEEE 802.11b, которое предусматривало скорость уже 1, 2, 5.5 и 11 Мбит/с. После этого семейство данного стандарта все время пополняется и на сегодня версии a и g значительно подняли скорость.

Когда устройства начинают взаимодействовать друг с другом на MAC-уровне, возникает необходимость разделить сети по инфраструктуре. Их выделяют две: Ad Hock и Infrastructure Mode. Само взаимодействие оборудования так же будет различным. Так при первом варианте узлы непосредственно взаимодействуют друг с другом — такое взаимодействие называют «режимом точка-точка». При втором варианте — через точку доступа — Access Point. Точка доступа исполняет роль концентратора. Режим «точка доступа», в свою очередь, так же имеет два режима: BSS и ESS. Basic Service Set предусматривает доступ только через точку доступа, а Extended Service Set позволяет узлам взаимодействовать друг с другом.

Теперь рассмотрим PHY-уровень. На этом уровне используется широко известная технология избегания коллизий. Перед началом передачи посылается специальное сообщение — Ready To Send. Данное сообщение извещает о готовности к отправке, адресат, продолжительность.

Принимающий узел, в свою очередь извещает о готовности принять другим сообщением — Clear to send. Другие узлы могут задерживать передачу. Окончание процесса передачи, так же, оформлено кадром — ACK. Эта последовательность будет повторяться снова и снова, пока происходит обмен информацией. Если обобщить все выше сказанное, то можно сказать, что сам процесс передачи информации идет без возможности коллизий. Коллизии возникают только, когда идет процесс соревнования абонентов за канал.

Параллельно, большими шагами идет развитие рынка беспроводного оборудования операторского класса. Здесь представлены MMDS, LMDS, OFDM (будущий 802.16а), фирменные технологии. В целом, ассортимент очень широк. Из-за такого количества новинок разобраться во всем этом многообразии оборудования порой очень непросто.

Ниже, мы попытаемся систематизировать всю информацию на практических примерах.

Группа IEEE 802.11.

Данная группа сегодня считается лидером на рынке. Остановим ваше внимание на том факте, что приведенные стандарты были разработаны и продолжают разрабатываться далее для нужд локальных сетей внутри помещения.

Другими словами, установленный нами хаб будет иметь характеристики хуже, чем у аналогичных проводных «братьев». Желательное число абонентов, подключенных к одному хабу (пропускная способность 11Mb/s)не должно превышать 15-ти человек.

Таким образом, это оборудование не применимо в более крупных сетях (район\город). Хоть такие сети и были выстроены во многих городах СНГ, их услугу никак нельзя назвать качественной.

Решением может выступать применение оборудования 802.11b, используя технологию точка-точка. Так же можно применять разнос нескольких точек на расстояние 7-8 километров.

Ниже приведена небольшая таблица характеристик для группы 802.11

Стандарт 802.11 802.11b 802.11a 802.11g 802.11n
Частоты 2,4-2,483 ГГц 2,4-2,483 ГГц 5,15-5,25 ГГц
5,25-5,35 ГГц
5,725-5,850 ГГц
2,4-2,483 ГГц 5 ГГц
2,4 ГГц
Метод передачи DSSS,FHSS DSSS DSSS DSSS
Скорость 1,2Мб/с 1,2,5.5,
11Мб/с
6,9,12,18,
24,36,48,54Мб/с
6,9,12,18,
24,36,48,54Мб/с
До 248Мб/с
Метод модуляции BPSK, QPSK BPSK, QPSK, CCK BPSK, QPSK
Дальность связи До 50 км До 50 км До 40 км До 40 км

Обращаем внимание, что в инструкции к любому беспроводному оборудованию указанная максимальная дальность передачи сигнала, относится к условиям, близким к идеальным. При этом должно использоваться дорогостоящее антенно-фидерное оборудование.

Если ориентироваться на крупных иностранных операторов, то те отказались от использования такого оборудование. Они аргументируют свой отказ тем, что на это оборудование нет никаких гарантированных характеристик.

Компаниями-производителями оборудования рассматриваемого стандарта являются: Cisco (aironet), Proxim (ORiNOCO), Micronet (SP), D-Link, Linksys и т.п.

MMDS и LMDS подобное оборудование

Изначально данное оборудование задумывалось для осуществления работы многоканального беспроводного телевидения, с перспективой переноса в высокочастотные спектры. На много позже, были реализованы технологии, которые дали возможность наложить стандарт цифровой передачи данных на радиосеть. В результате, все параметры цифрового потока данных отвечают этому стандарту.

При этом сохраняется возможность получения и воспроизведения телевизионных каналов. Их количество зависит от общего спектра системы. Если мощность передатчика будет достаточно высокой, то зона покрытия будет достигать до 40 километров.

Сеть, построенная по такому принципу, будет иметь достаточно высокую стоимость. Только получение частотного разрешения уже влетит в копеечку, а установка одной единицы базовой станции стоит от 150 тыс. долларов.

Есть еще ряд проблем, одна из основных — проблема с частотами. Связана она с шириной спектра, который требует данная технология. В итоге, отечественным операторам за установку такой сети в небольшом городе, необходимо выложить до 1 млн. долларов. В большинстве случаев такие расходы им не под силу.

Фирменные технологии

Фирменные разработки появились вследствие отсутствия соответствующих стандартов на беспроводные сети. Кроме того, имеющиеся стандарты не имели гарантированных характеристик каналов. Самыми популярными на сегодняшний день являются: Tsunami (Proxim), Ultima3 (Wi-Lan), PacketWave(Aperto Networks) и Revolution (CompTek).

Пример небольшой операторской базовой станции

Такое оборудование весьма популярно при создании городских сетей. Его используют так же как замену ЦРРЛ. Рост популярности связан, прежде всего, с относительно доступной ценой: $800-1600 за клиентское устройство (CPE) и $7000-30000 за базовую станцию. Кроме того, такие сети имеют высокую степень надежности и предоставляют гарантированные характеристики канала.

В настоящее время разрабатывается новый стандарт на основе OFDM, назван он — IEEE 802.16a. Возможно, вскоре, не очень дорогое оборудование LAN-уровня включит в себя основные достоинства фирменных разработок. Такое внедрение даст возможность создавать радио сети, в которых будет происходить обмен данными на высокой скорости. Сами сети при этом будут гораздо большего размера, чем сейчас.

Разумеется, что для качественного функционирования радиоканала, одного хорошего активного оборудования не достаточно. Необходимо иметь и пассивное оборудование высокого качества (антенно-фидерный тракт). Не редки случаи, когда их цена значительно больше стоимости простого радиобриджа.

Качество кабеля определяется параметром dB Loss — чем меньше этот параметр, тем лучше. Обращать внимание нужно на затухание, которое происходит именно на той частоте, на которой предполагается работа самого канала. Ниже приведены паспортные данные некоторых видов кабелей:

RG-8x doublescreen

Параметр Значение
Частота (мгц) 300 900 1800 2400
Затухание (дб/м) 0,24 0,42 0,64 0,76
Внешний диаметр (мм) 7,5
Диаметр центрального проводника (мм) 1,65

Belden H-1000

Параметр Значение
Частота (мгц) 300 900 1800 2400
Затухание (дб/м) 0,07 0,12 0,18 0,24
Внешний диаметр (мм) 10,3
Диаметр центрального проводника (мм) 2,5

Здесь не приведен пример параметров общеизвестного RG58, т.к. при его использовании будут наблюдаться очень высокие потери, вплоть до 5-8 Дб/метр. Как следует из приведенной таблицы, рациональней всего использовать высокочастотный кабель. Стоимость его относится к разряду средней — 0,5 до 2,5$.

Напомним, что потери будут расти с каждым следующим метром кабеля. Например, 20 м. RG-8x вызовут затухание порядка 20 * 0,76 = 15,2 Дб. Это сопоставимо с усилением, которое может дать хорошая антенна. Немаловажен и тот факт, что длинный кабель сам по себе является антенной. Он способен вбирать в себя все помехи из эфира. Для фильтрации сигнала предназначен узкополосный фильтр, который ставят на входе в активное устройство. Но он не всегда способен противостоять серьезной помехе. Если ставить еще один фильтр, мы дополнительно потеряем 3 Дб.

В результате, активное оборудование, нужно располагать как можно ближе к крыше. При этом следует учесть то, что при длине фидера более 30-40 метров возможны перебои со связью. В таких случаях используют мощные антенны и усилители.

Разъемы

Теперь нужно рассмотреть очень важный объект — разъемы. Самую высокую степень применения имеют N-type, SMA, TNC, РК-50. Более узкую сферу применения имеют BNC, UHF, F-type, и другие «фирменные» стандарты. Эти разъемы не сложны в применении, так как имеют разнообразные переходники и разветвители, их можно паять и обжимать.

Величина затухания в разъемах соответствует по величине затуханию в 1-2 метрам кабеля. Работать с разъемами следует очень аккуратно, т.к. даже небольшое количество влаги или грязи способно значительно увеличить затухание.

В связи с тем, что разъемы часто устанавливаются на крышах, велика вероятность попадания влаги внутрь.

Антенны

Из всех рассмотренных видов оборудования, необходимого для беспроводного радиосоединения, одним из самых важных элементов являются антенны. Существует огромное количество их разновидностей: логопериодические, параболические, вибраторные, панельные, коллинеарные (всенаправленные), волновой канал и др. Рассматривать в отдельности каждый из этих видов, мы не будем, сделаем лишь краткий обзор.

Все антенны делятся на три группы: узконаправленные, всенаправленные и секторные. Разделение на эти группы не предусматривает конструктивных отличий. Различия между представителями этих трех групп видны из их названия. Всенаправленные антенны используют для работы с несколькими точками, что предусматривает их использование для не больших базовых станций. Недостатком таких антенн является низкая степень защиты от помех. На практике, такие антенны перестают работать при высокой степени шума и не используются для связи между сегментами Ethernet-сетей.

Для возведения мощных базовых станций применяют несколько антенн (создают несколько секторов), которые имеют диаграмму направленности в 60-180 градусов. Эти сектора настраиваются на разные диапазоны, что дает им возможность не создавать помех дуг для друга. Для этих же целей антенны часто устанавливают в разной поляризации.

Узконаправленные антенны — это лидер установки при строительстве домашних сетей. Такая антенна принимает меньше помех и, соответственно, излучает их меньше. Таким образом, самым основным ценным качеством таких антенн является как можно большая узость диаграммы направленности.

Самыми распространенными считаются панельные антенны и «волновой канал», связано это с хорошим соотношением цена/качество.

Ниже приведен пример панельной антенны FA-20 (усиление 20 Дб).

Антенна FA-20 (модификация FA-16

Достоинством данной антенны является ее узость диаграммы направленности. Недостатки – высокая стоимость ($50-70) и высокая степень заметности антенны на крыше.

Ниже представлен пример антенны, имеющей тип «волновой канал». Марка POLARIS-2450 (усиление 17 Дб).

Основным преимуществом POLARIS-2450-17 является ее внешняя схожесть с телевизионной. Она не дорогая ($20-40), но и не высокого качества.

Следующий тип антенн — двойной биквадрат. Изготавливается просто, кустарным способом. Отличается хорошей диаграммой направленности и усилением.

Самодельная антенна типа двойной биквадрат.

Приведем еще один тип кустарной антенны – это «баночная». Такой тип часто используется в таких же кустарных сетях.

Данное устройство нельзя применять для серьезных сетей. Однако, с ее помощью можно получить довольно приличное усиление — 7-8 Дб.

Грозозащита

Для любой антенны, расположенной на крыше здания, очень важным параметром является ее грозозащитные свойства. Сегодня самым распространенным типом антенн являются короткозамкнутые по постоянному току. Этот параметр очень надежно защищает антенну от атмосферного электричества. Здесь следует обратить внимание на надежность крепления антенны и его заземление.

Что касается «кустарных» (самодельных) антенн, то для них самой лучшей защитой является негрозоопасное место размещения. Можно, так же, применять отдельную газовую или четвертьволновую грозозащиту.

Непрямая видимость

Очень редки случаи, когда владельцы локальных беспроводных сетей занимаются расчетом возможности связи. Обычно все решается на бытовом уровне: если излучатель и приемник находятся в зоне прямой видимости друг друга — то связь будет, если нет — то и связь будет отсутствовать.

Такой подход, зачастую, оправдывает себя. Однако, на примере телевизионного сигнала, становится ясно, что хороший прием гарантирован и в условиях отсутствия прямой видимости. Связано это с тем, что волны имеют свойство отражаться от различных поверхностей (стены, крыши и др.) для нужд связи по средствам радио-Ethernet этого хватает.

На сегодняшний день, производители специально выпускают такое оборудование, которое изначально поддерживает отраженный сигнал. Реализована эта функция на уровне методов кодирования. Теперь уже можно говорить о приеме сигнала, даже в условиях отсутствия прямой видимости. На практике такое встречается редко. Прием сигнала в таких условиях будет скорее исключением, чем правилом.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *