Útlum volného prostoru: podrobnosti a výpočet
Nejjednodušším scénářem pro šíření rádiového signálu je model šíření ve volném prostoru, když se signál šíří ve volném prostoru.
Výukový program šíření rádiových vln Zahrnuje:
Základy šíření rádiového signálu Útlum rádiového signálu Šíření volným prostorem a útlum Rozpočet spojení Odraz rádiových vln Lom rádiových vln Difrakce rádiových vln Vícecestné šíření Vícecestný únik Rayleighův únik Atmosféra a rádiové šíření
Způsob, jakým se signál šíří, a způsobený útlum poskytují základ pro složitější modely šíření.
Model šíření ve volném prostoru podrobně popisuje způsob, jakým se rádiový signál šíří ve volném prostoru, když není pod vlivem mnoha dalších vnějších prvků, které ovlivňují šíření.
Koncepce a výpočty pro útlum šíření ve volném prostoru jsou nejen užitečné pro výpočet úrovní signálu pro šíření volným prostorem, jako jsou cesty do a ze satelitů, ale také tvoří základ mnoha dalších výpočtů.
I když se zdá, že rovnice naznačují, že útlum roste s frekvencí, není to celý příběh, jak jsme vysvětlili v naší části níže.
Základy šíření volným prostorem
Model šíření volným prostorem je nejjednodušší scénář pro šíření rádiových signálů. Zde se předpokládá, že cestují směrem ven z bodu, kde jsou vyzařovány anténou.
Způsob, jakým se šíří, lze přirovnat k vlnění vln na jezírku, které se šíří směrem ven z místa, kde je do jezírka shozen kámen.
Jak se vlnky pohybují směrem ven, jejich úroveň se snižuje, až nakonec zmizí oku.
V případě šíření rádiového signálu se vlny šíří spíše ve třech rozměrech než ve dvou rozměrech na příkladu rybníka, ale přesto je to dobrý způsob, jak vysvětlit základy.
Útlum šíření ve volném prostoru je klíčovým prvkem mnoha výpočtů. Koncepty použité v těchto výpočtech jsou použitelné pro mnoho dalších výpočtů a ve výsledku je to velmi užitečné.
Úroveň signálu šíření volným prostorem
Lze ukázat, že úroveň signálu klesá, když se vzdaluje od bodu, kde byl vyzářen.
Rychlost, kterou padá, je úměrná převrácené hodnotě druhé mocniny vzdálenosti.
Kde:
k = konstanta
d = vzdálenost od vysílače
Jako jednoduchý příklad to znamená, že úroveň signálu přenosu bude na vzdálenost 2 metrů čtvrtina síly než na vzdálenost 1 metr.
Pokud je rádiový signál ovlivněn jinými faktory, lze základní vzorec upravit tak, aby to zohlednil.
Exponent je změněn tak, aby přesněji reprezentoval scénář skutečného života. V prostředích, jako jsou vnitřní prostory budov, jako jsou budovy, stadiony a další vnitřní prostředí, může exponent ztráty cesty dosáhnout hodnot v rozsahu 4 až 6.
Mnoho mobilních operátorů zakládá své výpočty na redukci pozemního signálu kolem převrácené hodnoty vzdálenosti k výkonu 4. Tunely však mohou fungovat jako forma vlnovodu a mohou mít za následek hodnoty exponentu ztráty cesty menší než 2.
Výpočet útlumu šíření ve volném prostoru
Je možné vypočítat útlum trasy mezi vysílačem a přijímačem. Útlum je úměrný druhé mocnině vzdálenosti mezi vysílačem a přijímačem, jak je vidět výše, a také druhé mocnině používané frekvence.
Útlum volného prostoru může být vyjádřen buď vlnovou délkou nebo frekvencí. Obě rovnice jsou uvedeny níže:
Z hlediska vlnové délky
Z hlediska frekvence
Kde:
FSPL = útlum volného prostoru
d = vzdálenost od vysílače k přijímači (metry)
λ = vlnová délka signálu (metry)
f = frekvence signálu (Hz)
c = rychlost světla (metry za sekundu)
Frekvenční závislost vzorce pro útlum trasy ve volném prostředí
Zdá se, že rovnice útlumu volného prostoru výše naznačují, že ztráta je závislá na frekvenci nebo vlnové délce. Ve skutečnosti útlum vyplývající ze vzdálenosti uražené v prostoru není závislý na frekvenci nebo vlnové délce a je konstantní.
Při pohledu na rovnice útlumu volného prostoru je možné vidět, že výsledek závisí na dvou efektech:
- První je výsledkem šíření energie, když se plocha, nad kterou se energie šíří, zvětšuje. To popisuje zákon inverzního čtverce.
- Druhý efekt vyplývá ze změny apertury antény a to závisí na fyzické velikosti a použité vlnové délce. To ovlivňuje způsob, jakým může jakákoli anténa zachytit signály, což vede k tomu, že tento prvek je frekvenčně závislý.
-
když jeden prvek rovnice pro ztrátu dráhy volným prostorem je nezávislý na frekvenci, druhý je závislý a to má za následek celkovou rovnici mající závislost na vlnové délce nebo frekvenci.
Rovnice útlumu šíření ve volném prostoru v deciBelech
Obvykle je vhodnější vyjádřit útlum na trase pomocí přímé ztráty v decibelech. Tímto způsobem je možné vypočítat prvky včetně očekávaného signálu atd.
Níže uvedená rovnice ukazuje ztrátu cesty pro aplikaci šíření volným prostorem. Může být také použit při výpočtu nebo odhadu jiných cest.
Kde:
d = vzdálenost přijímače od vysílače (km)
f = frekvence signálu (MHz)
< Logaritmy jsou základ 10.Stojí za zmínku, že výše uvedená rovnice nezahrnuje zisky antény a ztráty napáječe. Je pro dvě izotropní antény, tedy takové, které vyzařují rovnoměrně do všech směrů.Do rovnice je možné přidat zisky antény
Kde:
Gtx = celkový zisk antény vysílače včetně ztrát napáječe
Grx = celkový zisk antény přijímače včetně ztrát napáječe
Je špatné používat vysoké frekvence?
Z rovnice a výpočtů pro ztrátu cesty volným prostorem by se zdálo, že je ze své podstaty špatné rozhodnutí použít vyšší frekvence. Vyvstává otázka, zda je výhodné používat nižší frekvence.
To je zajímavá otázka, a i když se zdá, že matematika naznačuje, že tomu tak je, je nutné podívat se trochu blíže na to, co se děje se signály.
Frekvenční člen v rovnici vyplývá z předpokladu jednotkového zisku antén na obou koncích spoje. K dosažení stejného zisku na nižší frekvenci je zapotřebí větší anténa a v důsledku toho budou antény na nižších frekvencích mnohem větší.
Větší anténa bude shromažďovat energii z větší oblasti, a proto bude ztráta mezi konci spoje menší, i když skutečná ztráta přenosu signálu je stejná.
Normálně se u mikrovlnných a jiných vysokofrekvenčních radiokomunikačních spojů stává to, že antény pro tyto vyšší frekvence mohou být vyrobeny tak, aby měly vyšší zisk v přijatelném prostoru, a proto zjevně vyšší ztráty na vyšších frekvencích nejsou tím, co by mohlo vytvářet problém.
Výpočty útlumu ve volném prostoru jsou důležitým prvkem jakéhokoli rádiového komunikačního spojení nebo jakýchkoli výpočtů úrovně signálu pro rádiový systém. Výpočty se snadno provádějí, ale je třeba mít na paměti, že existuje jen velmi málo míst, kde šíření volným prostorem přichází v úvahu. Pouze ve vesmíru budou tyto výpočty přesné.
Dokonce i horní vrstvy atmosféry budou mít vliv na rádiový signál. Nicméně výpočty útlumu volného prostoru mohou tvořit základ mnoha výpočtů, které jsou pak upraveny tak, aby vyhovovaly aspektům skutečného života rádiového komunikačního spojení.
