Распространение радиоволн и антеннофидерные устройства СМС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Распространение радиоволн и антеннофидерные устройства СМС

1. Логопериодические антенны. Основные конструкции. Характеристики. Область применения

Логопериодические антенны - это тип антенн, которые имеют периодическую структуру и обычно используются в различных приложениях, таких как беспроводные коммуникации, навигация и радиолокация. Они состоят из двух основных частей: резонаторов и директоров. Резонаторы - это элементы антенны, которые отвечают за генерацию электромагнитных волн, а директора - элементы, которые помогают направлять эти волны в нужном направлении.

Внешний вид ЛПА показан на рисунке 1 (а). Она образована собирательной линией в виде двух труб, расположенных одна над другой, к которым крепятся плечи вибраторов поочередно через один. Схематически такая антенна показана на рисунке 2 (б). Сплошными линиями изображены плечи вибраторов, соединенные с верхней трубой собирательной линии, а штриховой линией - соединенные с нижней трубой. Рабочая полоса частот антенны со стороны наибольших длин волн зависит от размеров наиболее длинного вибратора В1, а со стороны наименьших длин волн - от размера, наиболее короткого вибратора. Вибраторы вписаны в равнобедренный треугольник с углом при вершине а и основанием, равным наибольшему вибратору.

Основные конструкции логопериодических антенн могут быть различными в зависимости от их применения, конструкция антенны может быть линейной или плоской, в зависимости от конкретных требований. Например, для беспроводных коммуникаций используются антенны с высоким коэффициентом усиления для обеспечения большей дальности связи, в то время как для навигации и радиолокации требуются антенны с более широкой диаграммой направленности для лучшего обнаружения объектов.

Характеристики антенны определяются периодом структуры и углом при вершине описанного треугольника. Чем меньше угол а и чем больше период структуры т (который всегда остается меньше единицы), тем больше коэффициент усиления антенны и меньше уровень заднего и боковых лепестков диаграммы направленности. Однако при этом увеличивается число вибраторов структуры, растут габариты и масса антенны. Поэтому при выборе угла и периода структуры приходится принимать компромиссное решение. Наиболее часто угол, а выбирают в пределах 30… 60°, а период структуры т - в пределах 0, 7… 0, 9.

Подключение фидера к ЛПА, показанной на рисунке 1 (а), производится без специального симметрирующего и согласующего устройства следующим образом. Кабель с волновым сопротивлением 75 Ом вводится внутрь нижней трубы с конца А и выходит у конца Б. Здесь оплетка кабеля припаивается к концу нижней трубы, а центральная жила - концу верхней трубы. В зависимости от длины волны принимаемого сигнала в структуре антенны возбуждаются несколько вибраторов, размеры которых наиболее близки к половине длины волны сигнала. Поэтому ЛПА по принципу действия напоминает несколько антенн «Волновой канал», соединенных вместе, каждая из которых содержит вибратор, рефлектор и директор. На данной длине волны сигнала возбуждается только одна тройка вибраторов, а остальные настолько расстроены, что не оказывают влияния на работу антенны. Это приводит к тому, что коэффициент усиления ЛПА оказывается меньше, чем коэффициент усиления антенны «Волновой канал» с таким же числом элементов, но зато полоса пропускания получается значительно шире.

Главной особенностью логопериодических антенн является возможность принимать и передавать сигнал в определенном направлении в широком диапазоне частот. Логопериодические антенны широко используются в бытовых целях в качестве антенны для приема телевизионного сигнала. В сотовой связи антенны этого типа нашли применение в качестве донорных антенн при строительстве репитеров, т.к. она может принимать сигнал сразу нескольких частотных диапазонов, например, 900, 1800 и 2100 МГц.

Диаграмма направленности логопериодической антенны представляет собой нечто среднее между широкой диаграммой панельной антенны и игольчатой - для параболической. Это свойство позволяет устанавливать связь с нужной базовой станцией (БС) без точной настройки пролета как это требуется для антенны РРЛ. Причем расстояние до сервирующей БС может достигать нескольких километров. На рисунке 2.2 представлена диаграмма направленности логопериодической антенны

Диаграмма направленности логопериодической антенны

Рабочий диапазон частот определяется наибольшей (нижний предел) и наименьшей (верхний) длинной вибраторов. Некоторые типы антенн поддерживают рабочий диапазон от десятков МГц до десятков ГГц. С целью защиты от внешних воздействий логопериодическая антенна может помещаться в защитный пластиковый корпус, напоминающий чулок.

Область применения логопериодических антенн включает в себя различные устройства и системы, такие как беспроводные модемы, мобильные телефоны, навигационные системы, радиолокационные станции и многое другое. Они широко используются в современных технологиях благодаря своей эффективности, простоте конструкции. Они также обладают компактным размером и легким весом, что делает их удобными для установки и использования и возможности настройки параметров в соответствии с конкретными требованиями приложений.

2. Многолучевость распространения радиоволн. Методы борьбы с многолучивостью

Многолучевое распространение сигнала

многолучевость антенна логопериодический радиоволна

Многолучевость распространения радиоволн - это явление, при котором радиоволны, испускаемые передатчиком, достигают приемника не только по прямой линии, но и после отражений от различных препятствий, таких как здания, деревья, горы и т.д. Это приводит к тому, что приемник получает несколько копий одного и того же сигнала с небольшими временными задержками и различными амплитудами.

Многолучевость может вызывать интерференцию между различными копиями сигнала, что приводит к искажениям и плохому качеству приема. Однако существуют методы борьбы с многолучевостью, которые помогают улучшить качество связи:

1. Антенны с направленной диаграммой излучения: Использование антенн, которые сосредоточивают энергию в определенном направлении, может помочь снизить влияние многолучевости. Например, антенны с высоким усилением или секторные антенны могут сосредоточиться на основном направлении распространения сигнала и уменьшить влияние отраженных сигналов.

2. Использование алгоритмов обработки сигналов: Современные системы связи используют алгоритмы обработки сигналов, такие как алгоритмы эквализации или алгоритмы согласования многолучевости (MIMO), чтобы компенсировать и устранить искажения, вызванные многолучевостью. Эти алгоритмы позволяют извлечь и восстановить исходный сигнал из различных копий.

3. Распределенные антенные системы: Использование распределенных антенных систем, таких как системы, с множеством антенн, может помочь улучшить качество связи в условиях многолучевости. Эти системы могут использовать пространственное разделение сигналов и использовать множество копий сигнала для улучшения качества приема.

4. Использование повторителей: Повторители - это устройства, которые принимают сигнал от передатчика и повторяют его, усиливая его и отправляя обратно к приемнику. Повторители могут помочь устранить проблемы, связанные с многолучевостью, так как они могут усилить сигнал и улучшить его качество.

Рассмотрим способы борьбы с многолучевым распространением сигнала:

Современные тенденции в области цифрового телевизионного вещания характеризуются эволюционным развитием комплексных цифровых инфокоммуникационных систем и переходом в дальнейшем к глобальной информационной сети.

Цифровые технологии в сетях телекоммуникации позволяют реализовать многопрограммное радиотелевизионное вещание, расширить номенклатуру услуг телекоммуникационной, а также их качество.

Технологическими лидерами в области цифрового ТВ-вещания являются страны Европейского Союза, США и Япония. К концу 2003 года разработаны, экспериментально исследованы и введены в эксплуатацию следующие системы цифрового телевизионного вещания:

· европейская система цифрового телевидения DVB

· американская система цифрового телевидения ATSC

· японская система цифрового телевидения ISDB.

При цифровом эфирном ТВ-вещании основным негативным фактором для цифрового канала являются помехи от многолучевого приема. Этот вид помех весьма характерен для эфирного приема в городах с многоэтажной застройкой из-за многократных отражений радиосигнала от зданий и других сооружений.

При многолучевом приеме в декодер поступают две (или более) одинаковые по характеру, но сдвинутые по времени цифровые последовательности символов. Поскольку анализ переданного значения символа «0» или «1» в декодере обычно производится в середине символа, то в случае, если задержка радиосигнала второго луча становится близкой или больше половины длительности символа, происходит резкий рост цифровых ошибок, вплоть до полного исчезновения цифрового сигнала.

При использовании стационарных телевизоров бороться с многолучевостью можно путем применения остронаправленных многоэлементных ТВ-антенн, что обычно и делается в антенных системах коллективного пользования. Но это не решает проблемы полностью, так как при этом нельзя гарантировать уверенный прием цифровых ТВ-программ на переносные и перевозимые ТВ-приемники, в которых используются простые ТВ-антенны. Радикальным решением этой проблемы является применение в эфирных каналах ТВ-вещания модуляции COFDM (CodedOrthogonal Division Multiplexing), которая специально разработана для борьбы с помехами при многолучевом приеме.

При COFDM используется ортогональное частотное мультиплексирование совместно с помехоустойчивым канальным кодированием.

При COFDM последовательный цифровой поток преобразуется в большое число параллельных потоков (субпотоков), каждый из которых передается на отдельной несущей. Группа несущих частот, которая в данный момент времени переносит биты параллельных цифровых потоков, называется «символом COFDM». Благодаря тому, что используется большое число параллельных потоков (обычно 1705 или 6817 субпотоков), длительность символа в параллельных потоках получается существенно больше, чем в последовательном потоке данных (соответственно 280 или 1120 мкс - в зависимости от числа используемых субпотоков). Это позволяет в декодере задержать оценку значений принятых символов на время, в течение которого изменения параметров радиоканала из-за действия отраженных сигналов прекратятся, и канал стабилизируется.

CDMA: борьба с замираниями

Методы повышения помехоустойчивости, применяемые в системах с кодовым доступом (CDMA) при работе в условиях замираний и многолучевого распространения радиоволн, существенно отличаются от тех, которые используются при приеме узкополосных сигналов.

В радиосетях на базе технологий TDMA и FDMA эффект многолучевости в определенном смысле «ущербен», поскольку их приемники всегда принимают только один луч (все остальные интерпретируются как помехи), а борьба с замираниями и многолучевыми искажениями сигнала в данном случае сводится к нивелированию влияния «ненужных» лучей (путем выделения луча с максимальной мощностью и устранения интерференции между приходящими лучами). В системах, построенных на основе технологии CDMA, напротив, принимается весь многолучевый сигнал и определяется мощность каждого луча, чтобы оптимальным образом суммировать их, повысив достоверность приема полезной информации. Такая обработка сигнала обычно выполняется с помощью Rake-приемника или многоканального согласованного фильтра. Число лучей, принимаемых CDMA-приемником, обычно невелико - от 3 до 6.

Разнесенный прием

Одним из наиболее эффективных методов борьбы с многолучевыми замираниями является так называемое разнесение сигнала. Согласно теории, выигрыш от разнесенного приема достигается лишь в том случае, если сигнал, попадающий по нескольким независимым путям в точку приема, имеет примерно одинаковую среднюю мощность лучей (только тогда можно утверждать, что хотя бы один из приходящих сигналов не будет подвержен глубоким замираниям). Существует два основных класса методов борьбы с замираниями: явное и неявное разнесение.

При явном разнесении по каналу связи передается один или несколько избыточных сигналов, содержащих ту же полезную информацию, что и основной луч. В настоящее время наиболее часто применяются три способа явного разнесения - пространственное, частотное и временное.

При неявном разнесении избыточные сигналы не используются. Их роль играют несколько независимых копий сигнала, которые образуются на входе приемника за счет эффекта декорреляции сигнала в многолучевом канале.

Одно из преимуществ технологии CDMA заключается в том, что в ней могут быть использованы практически все известные методы разнесенного приема. На базовой станции чаще всего применяется пространственное разнесение, а в абонентских терминалах (мобильных станциях) наиболее популярны методы, не требующие введения дополнительных каналов приема (например, временное разнесение).

Rake-приемник

Принцип действия Rake-приемника, который был создан для приема разнесенных сигналов, основан на раздельной обработке всех многолучевых компонентов и вычислении их средневзвешенной суммы. В наземных радиоканалах характеристики этих компонентов могут незначительно (на величину, сопоставимую с длительностью одного символа шумоподобного сигнала - чипа) различаться. Компоненты, отстоящие друг от друга более чем на один чип, обрабатываются и суммируются. Что же касается мелкомасштабных изменений задержки (менее чем на один чип), они могут быть устранены при приеме с помощью схемы кодового слежения, которая позволяет измерить время задержки для каждого компонента многолучевого сигнала и нивелировать малое изменение.

Размещено на Allbest.ru