هنگام طراحی یک سیستم بی‌سیم، هدف نهایی پخش سیگنال بین دو دستگاه است، هر کدام با آنتن‌ها و تجهیزات منحصر به فرد خود برای جمع‌آوری و تنظیم سیگنال‌ها. بخشی از انتقال سیگنال در هوا و از طریق ارتباطاتی که به سیستم ارسال منجر می‌شود، محدودیت‌هایی را برای مسافت کلی انتقال ایجاد می‌کند. در طراحی RF، یکی از اهداف طراحی مهم تعادل‌گذاری بین محدودیت مسافت و پیچیدگی زنجیره تنظیم سیگنال در سیستم‌های ارسال و دریافت است.
یک معیار مفید برای بررسی اثربخشی یک ارتباط برای انتقال سیگنال در یک سیستم بی‌سیم، بودجه ارتباط فرکانس راديويي (RF Link Budget) است. این معیار میزان قدرتی را که یک دستگاه دریافت کننده می‌تواند انتظار داشته باشد، در نظر می‌گیرد، با توجه به همه افزایش‌ها و کاهش‌های ممکن که یک سیگنال بی‌سیم در مسیر بین دو دستگاه تجربه می‌کند. در این مقاله، نشان می‌دهیم که چگونه مقادیر مهمی که در محاسبه بودجه ارتباط و تلفات انتشار هوایی در یک کانال بی‌سیم موثر هستند، را محاسبه کنیم.
بودجه لینک RF چیست؟
مفهوم مرکزی در یک بودجه ارتباط بی‌سیم ساده است: هدف محاسبه توان مورد انتظار در دستگاه دریافت کننده در یک کانال بی‌سیم، با توجه به خروجی توان ارسال‌کننده و ویژگی‌های ارتباطی است. ویژگی‌های ارتباطی شامل کاهش‌ها در قطعات و کابل‌ها، کاهش‌ها در PCB، افزایش آنتن، و کاهش‌ها در حین انتشار سیگنال در هوا است. از آنجا که شما یک مقدار توان را محاسبه می‌کنید، یک بودجه ارتباط در واقع یک بودجه نیست، بلکه تنها یک تخمین از قدرت دریافتی در دستگاه دریافت کننده است.
مدل بودجه لینک RF
بودجه لینک در یک کانال بی‌سیم باید با یک بودجه کاهش که در کانال‌های فیبر اپتیکی تعریف می‌شود، اشتباه نشود. در فیبر اپتیک، ما معمولاً حساسیت حداقل دستگاه دریافت کننده را مشخص می‌کنیم، و خروجی ارسال‌کننده، و سپس از این برای تعیین کل کاهش مجاز استفاده می‌کنیم. از این می‌توانیم مسافت حداکثر مجاز در حضور هرگونه وصله‌ها یا تاخیرها را به دست آوریم.
محاسبه بودجه ارتباط RF را می‌توان به همان شکل استفاده کرد، همانطور که در زیر توضیح داده شده است. شما می‌توانید به دو روش به مشکل طراحی یک کانال بی‌سیم نزدیک شوید:
- تعیین حساسیت حداقل دستگاه دریافت کننده برای یک مسافت انتشار مقرر.
- تعیین مسافت حداکثر انتشار برای یک حساسیت دستگاه دریافت کننده مقرر.
برای آغاز، ما روش #1 را دنبال می‌کنیم تا قدرت مورد انتظار در یک دستگاه دریافت کننده را تعیین کنیم. سپس نشان می‌دهیم که چگونه می‌توان از همان مدل برای به دست آوردن مسافت حداکثر انتشار برای یک کانال استفاده کرد.
روش 1
برای دنبال کردن این روش، ابتدا باید تلفات مسیر آزاد فضا (Free Space Path Loss) را محاسبه کنیم، یا کاهش‌هایی که سیگنال در حین انتشار بین دو دستگاه تجربه می‌کند. پس از محاسبه این مقدار، بودجه ارتباط برای سیگنال می‌تواند محاسبه شود.
تلفات مسیر آزاد فضا
تلفات مسیر آزاد فضا کاهش کل نقطه به نقطه است که یک سیگنال در حین سفر بین آنتن ارسال کننده و آنتن دریافت کننده تجربه می‌کند. تلفات مسیر آزاد فضا به عنوان کاهشی تعریف می‌شود که در یک خط مستقیم بین آنتن‌های ارسال و دریافت تجربه می‌شود.
در رابطه با مسافت و فرکانس ارسال، تلفات مسیر آزاد فضا به صورت زیر تعریف می‌شود:
در این فرمول، FSPL برحسب دسیبل اندازه‌گیری می‌شود، d به کیلومتر و f به گیگاهرتز اندازه‌گیری می‌شود.
این فرمول تأثیرات چند مسیری، کاهش‌های ناشی از آب و هوا، کاهش‌های ناشی از محیط زیست، یا کاهش‌های ناشی از ساختمان‌ها را در نظر نمی‌گیرد. اگر این مقادیر شناخته شده باشند، می‌توانند به عنوان یک عنصرکاهش دیگر در هنگام محاسبه توان مورد انتظار (همانطور که در زیر آمده است) در نظر گرفته شوند.
توان مورد انتظار در دستگاه گیرنده
سپس، با استفاده از تلفات مسیر آزاد فضا، توان مورد انتظار که در دستگاه دریافت کننده مشاهده خواهد شد، محاسبه می‌شود. دستگاه دریافت کننده در این مورد پس از آنتن، هرگونه کابل‌ها یا کانکتورها، خطوط انتقالی روی PCB، فیلتر‌ها، و هرگونه قطعات دیگر مانند یک شبکه تطبیق امپدانس قرار دارد. توان مورد انتظار در دستگاه دریافت کننده به صورت زیر تعریف می‌شود:
در این معادله، چندین اصطلاح زیر تعریف می‌شوند:
- PT: خروجی قدرت ارسال‌کننده (dBm)
- GT: افزایش آنتن ارسال کننده (dBi)
- LT: تلفات ارتباطی ارسال‌کننده (dB)(تلفات از آنتن تا خروجی فرستنده)
- FSPL: تلفات مسیر آزاد فضا (dB)
- GR: افزایش آنتن دریافت کننده (dBi)
- LR: تلفات ارتباطی دریافت کننده (dB)(تلفات از آنتن تا ورودی گیرنده)
- LMisc: هرگونه کاهش‌های دیگر (dB)
با استفاده از این معادله، می‌توانید توان سیگنال مورد انتظار در دستگاه دریافت کننده را محاسبه کنید و اطمینان حاصل کنید که سیستم بی‌سیم شما به طور کارآمد عمل می‌کند.
روش 2
در این روش، طراح توان ارسال‌کننده و حساسیت دستگاه دریافت کننده را مشخص می‌کند، و مسافت حداکثر انتشار برای یک فرکانس و کاهش‌های ارتباطی مقرر، تعیین می‌شود. مسافت با استفاده از فرمول تلفات مسیر آزاد فضا که در بالا آورده شد، محاسبه می‌شود.
در اینجا مجدداً فرکانس f به گیگاهرتز و مسافت d به کیلومتر اندازه‌گیری می‌شود. مسافت در اینجا نیز یک مسافت خطی است که تأثیرات چند مسیری یا هرگونه موانع دیگری که می‌توانند کاهش‌های اضافی ایجاد کنند، را در نظر نمی‌گیرد. در چنین موردی، ما LMisc را صفر خواهیم گرفت. با این حال، می‌توانیم ببینیم که چه اتفاقی می‌افتد وقتی منبع دیگری از کاهش در ارتباط بی‌سیم شروع به وجود داشتن می‌کند (مانند هوای بد) تا مشاهده کنیم که این کاهش اضافی چگونه می‌تواند مسافت را محدود کند.
نتیجه‌گیری
محاسبه بودجه ارتباط RF یک ابزار قدرتمند برای طراحی و ارزیابی عملکرد سیستم‌های بی‌سیم است. با استفاده از این تکنیک، می‌توانید حساسیت حداقل دستگاه دریافت کننده را برای یک مسافت انتشار مقرر تعیین کنید، یا مسافت حداکثر انتشار برای یک حساسیت دستگاه دریافت کننده مقرر را پیدا کنید. این روش به شما کمک می‌کند تا یک لینک ارتباطی رادیو فرکانس را به طور کارآمد طراحی و بهینه‌سازی کنید و از عملکرد بهتر آن اطمینان حاصل کنید.