فهرست مطالب
درک اینکه چگونه فاکتورهای محیطی می‌توانند بر برد سیگنال تاثیر بگذارند، در توسعه سیستم‌های رادیویی تاثیر ویژه‌ای دارند. در این مقاله به بررسی فاکتورهایی که بر برد سیگنال رادیویی تاثیر می‌گذارند می‌پردازیم. انتخاب سخت افزار، عوامل محیطی، محدوده فرکانسی و پیاده‌سازی صحیح از جمله این فاکتورها می‌باشد.
بودجه لینک و تلفات مسیر
برای سادگی کار، مشخصات RF اغلب در واحد دسی‌بل-میلی‌وات یا dBm اندازه‌گیری می‌شود. دسی‌بل یک واحد لوگاریتمی بوده که نسبت توان یک سیستم به یک مرجع است. صفر دسی‌بل معادل نسبت 1 است. به ازای هر 10 dB افزایش، توان حقیقی با ضریب 10 افزایش می‌یابد. dBm بیانگر توان خروجی نسبت به مرجع یک میلی واتی است. از آنجایی که dBm بر مبنای یک مقیاس لگاریتمی است، یک اندازه‌گیری قدر مطلقی است. به ازای هر سه واحد افزایش در dBm، تقریبا توان خروجی دو برابر می‌شود و به ازای هر 10 dBm افزایش، توان ده برابر می‌شود. 10 dBm، ده برابر قدرتمند تر از 0 dBm است و 20dBm ده برابر قدرتمند تر از 10 dBm. با استفاده از فرمول زیر می‌توان mW و dBm را به یکدیگر تبدیل کرد:
[latex] { P }_{ dBm }=10*\log _{ 10 }{ { (P }_{ mW }) } [/latex]
[latex] { P }_{ mW }={ 10 }^{ (\frac { { P }_{ dBm } }{ 10 } ) } [/latex]
تلفات مسیر، بیانگر میزان کاهش چگالی توان به خاطر انتشار موج رادیویی در محیط است. عامل اصلی تلفات مسیر، کاهش قدرت توان خود امواج رادیویی در طول مسیر است. چگالی توان امواج رادیویی از یک رابطه توان دومی معکوس پیروی می‌کند: چگالی توان متناسب با عکس توان دوم فاصله است (). هر وقت فاصله دو برابر شود، توان دریافتی یک چهارم می‌شود. به عبارت دیگر، به ازای هر 6 dBm افزایش در توان خارجی، برد سیگنال دو برابر می‌شود.
اگر توان خروجی و حساسیت گیرنده به صورت dBm باشند، با یک جمع و تفریق ساده می‌توانید حداکثر تلفات مسیر را حساب کنید:
Maximum Path Loss = Transmit Power – Receiver Sensitivity
از آنجایی که حساسیت گیرنده کمتر از 0 dBm است، معمولا به صورت یک عدد منفی نشان داده می‌شود.
همچنین توان دریافتی را می‌توان به عنوان تابعی از بودجه لینک در نظر گرفت که با در نظر گرفتن بهره و تلفات سیستم، قدرت سیگنال را در گیرنده اندازه می‌گیرد.
Received Power = Transmit Power + Gains – Losses
در فضای آزاد (ارتباطی ایده آل) قانون توان دوم معکوس تنها فاکتور تاثیر گذار بر طول برد است. در دنیای حقیقی طول برد سیگنال توسط فاکتورهای متعددی تحت تاثیر قرار می‌گیرد:
- موانعی همچون دیوار، درخت و تپه می‌تواند منجر به تلفات سیگنال شود.
- رطوبت هوا انرژی RF را جذب می‌کند.
- اشیا فلزی می‌توانند امواج رادیویی را منعکس کرده و منجر به تداخل با خود سیگنال شوند (به این اثر چند مسیرگی می‌گویند).
مطالعاتی برای توصیف و تعیین کمیت تلفات سیگنال در دنیای واقعی صورت گرفته است. مدل‌های پخش رادیویی می‌توانند قوانین مناسبی برای تنظیمات محیط‌های داخل و خارج فراهم آورند. در این مقاله وارد جزئیات معادلات بودجه لینک نخواهیم شد، بلکه یک دید کلی از فاکتورهای تاثیر گذار بر طول برد RF ارائه خواهیم داد.
برد RF به عنوان تابعی از فرکانس
امواج رادیویی با فرکانس پایین، بیشتر از امواج فرکانس بالا پخش می‌شوند. به عنوان مثال یک موج 900 مگاهرتزی دو برابر بیشتر از موج 4/2 گیگا هرتزی با مدولاسیون و توان یکسان منتشر می‌شود. یک سیگنال رادیویی 900 مگاهرتزی در برابر سیگنال 4/2 گیگا هرتزی، طول موج بلند تری دارد. این ویژگی سبب می‌شود سیگنال 900 مگاهرتزی راحت‌تر از روی موانع عبور کند. همچنین طول موج‌های بزرگتر به سطح بیشتری برای انتشار نیاز دارند. به همین خاطر با افزایش طول موج، آنتن نیز بزرگتر می‌شود.
از آنجایی که فرکانس‌های پایین برد بیشتری دارند، اما بخاطر برخی از ملاحظات نیاز به استفاده از فرکانس‌های بالاتر است. این ملاحظات عبارتند از:
- نیاز به آنتن کوچک
- نیاز به پهنای باند بیشتر
- نیاز به باند فرکانسی جهانی برای استفاده در کشورهای متعدد
- اولویت ارتباط دید مستقیم (Line-of-sight) به جای ارتباط دور برد
امواج رادیویی که از آنتن خارج می‌شوند کمی پخش می‌شوند، به همین خاطر منظور از دید مستقیم در یک سیستم رادیویی، کمی فراتر از دید مستقیم دیداری است.
در فرکانس‌های پایین clearance بیشتری نسبت به فرکانس‌های بالا نیاز است. به عنوان مثال یک موج 4/2 گیگا هرتزی در فاصله 8 کیلومتری، با 6/9 متر منطقه فرنل، clearance 60 درصدی خواهیم داشت. اما برای یک موج 900 مگاهرتزی نیاز به محیطی 2/15 متری است. برای دستیابی به بهترین برد ممکن، آنتن 900 مگا هرتزی باید 60 درصد بالاتر باشد.
انتخاب کابل و آنتن
هنگامی که فرستنده-گیرنده‌ای را برای یک فرکانس مناسب انتخاب می کنید تا بهترین توان ارسال و حساسیت دریافت را داشته باشد، باید بین آنتن و فرستنده-گیرنده که معمولا توسط کابل به یکدیگر متصل می‌شوند، تطبیق ایجاد کنید. آنتن‌ها اشکال و الگوهای انتشار مختلفی دارند؛ برای انتخاب بهترین آنتن لازم است جزئیات بیشتری که در دیتاشیت آن منتشر می‌شود مطالعه شود.
تمامی آنتن‌ها پسیو هستند. یک آنتن ایزوتروپیک ایده آل، سیگنال را در تمامی جهات و بدون بهره (0 dBm) منتشر می‌کند. در حقیقت، آنتن‌ها شدت سیگنال را در برخی جهات کاهش و در باقی جهات افزایش می‌دهند. آنتن‌های همه جهته (omnidirectional) سیگنال را به صورت عمود بر جهت آنتن به صورت الگویی دوناتی منتشر می‌کنند (شکل 4).
مثالی از آنتن‌های همه جهته، آنتن‌های تک قطبی و دو قطبی هستند. آنتن دو قطبی از دو رسانای فلزی که موازی یکدیگرند ساخته شده‌اند. آنتن‌های گوش خرگوشی قدیمی و شلاقی، نمونه‌ای از این آنتن‌ها هستند. آنتن‌های تک قطبی یک میله رسانا هستند که بالای صفحه زمین نصب می‌شوند. صفحه زمین نقش مهمی در کیفیت ارسال بازی می‌کند. برای فرکانس‌های پایین، صفحه زمین بزرگی نیاز است؛ به همین خاطر معمولا از زمین استفاده می‌شود. انتن‌های شلاقی و برج‌های رادیویی AM مثالی از آنتن‌های تک قطبی هستند.
با هدایت بخشی از انرژی سیگنال، آنتن می‌تواند سبب تقویت شدت سیگنال شود. یک آنتن دو قطبی می‌تواند بین 1 تا 5 dBm تقویت کنندگی داشته باشد. آنتن‌هایی مانند آنتن‌های شاخه‌ای، بهره بیشتر و در حدود 6 تا 15 dBm دارند. آنتن‌های شاخه‌ای از چندین عنصر شاخته شده‌اند که بیم‌های انتشاری را متمرکز کرده و گین بزرگتری را فراهم می‌آورند. شکل 5 الگوی انتشار یک آنتن شاخه‌ای 900 مگا هرتزی با گین 13dBi را نشان می‌دهد.
آنتن‌های جهت دار نه تنها گین بهتری دارند بلکه میزان تداخل دریافتی آنتن را نیز کاهش می‌دهند. زیرا آنتن به غیر از انتشار سیگنال در جهت مد نظر، دارای تلفاتی در سایر جهت‌ها می‌باشد. اگر در نزدیکی آنتن یک تداخل شناخته شده‌ای وجود داشته باشد، قرار دادن آنتن به طوری که در آن جهت تلفاتی منتشر کند، باعث کم شدن تداخل خواهد شد. به خاطر خواص ذاتی آنتن شاخه‌ای و دیگر آنتن‌های جهت‌دار، کاربردشان محدود به مواردی است که آنتن باید بر مقصد مشخصی متمرکز شود؛ مانند شبکه‌های نقطه به نقطه. همچنین تقویت کنندگی بیش از حد آنتن می‌تواند سبب نقض قوانین رگولاتوری به خاطر قدرت تشعشع بالا شود. به همین خاطر حتما قوانین رگولاتوری محلی خود را چک کنید.
اغلب برای نصب آنتن در محلی مناسب، به یک کابل برای اتصال آنتن به فرستنده-گیرنده نیاز است. کابل‌ها می‌توانند تلفات زیادی برای سیگنال ایجاد کنند، به همین خاطر باید برای انتخاب نوع و طول کابل جوانب احتیاط رعایت شود. انتخاب کابل ضعیف باعث هدر رفتن تمامی زحمات نصب آنتن در مکان مناسب است. در واقع هر چقدر هزینه کنید همانقدر نتیجه خواهید گرفت (هر چقدر پول بدی همون قدر آش میخوری!). بنابراین مشخصات کابل را به دقت بررسی کرده و بهترین آن را انتخاب کنید. کابل‌هایی با تلفات کم معمولا گران هستند اما انعطاف پذیری کمتری دارند و ممکن است در بعضی موارد کار نکنند.
شکل 6 انواع کابل را نشان می‌دهد. همچنین میزان تلفات مورد انتظار برای یک مسافت مشخص نشان داده شده است. لازم به ذکر است که با افزایش فرکانس، تلفات نیز افزایش می‌یابد. همانطور که نشان داده شده‌است، انتخاب کابل ضعیف سبب ایجاد تلفات زیادی می‌شود. برای یک مسیر 30 متری، کابل LMR-240 نسبت به کابل LMR-400 در فرکانس 2400 مگاهرتزی، 6.1dBm تلفات بیشتری دارد. 6dBm تلفات یعنی نصف شدن مسافتی که لینک برقرار می‌شود.
ارتفاع آنتن
پس از انتخاب فرستنده-گیرنده رادیویی با در نظر گرفتن حداکثر تلفات مسیر و انتخاب بهترین آنتن، حال تنها یک کار دیگر باید انجام دهید تا دستگاهتان بیشترین برد رادیویی را داشته باشد؛ نصب آنتن در بلندترین ارتفاع ممکن. آنتن بلند دو مزیت دارد؛ اول اینکه کمک می‌کند از تداخلاتی همچون ماشین‌ها، درختان، آدم‌ها و ساختمان‌ها بالاتر باشید. دوم اینکه باعث ایجاد ارتباط دید مستقیم واقعی با حداقل 60 درصد clearance در منطقه فرنل می‌شوند.
در نهایت، کروی بودن زمین را فراموش نکنید. در فاصله 8 کیلومتری، ارتفاع زمین در وسط مسیر، 95 سانتی متر است و در فاصله 32 کیلومتری، ارتفاع در میانه مسیر 2/15 متر است. برای انتقال سیگنال 2400 مگاهرتزی طی مسیری 8 کیلومتری، نیاز به آنتنی 6/9 متری است. برای ارسال سیگنال 900 مگاهرتزی طی مسیری 32 کیلومتری، نیاز به آنتنی حداقل 46 متری است. در بسیاری از موارد، دستگاه شما ممکن است با آنتن کوتاه نیز کار کند، اما آنتن بلند تر بهتر است. همچنین یک بده بستان بین ارتفاع آنتن و طول کابل مورد نیاز وجود دارد. ممکن است یک آنتن کوتاه به خاطر طول کابل کمتر و در نتیجه تلفات کمتر بهتر کار کند.
قبل از نصب آنتن حتما قوانین رگولاتوری مربوط به حد مجاز ارتفاع آنتن‌ها را بررسی کنید. برخی آژانس‌های محلی و فدرالی محدودیت‌های خاصی برای ارتفاع آنتن‌ها مشخص کرده‌اند.
نتیجه
اعداد و ارقامی را که بدست آورده اید را می‌توانید در فرمول بودجه لینک وارد کنید:
Received Power = Transmit Power + Antenna Gains – Cable Losses – Free Space Loss – Losses due to obstructions
برای اینکه مطمئن شوید تحت هر شرایطی انتقال خوبی خواهید داشت، بررسی کنید توان دریافتی که در فرمول بالا محاسبه کرده‌اید حتما بزرگتر از حساسیت گیرنده باشد. از آنجایی که استاندارد خاصی برای این کار وجود ندارد، سعی کنید 10-12 dBm بزرگتر از حداقل قدرت توان قابل دریافت باشد.
مدل‌های انتشاری RF مانند اثری هنری هستند و اگر به دنبال دست یافتن به طول برد بالا هستید، کوچکترین موانع می‌توانند روی این اثر هنری خط بیاندازند! این مقاله به شما این دید را می‌دهد تا بفهمید مسافتی که مد نظرتان هست، قابل دستیابی هست یا نه. اما در نهایت این تست عملی است که نتیجه تلاشتان را مشخص خواهد کرد. اگر تغییرات فصلی محیطتان زیاد است، احتمالا مجبور شوید تحت شرایط محیطی مختلف تست‌هایی بگیرید.
مشخصاتی که سازندگان در دیتاشیت محصولاتشان وارد می‌کنند معمولا اعداد ایده‌آل بدست آمده از محاسبات هستند یا توسط تجهیزات ایده‌آل در آزمایشگاه تست شده‌اند. بنابراین ممکن است قدرت ارسال و حساسیت دریافت بدتر از آن چیزی باشد که در دیتاشیت ذکر شده است.
برای اطمینان از بهترین برد، تا جایی که امکان دارد آنتن را بالاتر از سطح زمین قرار دهید ( حداقل 60 درصد بالاتر از منطقه فرنل). همچنین تا جایی که امکان دارد پاکت‌های ارسالی را تکرار کنید. این کار قابلیت اطمینان را بالا میبرد اما برای همه رادیوها مناسب نیست و تاثیر منفی بر توان عملیاتی سیستم دارد. استفاده از آنتن‌های جهت‌دار، با حذف برخی تداخلات، قابلیت اطمینان لینک ارتباطی را بالا می‌برند. آنتن‌های جهت دار گین بالایی داشته که به بودجه لینک کمک می‌کند. اما حتما مراقب قوانین رگولاتوری محلی‌تان باشید.
برای مشاهده سایر نوشتارهای مربوط به الکترونیک و مخابرات، اینجا کلیک کنید!
