RF-tekniikkaa: desibeli ja yhteysväli

 maanantai, 21. joulukuu 2015
RF-tekniikkaa: desibeli ja yhteysväli

(Tämän jutun kirjoitin monta vuotta sitten erääseen radio tekniseen julkaisuun)

Desibeli (dB)
Desibeli on suhdeyksikkö, joka kuvaa kahden signaalin keskinäistä eroa tai suhteellista eroa vertailutasoon. Desibeliä käytetään kuvaamaan signaalin voimakkuuden/vaimennuksen tasoa logaritmisella arvoasteikolla. Desibeliarvon
suurentaminen 3 dB kasvattaa tehotason kaksinkertaiseksi. Yhteyden välimatka puolittuu, kun vaimennus kasvaa 6 dB.

dBm (dB milliwatti)
Desibeli milliwatti kuvaa signaalin absoluuttista tehotasoa, signaalin arvoa verrataan 1 mW arvoon (taulukko). dBm:llä voidaan ilmaista myös vastaanottimen herkkyyttä.
P[dBm] = 10 x log(Px / 1 mW). Pienillä signaalin tasoarvoilla dBm on negatiivinen.

EIRP
EIRP (effective isotropic radiated power) kuvaa lähetystehoa, jonka isotrooppinen antenni lähettää 0 dB vahvistuksella. Isotrooppinen antenni on tasaisesti joka suuntaan säteilevä, sellaista ei ole käytännössä mahdollista tehdä, joten kyseessä on teoreettinen malli. Dipoliantenni vahvistaa 2,15 dB enemmän kuin isotrooppinen antenni, 0 dBd = 2,15 dBi.
EIRP = antennivahvistus + lähetysteho, esim. antenni = 5 dBi, lähetysteho = 5 dBm, yhteenlaskettu teho on 5 dBi + 5 dBm = 10 dBm = 10 mW.

Vapaan tilan vaimennus (UHF)
Laskettaessa vapaan tilan vaimennusta yhteysvälin päätepisteillä on oltava näköyhteys toisiinsa. Vaimennus riippuu taajuudesta ja päätepisteiden välisestä etäisyydestä. Vapaan tilan vaimentuman kaava: 20 log(d) + 20 log(f) + 32,45, missä d = etäisyys pisteiden välillä ja f = taajuus.

Kahden pisteen välillä on näköyhteys, kun molemmat ovat radiohorisontin yläpuolella. Lisäksi Fresnellin ensimmäisen ellipsoidin vaatima tila (kuva) on oltava vapaa esteistä. Fresnellin yhtälö: d1+d2-d0 = lambda/2, h = sqrt(lambda x d1 x d2 / (d1 + d2)), missä lambda = aallonpituus ja sqrt = neliöjuuri.

Yhteysvälin etäisyyden laskeminen
d = 10 x [ (L - 20 log(f) - 32,45) / 20 ], missä L = vapaan tilan vaimennus.

Yhteysvälin toiminnan laskeminen (ulkotila)
Yhteysvälin toiminnan selvittämiseksi voidaan päätepisteille tehdä linkki-budjettilaskelma. Jos päätepisteiden radiolaitteet poikkeavat toisistaan, on laskelma tehtävä molempiin suuntiin. Saaduista arvoista käytetään pienempää arvoa yhteyden toiminnan arvioimiseen.
Linkkibudjetti:
1. Lasketaan isotrooppinen lähetysteho (EIRP): Pt = Ptx + Gtx - Ltx
    Ptx = lähettimen teho, Gtx = antennivahvistus, Ltx = häviöt (esim. kaapelit)
2. Lasketaan vapaan tilan vaimennus L (merkitään negatiivisena arvona!)
3. Lasketaan vastaanotetun signaalin teho: Pr = Prx + Grx - Lrx
    (Prx merkitään negatiivisena arvona!)
Linkkibudjetti = Pt + (-L) - (-Pr)  

Taulukko
Desibelien ja milliwattien vastaavuus
dBm    Teho (mW)
3         2
6         4
9         8
10       10
16       40
20      100
30      1000
40      10000
50      100000