Как увеличить дальность передающей средневолновой антенны: Как увеличить дальность передающей средневолновой антенны

Содержание

Как увеличить дальность передающей средневолновой антенны

Устроить в городских условиях передающую антенну средневолнового диапазона – задача не простая. Протяженная проволочная антенна будет всегда привязана к окружающим зданиям, поэтому универсального рецепта “правильной” антенны быть не может.

Часто случается в городских кварталах, когда соседствуют пятиэтажные длинные дома и 9-12-и этажные высокие башни.

Вот тут-то сам собой и напрашивается “Змей Горыныч” – сложенный втрое вертикальный четвертьволновый вибратор с емкостной нагрузкой на горячем конце.

В профиль антенна действительно напоминает трехглавого змея. Эта антенна – конструктивно, производная от “Треххвостки” с длинным снижением. Однако по физике работы, в отличие от треххвостки (она, по сути – наклонный луч), “Змей Горыныч” – это вертикал.

Конструкция

Конструкция ясна из рис. 1. Верхнее полотно тремя анкерами крепится либо к краю крыши (ограждение использовать нельзя), либо заходит на чердак через слуховые окна.

Противоположный конец верхнего полотна необходимо оттянуть как можно дальше и как можно сильнее, чтобы “головы змея” занимали бы положение максимально близкое к горизонтальному. Именно этот узел антенны испытывает самые большие нагрузки. Головы дракона выполняются из биметаллической проволоки БСМ-1-2,5 мм.

Главная оттяжка – либо из 5 мм стального троса, либо из 4-х миллиметрового биметалла БСМ-1. Чтобы оттяжка не резонировала на рабочей частоте (по закону подлости, она, ведь, точно окажется длиной 45-50 метров), ее разбивают орешковыми фарфоровыми изоляторами 50×70 мм на несколько частей по 10-15 метров.

Рис. 1. Самодельная передающая антенна на средневолновый диапазон 200м.

Снижение антенны дальним концом закреплено к стене через три изолятора 28×40 мм и оттяжку, чуть ниже половины высоты противоположного здания. Снижение выполняется из медного изолированного провода, сечением 2,5-4 мм2, перевитого втрое неплотным повивом. То есть, получается литцендрат из трех жил.

Можно перевить и 3 провода П-268. Такая сложность обусловлена большим ВЧ током, протекающим по снижению при работе антенны на передачу.

Закрепить оттяжку на стене здания на высоте пятого этажа можно, используя закладные петли из 4-х миллиметровой стальной проволоки, которые для того и предназначены, и по строительным нормам обязательно устанавливаются на стенах зданий.

Надо только очень внимательно посмотреть на стену. Если по каким-либо причинам таких петель в стене Вашего здания нет, то вполне допустимо сделать их самостоятельно, установив в стену с помощью перфоратора и гаечного ключа пару анкеров, которые сейчас в широкой номенклатуре продаются на строительных рынках.

Добраться до нужной высоты по ровной стене можно двумя способами:

  • договориться с верхолазами, которые висят на веревках и красят стены домов;
  • договориться с водителем подъемника “кошачья лапа” и самому установить анкера.

В обоих случаях цены вполне приемлемые. Только вот тут внимание! Анкеров надо ставить обязательно два на расстоянии около 25-30 см друг от друга.

Их петли надо соединить 4 мм стальной проволокой, сложенной вдвое, с небольшим провисом, и за ее середину привязать оттяжку, чтобы при натяжении усилие было направлено не столько на вытаскивание анкера, сколько на стягивание анкеров друг к другу. Тогда анкеры “закусят” и не выдернутся из стены: вот где сопромат пригодился!

Противовесы и заземление

Для любого вертикального Х/4 вибратора необходимо и то, и другое. В качестве заземлителя потребуется 3-х дюймовая стальная ржавая водопроводная труба длиной 3 метра. Впрочем, пойдет и оцинкованная.

С одного конца, отступив 30 мм, сверлим в ней крест-накрест 4 отверстия, диаметром 10 мм. К одному приболтим клемму с запаянным в нее проводом заземления, сечением не менее 16 мм2 (лучше 20), который пойдет к передатчику. К остальным трем болтим пять-шесть клемм, в которые запаяны 15-ти метровые куски проволоки БСМ-1, диаметром 4 мм.

Трубу надо вкопать вертикально в газончик около дома, напротив вашего окна, но не ближе трех метров от стены. Для этого покупаем на рынке садовый бур, диаметром 160 мм, надставляем ему ручку до трех метров и бурим скважину.

Пока Вы бурите, пусть жена растворит в двух ведрах воды килограмм медного купороса CuS04 (по полкило на ведро).

Когда “ямка” будет готова, опускаете в нее трубу (болтами кверху) так, чтобы она туда ушла полностью, вровень с землей. Засыпаем вокруг трубы землю, проливая ее для уплотнения раствором медного купороса. Расходовать раствор надо так, чтобы хватило пролить всю землю, что будет засыпаться в скважину.

По мере засыпания земли и проливания, утрамбовываем ее длинной рейкой. Верхнюю часть трубы (сантиметров 30-40) с хорошо затянутыми болтами (и с гроверами), неплохо было бы залить бетоном, сделав небольшой кубик 20×20 сантиметров, поднимающийся над землей около 10 см.

Заливку бетоном оголовка следует делать не раньше, чем через две-три недели, чтобы после нескольких дождей земля вокруг трубы осела, и ее можно было бы хорошо утрамбовать.

15-ти метровые лучи тоже надо прикопать, но уже горизонтально, чтобы они образовали “юбочку”, как показано на рис. 1. Будем надеяться, что размер газончика позволяет это сделать.

Два из них можно прикопать в противоположные стороны вдоль стены дома (не ближе трех метров), остальные равномерно распределить веером по газончику.

Прикопать эти провода желательно где-то на полметра. Для этого надо взять цепную пилу (можно электрическую или бензиновую), одеть на нее пришедшую в негодность цепь, пропилить землю от заземлителя по направлениям лучей и запихнуть в эти щели 15-и метровые провода, чтобы образовать “юбочку заземления”. Концы проводов желательно забить в землю с помощью штырей из арматуры, длиной по 0,5-0,7 м. Возни как раз на выходные.

Таким образом, под антенной мы создаем “земляной пятачок” повышенной проводимости, и между ним и вибратором будет разворачиваться электрическое поле антенны.

Располагать же в городе полноразмерные противовесы, настроенные в резонанс, как минимум, три штуки по 50 метров, – представляется не реальным. Впрочем, если Вы сможете-таки их натянуть на высоте второго-третье-го этажа (где сами живете) к соседним домам через заросли деревьев, что растут во дворах, – это будет подвиг!

Здесь уж Вы сами определитесь, что для Вас лучше – либо земляная юбочка из пяти-шести проводников по 15 метров, либо полноразмерные противовесы (три-четыре штуки), настроенные в резонанс. Это дело вкуса. Если Вы остановитесь на юбочке, то разместить ее надо (в соответствии с рис. 1) между зданиями, закопав заземлитель посередине торцевой стены пятиэтажки. Ну, это в идеале, конечно. А там, как уж по месту получится.

Кстати! Поскольку “Змей Горы-ныч” по сути своей – вертикал, то он гораздо менее чувствителен к множественным, преимущественно горизонтальным интернет-воздушкам, которыми буквально замусорены все городские крыши. Главное, чтобы рядом с ним (в этом же проеме зданий) не висело воздушек.

Теперь представим себе вариант, что Вам неслыханно повезло, и прям перед Вашим окном, на пятом этаже пятиэтажки, на расстоянии 45-50 метров находится глухая стена (или угол) 14-и или 17-и этажной башни. О таком можно только мечтать, но мечты имеют тенденцию сбываться!

Картинка антенны не претерпевает принципиальных изменений, но “Змей Горы-ныч” может серьезно подрасти, и тут представляется возможным сделать одну хитрость. А давайте увеличим длину вибратора до 60-65 метров. Тогда три его части будут не по 18 метров, а по 20-22.

Вибратор становится удлиненным, и в его входном сопротивлении появится довольно большая индуктивная составляющая, которую легко скомпенсировать последовательной емкостью в точке питания.

В результате получим повышение активного входного сопротивления с 30 Ом до 70-110. – Меньше ток на выходе передатчика, выше КПД выходной колебательной системы. Это хорошо, но не главное. Главное то, что пучность тока в антенне поднялась выше над землей. И фазовый центр антенны сместился вверх.

При вещании из городской застройки это самое важное. Теперь наш сигнал при той же мощности станет слышно дальше. Собственно, изначально, за тем же самым и верхняя часть полотна антенны выполнена трехпроводной, с повышенной емкостью, чтобы сдвинуть пучность тока выше по антенне, а настройку ее в резонанс вести снизу, последовательной емкостью.

На закуску – заделка биметалла и троса в орешковые изоляторы (рис. 2).

Рис. 2. Заделка биметалла и троса в орешковые изоляторы.

ВАЖНО! В соответствии с Постановлением Правительства Москвы от 01.04.1997 г. №244-ПП, дополненным несложными расчетами, подводить к передающей антенне частотного диапазона до 3-х МГц, расположенной в непосредственной близости от жилых зданий, можно не более 100 Вт, если оба дома железобетонные, или не более 50 Вт, если дома кипичные или деревянные.

При превышении этой мощности, у вас, у вашей семьи, и у жителей ближайших к антенне квартир с течением времени может развиться весьма неприятное заболевание, которое современная медицина только учится лечить. Да и превращать смысл оставшейся жизни в работу на аптеку лишь ради трех латинских буквочек QRO и собственных амбиций, полагаю, не стоит.

Диполи

Антени різних діапазонів довжин хвиль

Коэффициенты усиления и эффективная площадь некоторых типов антенн

Двумя наиболее простыми примерами антенн являются полуволновой диполь (также называемый вибратором Герца, см. рис. 11, а) и четвертьволновая вертикальная антенна (антенна Маркони, см. рис. 11, б). Полуволновой диполь состоит из двух прямых коллинеарных проводников равной длины, разделенных небольшой щелью, на которую подается сигнал. Максимальная эффективность передачи сигнала достигается при длине антенны, равной половине длины волны. Вертикальная четвертьволновая антенна наиболее часто используется в автомобильных или портативных радиолах.

Полуволновой диполь характеризуется ненаправленной диаграммой излучения в одном измерении трехмерного пространства. В двух других плоскостях диаграмма по форме напоминает цифру "8" (см. рис. 12, а). Для излучения направленных сигналов могут использоваться более сложные типы антенн. Распространенный пример диаграммы направленности такой антенны представлен на рис. 12, б. В данном случае максимум мощности излучается в направлении оси

х.

При проектировании антенн учитываются особенности распространения радиоволн соответствующего диапазона.

Основой антенны длинных и средних волн является вертикальный провод. Горизонтальные провода не могут быть использованы для излучения и приема в длинноволновом и в большей части средневолнового диапазонов. Причина этого заключается в том, что в связи с высокой проводимостью почвы и малой высотой антенны по сравнению с длиной волны в данном диапазоне горизонтальные провода и их зеркальное изображение образуют противофазную систему, которая не излучает и не принимает радиоволны под малыми углами к земной поверхности. Тем самым исключается появление поверхностных волн, без которых невозможна связь на длинных волнах и на значительной части средних волн.

Длина излучающего провода, а соответственно и высота антенны должны быть по возможности большими для увеличения сопротивления излучения. При малом сопротивлении излучения антенна работает с низким КПД

Для получения достаточно большой излучаемой мощности приходится возбуждать в антенне большой ток, а это связано с увеличением напряжения и опасностью перенапряжения в антенне. В связи с этим полоса пропускания антенны оказывается недостаточной для качественного воспроизведения всего спектра частот модулированного тока, так как при малом сопротивлении излучения затухание антенного контура имеет малую величину.

В длинноволновом и средневолновом диапазонах применяются только заземленные вертикальные вибраторы.

Потери в длинноволновых и средневолновых антеннах в основном определяются потерями в земле. Для уменьшения этих потерь применяют специальное заземление в виде одиночного провода или ряда проводов, зарытых в землю. Антенна в совокупности с системой заземления называется радиосетью.

В целях увеличения сопротивления излучения антенны вертикальный излучающий провод дополняют сетью горизонтальных или наклонных проводов, которые в совокупности с землей образуют значительную емкость. Это способствует более равномерному распределению тока в излучающем вертикальном проводе (как в элементарном вибраторе).

Таким образом, определился характер длинноволновых и средневолновых антенн как вертикальных заземленных проводов с горизонтальной частью. Вертикальные провода называются иначе снижением, агоризонтальные или наклонные — верхней частью или крышей антенны.

В зависимости от взаимного расположения снижения и верхней части антенны различают Г-образные (рис. 13,а), Т-образные (рис. 13, б) и зонтичные антенны (рис. 13, в).

Г-образные и Т-образные антенны состоят из ряда параллельных горизонтальных проводов, подвешенных на двух мачтах, и вертикального заземленного провода, причем в Г-образных антеннах вертикальный привод присоединяется к одному концу горизонтальной части, а в Т-образных антеннах — к ее середине. В зонтичных антеннах верхняя часть состоит из наклонных проводов, вследствие чего для подвеса антенны можно использовать одну мачту.

На рис. 14 показана многовитковая рамочная антенна

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Для студента самое главное не сдать экзамен, а вовремя вспомнить про него. 10092 – | 7528 – или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к передающим антеннам в сетях синхронного радиовещания в диапазоне средних волн. Техническим результатом является уменьшение металлоемкости антенн с узкой диаграммой направленности. Сущность изобретения заключается в том, что направленная средневолновая антенна содержит по крайней мере два жестких вертикальных элемента в виде металлических мачт или башен, заземленных у основания. Для уменьшения металлоемкости введены вертикальные проволочные элементы и продольные проволочные элементы, причем вертикальные проволочные элементы подвешены к жестким вертикальным излучающим элементам посредством продольных проволочных элементов, к которым соответствующие вертикальные проволочные элементы прикреплены с образованием электрического контакта, а продольные проволочные элементы, соединенные с разными вертикальными элементами, скреплены друг с другом с помощью изоляторов; нижний конец вертикального проволочного элемента, находящегося возле одного из крайних жестких вертикальных излучающих элементов, подключен к источнику сигнала, а нижние концы остальных вертикальных проволочных элементов соединены с землей. 4 ил.

Рисунки к патенту РФ 2254647

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено, в частности, для использования в качестве передающей антенны в сетях синхронного радиовещания в диапазоне средних волн.

Известны средневолновые направленные антенны, содержащие по крайней мере два жестких вертикальных излучающих элемента в виде металлических мачт или башен [1,2].

В этих известных антеннах вертикальные излучающие элементы изолированы от земли, для чего они установлены на опорных изоляторах, что дорого при сооружении и увеличивает трудоемкость при эксплуатации.

Известна направленная средневолновая антенна, содержащая по крайней мере два жестких вертикальных излучающих элемента в виде металлических мачт или башен, заземленных у основания [3] (прототип).

Если требуется узкая диаграмма направленности, известная антенна получается металлоемкой и дорогой, т.к. в этом случае она должна содержать много жестких вертикальных излучающих элементов.

Предлагаемым изобретением решается задача уменьшения металлоемкости направленной средневолновой антенны.

Для достижения этого технического результата в известную направленную средневолновую антенну, содержащую по крайней мере два жестких вертикальных излучающих элемента в виде металлических мачт или башен, заземленных у основания, введены вертикальные проволочные элементы и продольные проволочные элементы, причем вертикальные проволочные элементы подвешены к жестким вертикальным излучающим элементам посредством продольных проволочных элементов, к которым соответствующие вертикальные проволочные элементы прикреплены с образованием электрического контакта, а продольные проволочные элементы, соединенные с разными вертикальными элементами, скреплены друг с другом с помощью изоляторов; нижний конец вертикального проволочного элемента, находящегося возле одного из крайних жестких вертикальных излучающих элементов, подключен к источнику сигнала, а нижние концы остальных вертикальных проволочных элементов соединены с землей.

На фиг.1 изображена направленная средневолновая антенна, содержащая два жестких вертикальных излучающих элемента и один вертикальный проволочный элемент, вид сбоку.

На фиг.2 изображена направленная средневолновая антенна, содержащая три жестких вертикальных излучающих элемента и четыре вертикальных проволочных элемента, вид сбоку.

На фиг.3 приведены диаграммы направленности антенны, изображенной на фиг.1: сплошная кривая – в горизонтальной плоскости, пунктирная – в вертикальной.

На фиг.4 приведены диаграммы направленности антенны, изображенной на фиг.2: сплошная кривая – в горизонтальной плоскости, пунктирная – в вертикальной.

Направленная средневолновая антенна (фиг.1) содержит по крайней мере два жестких вертикальных излучающих элемента 1 в виде металлических мачт или башен, заземленных у основания. Направленная средневолновая антенна (фиг.1) содержит также вертикальный проволочный элемент 2 и четыре продольных проволочных элемента 3. Продольные проволочные элементы 3 скреплены с жесткими вертикальными излучающими элементами 1 и с вертикальными проволочными элементами 2 с образованием электрического контакта. Продольные проволочные элементы 3, скрепленные с соседними вертикальными элементами (на фиг.1 с одним из жестких вертикальных излучающих элементов 1 и с вертикальным проволочным элементом 2) скреплены друг с другом с помощью изоляторов 4. Так осуществлена подвеска вертикального проволочного элемента 2 к жестким вертикальным излучающим элементам 1. К нижнему концу вертикального проволочного элемента 2 подключен источник сигнала 5 (фидер передатчика, при необходимости – с согласующим устройством). Другой провод источника сигнала 5 соединен с проводниками высокочастотного заземления, которое выполнено обычным для передающих средневолновых антенн образом и на фиг.1 не показано. Размеры жестких вертикальных излучающих элементов 1 и прикрепленных к ним продольных проволочных элементов 2 выбраны так, чтобы частота первого резонанса одного из них (на фиг.1 – левого) была несколько ниже рабочей частоты, а другого (на фиг.1 – правого) – несколько выше рабочей частоты. Для этого продольный проволочный элемент, прикрепленный к левому жесткому вертикальному излучающему элементу, выполнен большей длины, чем продольный проволочный элемент, прикрепленный к правому жесткому вертикальному излучающему элементу; при этом жесткие вертикальные излучающие элементы выполнены одинаковой высоты, что удобно конструктивно. Размеры продольных проволочных элементов 3, прикрепленных к вертикальному проволочному элементу 2, выбраны исходя из удобства согласования с источником сигнала 5. Расстояния между жесткими вертикальными излучающими элементами 1 и вертикальным проволочным элементом 2 – около четверти длины рабочей волны. Точные размеры длин элементов и расстояний между ними должны быть получены в каждом конкретном случае с помощью численного электродинамического моделирования с учетом величин поперечных сечений элементов и оптимизированы для получения желаемой диаграммы направленности.

Жестких излучающих элементов 1 может быть и больше двух, так, направленная средневолновая антенна, изображенная на фиг.2, содержит три жестких излучающих элемента 1, четыре вертикальных проволочных элемента 2 и двенадцать продольных проволочных элементов 3. Нижний конец вертикального проволочного элемента 2, находящегося возле крайнего жесткого вертикального излучающего элемента 1 (на фиг.2 – левого), подключен к источнику сигнала 5, а нижние концы остальных вертикальных проволочных элементов 2 соединены с землей. Продольные проволочные элементы 3, соединенные с соседними вертикальными элементами (проволочными 2 или жесткими 1) скреплены друг с другом с помощью изоляторов 4. При суммарной длине скрепляемых продольных проволочных элементов, меньшей расстояния между соответствующими вертикальными элементами, для скрепления использованы также отрезки троса 6 (на фиг.2 справа). Резонансная частота левого (на фиг.2) жесткого вертикального излучающего элемента 1 несколько ниже рабочей частоты. Резонансные частоты остальных вертикальных элементов (жестких 1 и проволочных 2) несколько выше рабочей частоты и выше у тех из них, которые на фиг.2 расположены правее. Это достигается выбором длин продольных проволочных элементов. Направленная средневолновая антенна снабжена высокочастотным заземлением, обычным для средневолновых антенн. Точные размеры длин элементов и расстояний между ними должны быть получены в каждом конкретном случае с помощью численного электродинамического моделирования с учетом величин поперечных сечений элементов и оптимизированы для получения желаемой диаграммы направленности.

Направленная средневолновая антенна работает следующим образом (см. фиг.1 и 2). При подаче высокочастотного напряжения от источника сигнала 5 соединенный с ним вертикальный проволочный элемент 2 работает как активный вибратор, находящийся слева от него жесткий вертикальный излучающий элемент – как рефлектор, остальные жесткие вертикальные излучающие элементы 1 и вертикальные проволочные элементы 2 – как директоры. В результате обеспечивается направленное излучение. Направленность тем выше, чем больше число излучающих элементов, при этом излучающие свойства у проволочного излучателя не хуже, чем у жесткого, поскольку проволочный излучатель для увеличения эквивалентного поперечного сечения состоит из нескольких проводов. Металлоемкость же проволочного излучателя в десятки раз меньше, чем жесткого. Таким образом, металлоемкость направленной средневолновой антенны, изображенной на фиг.2, имеющей три жестких и четыре проволочных излучателя, примерно вдвое меньше, чем у аналогичной по электрическим характеристикам антенны, составленной только из жестких излучателей.

На фиг.3 приведены диаграммы направленности направленной средневолновой антенны, изображенной на фиг.1: сплошная кривая – диаграмма направленности в горизонтальной плоскости, пунктирная – в вертикальной плоскости. На фиг.4 приведены диаграммы направленности направленной средневолновой антенны, изображенной на фиг.2: сплошная кривая – диаграмма направленности в горизонтальной плоскости, пунктирная – в вертикальной плоскости. Диаграммы направленности построены по распределению токов по проводникам антенны, найденному с помощью численного электродинамического расчетного метода с учетом потерь в заземлении антенны. Как видно по фиг.3 и 4, сужена не только диаграмма направленности в горизонтальной плоскости, но также и в вертикальной плоскости, что повышает антифединговые свойства антенны.

1. Антенны для радиосвязи и радиовещания: В двух частях. Ч.2. Средневолновые и длинноволновые антенны. / С.П.Белоусов, Р.В.Гуревич, Г.А.Клигер, В.Д.Кузнецов. – М.: Связь, 1980. – 120 с.

2. Патент Японии №54106151, кл. H 01 Q 3/22; H 01 Q 5/00; H 01 Q 19/22, опубл. 20.08.1979.

3. Патент Японии №54106152, кл. H 01 Q 3/22; H 01 Q 5/00; H 01 Q 19/22, опубл. 20.08.1979.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Направленная средневолновая антенна, содержащая, по крайней мере, два жестких вертикальных элемента в виде металлических мачт или башен, заземленных у основания, отличающаяся тем, что в нее введены вертикальные проволочные элементы и продольные проволочные элементы, причем вертикальные проволочные элементы подвешены к жестким вертикальным элементам посредством продольных проволочных элементов, жесткие вертикальные элементы и вертикальные проволочные элементы скреплены с соответствующими продольными проволочными элементами с образованием электрического контакта, а продольные проволочные элементы, соединенные с разными вертикальными элементами, скреплены друг с другом с помощью изоляторов, нижний конец вертикального проволочного элемента, находящегося возле одного из крайних жестких вертикальных излучающих элементов, подключен к источнику сигнала, а нижние концы остальных вертикальных проволочных элементов соединены с землей.

Классы МПК: H01Q19/00 Комбинированные конструкции из первичных активных антенных элементов и узлов со вторичными устройствами, например с квазиоптическими, выполняемые с целью формирования требуемой диаграммы направленности антенны
Автор(ы): Бузов А.Л. (RU) , Веревочников А.М. (RU) , Казанский Л.С. (RU)
Патентообладатель(и): Федеральное государственное унитарное предприятие Самарский отраслевой научно-исследовательский институт Радио (ФГУП СОНИИР) (RU)
Приоритеты:

Ликбез по антеннам: диаграмма направленности

Аннотация

Перед тем как перейти к рассмотрению конструкции и работы разного типа антенн, рассмотрим одну из важнейших характеристик антенны – диаграмму направленности и те параметры, которые из нее напрямую вытекают.
Рекомендую, также, ознакомиться с предыдущей статьёй - Ликбез: основы теории по антеннам.

Введение

Антенна, вне зависимости от конструкции, обладает свойством обратимости (может работать как на прием, так и на излучение). Часто в радиорелейных трактах одна и та же антенна может быть подключена одновременно к приемнику и передатчику. Это позволяет излучать и принимать сигнал в одном направлении на разных частотах.

Почти все параметры приемной антенны соответствуют параметрам передающей антенны, но иногда имеют несколько другой физический смысл.

Несмотря на то, что приемная и передающая антенны обладают принципом двойственности, в конструктивном отношении они могут существенно отличаться. Связано это с тем, что передающая антенна должна пропускать через себя значительные мощности для передачи электромагнитного сигнала на большие (максимально возможные) расстояния. Если же антенна работает на прием, то она взаимодействует с полями очень малой напряженности. Вид токопередающей конструкции антенны часто определяет ее конечные габариты.

Пожалуй, основная характеристика любой антенны это диаграмма направленности. Из нее вытекает множество вспомогательных параметров и такие важные энергетические характеристики как коэффициент усиления и коэффициент направленного действия.

Диаграмма направленности

Диаграмма направленности (ДН) – это зависимость напряженности поля, создаваемого антенной на достаточно большом расстоянии, от углов наблюдения в пространстве. В объеме диаграмма направленной антенны может выглядеть так, как показано на рисунке 1.


Рисунок 1

То, что изображено на рисунке выше также еще называют пространственной диаграммной направленностью, которая является поверхностью объема и может иметь несколько максимумов. Главный максимум, выделенный на рисунке красным цветом, называется главным лепестком диаграммы и соответствует направлению главного излучения (или приема). Соответственно первые минимальные или (реже) нулевые значения напряженности поля вокруг главного лепестка определяют его границу. Все остальные максимальные значения поля называются боковыми лепестками.

На практике встречаются различные антенны, которые могут иметь несколько направлений максимального излучения, или не иметь боковых лепестков вовсе.

Для удобства изображения (и технического применения) ДН их принято рассматривать в двух перпендикулярных плоскостях. Как правило, это плоскости электрического вектора E и магнитного вектора H (которые друг другу в большинстве сред перпендикулярны), рисунок 2.


Рисунок 2

В некоторых случаях ДН рассматривают в вертикальной и горизонтальной плоскостях по отношению к плоскости Земли. Плоские диаграммы изображают полярной или декартовой (прямоугольной) системами координат. В полярных координатах диаграмма более наглядна, и при наложении ее на карту можно получить представление о зоне действия антенны радиостанции, рисунок 3.


Рисунок 3

Представление диаграммы направленности в прямоугольной системе координат более удобно для инженерных расчетов, такое построение чаще применяется для исследования самой структуры диаграммы. Для этого диаграммы строят нормированными, с главным максимумом, приведенным к единице. На рисунке ниже приводится типичная нормированная диаграмма направленности зеркальной антенны.


Рисунок 4

В том случае, когда интенсивность бокового излучения довольно небольшая и в линейном масштабе измерение бокового излучения затруднительно, применяют логарифмический масштаб. Как известно децибелы маленькие значения делают большими, а большие – маленькими, поэтому та же самая диаграмма в логарифмическом масштабе выглядит так, как показано ниже:


Рисунок 5

Из одной только диаграммы направленности можно вытащить довольно большое количество важных для практики характеристик. Исследуем подробнее диаграмму, изображенную выше.

Один из наиболее важных параметров – это ширина главного лепестка по нулевому излучению θ0 и ширина главного лепестка по уровню половинной мощности θ0,5. Половина мощности соответствует уровню 3 дБ, или уровню 0,707 по напряженности поля.


Рисунок 6

Из рисунка 6 видно, что ширина главного лепестка по нулевому излучению составляет θ0 = 5,18 град, а ширина по уровню половины мощности θ0,5 = 2,15 град.

Также диаграммы оценивают по интенсивности бокового и обратного излучения (мощности боковых и задних лепестков), отсюда вытекает еще два важных параметры антенны – это коэффициент защитного действия, и уровень боковых лепестков.

Коэффициент защитного действия – это отношение напряженности поля, излученного антенной в главном направлении к напряженности поля, излученного в противоположном направлении. Если рассматривают ориентацию главного лепестка диаграммы в направлении на 180 градусов, то обратного – на 0 градусов. Возможны и любые другие направления излучения. Найдем коэффициент защитного действия рассматриваемой диаграммы. Для наглядности изобразим ее в полярной системе координат (рисунок 7):


Рисунок 7

На диаграмме маркерами m1,m2 изображены уровни излучения в обратном и прямом направлениях соответственно. Коэффициент защитного действия определяется как:

 

- в относительных единицах. То же самое значение в дБ: 

Уровень боковых лепестков (УБЛ) принято указывать в дБ, показывая тем самым, насколько уровень бокового излучения слаб по сравнению с уровнем главного лепестка, рисунок 8.


Рисунок 8

УБЛ в районе -18 дБ считается довольно хорошим показателем для высоконаправленной антенны. На рисунке изображены уровни первых боковых лепестков. Аналогично можно указывать также уровни всех последующих, но практической ценности их значение имеет мало, а представляет скорее академический интерес. Дело в том, что первые боковые лепестки находятся как правило "ближе всех остальных" к максимуму диаграммы направленности и могут оказывать помехи. Например, если сопровождение объекта происходит на уровне главного лепестка диаграммы -3дБ, а уровень первого бокового лепестка близок к этому значению (например -5:7 дБ), то велика вероятность начать цеплять объект боковым излучением со всеми вытекающими отсюда последствиями (неправильное позиционирование, потеря объекта и др.). Низкий УБЛ необходим не только для радиолокации, но и для области связи, ведь наличие паразитного излучения это всегда дополнительные помехи.

Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления

Это два немаловажных параметра любой антенной системы, которые напрямую вытекают из определения диаграммы направленности. КНД и КУ часто путают между собой. Перейдем к их рассмотрению.

Коэффициент направленного действия

Коэффициент направленного действия (КНД) – это отношение квадрата напряженности поля, созданного в главном направлении (Е02), к среднему значению квадрата напряженности поля по всем направлениям (Еср2). Как понятно из определения, КНД характеризует направленные свойства антенны. КНД не учитывает потери, так как определяется по излучаемой мощности. Из сказанного выше можно указать формулу для расчета КНД:

D=E02/Eср2

Если антенна работает на прием, то КНД показывает, во сколько раз улучшится отношение сигнал/шум по мощности, при замене направленной антенны ненаправленной, если помехи приходят равномерно со всех направлений.

Для передающей антенны КНД показывает, во сколько раз нужно уменьшить мощность излучения, если ненаправленную антенну заменить направленной, при сохранении одинаковых напряженностей поля в главном направлении.

КНД абсолютно ненаправленной антенны, очевидно, равно единице. Физически пространственная диаграмма направленности такой антенны выглядит в виде идеальной сферы:


Рисунок 9

Такая антенна одинаково хорошо излучает во всех направлениях, но на практике нереализуема. Поэтому это своего рода математическая абстракция.

Коэффициент усиления

Как уже было сказано выше, КНД не учитывает потери в антенне. Параметр, который характеризует направленные свойства антенны и учитывает потери в ней, называется коэффициентом усиления.

Коэффициент усиления (КУ) G – это отношение квадрата напряженности поля, созданного антенной в главном направлении (Е02), к среднему значению квадрата напряженности поля (Еоэ2), созданного эталонной антенной, при равенстве подводимых к антеннам мощностей. Также отметим, что при определении КУ учитываются КПД эталонной и измеряемой антенны.

Понятие эталонной антенны очень важно в понимании коэффициента усиления, и в разных частотных диапазонах используют разные типы эталонных антенн. В диапазоне длинных/средних волн за эталон принят вертикальный несимметричный вибратор длиной четверть волны (рисунок 10).


Рисунок 10

Для такого эталонного вибратора Dэ=3,28, поэтому коэффициент усиления длинноволновой/средневолновой антенны определяется через КНД так: G=D*ŋ/3,28, где ŋ – КПД антенны.

В диапазоне коротких волн в качестве эталонной антенны принимают симметричный полуволновый вибратор, для которого Dэ=1,64, тогда КУ:

G=D*ŋ/1,64

В диапазоне СВЧ (а это почти все современные Wi-Fi, LTE и др. антенны) за эталонный излучатель принят изотропный излучатель, дающий Dэ=1, и имеющий пространственную диаграмму, изображенную на рисунке 9.

Коэффициент усиления является определяющим параметром передающих антенн, так как показывает, во сколько раз необходимо уменьшить мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с эталонной, чтобы напряженность поля в главном направлении осталась неизменной.

КНД и КУ в основном выражают в децибелах: 10lgD, 10lgG.

Заключение

Таким образом, мы рассмотрели некоторые полевые характеристики антенны, вытекающие из диаграммы направленности и энергетические характеристики (КНД и КУ). Коэффициент усиления антенны всегда меньше коэффициента направленного действия, так как КУ учитывает потери в антенне. Потери могут возникать из-за отражения мощности обратно в линию питания облучателя, затекания токов за стенки (например, рупора), затенение диаграммы конструктивными частями антенны и др. В реальных антенных системах разница между КНД и КУ может составлять 1.5-2 дБ.

Как увеличить дальность работы радиостанции

Итак, вы решили приобрести для личного пользования автомобильную антенну.
Предположим, вы радиолюбитель и предпочитаете уверенный прием везде. Как все мы помним, качество и дальность радиосвязи зависит от:

  • Рельефа местности (как легко можно понять, этот фактор, хотя и основополагающий, но  от пользователя увы не зависящий.)
  • Мощность передачи (но покупать дополнительно радиостанцию для использования только в условиях езды на машине (а носимые рации ограничены 5 Вт), это дополнительное удорожание.
  • Высоты подъёма.
  • Усиления антенны.

То есть проще говоря: чтобы вас услышали, нужно либо выбраться на открытое место (увеличить предел прямой видимости), либо забраться повыше (с той же целью) либо взять в руки «рупор» (увеличить коэффициент усиления антенны), либо «крикнуть погромче» (взять более мощную станцию).
Но. Мощная станция может быть только мобильная (до 50 Вт). Нам же необходимо вести переговоры как вне машины, так и в ней.
Решением может послужить установка мобильной (возимой) антенны на автомобиль с вводом с салон автомобиля кабеля с разъёмом.
Это сразу же решает несколько проблем.

  • Мы получаем на выходе более высокое усиление. В среднем автомобильные антенны имеют усиление сигнала порядка 3 dBi (или по другому в 2 раза)
  • Антенна установленная на крышу даст вам преимущество в высоте на 1,5-2 метра (в зависимости от диапазона в котором будет вестись работа)
  • Не самое важное, но тоже чувствительное. Переговоры из машины это переговоры в тепле, комфорте а не беготня под дождем или ветром для нахождения точки принимаемого сигнала.   

Но начнем по порядку.
Мы имеем в руках рацию среднего ценового диапазона (как примерYaesu VX-6R). tovar_yaevx-6r работающую в широком диапазоне частот.
И всё бы в ней было прекрасно.
И «экстерьер» и мощность (до 5 Вт) и частотный диапазон (от 0,5 до 470 МГц). То есть мы успешно закрываем и КВ и LPD, и PMR диапазоны (433 и 446 МГц соответственно).
Но увы. Какой бы носимая рация не была профессиональной, какую бы мощность не выдавала, но в густом лесу этого бывает недостаточно. А в случае например использования рации на охоте (загонной или «по номерам») расстояние может достигать до десяти километров. Прибавим к этому возможность нахождения в пути следования в естественных неровностях почвы (оврагах, сухих руслах рек)
В общем случае, можно сказать одно. Связь в лесу, вне зависимости от оборудования вопрос спорный.
Итак, попытаемся решить эту проблему.
В общем случае, нам необходимо получить следующую систему.
Антенна, поднятая как можно выше (как я уже писал выше например автомобильная), антенный кабель, переходник от разъёма антенны к разъёму рации , и рация.
Итак по оборудованию описанному выше.
Разъём у рации большинства производителей (напомню мы говорим про носимые радиостанции) представляет собой разъём SMA (в зависимости от марки рации male или female). Внешний вид разъёмов представлен на рисунке.
Но следует учитывать, что при покупке антенны (какой именно, рассмотрим позже) мы получим на выходе разъём либо N-типа, либо PL-259 (также в литературе проходит под маркой UHF). То есть, либо вы будете вынуждены переделывать разъём на антенне, либо использовать переходник.
Переходник может быть как цельными (например представленный на рисунке переход SMA/PL под кодом  SU-312 )
прайс
Но при постоянном подключении/выключении оборудования от антенны подобное жесткое крепление может привести к расшатыванию и даже деструкции разъёма радиостанции.
Для того, чтобы избежать этого хорошим вариантом может служить гибкий переходник COMET HS-05
tovar_cable_comet_hs-05
Гибкий кабель RG-58 длиной 50 сантиметров (также существует модификация с длиной в 1 метр COMET HS-10) с разделанными в заводских условиях разъёмами сохранит разъём радиостанции в целости.
Разберемся теперь с установкой и выбором антенны.
Итак при установке антенны на крышу автомобиля следует соблюдать следующие правила.

  • Устанавливать только на металлические детали.

Это связано с тем, что любая антенна требует так называемой подстилающей поверхности, то есть проще говоря, листа металла. Без него характеристики антенны начинают «плавать» непредсказуемо.

  • Не ставить две антенны рядом, а по возможности разносить при близких частотах.

Любая антенна, вне зависимости от диаграммы направленности очень чувствительна (особенно на КВ частотах) к находящимся в поле действия металлических предметов. Не следует также забывать, что при работе в спектра коротких волн передатчик может «вдуть» в антенну большую мощность, на которую может быть не рассчитан выход вашего приемника. А если это произойдет на близком расстоянии, то наводка может произойти непосредственно на вход приемника, что в свою очередь может привести к помехам и даже выходу его из строя.
Антенны могут быть разнесены как по вертикали, так и по горизонтали. 

  • Решить изначально, каким образом будет производится крепление антенны.

Вообще креплений бывает 3 типа.
1.Врезное крепление.
К примеру ОРЕК АМ-207А /access_krep
Основой врезного крепления является следующее. В корпусе автомобиля прорезается отверстие. Основание вставляется в него и далее фиксируется снаружи и изнутри гайками.
Основными плюсами является следующее.

  • Такое крепление практически невозможно вырвать.
  • Кабель находится в неподвижности.
  • Контакт обеспечивается непосредственно основанием антенны.

Основные минусы.

  • Невозможность переставить.
  • Возможность потери герметичности со временем.
  • Удобство только в случае, если пользователю требуется использовать много разных антенн на одном автомобиле с периодичностью либо при «мертвой» стационарной установке антенны и отсутвии необходимости в её демонтаже.

 

 

 

 

2. Крепление на водосток либо реллинг автомобиля.
К примеру ОРЕК AM-503 /access_krep
Крепление на водосток производится при помощи винтового соединения методом плотного прижима основания к подстилающей поверхности. Оно не требует нарушения целостности кузова автомобиля. Весь монтаж производится снаружи, затяжкой винтов крепления при помощи обычной крестовой отвертки либо, иногда, затяжкой 8 гранной головки винта или гайки.
Существенные плюсы:

  • Простота и надежность установки
  • В ограниченных пределах, возможность изменения положения антенны и соответственно разноса по горизонтали.
  • Обеспечивает неподвижное крепление кабеля и отсутствие возможности его перегиба или излома в процессе эксплуатации

Существенные минусы.

  • Плохой зачастую контакт с крышей. Особенно на старых автомобилях. Иногда для лучшего контакта требует зачистки поверхности от краски.
  • Разбалтывание со временем. Подобное крепление требует периодической проверки.
  • Обязательно требует герметизации разъёма антенны.

 

 

 

 

 

 

 

3. Крепление на магнит
К примеру ОРЕК АМ-1023. www.yaesu.ru/fidery
Наиболее распространенным и простым является крепление антенны к крыше посредством магнитного основания.
В основу данного крепления, положена установка на металлическую часть крыши мощного магнита, который притягивает антенну к крыше автомобиля, что обеспечивает надежный контакт.
Существенный плюсы:

  • Простота монтажа и демонтажа.
  • Возможность настройки разносом в пределах длины кабеля
  • Герметичность крепления.
  • Не нарушает целостности кузова.

Существенные минусы:

  • Меньшая надежность крепления (правда, следует отдать должное, магнит исключает поломку антенны при задевании, она ложится а не ломается)
  • В случае неудачной установки возможен перегиб кабеля и даже его излом у основания.

В целом, каждое крепления предназначено для своих нужд и любое из них может быть удобно в том или ином случае.
Рассмотрим теперь то, что мы будем устанавливать на основание. Антенны, а если точнее то полотно или корпус антенны.
В зависимости от нужд пользователя антенны делятся по диапазонам и соответственно длинам.
Длины антенн бывают ¼, 5/8, ½ длинный волны, (или в просторечии «четвертушка» «восьмушка», «полуволновая».
Чтобы представить какой длины должна быть ваша антенна используйте формулу
L=с/f  где L – длина волны, с = 300000 (скорость звука), f – частота сигнала.
Далее умножением на коэффициент укорочения (о нем я писал выше) вы получите реальную длину антенны.
Но, бывают и антенны работающие в широком диапазоне частот.
Например HVT-400B http://yaesu.ru/price
Данная антенна  имеет диапазон (3,5/3,8/7/14/18/21/24/28/29/50/144/430 МГц)
Настройка антенны производится посредством установки джампера в соответствующие гнезда антенны.
Данная антенна может быть надежным подспорьем в работе и отдыхе

 

 

 

 

 

   

 

 

Дальность радиосвязи, Дальность раций, Радиус действия раций, Основы радиосвязи, расчет дальности радиосвязи

На дальность радиосвязи влияют следующие факторы:

  • длина волны
  • высота "подвеса" антенн (приемной и передающей)
  • рельеф местности
  • влияние окружающей среды (солнечная активность, сезон, время суток и т.д.)
  1. ДЛИНА ВОЛНЫ

Различают следующие диапазоны волн:

  • длинные волны
  • средние волны
  • короткие волны
  • ультракороткие волны

длинные волны (далее ДВ) - это электромагнитные волны длиннее 3000 м (частота колебаний менее 100 КГц). Они сравнительно хорошо огибают земную поверхность за счет явления дифракции радиоволн. По мере удлинения волны уменьшаются потери энергии в почве (воде) и улучшаются условия отражения радиоволн от ионосферы, что приводит к увеличения дальности действия радиостанции. При расстоянии менее 100 км до передатчиков ДВ преобладают сигналы, распространяющиеся вдоль земной поверхности, а на больших расстояниях решающую роль играют сигналы, отраженные от ионосферы.

средние волны (далее СВ) - это электромагнитные волны длиной от 3000 до 200 м, что соответствует частотам 100 - 1500 КГц. Энергия СВ очень сильно поглощается в почве и морской воде (с укорочением длины волны поглощение увеличивается).

короткие волны (далее КВ) - это электромагнитные волны длиной от 200 до 10 м, что соответствует частоте колебаний от 1.5 МГц (1500 КГц) до 30 МГц. Основной особенностью распространения КВ является их способность отражаться от ионосферы при сравнительно небольших потерях. Отраженная от ионосферы волна, на больших отдалениях от передатчика возвращаются на землю, что и позволяет установить радиосвязь между точками,закрытыми друг от друга выпуклостью земного шара.

ультракороткие волны (далее УКВ) - это радиоволны короче 10м, что соответствует электромагнитным колебаниям с частотой более 30 МГц. УКВ в обычных условиях не отражаются от ионосферы. Прямые волны, распространяющиеся вблизи поверхности земли, сильно ею поглощаются. Диапазон УКВ принято разбивать на: метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые.

Так как на данном сайте, в большей степени, представлено оборудование УКВ-диапазона, дальнейшие выкладки будут справедливы для этого диапазона радиосвязи.

          2. ВЫСОТА ПОДВЕСА АНТЕННЫ

Зона уверенного приема УКВ определяется расстоянием прямой видимости от передающей антенны до приемной. В связи с тем, что поверхность Земли шарообразна (радиус 6370км), можно использовать приблизительную формулу для определения максимальной дальности, соответствующей прямой видимости:

где:
D - максимальная дальность прямой видимости
h2 и h3 высоты антенн

Калькулятор расчета дальности связи радиовидимости:
Из формулы видно, что чем выше подняты антенны, тем дальше прием.

        3. РЕЛЬЕФ МЕСТНОСТИ

Формула не учитывает рельефа местности и предполагает, что антенны установлены на идеально гладкой поверхности. Кроме того, при распространении радиоволн УКВ диапазона все-таки имеет место и дифракция и рефракция радиоволн. Область, в пределах которой оказывается возможным уверенный прием радиосигнала, можно разбить на 2 зоны: прямой видимости и полутени.

         ВЫВОД

Таким образом, получаем, что на распространение радиосигнал УКВ диапазона влияет в большей степени высота подвеса антенн. Для увеличения дальности распространения УКВ диапазона в области полутени необходимо применять высокоэффективные направленные антенны, высокочувствительное приемопередающее оборудование, кабели с низкими потерями.

Для портативных радиостанций мы ограниченны ростом человека использующего рации (не более 2 метров за редким исключением).

В данных условиях, самыми важными становятся следующие факторы:
  • соответствие кратности габаритных размеров устройства к используемой длине волны
  • мощность излучения радиостанции
  • чувствительность приемника устройства
  • хорошая согласованность между выходным трактом рации и антенной
Поэтому очень важно приобретать носимые рации производителей, которые не экономят на научных исследованиях и тестах, а разобраться в этом мы сможем вам помочь. Компания Радиоцентр за свою более 25-летнюю историю протестировала модели всех известных производителей радиосвязи и сможет помочь вам сделать оптимальный выбор средств радиосвязи под вашу задачу.

Звоните: (812)677-55-57 (многоканальный)

или отправьте заявку: [email protected]

 

Прайс лист нашей продукции.

Антенна передатчика

- обзор

VII Последние изменения в телекоммуникациях

Министерство юстиции США подало антимонопольный иск против AT&T в 1974 году. Этот иск был урегулирован в 1982 году, оставив фрагментированный телекоммуникационный бизнес в США в 1984 году. Многие серьезные проблемы, стоявшие на пути развертывания волоконно-оптических систем связи, были решены начиная с середины 1970-х годов, и к 1984 году в волоконно-оптических технологиях произошел значительный прогресс.Эти достижения позволили большему количеству компаний развернуть оптоволоконные системы по разумной цене и, следовательно, с технологической точки зрения открыли путь для усиления конкуренции на рынке дальней связи.

Другие инновации 1980-х годов включают повсеместную доступность общинного антенного телевидения (CATV) или кабельного телевидения, увеличение использования спутников связи и появление сотовой телефонии. Кабельное телевидение, зародившееся как нишевый бизнес в конце 1940-х годов для предоставления телевизионных услуг в отдаленных или горных регионах, приобрело новую роль, способствуя доставке широкого выбора телевизионных программ своим абонентам.Развертывание кабельного телевидения продолжалось в течение 1980-х и 1990-х годов, и, кроме того, широко использовалось спутниковое телевидение. Во второй половине 1990-х годов было развернуто спутниковое цифровое телевидение с 18-дюймовыми приемными антеннами.

Поскольку в 1970-е годы стоимость электроники и электронных систем резко упала, спрос на мобильную связь, особенно телефонную, вырос. Поскольку дополнительный частотный спектр для поддержки возросшего спроса не был доступен, активно искались методы более эффективного использования существующего спектра.С усовершенствованием сетевых технологий и электронной коммутации вскоре была разработана концепция сотовой мобильной телефонии.

В сотовой телефонии городская зона разделена на сетку из более мелких областей, называемых ячейками . В центре каждой соты находится сотовый узел , который состоит из антенн, передатчиков и приемников, а также различных систем управления. Каждой ячейке выделяется подмножество доступных частотных каналов, при этом несколько сотовых станций в одной и той же городской зоне имеют одинаковые наборы частот.Система спроектирована таким образом, чтобы передачи от сотовых станций, имеющих одинаковый набор частот, не мешали друг другу; сотовые станции с одинаковыми частотами находятся дальше друг от друга, чем станции с разными наборами частот, и, кроме того, тщательно контролируются уровни мощности передатчика.

В только что описанной системе используется аналоговая передача и мультиплексирование с частотным разделением каналов. Другие системы, использующие цифровую передачу, были разработаны в 1990-х годах. Одна из этих цифровых систем использует комбинацию мультиплексирования с частотным и временным разделением каналов, а другая использует комбинацию мультиплексирования с частотным разделением и множественного доступа с расширенным спектром .Эти новые технологические инновации повысили качество сотовой телефонной связи и повысили ее пропускную способность. Кроме того, эти нововведения привели к серьезным исследованиям в области беспроводного доступа к данным.

Преимущество беспроводного сотового доступа по сравнению с традиционным проводным локальным доступом заключается в том, что его можно быстро развернуть в определенной области. В частности, после того, как телефонный коммутатор установлен в локальной области, может быть развернута система сотовой телефонии, и телефонное обслуживание может быть обеспечено в локальной области без установки каких-либо локальных шлейфов.После развертывания инфраструктуры междугородной телефонной связи глобальное телефонное обслуживание может быть реализовано практически в одночасье. Благодаря этим свойствам сотовая телефония находит рынок в странах, где сегодня существует очень слабая традиционная телефонная инфраструктура.

В конце 1980-х и начале 1990-х годов также продолжался прогресс в волоконно-оптических технологиях. С быстрым развитием волоконно-оптических систем была разработана третья иерархия мультиплексирования, синхронная цифровая иерархия или SDH.Самый низкий уровень SDH - это OC-1, который имеет пропускную способность около 50 мегабит в секунду и обеспечивает передачу 672 голосовых вызовов. Популярные уровни SDH включают OC-3 со скоростью около 150 мегабит в секунду, OC-12 со скоростью примерно 600 мегабит в секунду, OC-48 со скоростью примерно 2300 мегабит в секунду и OC-192 примерно со скоростью 9600 мегабит в секунду. По крайней мере, один коммерческий пакетный коммутатор, который может обрабатывать линии OC-192, существует сегодня, и возможность разработки пакетных коммутаторов, которые могут обрабатывать скорость линии OC-768, что эквивалентно 500 000 голосовых вызовов, является частой темой обсуждения в исследовательских кругах.Сегодня можно купить готовое оборудование для демультиплексирования потока OC-192 на 16 потоков OC-12.

В 1990-х годах был введен ряд технологических усовершенствований и расширений основных возможностей межсетевого взаимодействия. Среди них были 100-мегабитные сети Ethernet, беспроводные локальные сети, концентраторы и коммутаторы Ethernet, а также гигабитные сети Ethernet.

Но главной новостью 90-х было повсеместное развертывание и коммерциализация Интернета. Одной из движущих сил стало появление World Wide Web , или просто Интернета.Сеть состоит из набора местоположений серверов, называемых веб-сайтами, доступ к которым осуществляется через соединения TCP / IP с помощью веб-браузера, два самых популярных из которых - Netscape Navigator и Microsoft Internet Explorer. Язык разметки гипертекста (HTML) используется для форматирования веб-сайтов, а протокол передачи гипертекста (HTTP) используется для взаимодействия между клиентами и серверами или, что эквивалентно, между веб-сайтами и веб-браузерами.

Поскольку интерфейс веб-браузера является графическим и интуитивно понятным, любой может быстро научиться пользоваться Интернетом.Это привело к созданию множества новых компаний, развитию множества веб-сайтов и распространению сетевых услуг на многие миллионы домов по всему миру. Таким образом, в 1990-х годах сетевые услуги на основе пакетов распространились из академической и исследовательской среды на предприятия и дома во всем мире, превратившись в обычную бытовую услугу наравне с телефоном и телевидением.

С повсеместной доступностью услуг на основе пакетов начали появляться новые разработки, обеспечивающие более высокоскоростной доступ к данным из дома.Частично это расширение имело место благодаря услуге Integrated Services Digital Network (ISDN), которая предоставляет интегрированные голосовые и цифровые услуги со скоростью примерно 144 килобит в секунду. Эта технология была разработана в 1980-х годах, но не получила широкого распространения на рынке до тех пор, пока не потребовался более высокоскоростной доступ к данным.

Использование SS7 для контроля и управления сетями с коммутацией каналов требует от телефонных компаний сохранения передовых компетенций как в технологии коммутации каналов, так и в технологии коммутации пакетов.Одним из следствий этого опыта стало предложение асинхронного режима передачи (ATM) в качестве решения для интеграции мультимедийных коммуникаций с использованием пакетной технологии.

Первоначально предполагалось, что набор протоколов ATM будет охватывать весь спектр услуг от приложения до приложения. То есть ATM будет развернут в конечных системах, в промежуточных системах и везде между ними. Сотни компаний работали над разработкой стандартов банкоматов на всех уровнях, и в результате этих усилий появилось много хороших идей.Однако, вероятно, из-за широкого развертывания приложений на основе TCP / IP и продолжающегося развития технологий Ethernet в локальной области, ATM был более успешным как технология передачи, чем как технология сквозного обслуживания. Действительно, большая часть мировых IP-дейтаграмм происходит через системы ретрансляции кадров, реализованные через ATM.

Дополнительный высокоскоростной доступ из дома был предложен через услугу кабельного модема, построенную на средствах кабельного телевидения.Еще большую цифровую емкость для дома предлагала служба Asymmetric Digital Subscriber Service (ADSL), в которой используется обычный телефонный кабель с витой парой и которая стала широко доступной в конце 1990-х годов. По мере того, как наступает 2001 год, предпринимаются постоянные усилия по увеличению скорости поступления данных в дом, особенно с использованием технологий, которые могут быть реализованы либо по существующим телефонным проводам, либо по средствам кабельного телевидения.

По мере того, как технологии, которые уже обсуждались, были внедрены, улучшены или заменены, фирмы, созданные для разработки и сбыта этих технологий, также изменились.Прежде чем обсуждать будущие тенденции, мы представляем краткий обзор развития телеграфной и телефонной промышленности в Соединенных Штатах с 1837 года до середины февраля 2001 года.

Мощность передатчика - обзор

ЗЕМЕЛЬНЫЕ СТАНЦИИ

На земных станциях, которые Для формирования наземного сегмента космических и спутниковых систем связи необходимо различное оборудование в зависимости от: (A) функции станции, (B) типа обслуживания, (C) используемых диапазонов частот, (D) передатчика, (E) приемник и характеристики антенны (F).

Можно выделить три категории: (1) передающие и принимающие, (2) только принимающие и (3) только передающие станции. Первый встречается в системах двусторонней связи. Станции только для приема в настоящее время используются в системах кабельного телевидения в Соединенных Штатах и ​​в большом количестве в системах DBS по всему миру. Земные станции только для передачи используются в системах сбора данных и фидерных линиях DBS. Типы услуг включают фиксированные, мобильные, радиовещательные и другие. Использование спектра регулируется международными распределениями с фактической занятостью полосы пропускания, необходимой для различных услуг, типа трафика и модуляции.

В системах спутниковой связи мощность передатчика земной станции колеблется от нескольких ватт, генерируемых SSPA, до примерно десяти киловатт, генерируемых клистронами или ЛБВ. В сети дальнего космоса используются передатчики до 400 кВт. Приемники охватывают широкий диапазон чувствительности и полосы пропускания с шумовой температурой от нескольких десятков кельвинов, достигаемых с помощью усилителей с криогенным охлаждением, до сотен кельвинов в усилителях без охлаждения. Сильно упрощенная блок-схема типичной компоновки приемно-передающей земной станции показана на рис.39. Станция имеет шесть основных подсистем:

Рис. 39. Структурная схема земной станции.

A.

Подсистема питания

B.

Наземный интерфейс

C.

Цепочка передачи

D.

Цепочка приема

E.

Антенная подсистема

F.

Подсистема управления

Пути прохождения сигналов и функции указаны.Значение промежуточной частоты (IF) в цепях приема и передачи обычно одинаково, обычно используется 70 МГц. Сигналы восходящей линии связи могут передаваться с помощью волноводов к усилителям большой мощности, расположенным сразу за источником, или в виде промежуточной частоты через коаксиальные кабели к расположенным там преобразователям с повышением частоты и мощным усилителям. Также возможно разместить все оборудование у основания антенны и расширить входные и выходные каналы через лучевые волноводы. Выходы мощных усилителей (HPA) можно комбинировать через полосовые фильтры и циркуляторы или посредством гибридов.В цепочке приема слабые сигналы со спутника принимаются тем же источником, по которому передается выходной сигнал передатчика. Эти два сигнала, которые различаются по мощности на несколько порядков, разделены с помощью ортогональных поляризаций и диплексеров, используемых для увеличения разделения в частотной области. Ортомодальные преобразователи и поляризаторы используются, соответственно, для объединения ортогонально поляризованных сигналов в один волновод и для преобразования линейной поляризации в круговую и наоборот.После предварительного усиления в малошумящем усилителе (МШУ) принятые сигналы преобразуются с понижением частоты до ПЧ и демодулируются до основной полосы частот.

Антенна является очень важной частью земной станции, поскольку она влияет на э.и.и.м., добротность приема ( G / T ) и помехи. Размер антенны значительно варьируется: от диаметра 0,5 метра или меньше, используемых для приема DBS-TV только в частных домах, до гораздо более крупных передающих и приемных антенн (до парабол диаметром до 32 метров), используемых в системах с высокой пропускной способностью, и даже более крупных антенн. (до 64 метров в диаметре) используется в сети дальнего космоса.В дополнение к параболическим отражателям, которые широко используются, используются другие формы антенн, такие как рупоры, отражатели в форме тора, Yagis, спирали и фазированные решетки.

В терминах общего соотношения,

(уравнение 79) G = (4π / λ2Aeff = (4π / λ2) η⋅Ageom

, где

(уравнение 80) η = Aeff / Ageom

равно эффективность антенны. В случае параболических отражателей,

(уравнение 81) G = π2 (D / λ) 2⋅η

На практике значения D / λ в диапазоне от 20 до 700 являются обычными в спутниковые системы связи, а значения до 2000 встречаются в системах дальнего космоса.При эффективности в диапазоне от 0,5 до 0,8 достигается усиление от 30 до 75 дБи (дБ выше изотропного) с соответствующей шириной луча по половинной мощности от нескольких градусов до нескольких сотых долей градуса. Очень высокие значения усиления подразумевают как электрически, так и механически большие антенны и, следовательно, большие и дорогостоящие конструкции, поскольку стоимость приблизительно пропорциональна площади апертуры.

Используются различные формы опор с ограниченной или полной управляемостью в зависимости от конкретных характеристик системы.Типы крепления антенны могут быть 2-осевыми ( x, y или азимут, высота), 3-осями ( x, y, y ′ или азимут, высота и поперечный угол возвышения) или 4-осевыми для морского транспорта. Приложения.

Отражательные антенны можно классифицировать по количеству отражающих поверхностей и / или типу расположения источника питания. Общий коэффициент полезного действия антенны, η, в формуле. 80 можно разбить на четыре части:

(уравнение 82) η = η1 × η2 × η3 × η4

, где

η 1 = коэффициент освещенности

η 2 = коэффициент побочного эффекта 9000

η 3 = коэффициент блокировки

η 4 = коэффициент поверхностных допусков

Уменьшение усиления главного лепестка часто подразумевает увеличение увеличения энергии бокового лепестка и, следовательно, приводит к более высокая шумовая температура и снижение помехоподавляющей способности.Член η 4 связан с отклонением поверхности отражателя от идеальной. Предполагая, что ошибки профиля распределены по поверхности случайным образом, эффективность снижается в

(уравнение 83) η '= e− (4π∈ / λ) 2

, где ∈ - среднеквадратичный допуск поверхности. Поскольку потери усиления в децибелах равны

(уравнение 84) η '| дБ = 685,8 (∈ / λ) 2

, если максимально допустимые потери усиления установлены на уровне 1 дБ, среднеквадратичный допуск поверхности, ∈, должен соблюдаться. до λ / 25 или меньше. Отношение D / ∈ представляет собой меру качества параболической антенны.Для вышеупомянутых значений отношения D / ∈ соответствующий диапазон отношения D / ∈ составляет от 500 до 25 000. В электрически более крупных антеннах, предназначенных для радиоастрономии, более высокие значения D / ∈ были достигнуты с помощью средств защиты от окружающей среды. В системах спутниковой связи, помимо ранних разработок больших рупорных антенн с защитой обтекателя от погодных условий, обычно используются наружные антенны. * Единственное средство защиты от непогоды - электронагреватели от таяния снега и наростов льда.

Остальные три потери - засорение, перетекание и засветка - наиболее существенно относятся к системам складчатой ​​оптики, таким как широко используемая конфигурация Кассегрена, которая характеризуется гиперболическим подрефлектором и параболическим основным рефлектором. Поскольку апертурное освещение и излучение в дальней зоне связаны преобразованием Фурье, равномерное освещение приводит к диаграмме направленности sin x / x , единичному коэффициенту освещения, но относительно высокоуровневым боковым лепесткам.При уменьшении освещенности коэффициент освещенности падает ниже единицы, но может быть достигнут лучший контроль боковых лепестков.

Хотя системы складчатой ​​оптики, такие как конфигурации Кассегрена и Грегориана, обеспечивают идеальную фокусировку, они не обеспечивают оптимальную эффективность светосилы. Эффективность апертуры можно повысить за счет соответствующей формы субрефлектора и отражателя для удаления энергии из центральной области, блокируемой субрефлектором и источником, и перераспределения ее для достижения более равномерного освещения по остальной апертуре.Такая форма может повысить коэффициент усиления рефлекторной антенны более чем на 1 дБ. Он наиболее эффективен для антенн с D / λ> 100.

Сгущение геостационарной орбиты в результате расширения спутниковых систем требует очень строгого контроля боковых лепестков антенны для удовлетворения противоположных требований минимальных взаимных помех и уменьшен интервал на орбите (с 5 ° до 4 °, до 3 ° и даже до 2 °).

Огибающая боковых лепестков большинства электрически больших антенн Кассегрена может быть аппроксимирована выражением вида

(Ур.85) GdBi = A - Blogθ

, где A и B - константы, а θ - угол отклонения от оси визирования. В 1965 году CCIR (ныне ITU-R) принял правило

(уравнение 86) GdBi = {32−25logθ101∘≤θ≤48∘θ> 48∘

Антенны системы INTELSAT были стандартизированы. следовать правилу CCIR. До 1977 года боковые лепестки за пределами 1 ° от оси визирования не должны были превышать уровень –29 дБ, но после 1977 года было введено новое правило, требующее, чтобы не более 10 процентов пиков боковых лепестков превышали огибающую, как определено выше.Более поздняя рекомендация изменила бы значение константы A с 32 на 29 в приведенном выше выражении.

Все чаще для удовлетворения более строгих требований к боковым лепесткам антенны земных станций строятся со смещением. Путем размещения фидерной конструкции ниже оптической линии визирования рефлектора апертура рефлектора остается незаблокированной, и могут быть реализованы гораздо более низкие боковые лепестки.

Параметр, характеризующий производительность системы, - это соотношение G / T , обычно выражаемое в дБ / K.После выбора измерительного порта необходимо должным образом учесть все факторы, влияющие на шумовую температуру системы. Конструкция фидера антенны имеет большое значение как с точки зрения усиления, так и с точки зрения боковых лепестков (а также поляризации).

Величина перелива и светового конуса как для вспомогательного, так и для основного отражателя зависит от конструкции системы подачи. Большой прогресс достигнут в переходе от пирамидальных рупоров к коническим рупоров различных типов, таких как одномодовый (TE 11 ), многомодовый (TE 11 + TM 11 ) и гибридный режим (EH 11 ).В последнем упомянутом случае гофрированные рупоры с канавками λ / 4 позволили увеличить полосу пропускания, улучшить симметрию диаграммы направленности, уменьшить боковые лепестки и добиться лучших характеристик внеосевой поляризации, что особенно важно в системах двойного излучения. поляризационные системы. В этом случае изоляция между двумя ортогонально поляризованными каналами совпадающей частоты должна быть как можно более высокой. Опыт работы с системами, использующими линейную или круговую ортогональную поляризацию, подтвердил, что изоляция 30 дБ является типичной целью проектирования.

Для удовлетворения вышеупомянутых требований требуются сложные орто-модовые переходы и каскадное расположение поляризаторов.

Фактическая развязка зависит от чистоты поляризации источника сигнала и антенной системы. Поскольку дождь на пути прохождения сигнала деполяризует сигнал, автоматические средства коррекции деполяризации были успешно внедрены на частоте 6/4 ГГц.

При необходимости используются моноимпульсные системы слежения для постоянной корректировки наведения антенны в направлении спутника.Для обеспечения бесперебойной работы предусмотрен вспомогательный источник питания, а также резервное оборудование связи.

Большая часть приведенного выше описания земных станций применима к станциям, используемым в качестве шлюзов для КТСОП. В 80-е годы в применении спутниковой связи произошли заметные изменения. Многие классы земных станций беспилотные, расположены в помещениях пользователя, мобильные и с низким значением G / T , только для приема, электрически малогабаритные или комбинации этих качеств.Как упоминалось ранее, VSAT обычно находятся на территории пользователя, не обслуживаются людьми и относительно небольшие. Аналогичным образом развертываются USAT. Количество земных станций в помещениях пользователей быстро растет, равно как и объем передаваемого ими трафика. Домашние станции DBS-TV находятся в помещении пользователя, предназначены только для приема и электрически довольно малы. Мобильные терминалы для самолетов, сухопутных мобильных и небольших судов находятся в помещении пользователя (транспортном средстве), мобильные и с низким уровнем G / T (<−10 дБ / K) (и поэтому часто страдают от многолучевого распространения) и довольно малый электрически.Новые телефонные терминалы становятся еще меньше физически и электрически. Терминалы, используемые для IBS или ее отечественных эквивалентов, обычно находятся на территории пользователя и часто не обслуживаются.

В значительной степени это стало возможным благодаря наличию высоконадежных недорогих LSIC, VLSIC и DSP, наряду с достижениями в области модуляции, кодирования и протоколов для модулей основной полосы частот, а также полупроводниковых MIC и, в последнее время, MMIC умеренного размера. стоимость и высокая надежность на СВЧ частотах. В сочетании с более высокими э.и.и.м., доступными для спутников, обслуживаемых в 1980-х и 1990-х годах, услуги с использованием наземных терминалов, таких как описанные выше, значительно расширились, и это расширение будет увеличиваться, по крайней мере, с той же скоростью в первое десятилетие 21-го века.

Телекоммуникационные СМИ | Британника

Средства связи , оборудование и системы - металлический провод, наземное и спутниковое радио и оптоволокно - используемые для передачи электромагнитных сигналов.

Тарельчатые радиоволновые антенны

Тарельчатые радиоволновые антенны диаметром от 8 до 30 метров (от 26 до 98 футов), обслуживающие земную станцию ​​в сети спутниковой связи.

© Ken Graham / Ken Graham Agency

Среда передачи и проблема деградации сигнала

Каждая телекоммуникационная система включает передачу несущего информацию электромагнитного сигнала через физическую среду, которая отделяет передатчик от приемника.Все передаваемые сигналы в некоторой степени ухудшаются из-за среды, в которой они распространяются. Ухудшение сигнала может принимать разные формы, но обычно оно делится на три типа: шум, искажение и затухание (снижение мощности). Шум - это наличие случайных, непредсказуемых и нежелательных электромагнитных излучений, которые могут маскировать намеченный информационный сигнал. Искажение - это любое нежелательное изменение амплитуды или фазы любого компонента информационного сигнала, которое вызывает изменение общей формы сигнала.И шум, и искажение обычно вносятся всеми средами передачи, и оба они приводят к ошибкам при приеме. Относительное влияние этих факторов на надежную связь зависит от скорости передачи информации, от желаемой точности приема и от того, должна ли связь происходить в «реальном времени», то есть, как при телефонных разговорах и видеоконференцсвязи.

Были разработаны различные схемы модуляции и кодирования для обеспечения защиты от ошибок, вызванных искажением канала и шумом канала.Эти приемы описаны в статье «Система телекоммуникаций». В дополнение к этим методам обработки сигналов, защита от ошибок приема может быть обеспечена путем увеличения мощности передатчика, таким образом увеличивая отношение сигнал / шум (отношение мощности сигнала к мощности шума). Однако даже мощные сигналы в некоторой степени ослабляются при прохождении через среду передачи. Основная причина потери мощности - рассеяние, преобразование части электромагнитной энергии в другую форму энергии, такую ​​как тепло.В коммуникационных средах затухание канала обычно выражается в децибелах (дБ) на единицу расстояния. Затухание в ноль децибел означает, что сигнал передается без потерь; три децибела означают, что мощность сигнала уменьшается наполовину. График ослабления канала при изменении частоты сигнала известен как спектр ослабления, в то время как среднее ослабление во всем частотном диапазоне передаваемого сигнала определяется как коэффициент ослабления.

Затухание электромагнитной энергии, распространяющейся через атмосферу на уровне моря по горизонтальному пути.Показан широкий диапазон спектра ослабления, от микроволновых радиоволн до ультрафиолетового света.

Британская энциклопедия, Inc.

Затухание в канале - важный фактор при использовании каждой среды передачи. Наряду с шумом и искажениями, это может повлиять на выбор одной среды по сравнению с другой. Как отмечается во введении к этой статье, современные телекоммуникационные системы используют три основных средства передачи данных: проводную, радио и оптическую. Они по очереди обсуждаются в следующих разделах.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

При проводной передаче электромагнитная волна, несущая информацию, направляется по проводнику к приемнику. Распространение волны всегда сопровождается протеканием электрического тока по проводнику. Поскольку все практические материалы проводников характеризуются некоторым электрическим сопротивлением, часть электрического тока всегда теряется из-за преобразования в тепло, которое излучается от провода.Эти рассеивающие потери приводят к ослаблению электромагнитного сигнала, и величина ослабления линейно увеличивается с увеличением расстояния между передатчиком и приемником.

Проволочные средства массовой информации

Наиболее современная проводная передача осуществляется через цепь с металлическими парами, в которой связанная пара проводников используется для обеспечения пути прямого тока и пути обратного тока. Наиболее распространенным проводником является жестко вытянутый медный провод, который обладает такими преимуществами, как низкое электрическое сопротивление, высокая прочность на разрыв и высокая устойчивость к коррозии.Основными типами проводных сред, используемых в телекоммуникациях, являются однопроводные линии, пары открытых проводов, многопарные кабели и коаксиальные кабели. Они описаны ниже.

чертежи в разрезе многопарных и коаксиальных кабелей

Средства передачи данных по проводам Вырезанные чертежи (вверху) многопарного кабеля и (внизу) коаксиального кабеля, показывающие направление тока и распространение электрических и магнитных полей.

Британская энциклопедия, Inc.

Однопроводная линия

На заре телеграфа единственный неизолированный железный провод, натянутый над землей, использовался в качестве линии передачи.Возврат проводился через заземление. Эта схема, известная как однопроводная линия, была вполне удовлетворительной для требований низкочастотной передачи сигналов ручного телеграфа (всего около 400 герц или циклов в секунду). Однако для передачи высокочастотных сигналов, таких как речь (приблизительно 3000 Гц или 3 килогерца), однопроводные линии страдают от высокого затухания, потерь излучения и чувствительности к внешним помехам. Одной из частых причин помех являются естественные электрические помехи, такие как молния или полярное сияние; другой - перекрестные помехи, нежелательная передача сигналов от одной цепи к другой из-за индуктивной связи между двумя или более близко расположенными проводными линиями.

Пара без обрыва

Чтобы преодолеть недостатки однопроводной передачи, в телефонной индустрии на ранних этапах развития перешла на двухпроводную систему, названную открытой парой. В паре с разомкнутыми проводами прямой и обратный проводники представляют собой медные провода, идущие параллельно и в общей плоскости. Параллельное расположение обеспечивает сбалансированную цепь передачи, которая имеет низкую чувствительность к удаленным источникам помех, таким как молния. Устойчивость к таким помехам возможна, потому что оба проводника в паре с разомкнутыми проводами, проложенные параллельно и в одной плоскости, находятся по существу на одинаковом расстоянии от источника помех.Таким образом, источник индуцирует равные токи в прямом и обратном путях, и эти токи эффективно компенсируются на приемном конце линии.

Устранить перекрестные помехи между соседними парами открытых проводов намного сложнее, чем устранить помехи от удаленного источника. Чтобы обеспечить равные прямые и обратные токи, все соседние пары должны быть сбалансированы относительно друг друга. В ранних телефонных линиях с низкой плотностью помех перекрестные помехи были уменьшены с помощью оригинального и сложного метода периодического перестановки относительных положений прямого и обратного проводов в каждой паре.Перестановка проводов выровняла относительное положение соседних цепей, а также токи, которые они наводили друг в друга.

В многопарном кабеле от полудюжины до нескольких тысяч витых пар объединены в общую оболочку. Витая пара была разработана в конце 19 века для уменьшения перекрестных помех в многопарных кабелях. В процессе, аналогичном тому, который используется с парами разомкнутых проводов (описанным выше), прямой и обратный проводники каждой цепи в многопарном кабеле скрепляются вместе, выравнивая относительные положения всех цепей в кабеле и, таким образом, выравнивая токи, индуцированные перекрестный разговор.

Для многих высокоскоростных приложений с высокой плотностью размещения, таких как компьютерные сети, каждая пара проводов покрыта металлической фольгой. Оболочка создает сбалансированную схему, называемую экранированной парой, которая выигрывает от значительного снижения потерь излучения и невосприимчивости к перекрестным помехам.

Заключая одиночный проводящий провод в диэлектрический изолятор и внешнюю проводящую оболочку, получается электрически экранированная передающая цепь, называемая коаксиальным кабелем. В коаксиальном кабеле электромагнитное поле распространяется внутри диэлектрического изолятора, в то время как связанный с ним ток ограничивается смежными поверхностями внутреннего и внешнего проводников.В результате коаксиальный кабель имеет очень низкие потери на излучение и низкую восприимчивость к внешним помехам.

Чтобы уменьшить вес и сделать кабель гибким, в качестве токопроводящей оболочки обычно используется луженая медная или алюминиевая фольга. В большинстве коаксиальных кабелей используется легкий изолятор из полиэтилена или древесной массы; хотя воздух был бы более эффективным диэлектриком, твердый материал служит механической опорой для внутреннего проводника.

Применение проволоки

Из-за высокого затухания сигнала, свойственного проводам, передача на расстояния более нескольких километров требует использования репитеров с регулярным интервалом для усиления, восстановления и ретрансляции сигнала.Линии передачи также требуют согласования импеданса в передатчике или приемнике, чтобы уменьшить отражения, создающие эхо. Согласование импеданса достигается в телефонных кабелях дальней связи путем присоединения катушки провода к каждому концу линии, электрический импеданс которой, измеренный в омах, равен характеристическому импедансу линии передачи. Знакомый пример согласования импеданса - трансформатор, используемый в старых телевизорах для согласования 75-омного коаксиального кабеля с антенными клеммами, предназначенными для двухжильного подключения на 300 Ом.

Коаксиальный кабель

подразделяется на гибкий или жесткий. Стандартный гибкий коаксиальный кабель изготавливается с характеристическим сопротивлением от 50 до 92 Ом. Высокое затухание гибкого кабеля ограничивает его применение на коротких расстояниях - например, пролетами менее одного километра или примерно полмили - если не используются ретрансляторы сигналов. Для передачи на большие расстояния с высокой пропускной способностью более эффективной проводной средой является жесткий коаксиальный кабель. Первый такой трансатлантический телефонный кабель (TAT-1) был проложен консорциумом, в который входила Американская телефонная и телеграфная компания (AT&T), начиная с 28 июня 1955 года из Кларенвилля, на острове Ньюфаундленд в Канаде, и достигнув Обана, Шотландия. 25 сентября 1956 г.Первоначальная пропускная способность TAT-1 составляла всего 36 двусторонних речевых каналов, но к тому времени, когда TAT-6 и TAT-7 были введены в эксплуатацию в 1976 и 1978 годах, соответственно, пропускная способность для этих новых кабелей увеличилась до 4000 каналов каждая. . Однако с прокладкой в ​​1987 году первого трансатлантического оптоволоконного кабеля (TAT-8), который мог нести около 40 000 цепей, коаксиальные кабели были постепенно выведены из эксплуатации, а TAT-6 и TAT-7 были выведены из эксплуатации в 1994 году.

Несмотря на то, что использование телефонных кабелей для дальней связи в основном было заменено более высокопроизводительным оптоволоконным кабелем, для приложений на короткие расстояния, где требуется средняя пропускная способность и недорогая двухточечная связь, витая пара и коаксиальный кабель остаются стандартом.Витая пара голосового качества используется для местных абонентских шлейфов в коммутируемой телефонной сети общего пользования, а гибкий коаксиальный кабель обычно используется для соединений кабельного телевидения от обочины дороги до дома. Гибкий коаксиальный кабель также использовался для межсоединений локальных сетей (LAN), но он был в значительной степени заменен более легкой и недорогой витой парой для передачи данных (категория 5 или Cat 5) и оптоволокном.

радиотехника | История, принципы, типы и факты

Основные физические принципы

Электромагнитное излучение включает свет, а также радиоволны, и оба имеют много общих свойств.Оба распространяются в пространстве примерно по прямым линиям со скоростью около 300 000 000 метров (186 000 миль) в секунду и имеют амплитуды, циклически меняющиеся со временем; то есть они колеблются от нулевой амплитуды до максимальной и обратно. Количество повторений цикла за одну секунду называется частотой (обозначается как f ) в циклах в секунду, а время, необходимое для завершения одного цикла, составляет 1/ f секунд, иногда называемое периодом. В память о немецком пионере Генрихе Герце, который провел некоторые из первых радиоэкспериментов, цикл в секунду теперь называется герцем, так что частота одного цикла в секунду записывается как один герц (сокращенно Гц).Более высокие частоты сокращены, как показано в таблице 3.

Частотные термины и их сокращения
срок циклов в секунду сокращение эквивалент
1 герц 1 1 Гц
1 килогерц 1,000 1 кГц 1000 Гц
1 мегагерц 1 000 000 (10 6 ) 1 МГц 1000 кГц
1 гигагерц 1 000 000 000 (10 9 ) 1 ГГц 1000 МГц

Радиоволна, распространяющаяся в пространстве, в любой данный момент будет иметь изменение амплитуды в направлении своего движения, аналогичное изменению во времени, во многом как волна, движущаяся по водному пространству.Расстояние от одного гребня волны до другого называется длиной волны.

Длина волны и частота взаимосвязаны. Разделив скорость электромагнитной волны ( c ) на длину волны (обозначенную греческой буквой лямбда, λ), получим частоту: f = c / λ. Таким образом, длина волны 10 метров имеет частоту 300000000 деленных на 10, или 30000000 герц (30 мегагерц). Длина волны света намного короче, чем у радиоволны. В центре светового спектра длина волны около 0.5 микрон (0,0000005 метра) или частота 6 × 10 14 герц или 600 000 гигагерц (один гигагерц равен 1 000 000 000 герц). Максимальная частота в радиочастотном спектре обычно составляет около 45 гигагерц, что соответствует длине волны около 6,7 миллиметра. Радиоволны могут генерироваться и использоваться на частотах ниже 10 килогерц (λ = 30 000 метров).

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Механизм распространения волн

Радиоволна состоит из электрического и магнитного полей, взаимно колеблющихся под прямым углом друг к другу в пространстве.Когда эти два поля работают синхронно во времени, говорят, что они находятся во временной фазе; т.е. оба достигают своих максимумов и минимумов вместе и оба проходят через нуль одновременно. По мере увеличения расстояния от источника энергии площадь, по которой распространяется электрическая и магнитная энергия, увеличивается, так что доступная энергия на единицу площади уменьшается. Интенсивность радиосигнала, как и сила света, уменьшается с увеличением расстояния от источника.

Передающая антенна - это устройство, которое направляет радиочастотную энергию, генерируемую передатчиком, в космос.Антенна может быть сконструирована так, чтобы концентрировать радиоволны в луче, как у прожектора, и таким образом увеличивать ее эффективность в заданном направлении ( см. Электроника ).

Радиочастотный спектр произвольно разделен на ряд полос от очень низких частот до сверхвысоких частот ( см. , Таблицу 4). Секции спектра были распределены между различными пользователями ( см. , Таблицу 5), такими как телеграф, телефонная речь, телеметрия, радио- и телевещание.

Обозначения частотных диапазонов
обозначение частоты частотный диапазон диапазон длин волн
* Также называется короткими волнами.
очень низкие частоты (VLF) 3–30 килогерц 100 000–10 000 м
низкие частоты (НЧ) 30–300 килогерц 10 000–1 000 м
средние частоты (СЧ) 300–3000 килогерц 1000–100 м
высокие частоты (HF) * 3–30 мегагерц 100–10 м
очень высокие частоты (VHF) 30–300 мегагерц 10–1 м
сверхвысокие частоты (УВЧ) 300–3000 мегагерц 1 м – 10 см
сверхвысокие частоты (СВЧ) 3–30 гигагерц 10–1 см

Ширина полосы радиочастот - это диапазон частот, покрываемый модулированным радиочастотным сигналом.Информация, переносимая сигналом, имеет определенную полосу пропускания, связанную с ней, и несущая должна иметь ширину канала, по крайней мере, равную ширине полосы пропускания информации. Для обычного радиовещания с амплитудной модуляцией (AM) ширина полосы радиочастот должна в два раза превышать ширину полосы частот информации. Для работы телетайпа и телекса требуется лишь небольшая полоса пропускания, порядка 200 герц, в зависимости от максимальной скорости импульсов, формирующих информационный код. Телефонная речь должна иметь высокую разборчивость, но естественность (высокая точность воспроизведения) не имеет большого значения.Тесты показали, что основные компоненты речи лежат в диапазоне от 300 до 3500 герц, и поэтому телефонные каналы, передаваемые по радио, обычно ограничиваются полосой пропускания около четырех килогерц. Чем меньше ширина полосы пропускания информации, тем больше речевых каналов может быть передано в данной полосе пропускания несущей и тем более экономичной будет система.

Молодые люди могут слышать звуковые частоты в диапазоне примерно от 30 герц до 18 килогерц, но по мере взросления их слух составляет примерно от 100 герц до 10 килогерц.Для качественного (высокоточного) воспроизведения голоса или речи диапазон должен быть не менее примерно от 30 герц (самая низкая частота для большой органной трубы) до 15 килогерц (пикколо, тарелка, треугольник). Приемлемое качество звука при определенных обстоятельствах может быть достигнуто с полосой пропускания всего пять килогерц, как в радио AM; Для передачи движущегося изображения требуется гораздо большая полоса пропускания, поскольку необходимо передать общее среднее содержание света в изображении, а также детали изображения.Среднее содержание света требует для передачи частот до 20 герц, а детализация изображения требует частот до пяти мегагерц для стандартного телевизионного изображения.

2 ПРЕДЕЛЫ ТЕХНОЛОГИИ, НЕДОСТАТКИ И СЛОЖНОСТИ | Эволюция отвязанных коммуникаций

Стр.104

, но эта технология создает проблемы взаимных помех, которые потребуются новые решения. Аналогично доступны AJ и LPD / I технологии необходимо будет дополнить достижениями в области безопасности которые подходят для глобальных, разнородных систем связи и несколько уровней безопасности.Появление широкополосных программируемых радиостанции для военного применения также будут зависеть от достижений в компоненты оборудования, такие как антенны, которые должны быть разработаны для мобильные устройства и фильтры, которые необходимо уменьшить в размерах и разработан для широкополосных приложений.

Эти вопросы более подробно рассматриваются в главе 3, в которой возможности для синергии между коммерческими и военными секторов в развитии передовой беспроводной связи системы.

Банкноты

1. Эти коэффициенты ошибок связаны с канальный уровень модели OSI и обычно принимаются как терпимо для этих приложений. На более высоких уровнях модели OSI использование протоколов исправления ошибок может улучшить показатели.

2. Эти определения применимы только к немодулированные формы волны. Модуляция изменяет фазу и частоту со временем (см. раздел 2.1.3), так что определения не более точный.

3.Существует множество моделей потерь на трассе. которые соответствуют различным механизмам распространения, включая бесплатные пространство, отражение, дифракция, рассеяние или некоторая комбинация эти (Rappaport, 1996).

4. Соотношение L = Pr / Pt = K / f 2 d n, где Pr - полученная мощность, Pt - мощность передатчика, f - центральная частота передаваемого сигнала, а K - константа, которая зависит от средние потери на трассе на опорном расстоянии d 0 от передатчика ( d 0 - дальнее поле антенны, обычно 1 м для помещений и 0.1–1 км для на открытом воздухе). Показатель n - это потери на трассе экспонента.

5. Этот анализ основан на предположение, что канал меняется достаточно медленно, чтобы учесть адаптации, и что замирание канала может быть точно оценено на приемнике, и эта информация возвращается в передатчик с минимальной задержкой.

6. Приемник RAKE выдает когерентную сумму. отдельных составляющих многолучевого распространения принятого сигнала.В компоненты могут быть взвешены на основе их силы сигнала, чтобы максимизировать SNR выхода RAKE. Сумма дает оценку передаваемого сигнала. Приемник RAKE - это, по сути, другая форма разнесения, потому что код расширения вызывает временное разнесение передаваемый сигнал такой, что независимые компоненты многолучевого распространения можно решить.

7. Если несколько систем используют одну и ту же пропускная способность без какой-либо координации доступа к каналу и не интероперабельна, то все еще необходима некоторая техника, чтобы эффективные операции.Правила этикета допускают несовместимые системы сосуществовать при использовании одной и той же полосы пропускания (тогда как совместимость требуется стандартизация - согласование всех форм сигналов и протоколы до создания и развертывания систем). Беспроводная связь Информационная сеть Forum, отраслевая группа, насчитывает

человек.

Что такое радиоволны? | Живая наука

Радиоволны - это тип электромагнитного излучения, наиболее известный благодаря использованию в коммуникационных технологиях, таких как телевидение, мобильные телефоны и радио.Эти устройства принимают радиоволны и преобразуют их в механические колебания динамика для создания звуковых волн.

Радиочастотный спектр - это относительно небольшая часть электромагнитного (ЭМ) спектра. Согласно данным Университета Рочестера, электромагнитный спектр обычно делится на семь областей в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты. Обычные обозначения - это радиоволны, микроволны, инфракрасный (ИК), видимый свет, ультрафиолет (УФ), рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Радиоволны имеют самые длинные волны в электромагнитном спектре, по данным НАСА, от 0,04 дюйма (1 миллиметр) до более 62 миль (100 километров). У них также самые низкие частоты, примерно от 3000 циклов в секунду, или 3 килогерца, до примерно 300 миллиардов герц, или 300 гигагерц.

Радиоспектр - ограниченный ресурс, и его часто сравнивают с сельскохозяйственными угодьями. По данным British Broadcasting Corp., так же, как фермеры должны организовать свою землю для получения наилучшего урожая с точки зрения количества и разнообразия, радиочастотный спектр должен быть распределен между пользователями наиболее эффективным образом.(BBC). В США Национальное управление по телекоммуникациям и информации Министерства торговли США управляет распределением частот в радиочастотном спектре.

Discovery

Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, разработавший единую теорию электромагнетизма в 1870-х годах, предсказал существование радиоволн, согласно данным Национальной библиотеки Шотландии. В 1886 году немецкий физик Генрих Герц применил теории Максвелла к производству и приему радиоволн.Герц использовал простые самодельные инструменты, в том числе индукционную катушку и лейденскую банку (ранний тип конденсатора, состоящий из стеклянной банки со слоями фольги внутри и снаружи) для создания электромагнитных волн. Герц стал первым человеком, который передавал и принимал контролируемые радиоволны. Единица частоты электромагнитной волны - один цикл в секунду - в его честь, согласно Американской ассоциации развития науки, называется герц.

Диапазоны радиоволн

Национальное управление по телекоммуникациям и информации обычно делит радиочастотный спектр на девять диапазонов:

.tg {border-collapse: collapse; border-spacing: 0; border-color: #ccc;} .tg td {font-family: Arial, sans-serif; font-size: 14px; padding: 10px 5px; border-style : solid; border-width: 0px; overflow: hidden; word-break: normal; border-color: #ccc; color: # 333; background-color: #fff;} .tg th {font-family: Arial, sans -serif; font-size: 14px; font-weight: normal; padding: 10px 5px; border-style: solid; border-width: 0px; overflow: hidden; word-break: normal; border-color: #ccc; цвет : # 333; background-color: # f0f0f0;} .tg .tg-mcqj {font-weight: bold; border-color: # 000000; text-align: left; vertical-align: top}.tg .tg-73oq {цвет границы: # 000000; выравнивание текста: слева; выравнивание по вертикали: сверху}

Диапазон Диапазон частот Диапазон длин волн
Чрезвычайно низкая частота (ELF) <3 кГц > 100 км
Очень низкая частота (V303) кГц от 10 до 100 км
Низкая частота (LF) от 30 до 300 кГц от 1 м до 10 км
Средняя частота (MF) от 300 кГц до 3 МГц от 100 м до 1 км
Высокая частота (HF) 3–30 МГц 10–100 м
Очень высокая частота (VHF) 30–300 МГц 1–10 м
Ultra Высокая частота (УВЧ) От 300 МГц до 3 ГГц От 10 см до 1 м
Сверхвысокая частота (СВЧ) От 3 до 30 ГГц От 1 до 1 см
Сверхвысокая частота (КВЧ ) 30 к 300 ГГц от 1 мм до 1 см

Низкие и средние частоты

Радиоволны КНЧ, самые низкие из всех радиочастот, имеют большой диапазон и полезны при проникновении через воду и скалы для связи с подводными лодками, а также внутри шахт и пещер.По данным Stanford VLF Group, самый мощный естественный источник волн СНЧ / ОНЧ - это молния. Согласно Phys.org, волны, создаваемые ударами молний, ​​могут отражаться от Земли к ионосфере (слой атмосферы с высокой концентрацией ионов и свободных электронов) вперед и назад. Эти молнии могут искажать важные радиосигналы, идущие к спутникам.

LF и MF радиодиапазоны включают морское и авиационное радио, а также коммерческое радио AM (амплитудная модуляция), согласно RF Page.Согласно данным How Stuff Works, диапазоны радиочастот AM находятся в диапазоне от 535 килогерц до 1,7 мегагерц. AM-радио имеет большой радиус действия, особенно ночью, когда ионосфера лучше преломляет волны обратно на Землю, но она подвержена помехам, влияющим на качество звука. Когда сигнал частично блокируется, например, зданием с металлическими стенами, например небоскребом, громкость звука соответственно уменьшается.

Более высокие частоты

диапазоны HF, VHF и UHF включают FM-радио, звуковое вещание телевидения, общественное радио, мобильные телефоны и GPS (глобальная система определения местоположения).Эти полосы обычно используют «частотную модуляцию» (FM) для кодирования или передачи аудиосигнала или сигнала данных на несущую волну. При частотной модуляции амплитуда (максимальная степень) сигнала остается постоянной, в то время как частота изменяется выше или ниже со скоростью и величиной, соответствующими звуковому сигналу или сигналу данных.

FM дает лучшее качество сигнала, чем AM, поскольку факторы окружающей среды не влияют на частоту так, как они влияют на амплитуду, и приемник игнорирует изменения амплитуды, пока сигнал остается выше минимального порога.Согласно данным How Stuff Works, частоты FM-радио находятся в диапазоне от 88 до 108 мегагерц.

Коротковолновое радио

Коротковолновое радио использует частоты в диапазоне HF, примерно от 1,7 мегагерц до 30 мегагерц, по данным Национальной ассоциации коротковолновых вещателей (NASB). В этом диапазоне коротковолновый спектр разделен на несколько сегментов, некоторые из которых предназначены для обычных вещательных станций, таких как «Голос Америки», British Broadcasting Corp.и Голос России. По данным NASB, по всему миру существуют сотни коротковолновых станций. Коротковолновые станции можно услышать на расстоянии тысяч миль, потому что сигналы отражаются от ионосферы и отражаются на сотни или тысячи миль от точки своего происхождения.

Самые высокие частоты

SHF и EHF представляют самые высокие частоты в радиодиапазоне и иногда считаются частью микроволнового диапазона. Молекулы в воздухе имеют тенденцию поглощать эти частоты, что ограничивает их диапазон и область применения.Однако их короткие длины волн позволяют направлять сигналы узкими лучами параболическими параболическими антеннами (спутниковыми параболическими антеннами). Это позволяет осуществлять связь с высокой пропускной способностью на короткие расстояния между фиксированными точками.

SHF, на который воздух влияет меньше, чем на EHF, используется для приложений малого радиуса действия, таких как Wi-Fi, Bluetooth и беспроводной USB (универсальная последовательная шина). Согласно RF Page, СВЧ может работать только в зоне прямой видимости, поскольку волны имеют тенденцию отражаться от таких объектов, как автомобили, лодки и самолеты.А поскольку волны отражаются от объектов, СВЧ также можно использовать для радаров.

Астрономические источники

Космическое пространство изобилует источниками радиоволн: планетами, звездами, газовыми и пылевыми облаками, галактиками, пульсарами и даже черными дырами. Изучая их, астрономы могут узнать о движении и химическом составе этих космических источников, а также о процессах, вызывающих эти выбросы.

Радиотелескоп «видит» небо совсем иначе, чем оно выглядит в видимом свете.Вместо того, чтобы видеть точечные звезды, радиотелескоп улавливает далекие пульсары, области звездообразования и остатки сверхновых. Радиотелескопы также могут обнаруживать квазары, что является сокращением от квазизвездного радиоисточника. Квазар - это невероятно яркое галактическое ядро, питаемое сверхмассивной черной дырой. Квазары излучают энергию в широком спектре электромагнитных волн, но название происходит от того факта, что первые идентифицированные квазары излучают в основном радиоэнергию. Квазары очень энергичны; некоторые излучают в 1000 раз больше энергии, чем весь Млечный Путь.

По данным Венского университета, радиоастрономы часто объединяют несколько меньших телескопов или приемных тарелок в массив, чтобы получить более четкое радиоизображение или более высокое разрешение. Например, радиотелескоп с очень большой решеткой (VLA) в Нью-Мексико состоит из 27 антенн, расположенных в виде огромной Y-образной диаграммы, имеющей 22 мили (36 километров) в поперечнике.

Дополнительные ресурсы:

Эта статья была обновлена ​​27 февраля 2019 г. участником Live Science Трейси Педерсен.

Модель распространения сигнала

, характеристики связи и экспериментальные вопросы

Связь с человеческим телом (HBC), при которой ткань человеческого тела используется в качестве среды передачи для передачи информации о здоровье, служит многообещающим решением физического уровня для локальной сети тела (BAN) . Ориентированность на человека HBC предлагает инновационный метод передачи медицинских данных, передача которых требует низкого уровня помех и надежного канала передачи данных. Следовательно, требуется развертывание системы HBC для получения хороших коммуникационных характеристик.В связи с этим проводится учебный обзор по важным вопросам, связанным с передачей данных HBC, таким как модель распространения сигнала, характеристики канала, характеристики связи и экспериментальные соображения. В этой работе в первую очередь рассматривается развитие HBC и его первые попытки. Затем вводится обзор моделей распространения сигнала. На основе этих моделей обобщены характеристики каналов; также исследуются характеристики связи и выбор параметров передачи.Кроме того, обсуждаются экспериментальные вопросы, такие как электроды и стратегии заземления. Наконец, представлены рекомендуемые будущие исследования.

1. Введение

Распространенность хронических заболеваний (например, сердечных заболеваний, диабетиков и инсультов) и ускорение старения населения стали проблемой общественного здравоохранения и проблемами системы здравоохранения. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), миллионы людей страдают хроническими заболеваниями и умирают, например, в 2012 году сердечно-сосудистые заболевания привели к 17.5 миллионов смертей и диабет стали причиной 1,5 миллиона смертей [1]. Более того, абсолютное число людей в возрасте 60 лет и старше увеличится с 900 миллионов до 2 миллиардов с 2015 по 2050 год [2], а старение населения способствует распространению хронических заболеваний, поскольку пожилые люди более склонны к хроническим заболеваниям [2]. 3]. Для эффективного контроля хронических заболеваний и улучшения качества жизни пациентов необходим постоянный мониторинг здоровья [4]. Для людей из группы высокого риска постоянный мониторинг физиологических данных помогает своевременно обнаруживать и предотвращать заболевания [5].Например, у пациентов с болезнью Паркинсона необходимо постоянно контролировать деятельность мозга и мышц, а у пациентов с диабетом - контролировать уровень глюкозы в крови. Перспективным решением для обеспечения непрерывного мониторинга физиологических данных является развертывание сети области тела (BAN) [6, 7], в которой сенсоры и приводы крошечных размеров используются для мониторинга физиологических данных и обеспечения терапевтических функций (т. Е. дозировка инсулина, контроль частоты кардиостимулятора и т. д. 90 511.) [6, 8, 9].

Структура BAN показана на рисунке 1. Узлы датчиков, включая как внутренние, так и внутренние узлы (имплантируемые устройства), обычно выполняют функцию мониторинга (пульсоксиметр измеряет SpO2; датчик артериального давления измеряет артериальное давление). Физиологические данные из этих узлов в течение определенного периода времени доставляются конфиденциально и надежно в релейный узел или агрегатор, установленный на теле, например смарт-часы или смарт-браслет [10, 11], которые являются новыми устройствами в биомедицинской отрасли. благодаря удобству управления и постоянному износу.Затем данные пересылаются в концентратор и центральную точку управления, откуда данные доступны больнице, профессиональному персоналу и центру неотложной помощи или для личного использования.


Ориентация на человека является основной характеристикой BAN, связь между датчиками, разбросанными на / в теле человека и агрегатором, должна осуществляться с помощью проводного соединения или методов беспроводной связи на короткие расстояния. Очевидно, что проводное соединение - не лучший выбор, так как провод может оборваться и неудобен для передвижения пациентов.Предпочтительными кандидатами являются беспроводные технологии ближнего радиуса действия (RF), такие как Zigbee, Bluetooth и сверхширокополосный (UWB). Однако эти подходы имеют существенные недостатки, поскольку они не предназначены для передачи данных мониторинга здоровья человека. Например, радиочастотные методы подвержены электромагнитным помехам и страдают от большой утечки сигнала и легкости подслушивания. Кроме того, человеческое тело в основном (на 65%) состоит из воды, которая является материалом, блокирующим радиочастотные сигналы [12].Таким образом, радиочастотные беспроводные сигналы, передаваемые вокруг или внутри человеческого тела, будут испытывать эффект затенения тела, что приведет к значительному ослаблению сигнала [13, 14]. Более того, радиочастотные методы излучают сигнал через антенну, что требует миниатюризации. Другой потенциальный кандидат - это метод индуктивной беспроводной связи. Однако его эффективность связи (0,4% при расстоянии 3 см [15]) низка, а размер катушки (типичные размеры 25 мм × 10 мм для прямоугольной катушки, диаметр 20 мм для круглой катушки) [16] велик.Катушка также является проблемой для миниатюризации. Очевидно, что для медицинского BAN требуются новые коммуникационные технологии, предназначенные для передачи данных мониторинга здравоохранения, ориентированного на человека.

Связь с человеческим телом (HBC, также называемая внутрителевой связью) - это новый метод передачи, использующий человеческое тело в качестве среды передачи электрических сигналов [17]. HBC стал одним из трех физических уровней (еще два - узкополосный и UWB) для BAN, предложенных IEEE 802.15.6 целевая группа 6 [18]. HBC может быть реализован двумя способами: методом емкостной связи и методом гальванической связи. Он имеет следующие желательные характеристики.

(a) Малая утечка сигнала - высокая степень защиты . Сигнал ограничен поверхностью тела и с небольшой энергией излучается в окружающую среду (избегайте того, чтобы тело действовало как антенна для излучения энергии) [19, 20]. Таким образом, гарантируется безопасность информации во избежание подслушивания, а также может быть минимизировано вмешательство между разными людьми.

(b) Низкое затухание сигнала - низкая мощность передачи . По сравнению с воздушным каналом, канал человеческого тела имеет более высокое усиление [21], что может снизить мощность передачи. И, таким образом, это может потенциально снизить энергопотребление системы и способствовать миниатюризации.

(c) Низкая несущая частота . HBC работает на низкой частоте (особенно для HBC с гальванической связью), что потенциально может упростить конструкцию, минимизировать энергопотребление (в системе HBC обнаруженная цепь, фильтр и усилитель мощности имеют компонент схемы CMOS, в которой динамическая мощность пропорциональна несущей частоте.Также потребляемая мощность процессора и синтезатора частот пропорциональна рабочей частоте) [22, 23], и уменьшает размер устройств за счет низких требований к усилителям, конденсаторам и катушкам индуктивности. Между тем, более низкая несущая частота требует приемника с низкой промежуточной частотой, который потенциально может обеспечить приемники без кристалла из-за его лучшей устойчивости к девиации частоты [24]. Бескристаллический приемопередатчик может еще больше уменьшить размер и потребляемую мощность, поскольку кварцевый генератор громоздкий, энергоемкий и хрупкий.Кроме того, HBC не требует антенны, что может минимизировать размер чипа.

Сравнение HBC и других беспроводных технологий показано в таблице 1. Чтобы служить подходящим методом связи для BAN, HBC пытается стать потенциальным кандидатом из-за низкого уровня помех и высокой безопасности (перехват сигнала требует касания тела) , подходящий диапазон передачи и потенциально более высокая степень миниатюризации.

Inf. Зеби [93] 90W 0,5 ~ 3 см низкий низкий

Метод Частота
(ГГц)
Скорость передачи данных
(Мбит / с)
Мощность
(дБм)
Расстояние
2.4, 0,865 0,25 −3 ~ 10 10 м высокая
Bluetooth [94] 2,4 0,72124 <20 10 м 310 0,8520 −41 10 м высокий
ICL 0,001 ~ 0,4 [15] 0,0001–4 [95] -
Cap-HBC 0.01 ~ 0,1 0,002 ~ 10 −155 5 см ~ 2 м низкий
Gal-HBC 0,0001 ~ 0,01 0,0009 ~ 2 −30 ~ −4 ~ 40 см низкий

Инф: натяг; ICL: звено индуктивной связи; Cap-HBC: емкостная связь HBC; Gal-HBC: гальваническая муфта HBC.

При использовании HBC для передачи данных между носимыми или имплантируемыми медицинскими устройствами мониторинга передача с низким энергопотреблением важна не только для предотвращения утечки информации или помех для других BAN, но и для экономии энергии (уменьшение мощности передачи может снизить энергопотребление усилителя мощности, на который приходится значительная часть энергопотребления системы HBC).Это особенно верно для имплантируемых устройств, поскольку утечка важной информации (например, скорости стимуляции и настройки порога стимуляции кардиостимулятора) в непредусмотренный приемник приведет к опасным для жизни событиям. Кроме того, важна низкая мощность передачи, поскольку она также может продлить срок службы батареи [25], что требует дорогостоящей и инвазивной хирургической операции для замены.

Для достижения низкой мощности передачи необходимо минимизировать мощность передачи и оптимизировать характеристики связи.Конечно, при этом должна сохраняться надежная передача данных. Затем следует соответствующим образом выбрать параметры передачи, коррелированные с мощностью передачи, такие как скорость передачи данных, метод модуляции, полоса пропускания и полоса частот. Это побуждает нас суммировать характеристики канала и выяснить правило производительности связи (т.е. коэффициент битовых ошибок BER) для различных схем модуляции. Конечно, экспериментальные вопросы по получению характеристики канала также имеют значение.Следовательно, проведение опроса по вышеуказанным вопросам имеет важное значение для развертывания HBC. Далее рассматривается история и развитие HBC. Затем модель распространения сигнала резюмируется в разделе 3; на основе моделей характеристики каналов и коммуникационные характеристики представлены в Разделе 4. Экспериментальные вопросы обсуждаются в Разделе 5. Наконец, выводы и будущие исследования рассматриваются в Разделе 6.

2. Развитие коммуникации человеческого тела
2.1. История электрических свойств и тканей человека

В истории человечества интересы к тканям тела были неизбежны. Многие исследователи посвятили свои усилия и мысли исследованию мышц, их электрических свойств и биомеханики. Как правило, существует две формы биоэлектрической оценки мышц: одна заключается в исследовании электрического сигнала, исходящего от мышцы, а другая - в свойствах мышцы путем подачи электрических сигналов.

Взаимосвязь между электричеством и сокращением мышц впервые наблюдал итальянский врач Луиджи Гальваник в середине 1780-х годов.Луиджи Гальваник провел эксперимент по соединению нервов недавно мертвого тумана с длинным металлическим проводом и направил его в небо во время грозы, лапы лягушки дергались и подпрыгивали, как будто они были живыми, от вспышки света, на что Гальваник указал, что недавно мертвая мышечная ткань может реагировать на внешние электрические раздражители. С тех пор все больше и больше исследователей изучали реакцию тканей человека на электрический ток, сопротивление ткани и диэлектрические свойства. Например, нерв, мышца и железа можно стимулировать для создания анестезии [26] миллиамперными электрическими токами.Первые обширные обзоры литературы по диэлектрическим свойствам были предоставлены Геддесом и Бейкером [27], которые суммировали первые сообщения об удельном сопротивлении тканей. Позже об интенсивных исследованиях диэлектрических свойств тканей сообщили Gabriel et al. [28]. А дальнейшие эксперименты проводились Габриэлем и соавт. изучить диэлектрические свойства тканей человека и животных в диапазоне частот от 10 Гц до 20 ГГц [29]. На основе этих измерений была разработана параметрическая модель с четырьмя дисперсиями типа Коула-Коула для описания диэлектрических свойств ткани как функции частоты [30].Эти электрические свойства использовались исследователями для облегчения недавних исследований и применений. Например, электроимпедансная томография (EIT) была разработана для визуализации внутренних органов и структуры тела для медицинской диагностики; Электростимуляция была принята для лечения и протезирования. До 1995 года предлагалось использовать человеческое тело как средство передачи данных. Этот тип телеметрии, называемый емкостной связью HBC [17], был разработан для передачи данных на человеческое тело или вокруг него.

Первые исследования HBC были сосредоточены на возможности внедрения HBC. После этого появились модели распространения сигнала для исследования механизма распространения сигнала и характеристик канала. Позже были разработаны эксперименты и прототипы для исследования их коммуникативных характеристик. Как правило, HBC может быть реализован двумя способами: методом емкостной связи и методом гальванической связи. Ниже будут представлены подробности.

2.2. Способы сочетания HBC и их первые попытки
2.2.1. Емкостная связь HBC

В 1995 году Циммерман [17] провел исследование по измерению положения виолончельного смычка Йо-Йо Ма. Было обнаружено, что нахождение руки в электрическом поле значительно ослабляет принимаемый сигнал. Основываясь на этих фактах и ​​принципах, он предложил концепцию персональной сети (PAN), беспроводной системы, которая позволяет электронным устройствам на теле человека и рядом с ним обмениваться цифровой информацией через HBC, для которой не требуется сложная антенна для излучения сигнала. в воздух; вместо этого электроды используются для передачи электрического сигнала человеческому телу, которое затем служит средой для передачи сигнала.Циммерман также разработал прототип как первую попытку реализовать технологию HBC. Этот прототип подтверждает возможность использования HBC для передачи данных.

Емкостная связь HBC, также называемая связью в ближнем поле [31], и электростатическая связь [17, 32] описаны на рисунке 2. Сигнальные электроды в передатчике и приемнике прикреплены к коже человека, а заземляющие электроды парят в воздухе. Сильное электрическое поле Et вводится в тело человека через сигнальный электрод передатчика [31].Проводимость человеческого тела не только связывает электрическое поле с окружающей средой (например, Ee ), но также служит проводящей пластиной, которая индуцирует электрические поля (например, Ea , Ec и Ed ) с другими проводящими пластинами. (заземляющие электроды) [33, 34]. Обратный путь передаваемого сигнала формируется электрическими полями Ea , Ec , Ee-Eb , Er-Ef-Eb и Ed-Ef-Eb . Другими словами, электрические поля в окружающей среде или через внешнее заземление служат обратным путем [35].В приемнике принятый сигнал как разность электрических потенциалов между Er , Ef и Ed может быть обнаружен, поскольку Er намного больше, чем Ef и Ed (проводимость человеческого тела равна намного выше, чем у воздуха) [34]. С другой стороны, разность электрических потенциалов мала из-за ускользнувших электрических полей Ee , Ea и Ec . Кроме того, обнаруженный сигнал нестабилен и сильно зависит от окружающей среды, учитывая, что электрические поля Ef и Ee изменяются вместе с изменениями окружающей среды [17] (например.g., появление металлической мебели, проводов, воды и оргтехники изменит обратную емкость [36]).


Во избежание воздействия излучаемого сигнала антенной человеческого тела (длина диполя около 1 м) рабочая частота должна быть ниже 150 МГц [31]. И большая часть электрического поля будет концентрироваться вокруг кончика передатчика на руке [19]. Емкостная связь HBC подходит для тех приложений, где требуются более высокие рабочие частоты (примерно десятки МГц) и большие расстояния передачи сигнала от тела (обычно по всему телу).Тем не менее, емкостная связь HBC уязвима для внешних помех и других непредсказуемых эффектов, таких как движения субъектов [37].

2.2.2. Гальваническая связь HBC

Впервые о гальванической связи HBC сообщили в 1997 году японские исследователи Handa et al. [38]. Сигнал ЭКГ от грудной клетки модулировался в электрический ток в микроамперах, подводился к человеческому телу с помощью электродов и регистрировался парой принимающих электродов на запястье. Передающий и приемный электроды находились в прямом контакте с телом, что приводило к передаче сигнала гальванической связи.Эта система работала с малым энергопотреблением, всего 8 мк Вт. Результаты показывают, что передача данных с низкой мощностью передачи возможна при использовании гальванической связи HBC.

В 1998 году Lindsey et al. [39] протестировали гальваническую связь HBC между имплантируемым устройством и внешней системой сбора данных. В системе два платиновых электрода (каждый диаметром 0,38 мм, разделенные на 2,5 мм) использовались для ввода синусоидальных токов с частотой 2–160 кГц и амплитудой 1–3 мА в ногу трупа человека.Электроды ЭМГ на поверхности ноги были развернуты для обнаружения разницы напряжений. Канал человеческого тела давал затухание в пределах 37–47 дБ. Этот прототип демонстрирует возможность использования гальванической связи HBC для передачи данных между имплантируемым устройством и датчиками, установленными на поверхности тела.

Гальваническая связь HBC, также называемая волноводной HBC [40], использует ионные жидкости в теле и свойства объемной проводимости тканей [39] для передачи электрического сигнала. Упрощенная модель изображена на рисунке 3.Сильный ионный ток генерируется в ткани рядом с передатчиком. По мере удаления от передатчика ток будет уменьшаться из-за импеданса тканей человека. Небольшой ток индуцирует электрический потенциал, который может быть обнаружен на приемнике дифференциальным усилителем с высоким коэффициентом усиления. Существующие эксперименты или прототипы обычно проводятся на конечностях человека. Поскольку принцип распространения сигнала основан на ионном токе, рабочая частота должна быть низкой (т.е., <1 МГц [41]). А на такой низкой частоте излучение или утечка сигнала в пространство могут быть незначительны [20].


По сравнению с емкостной связью HBC, гальваническая связь HBC работает на более низкой частоте и меньше зависит от окружающей среды, что делает передачу сигнала более стабильной и надежной. Следовательно, гальваническая связь HBC больше подходит для передачи жизненно важных физиологических сигналов, особенно для связи с имплантируемыми устройствами. Конечно, это идет вразрез со скоростью передачи данных.К счастью, требования к скорости передачи данных для передачи жизненно важного физиологического сигнала относительно низки, например 75 кбит / с для ЭКГ, 1,6 кбит / с для SpO2 и <100 кбит / с как для кардиостимулятора, так и для имплантируемых сенсоров глюкозы [42]. Следовательно, гальваническая связь HBC также является многообещающим кандидатом для передачи жизненно важных физиологических данных между носимыми и имплантируемыми устройствами.

3. Электрические свойства тканей человека и модели распространения сигнала HBC

После новаторской работы по успешному внедрению HBC исследовательские группы провели значительные исследования для изучения усиления каналов на разных расстояниях и в разных частях тела, таких как рука, грудная клетка. , нога и спина [43, 44].Наряду с экспериментальными исследованиями, теоретические исследования механизма передачи стали основной темой исследований. Модель распространения сигнала включает численную модель и аналитическую модель. Численный метод позволяет добиться более точных расчетов для реалистичной структуры и геометрической формы человеческого тела, но при этом жертвуются время и стоимость вычислений. Численная модель для HBC включает в себя имитационную модель конечных разностей во временной области (FDTD) (например, [19]) и метод моделирования методом конечных элементов (FEM) (e.г., [20, 35, 41]) модель. С другой стороны, аналитическая модель экономит время вычислений, но ограничивается простыми структурами, такими как круг и цилиндр. Аналитическая модель в основном включает модель упрощенной схемы [31, 41, 44, 45], модель асимметричной распределенной схемы [37, 46] и модель квазистатического поля [47].

3.1. Электрические свойства тканей

Модели распространения сигнала в HBC обычно основаны на электрических свойствах тканей человека. Механизм частотной дисперсии тканей человека был впервые введен Шваном [48].Три основные области дисперсии, обозначенные, и области на соответствующих частотах диапазона низких частот, диапазона RF и диапазона частот гигагерца, являются ответом на поведение ткани. Как показано на рисунке 4, три области дисперсии выглядят следующим образом.


Дисперсия (низкая кГц) . Это малоизвестно и связано с поляризацией атмосферы противоиона вблизи заряженных поверхностей в ткани или поляризацией больших мембраносвязанных структур в ткани.Или это связано с процессом ионной диффузии на участке клеточной мембраны. Это проявляется в диэлектрической проницаемости и почти не заметно в проводимости.

Дисперсия (0,1–10 МГц) . Эффекты релаксации вызываются белками, менее протяженными аминокислотными остатками и биоимпедансом (емкость мембраны и сопротивление жидкости) органелл внутри клетки, ядер клеток и митохондрий. Поскольку клеточные мембраны имеют незначительный импеданс, зарядка клеточных мембран через внутриклеточные и внеклеточные становится легче.Ток проходит через внеклеточную и внутриклеточную среду; следовательно, проводимость становится выше.

Дисперсия (выше 1 ГГц) . Область высокой проводимости в основном обусловлена ​​разнообразием тканей (аминокислот, нуклеиновых кислот) и белковыми растворами.

На основании множества опубликованных экспериментальных данных тканей, уравнение Коула-Коула используется для прогнозирования изменения диэлектрических свойств ткани по частоте: где - постоянная времени релаксации механизма поляризации в областях релаксации и - диэлектрическая проницаемость. на частотах и ​​соответственно.Уравнение (1) включает в себя частотно-независимую часть из-за ионной проводимости и частотно-зависимую часть, связанную с диэлектрической релаксацией. Однако область дисперсии может быть расширена многими механизмами из-за сложности как структуры, так и состава биологического материала. Таким образом, спектр ткани можно более точно описать множественной дисперсией Коула-Коула: где - статическая ионная проводимость. Комплексная проводимость и импеданс ткани рассчитываются по

. На основании (2) и (3) электрические свойства ткани могут быть смоделированы эквивалентной схемой с обычными резисторами и конденсаторами, как показано на рисунке 5.


3.2. Модели распространения сигнала HBC
3.2.1. Модель цепи

Вегмюллер [41] разработал простую модель четырехполюсной схемы с шестью импедансами тканей тела и четырьмя импедансами электрод-кожа для низкочастотной (<1 МГц) гальванической связи HBC. Упрощенная модель схемы показана на рисунке 6. Эта модель учитывает импеданс конечности человека, такой как импеданс продольного () и поперечного () каналов, а также импеданс электрод-кожа (), входное () и выходное сопротивление ( ).Передаточная функция канала может быть описана следующим образом:


Помимо упрощенной модели схемы, Вегмюллер [41] описал полное сопротивление тела эквивалентной параллельной цепью сопротивления и емкости в соответствии с эталонной моделью Коула-Коула. Затем была разработана более сложная многослойная модель ткани (кожа, мышцы и кости). Каждая слоистая ткань состояла из поперечного и продольного импедансов с цепями Коула-Коула, соединенными в сетку. Сообщалось, что меньшая часть тока будет проходить через слой кожи между электродами, тогда как большая часть будет проводиться более глубокой мышечной тканью.

Цепная модель оболочки как для емкостной связи, так и для гальванической связи HBC была разработана Amparo Callejón et al. [37, 46]. В модели эквивалентную схему кожи можно рассматривать как линию передачи с потерями без индуктивного элемента. А для метода емкостной связи параметр модели (постоянная распространения и характеристический импеданс) также зависит от емкостного эффекта от внешнего обратного пути заземления [37]. Сообщалось, что затухание увеличилось до 200 кГц и оставалось приблизительно постоянным для более высоких частот в HBC с гальванической связью.Для емкостного HBC профиль полосы пропускания наблюдался в пределах 1 ~ 100 МГц. Модель схемы для этих двух методов связи также рассматривалась в [44], и было обнаружено, что двухэлектродная схема обеспечивает более высокий коэффициент усиления, чем четырехэлектродная схема.

Недавно Kibret et al. [45] разработали модель эквивалентной схемы с предметными антропометрическими измерениями. Было обнаружено, что усиление медленно возрастает при увеличении частоты с 200 кГц до 10 МГц, а фаза падает с 50 ° до 10 ° при увеличении частоты.

3.2.2. Метод конечных разностей во временной области (FDTD)

Fujii et al. использовали метод FDTD для расчета распределения электрического поля в теле человека [19, 49, 50]. Было обнаружено, что большая часть электрического поля сосредоточена вокруг кончика руки, и твердого фантома, эквивалентного биологической ткани, было достаточно, чтобы имитировать человеческое тело [19]. Аналогичные результаты были получены в [51], что доминирующий сигнал находился на поверхности руки.

3.2.3. Метод конечных элементов (МКЭ) Метод

Xu et al.[35] предложили модель FEM для емкостной связи HBC. Человеческое тело рассматривалось как цепь сосредоточенных резисторов, соединенных параллельно с сосредоточенными конденсаторами. Коэффициент усиления канала соответствовал профилю высоких частот, а емкость обратного тракта зависела от заземления приемопередатчика, а также от внешнего заземления. Недавно Callejon et al. [20] исследовали распределение электрического поля и плотность тока с помощью МКЭ. Обнаружено, что электрическое поле в основном ограничено внешним слоем плеча, и излучением можно пренебречь.Большая часть электрического тока в гальванической связи HBC проходит через мышцы.

3.2.4. Аналитическая электромагнитная модель

Аналитическая электромагнитная модель разработана путем решения уравнений Максвелла и конкретных граничных условий. Теоретическая модель, в которой электрическое поле, как предполагалось, состоит из ближнего поля, индуктивного поля и дальнего поля, была предложена Bae et al. [52] для емкостной связи HBC. Моделирование квазистатического поля гальванической связи HBC было разработано Pun et al.[47, 53]. Усиление канала соответствует характеристике верхних частот в суб-МГц, а излучение сигнала в космос незначительно.

Сводка моделей распространения сигнала и их основные результаты представлены в таблице 2. Из таблицы модели распространения сигнала основаны на статическом поведении тела. В то время как для динамического поведения тела модель распространения сигнала еще не разработана.

Модель цепи

Модель Метод соединения Модель механизма Основные результаты

Эквивалентная модель цепи и др., Hachisuka и др.[44] Cap-HBC и Gal-HBC Модель четырехконтактной схемы с шестью импедансами Более высокий коэффициент усиления Cap-HBC

Модель многослойной ткани, Wegmueller [41] -HBC Эквивалентные цепи Коул-Коула Мышцы проводят основной ток

Модель распределенной цепи, Amparo Callejón et al. [37] Cap-HBC и Gal-HBC Линия передачи с потерями Cap-HBC: усиление полосы пропускания в диапазоне 1–100 МГц
Gal-HBC: максимальное усиление в диапазоне 20–50 кГц

, Кибрет и др.[45] Gal-HBC Упрощенные схемы слоистых тканей Профиль высоких частот в усилении 0,2–10 МГц

Модель распределенного RC, Cho et al. [31] Cap-HBC Каскадные блоки RC-цепи Профиль высоких частот в усилении в диапазоне 0,1–100 МГц

Модель FEM, Xu et al. [35] Cap-HBC Корпус с моделью схемы Усиление верхних частот в диапазоне 10–100 МГц, корпус может уменьшить емкость обратного канала

Модель FEM, Callejon et al.[20] Gal-HBC Гармоническое уравнение неразрывности заряда, закон Гаусса Электрическое поле в основном во внешнем слое руки, электрический ток в основном в мышечном слое, затухание на 20 дБ с дополнительной длиной канала 5 см

Модель FDTD, Fujii et al. [19] Cap-HBC FDTD TX GND электрод усиливает сигнал, электрическое поле ограничено на конце рычага

Модель квазистатического поля, Pun et al.[47] Gal-HBC Квазистатическое поле,
Уравнение Максвелла
Коэффициент усиления верхних частот в суб-МГц

Модель электромагнитного поля, Bae et al. [52] Cap-HBC Временная гармоника электромагнитного поля
Уравнение Максвелла
Область ближнего поля: затухание сигнала зависит от, область дальнего поля: затухание сигнала удовлетворяет

4.Характеристики канала и коммуникационные характеристики систем HBC

Помимо модели распространения сигнала, одной важной проблемой, связанной с передачей данных, является характеристика канала, которая обычно помогает нам выбрать подходящие параметры передачи, такие как полоса частот и методы модуляции. Ниже обсуждаются характеристики канала.

4.1. Характеристики канала и параметры передачи

Исходя из основных результатов модели распространения сигнала, обычно анализируется усиление канала.Усиление канала обычно ведет себя как полосовой [37] или высокочастотный [31, 45]. Кроме того, важны характеристики каналов в статическом поведении тела, что в динамическом поведении тела. Это связано с тем, что система HBC позволяет врачам или терапевтам получать доступ к физиологическим данным, не прерывая повседневную жизнь пациентов, в которой человеческое тело движется и передает различные жесты (например, хватание чашки, чтобы выпить), что, как ожидается, влияют на передачу данных. В результате экспериментального исследования было обнаружено, что поведение тела в больших масштабах, такое как ходьба, сидение и стояние, мало влияет на канал [54, 55].Поведение сустава, такое как сгибание или разгибание сустава, может вызывать изменение усиления на 2 ~ 5 дБ [56, 57], в то время как фаза изменяется незначительно [57]. Анализ характеристик канала показан в таблице 3. Как показано в таблице 3, другие характеристики канала, такие как фаза, линейность канала и шум в канале, обсуждаются мало. Согласно недавнему исследованию, фаза в канале гальванической связи HBC имеет тенденцию к уменьшению [45, 58], в то время как предполагается, что шум в канале в основном исходит от электронных компонентов [41] и поверхности раздела электрод-кожа [59], которые являются предполагается, что он соответствует свойству аддитивного белого гауссова шума (AWGN).

Статическое поведение тела

Усиление Фаза Линейность канала Шум в канале Усиление


Полосовой профиль [31] Без Без Без
Влияние электрода [35]
Улучшение результатов в конечностях [54]
TX GND электрод усиливает сигнал 19]

Динамическое поведение тела Чувствительность к перемещению [54, 55] Нет Нет Нет
Причина сгибания сустава изменяется в 2 дБ [96]

Гальваническая муфта HBC

Статическое поведение тела Более высокое усиление в стволе и спине [54]
Профиль высоких частот [45]
Профиль высоких частот [59]
Уменьшение [45] Линейный канал [59] AWGN [ 41, 59, 92]

Динамическое поведение тела Нечувствительность при сидении и движении [54]
Увеличение при сгибании суставов [56]
Суставы и двуглавые мышцы имеют большое влияние [57]
Тенденция к снижению [57]
Не чувствительна к движению [57]
Нет AWGN [57]

Параметры передачи, которые либо для условий тестирования экспериментов, либо для технических характеристик ( я.е. узкополосный или широкополосный), которые они выбрали для демонстрационной системы или для достижения наилучших характеристик, обычно выбираются на основе результатов профиля усиления канала. Выбор параметров в некоторых типичных литературных источниках сведен в Таблицу 4. Параметры передачи, такие как несущая частота и метод модуляции, которые участвуют в разработке физического уровня, были выбраны на основе эмпирических результатов и анализа характеристик канала. Например, в [17] несущая частота и полоса пропускания были определены через частотную характеристику –3 дБ.В [32] 10 МГц было предложено в качестве подходящей несущей частоты из-за максимального усиления канала. Аналогичным образом в [60] был определен подходящий частотный диапазон (от 200 МГц до 600 МГц) для передачи, соответствующий наименьшим потерям на трассе. Из-за относительно плоского и высокого усиления канала в [41] были выбраны несущая частота 256 кГц и полоса пропускания 100 кГц; Между тем мощность передачи была распределена в этой полосе в среднем. Чтобы продемонстрировать возможность достижения биомедицинских приложений в клинических испытаниях, были выбраны BPSK и QPSK для реализации в прототипе HBC [61].QPSK был выбран в качестве подходящего метода модуляции на основании результатов анализа сложности оборудования [41]. На основании сравнительных измерений, BPSK был выбран в качестве оптимального метода модуляции среди BPSK, QPSK, MSK и 16QAM [62]. Выбор параметров передачи из таблицы 4 обычно основан на эмпирических результатах и ​​результатах измерения рассеяния. Недавнее исследование [63] предлагает новаторский взгляд на выбор параметра передачи, основанный на теории пропускной способности канала; однако необходима дальнейшая экспериментальная проверка теории и анализа.

9017 Результаты

Литература Подходящая несущая частота Подходящий метод модуляции Цель выбора
Частота
Циммерман [17] 300 кГц Диапазон –3 дБ OOK Простой Тест узкополосной передачи
Hachisuka et al.[32] 10,7 МГц Максимальный коэффициент усиления FSK Простой Минимальное энергопотребление
Руис и Шимамото [65] 200 МГц Максимальное усиление MSK подходящий метод модуляции
Wegmueller [41] 256 кГц Высокое усиление QPSK Аппаратная сложность Тестовый трансивер HBC
Wegmueller et al.[61] 128 кГц Высокое усиление BPSK, QPSK Эмпирические результаты Тестовые клинические испытания трансивера
Zhang et al. [62] 10,7 МГц Максимальное усиление BPSK Эмпирические результаты Определение оптимальной модуляции
Lin et al. [60] 200–600 МГц Низкие потери на тракте OOK Энергосбережение Оптимизация микросхемы SoC

4.2. Коммуникационные характеристики систем HBC

Коммуникационные характеристики систем HBC были исследованы с помощью моделирования [37] и экспериментов [17, 61, 64, 65]. Также было разработано множество прототипов [32, 41, 60] для достижения различных характеристик связи. Различные параметры передачи (несущая частота, схема модуляции и мощность передачи) были приняты для достижения разных скоростей передачи данных.

Для емкостной связи HBC, узкополосной модуляции двухпозиционной манипуляции (OOK) и широкополосной сигнализации с расширенным спектром прямой последовательности (DSSS) были исследованы в [17].Было обнаружено, что OOK более эффективен и проще в реализации, и скорость передачи данных 2,4 кбит / с была получена с несущей частотой 330 кГц и полосой пропускания 400 кГц. Скорость передачи данных была увеличена до 9,6 кбит / с за счет использования модуляции частотной манипуляции (FSK) в [66, 67]. Более высокая скорость передачи данных 38,4 кбит / с была достигнута при несущей частоте 160 кГц в [68]. С 2006 года начались эксперименты по получению скорости передачи данных около Мбит / с. Согласно Руису и Шимамото [69], полученная мощность может быть смоделирована как нормальное распределение.Методы модуляции BPSK, QPSK, 8PSK, 16QAM и MSK обеспечивали диапазон скоростей передачи символов от 100 до 5 Msps с мощностью передачи 15 дБмВт и несущей частотой 200 МГц [21, 65]. Хотя MSK обеспечивает лучшую производительность [65], это была наиболее разумная схема модуляции, так что качество модуляции снижалось по мере увеличения скорости передачи символов [21]. Скорость передачи данных 5 Мбит / с была достигнута в [70] с помощью модуляции OOK / FSK. При использовании демодулятора BPSK на основе петли с задержкой и автоподстройкой скорость передачи данных от 164 кбит / с до 1.313 Мбит / с была достигнута при мощности передачи 1,4 мВт в трансивере HBC, разработанном Cho et al. [71]. Позже эта исследовательская группа внедрила 65-нм CMOS-приемопередатчик HBC [72] как для развлечений, так и для здравоохранения; в последнем случае скорость передачи данных 100 кбит / с была достигнута при низкой мощности передачи 21 мк Вт. Сонг и др. применили широкополосную импульсную систему на кристалле (SOC) в приемопередатчике. [73], и чип получил скорость передачи данных 2 Мбит / с в диапазоне частот от 10 кГц до 100 МГц.Используя DSSS и модуляцию FSK со скачкообразной перестройкой частоты, скорость передачи данных была увеличена до 10 Мбит / с в [74] и [75]. С другой широкополосной модуляцией, такой как частотно-избирательный разброс Уолша и UWB, скорость передачи данных составляла до 2 Мбит / с [76] и 5 Мбит / с [77, 78]. Недавно Chung et al. Разработали широкополосный приемопередатчик сигналов HBC с высокой скоростью передачи данных от 1 Мбит / с до 40 Мбит / с. [79].

Для HBC с гальванической связью первый прототип достиг скорости только 0,9 кбит / с за счет использования широтно-импульсной модуляции (PWM) [38].Скорость передачи данных 9,6 кбит / с была получена при использовании модуляции FSK с несущей частотой 10,7 МГц [32, 40]. Новый компонентный электрооптический датчик был представлен в приемопередатчике Shinagawa et al. [80]; была достигнута скорость передачи данных 10 Мбит / с. Сравнение схем модуляции FSK и BPSK было проведено Wegmueller et al. [43]. Было обнаружено, что при входном токе 2 мА BPSK и FSK получили скорость передачи данных 255 и 128 кбит / с соответственно. При SNR 6 дБ [61] и BPSK, и QPSK достигли скорости передачи данных 64 кбит / с и BER равной.BPSK и QPSK были подходящими схемами модуляции между PSK, FSK и QAM [41] в гальванической связи HBC. По данным Zhu et al. [64], минимальная мощность передачи –17,8 дБм использовалась для достижения скорости передачи данных 10 Мбит / с и BER равного. Прототип SOC от Lin et al. [60] получил скорость передачи данных 2 Мбит / с при использовании OOK с мощностью передачи -4 дБм.

Скорости передачи данных в экспериментах и ​​прототипах представлены и сравниваются в Таблице 5. Существует общая тенденция увеличения скорости передачи данных с Кбит / с до Мбит / с с 2000 года.Обычно дальность передачи системы HBC с емкостной связью составляет от нескольких десятков до даже сотен сантиметров. Однако HBC с гальванической связью передает на меньшее расстояние, порядка десятков сантиметров, и меньшую скорость передачи данных, чем HBC с емкостной связью. Следует отметить, что HBC с емкостной связью может передавать с широкополосной сигнализацией, которая может обеспечивать высокую скорость передачи данных, но требует большой полосы пропускания.


4 Тип модуляции


9034[38], 1997 2 Мбит / с

Литература (авторы, год) Мощность передачи Пропускная способность канала Скорость передачи данных Расстояние передачи Метод модуляции 337

Циммерман [17], 1995 - 417 кбит / с 2.4 кбит / с - OOK
Post et al. [66], 1997 20 дБм 50 кбит / с 9,6 кбит / с 200 см FSK
Matsushita et al. [67], 2000 - - 9,6 кбит / с - FSK
Partridge et al. [68], 2001 - - 38,4 кбит / с 200 см FSK
Shinagawa et al.[80], 2004 - - 10 Мбит / с 150 см -
Song et al. [73], 2006 2 Мбит / с Широкополосный
Zhu et al. [64], 2009 −14 дБм - 10 Мбит / с 15 см QPSK
Cho et al. [75], 2009 −5 дБм - 10 Мбит / с 120 см Широкополосный
Zhang et al.[62], 2010 - - 0,110 Мбит / с 10 ~ 150 см BPSK
Nie et al. [70], 2012 −15 ~ 5 дБм - 5 Мбит / с 10 ~ 50 см OOK
Hyoung et al. [78], 2012 - - 2 Мбит / с 170 см Широкополосный
Cho et al. [71], 2014 1,4 дБм (или 1,4 мВт) 164 кбит / с ~ 1.313 Мбит / с - BPSK
Cho et al. [72], 2015 −16,7 дБм (или 21 μ Вт) - 100 кбит / с - OOK
Chung et al. [79], 2016 - - 1 Мбит / с ~ 40 Мбит / с - Широкополосный

Гальваническая муфта HBC
−21 дБм - 0,9 кбит / с 40 см PWM
Hachisuka et al. [40], 2003 −10 дБм - 9,6 кбит / с 28 см FSK
Wegmueller et al. [43], 2005 −3 дБм - 255 кбит / с 10 ~ 15 см BPSK
Ruiz and Shimamoto [65], 2006 15 дБм - 20 см QPSK
Wegmueller [41], 2007 −6 дБм 1.23 Мбит / с 64 кбит / с 10 ~ 25 см QPSK
Lin et al. [60], 2011 −30 ~ −4 дБм - 2 Мбит / с - OOK
Li et al. [92], 2013 −5 дБм - 200 кбит / с 6 см QPSK

4.3. Применение HBC

Прототипы HBC были применены в передаче данных здравоохранения.Например, Handa et al. [38] разработали прототип HBC с гальванической связью для передачи сигнала ЭКГ от груди к конечности. Позже прототип [40] гальванической связи HBC был применен для передачи частоты сердечных сокращений и SpO2. Ю и др. [81] внедрили систему HBC для передачи ЭКГ и артериального давления. А чип SOC для передачи сигнала ЭКГ был разработан Lin et al. [60].

Недавно было обнаружено, что характеристики каналов в HBC, такие как усиление и фаза, имеют большое значение для некоторых физиологических параметров, таких как сокращение или расслабление мышц, гидратация жидкости тела и обезвоживание.Основываясь на этих принципах, система HBC с гальванической связью была адаптирована для измерения некоторых физиологических параметров. Например, качественная гидратация и скорость обезвоживания, на которую влияет физиологическое состояние и метаболическое равновесие, могут быть доступны через распространение гальванически связанного сигнала HBC [82]. Этот механизм использовался для оценки жидкости организма [82] и помощи в диагностике и лечении жидкостных расстройств, таких как лимфатический отек. Согласно Chen et al. [57], изменение усиления имеет большое значение для сгибания сустава.Связь между углом сочленения и вариацией усиления канала была получена с помощью метода аппроксимации полиномиальной кривой [83]. Полученное соотношение затем используется для оценки угла сустава [83], которая может применяться при управлении протезом и анализе походки.

5. Соображения безопасности и экспериментальные вопросы

Во время эксперимента in vivo HBC электрические сигналы передаются на тело человека электродами, что может представлять потенциальную опасность для здоровья человека, например опасность поражения электрическим током. и вопросы безопасности использования электродов.

5.1. Руководство по безопасности

Каждый раз, когда в человеческое тело попадает какая-либо форма энергии, важно понимать, какие риски могут возникнуть в результате приложения энергии к внутренним тканям. Самый очевидный эффект - нагрев. Поскольку значительная часть энергии поглощается и преобразуется в тепло во время распространения сигнала, это потенциально может привести к повышению температуры. Что еще более важно, сила индуцированного тока на определенной частоте определяет интенсивность электрического удара, проходящего через тело.Применяемый электрический ток или напряжение на теле человека должны соответствовать стандарту IEEE Std. C95.1 2005 [84] и руководящие принципы Международной комиссии по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP) [85]. Стандарт IEEE Std. В C95.1 2005 более подробно описаны уровни безопасности в отношении воздействия радиочастотного электромагнитного поля на организм человека. Например, ограничение электрического поля между 100 кГц и 3 ГГц внутри локализованного человеческого тела, такого как конечности и ушные раковины, должно быть (где определяется как объем ткани в форме куба) [84].Максимальный безвредный наведенный ток в HBC должен быть ниже 20 мА в диапазоне частот от 100 кГц до 110 МГц (воздействие на население) [85].

5.2. Электроды

HBC работает без антенны; вместо этого электроды используются для передачи сигнала в человеческое тело. Из литературы следует, что электроды Ag / AgCl обычно используются в системах HBC [44, 54, 60, 86]. Для электрода Ag / AgCl основным процессом, который происходит на границе раздела электрод-кожа, является преобразование носителей заряда между электронами и ионами.А превращение регулируется химической реакцией восстановления и окисления [87], которую можно описать следующим образом:

Также рекомендуются электроды из материалов, безопасных для человеческого тела, такие как угольные / графитовые электроды [57, 59]. Pt электроды использовались в [39], поскольку Pt электрод обычно используется для стимуляции сигнала [88]. Были использованы некоторые другие электроды, такие как медь и алюминий [54].

5.3. Стратегии заземления

Результаты теоретических моделей или анализа HBC должны быть подтверждены экспериментами in vivo или in vitro , в которых измерительная система обычно включает заземленные электрические устройства, такие как генератор сигналов, осциллограф, сеть анализатор и анализатор спектра.Более одного пути заземления между двумя частями оборудования (например, генератором сигналов на передатчике и осциллографом на приемнике) ведут к разным местам точек заземления, которые, как ожидается, будут иметь одинаковый потенциал, но на самом деле они могут иметь разные потенциалы из-за ненулевого импеданса соединенных между собой кабелей. Разница в сопротивлении заземления системы делает потенциал земли на входном разъеме BNC приемника не таким, как земля системы или передатчика.Эта разность потенциалов или нежелательный сигнал на пути заземления может варьироваться от микровольт до сотен милливольт. Этот нежелательный сигнал наземного тракта обычно существует параллельно с истинным обратным заземляющим трактом сигнала HBC (обратите внимание, что этот нежелательный сигнал наземного тракта не существует в реальной системе HBC с независимым приемопередатчиком с батарейным питанием). На рисунке 7 показаны сигналы пути заземления типичной системы измерения HBC с гальванической связью. Приемник относится к измерению с корпуса входного разъема BNC; отображаемая форма волны может не отражать реальный сигнал на входе датчика, что может привести к неверным результатам измерения на приемнике.


Чтобы минимизировать или уменьшить нежелательный сигнал пути заземления, требуются подходящие стратегии заземления. Как правило, следует использовать симметричный трансформатор или дифференциальный усилитель. Типичная измерительная система с балунами на передатчике и приемнике для гальванической связи HBC показана на рисунке 8 (а). В измерительной системе с симметричным трансформатором на уменьшение нежелательного сигнала на пути заземления влияет межобмоточная емкость (IWC) между первичной и вторичной обмотками [34, 89, 90].Более низкий IWC дает более низкие результаты измерений [89]. Согласно недавним исследованиям, на результат измерения также влияет симметрия относительно земли симметричного трансформатора [91]. Типичными системами измерения с использованием балуна являются [54, 64]. Схема измерительной системы с дифференциальным датчиком показана на рисунке 8 (б). Обнаруженный потенциал на соответствующем выводе дифференциального пробника относится к одной и той же / общей точке заземления, что устраняет синфазное напряжение, принимаемое импедансом заземления системы.При использовании дифференциального пробника, который всегда содержит дифференциальный усилитель с усилением в несколько дБ, можно получить удовлетворительные характеристики приема. Как правило, дифференциальный зонд всегда используется в системе HBC с гальванической связью, такой как [57, 59, 92].


(a) С балуном
(b) С дифференциальным датчиком
(a) С балуном
(b) С дифференциальным датчиком
6. Выводы и дальнейшие исследования

История и развитие HBC были рассмотрены в этой статье.HBC - это метод беспроводной связи на малых расстояниях, не относящийся к радиочастотам, определенный стандартом IEEE 802.15.6, использующий человеческое тело в качестве среды передачи. В этой работе мы рассмотрели современные методы связи HBC, различные модели распространения сигнала и характеристики связи. Наконец, вопросы эксперимента in vivo , такие как типы электродов и проблемы с заземлением, были разработаны, чтобы сделать эксперимент in vivo безопасным и точным.

Из последних систем HBC, емкостная связь HBC работает в более высокой полосе частот, и, таким образом, может быть достигнута более высокая скорость передачи данных.Гальваническая связь HBC работает в относительно более низкой полосе частот и обеспечивает более низкую скорость передачи данных, но имеет преимущества минимизации помех от окружающей среды. Канальное усиление HBC ведет себя как полосовой или высокочастотный в другой полосе частот, что указывает на то, что необходимо предложить правило или руководство для выбора подходящей полосы частот для передачи данных. В его нынешнем виде технология HBC потенциально предлагает более энергоэффективный и естественно защищенный метод связи для BAN.Сигнал в основном передается в мышечной ткани. Несмотря на то, что HBC имеет множество преимуществ, еще предстоит решить множество проблем и провести дальнейшие исследования.

6.1. Моделирование канала

Следует разработать подходящую модель канала, учитывающую эффекты соединения (т.е. структуру и электрические свойства соединения). Кроме того, изменение угла сочленения приводит к изменению усиления канала; Следовательно, разработка модели канала, которая может охватывать характеристики канала в динамическом поведении тела, была бы хорошей темой для исследования.Кроме того, следует разработать подходящую модель канала для канала HBC с большей дальностью передачи (т. Е. Вся верхняя конечность, слева направо). Помимо каналов на теле, модель канала для имплантируемой передачи данных должна стать предметом будущих исследований. Кроме того, характеристики канала HBC были оценены на молодых испытуемых в литературе. Однако дело о пожилых людях до сих пор не рассмотрено. А проектирование системы HBC для удовлетворения всех индивидуальных свойств канала, таких как канал HBC для толстых, худых, молодых и пожилых людей, является сложной задачей.Кроме того, модели распространения сигнала исследуются в одноканальных приложениях, таких как только ЭКГ или только кровяное давление. Однако, как применить модель канала в многоканальных приложениях, еще не обсуждалось.

6.2. Проектирование системы

Учитывая конструкцию системы HBC, достижение пропускной способности канала является сложной задачей. Даже если система с несколькими несущими с оптимальным распределением мощности может обеспечить пропускную способность, система с несколькими несущими может привести к высокому отношению пиковой мощности к средней.Поэтому для приложений HBC предпочтительнее разработать систему с одним несущим. Затем, как спроектировать систему с одной несущей для достижения пропускной способности канала и удовлетворения особых требований к приложениям (высокое качество обслуживания, низкое энергопотребление и низкая сложность аппаратного обеспечения) - это тема будущих исследований.

6.3. Схема уровня MAC

Основой построения BAN является двухточечная передача данных. На самом деле BAN обычно представляет собой топологию «точка-множество точек». Как применить результаты на канале HBC (двухточечная передача данных) для анализа производительности многоточечного соединения - это тема будущих исследований.Помимо проектирования физического уровня, следует рассмотреть дизайн протокола на более высоких уровнях, то есть на уровне MAC. Для проблемы сети предлагается изучить безопасность и управление питанием.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов

Цзянь Фэн Чжао задумал исследование, помог составить проект рукописи и обеспечил получение финансирования. Си Мэй Чен разработал и провел эксперименты, проанализировал данные и составил рукопись.Бо Донг Лян помог собрать данные и составить рукопись. Цю Ся Чен помогал собирать данные, занимался получением финансирования и обосновал авторство. Все авторы прочитали и одобрили эту рукопись.

Благодарности

Авторы хотели бы выразить признательность за финансовую поддержку со стороны Комитета по науке и технологиям Шэньчжэня (номера JCYJ201604214252, JCYJ20160527162817715 и JCYJ20160407160609492) (номер провинции Гуандун по науке и технологиям)2016A010101039) и Шэньчжэньский политехнический институт (№№ 601522k30007 и 601522K30015).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *