Ciemna strona mocy

Duża moc robi wrażenie ale sprawia też problemy. O tych problemach tutaj nie będziemy mówić, a skupimy się wyłącznie na obliczeniach. W przypadku naszej komunikacji radiowej, moc nadajnika (TX Power) nie ma istotnego wpływu na zasięg naszych urządzeń. To co sprawia, że radio jest „mocne” to czułość i selektywność odbiornika (RX) oraz czysto pracujący nadajnik (TX). Zasięg naszego radia definiuje propagacja w parze z długością fali. To ona odpowiada za to, że w jednym miejscu rozmawiamy na dystansie 70-100km, a w innym ledwie 1km…

Propagacja bywa nieobliczalna dlatego wykonuje się obliczenia referencyjne dla wolnej przestrzeni (płaska ziemia) aby sprawdzić wstępnie z czym mamy do czynienia i czy nasz projekt radiowy ma szanse powodzenia. Takie obliczenia wykonałem dla kilku klas urządzeń. Dane wejściowe pochodzą z kart katalogowych, pomiarów własnych oraz raportów pokontrolnych od Centralnego Laboratorium Badań Technicznych UKE z Kampanii kontrolnej radiotelefonów.

Tabelka przedstawia zależność pomiędzy mocą nadajnika (TX) i czułością odbiornika (RX) wyrażoną w dB pod postacią wstążek, które razem muszą wypełnić wolną przestrzeń - PathLoss. Żółtym kolorem zaznaczono braki wraz z wymaganym ekwiwalentem mocy do przesłania sygnału radiowego na żądaną odległość. W naszym przykładzie 1400m. Jeżeli wydrukujemy tabelkę w skali 1:1, tak aby niebieski pasek miał długość 140mm, to każdy milimetr będzie odpowiadał 1dB i odległości 10m. Może nie jest to idealne ale prostszego sposobu nie znalazłem aby zobrazować zależność TX i RX. Poza tym to są dwa, najmniej istotne parametry, które wpływają na zasięg radia.

Jak to wygląda w praktyce?

Radiotelefony komercyjne wyposażone są w przełącznik mocy LOW/HIGH, który zmienia moc podaną w przedziale 1W / 4W dla pasma UHF. Kiedy sygnał jest słaby i słyszymy co drugie, trzecie słowo, używamy "guziczka" zmiany mocy, co poprawia sytuację, czyli stabilizuje sygnał. Ale kiedy jesteśmy za daleko i nie słyszymy się na radiu, "guziczek" zwyczajnie nie działa. W systemach radiowych działa to automatycznie. Kiedy poziom sygnału spadnie poniżej zadanej wartości (np. wchodzimy do budynku), radio zmienia moc na wyższą, czyli zwiększa budżet sygnału o 6dB, aby skompensować dodatkowe tłumienie (ściany budynku, okna). Po opuszczeniu budynku, poziom sygnału z przemiennika wzrasta, zatem radio redukuje moc do minimum - 1W.

Praktyka pokazuje, że w przypadku komunikacji bezpośredniej, nie ma odczuwalnej, znaczącej różnicy pomiędzy profesjonalnym radiem PMR446, a jego odpowiednikiem komercyjnym. Czterokrotne zwiększenie mocy (z 1 do 4W) też nie zmienia za bardzo sprawny, ponieważ w terenie zyskujemy tak naprawdę kilka, kilkanaście metrów lub zupełnie nic! Te kilka metrów przydaje się, kiedy nie można zmienić położenia, aby "złapać lepszy sygnał", np. będąc na dachu. Jedyne na co zauważalnie wpływa duża moc nadawania, to na szybkie rozładowanie akumulatora. Na załączonym wykresie z prostego analizatora widma, pokazana jest różnica w energii wypromieniowanej pomiędzy radiem 'bez pozwolenia', a radiem 'na pozwolenie'. Zasięg obu urządzeń to 25 pięter w wieżowcu (beton i stal). 26te piętro jest nieosiągalne - tłumienie jest zbyt duże. Dlaczego? Zwiększenie mocy 4 razy z 1W do 4W zwiększa budżet sygnału o 6dB. Tłumienie kolejnego stropu przekracza 6dB.

Za zasięg radia odpowiada przede wszystkim propagacja, jakość toru nadawczego, czułość odbiornika czyli zdolność do odbioru słabych sygnałów, ale przede wszystkim selektywność czyli zdolność radiotelefonu do wydzielenia sygnału użytecznego z szumów i zakłóceń. Za komfort samej pracy z radiem odpowiada tor audio. Dlatego jedne radia lubimy bardziej, a inne mniej. Samej selektywności nie da się przedstawić w postaci zapisu w karcie katalogowej. Informacja o skuteczności tłumienia kanałów sąsiednich w dB, jest zawarta w specyfikacji urządzenia ale nie wiąże się to bezpośrednio ze skutecznością odbiornika. Dlatego jedne urządzenia radzą sobie w trudnych warunkach bardzo dobrze, a inne słabo, choć parametry techniczne mają takie same.

Sygnał

Zasięg urządzeń radiowych, oprócz niuansów konstrukcyjno-propagacyjnych, zależy od SNR (signal-to-noise ratio) - stosunek sygnału do szumu. Po prawej stronie przestawiony jest przebieg modulacji FM radiotelefonu analogowego. Możemy odczytać tutaj szerokość kanału (zajętość widma), SNR, podejrzeć zbocze sygnału oraz podłogę szumów własnych. Im dalej jesteśmy od naszego korespondenta, tym bardziej sygnał zbliża się do podłogi szumów własnych. W momencie kiedy sygnał (modulacja) zrówna się z podłogą szumów, następuje koniec łączności, radio wyłącza głośnik. Poniżej szumów własnych jest szum tła, martwa strefa, której granicę wyznacza 0dBµV (0.1µV / -107dBm). Od -110dBm mamy już tylko szum dla modulacji FM. Więc jak to jest, że radio ma czułość -121dBm? Otóż jest to czułość graniczna odbiornika. Sygnał radiowy potrzebuje "przestrzeni do pracy". Dla danego typu modulacji jak FM, FSK, QAM, ustalony jest margines wygaszania, czyli minimalny zapas sygnału, aby odbiornik mógł zdekodować sygnał. Dla modulacji FM jest to 10-15dB. Teraz wracamy do SINAD 12dB i 20dB. Radio, którego czułość odbiornika wynosi -121dBm, potrzebuje sygnału o mocy nie mniejszej niż 12dB-121dBm = -109dBm. Aby zapewnić komfortową rozmowę, np. do pracy w słuchawkach, sygnału potrzeba więcej, czyli odstęp sygnału od poziomu szumu i zakłóceń nie może być mniejszy niż SINAD 20dB. W tej sytuacji pożądany sygnał nie może być mniejszy niż: 20dB-121dBm= -101dBm (19µV lub 6dBµV). Reasumując, nasze radio potrzebuje do "życia" 20µV. Ważne! Poziom szumów własnych definiuje czułość użyteczną odbiornika!

SINAD jest również skorelowany ze Squelch (SQL). W radiotelefonach profesjonalnych jest możliwość regulacji tego parametru, czyli odcięcia słabych transmisji. Użytkownik ma możliwość przełączania pomiędzy Tight (poziom 9), Normal (poziom 3-5) lub Low/open (1 lub 0). Fabrycznie funkcja jest ustawiona następująco: poziom Tight = SINAD 20dB, Normal = SINAD 12dB, LOW/OPEN = granica czułości odbiornika. Szczegóły znajdziemy w dokumentacji serwisowej. Dla każdego radiotelefonu te wartości są inne, dlatego ma żadnej uniwersalnej tabeli, która by przekładała poziom SQL na moc odbieranego sygnału w dBm.

Let's power!

Na koniec wracamy do mocy. Jaką moc powinno mieć "mocne" radio? Oczywiście im mocniejsze tym lepsze ale nie do końca. Jest coś takiego jak SystemGain (moc systemu, w wolnym tłumaczeniu). Przy projektowaniu sieci radiowych, określa się skuteczność radia w parze z wybraną modulacją, co pozwala ustalić jak duże tłumienie propagacyjne radio jest w stanie pokonać. Wygląda to tak: System Gain = moc nadajnika + czułość odbiornika, np. 37 dBm - (-117 dBm) = 154 dB. Prosta matematyka, ponieważ operujemy na wartościach dB. Tłumienie propagacyjne w naszym przykładzie wynosi 140dB.

Policzymy teraz radia, którymi się posiłkowałem wykonując większość testów.

Dlaczego tanie, mocne radio amatorskie ma tak słaby wynik? Przecież w karcie katalogowej podane jest, że czułość odbiornika wynosi -121dBm?! Odpowiedź jest prosta - wyżej wspomniana podłoga szumów własnych, co wiąże się z niskim SNR. Średnia strata wynosi 20dB względem przyzwoitego radia PMR446. W parze z "dobrą anteną" można zyskać, czyt. stracić powyżej 40dB!

Poniżej przebieg modulacji dla Motoroli T82Extreme i różnych modeli i egzemplarzy popularnych, mocnych 5W'atowych radiotelefonów z wymienną anteną.

To samo tanie ham radio może wygenerować kilkanaście różnych przebiegów fali nośnej. Czynniki jakie mają na to wpływ, to: szerokość kanału, stan naładowania akumulatora, ponowne włączenie, zbyt długie nadawanie poprzedniego komunikatu (przegrzanie końcówki mocy), kolejne naciśnięcie przycisku PTT... niestety. Po paru godzinach takiej zabawy, zauważyłem że radia "z wymienną anteną o mocy 5-8W", najlepiej pracują wtedy, kiedy urządzenie zaczyna sygnalizować rozładowanie akumulatora - ostatni wykres. Nie zmienia to faktu, że sprzęt stratny ponad 20dB względem popularnej walkie-talkie.

Skoro jesteś tutaj, znaczy że przeczytałeś tekst do końca. Więc zwróć uwagę na jeden fakt: omówiliśmy tylko moc i czułość - dwa, najmniej istotne parametry techniczne radiotelefonu. Właśnie dlatego dobre radio nadal kosztuje parę stówek lub kilka tysięcy złotych.

LAB

Narzędzia pomocne do opracowania publikacji:

• Hytera PD985 i HP785 - pomiar sygnału RSSI (tryb diagnostyczny)
• Hytera PD505LF, Hytera PD565 - punkt odniesienia do porównania mocy ERP
• Motorola T82 Extreme, HYT TC-446S - wzorzec przebiegu modulacji FM
• RSP Spectrum Analyser @ SDRPlus - programowy analizator widma
• RigExpert AA-1500 ZOOM - analizator antenowy
• RadioMobile (mapy STRM, raster 30x30m) - modele propagacyjne
• Około 12 szt. urządzeń "UV" z różnych okresów produkcji i wersji wykonania, dzięki uprzejmości kolegów airsoftoców ;-)