Wielokrotnie zdarza się, że użytkownicy systemów radiokomunikacyjnych kupują drogi sprzęt z nadzieją, że będzie on działał niezawodnie i zapewni niezakłóconą łączność radiową, jednak całkowicie zaniedbują anteny, które są często zastępowane kawałkiem drutu. Tymczasem prawda jest taka, że to właśnie anteny decydują o jakości połączenia radiowego.
Przykładem potwierdzającym prawdziwość powyższej tezy jest odbiór programu telewizyjnego w miejscu odległym od stacji nadawczej. Jeśli poziom odbieranego sygnału jest zbyt niski, kupno nowego telewizora nic nie da, natomiast wymiana anteny na lepszą lub zainstalowanie jej w dogodniejszym miejscu zasadniczo wpłynie na jakość odbieranego obrazu.
Poniższy opis ma charakter uniwersalny i odnosi się do wszystkich systemów radiokomunikacyjnych. W systemach monitorowania alarmów wykorzystuje się albo licencjonowane kanały radiowe w zakresie VHF lub UHF, albo telefonię komórkową i jej pochodne, takie jak łącza GPRS. Nierzadko wykorzystywane są łącza szerokopasmowe, służące do przesyłania obrazów z wnętrza i otoczenia chronionych obiektów. Mundurowe i cywilne służby bezpieczeństwa korzystają z systemów DMR i TETRA. Jak widać, sposoby wykorzystania transmisji radiowej w celu zapewniania ochrony są różne.
Obecnie monitorowanie alarmów nie ogranicza się do przesłania informacji o pobudzeniu którejś z czujek ruchu czy otwarciu okna. Często przekazywane są sygnały telemetryczne sygnalizujące innego rodzaju zagrożenia, na przykład wzrost temperatury czy ulatnianie się gazu. Nierzadko komunikacja jest dwukierunkowa, gdyż właściciel obiektu wyposażony w smartfon odbiera informacje o stanie systemu alarmowego, a wysyła sygnały sterujące automatyką budynkową. Wszystko to razem zmusza do zapewnienia niezawodnej, wolnej od zakłóceń łączności radiowej.
We wszystkich systemach radiokomunikacyjnych mamy do czynienia z szumami i zakłóceniami zniekształcającymi transmitowany sygnał. W systemach analogowych objawiało się to szumami i trzaskami nanoszącymi się na odbieraną informację głosową lub zniekształceniami obrazu telewizyjnego. W systemach cyfrowych, na których skupimy się w dalszej części artykułu, nadmierne szumy powodują błędy podczas dekodowania odbieranych danych lub całkowicie zrywają połączenie.
We współczesnych cyfrowych systemach radiokomunikacyjnych miarą jakości łącza radiowego jest stopa błędów BER (skrót od bit error rate). W idealnym przypadku BER = 0%. W zależności od rodzaju systemu graniczna, dopuszczalna wartość BER wynosi od kilku do kilkunastu procent. Jak widać, pojawianie się niewielkich błędów jest dopuszczalne, gdyż zostają one skorygowane przez protokoły transmisyjne i algorytmy obróbki danych.
O jakości odbioru radiowego decydują dwa czynniki: poziom odbieranego sygnału S oraz stosunek sygnału do szumu S/N.
Źródłem sygnału jest nadajnik radiowy, zaś źródłem szumu mogą być zjawiska naturalne– np. wyładowania atmosferyczne, szumy kosmiczne pochodzące zarówno ze słońca, jak i z głębi kosmosu – oraz szumy generowane przez urządzenia elektryczne używane przez człowieka. Szumy sumują się i są wprowadzane przez antenę do urządzenia odbiorczego wraz z użytecznym sygnałem. Urządzenie odbiorcze też nie jest idealne i podczas wzmacniania sygnału dodaje do niego swoje szumy. Jeśli odbierany sygnał jest zbyt słaby, szumy nad nim dominują i uniemożliwiają prawidłowe dekodowanie danych. Przez czułość urządzenia odbiorczego rozumie się najniższy poziom sygnału doprowadzanego do jego wejścia, przy którym zachowana jest pełna funkcjonalność tego urządzenia.
W praktyce pomiar S/N jest uciążliwy, gdyż nie można łatwo oddzielić sygnału od szumu. W związku z tym stosowany jest inny parametr zwany SINAD, definiowany jako stosunek sygnału i szumu do szumu. SINAD = (S+N)/N.
By zdefiniować czułość cyfrowego urządzenia odbiorczego należy podać trzy parametry: poziom sygnału S mierzony w µV, stosunek sygnału do szumu S/N wyrażony w dB i stopę błędów B wyrażoną w procentach. Przykładowo, urządzenie odbiorcze może mieć czułość określoną w następujący sposób: 0,25 µV przy S/N = 12 dB i B = 5%.
W praktyce pomiar S/N jest uciążliwy, gdyż nie można łatwo oddzielić sygnału od szumu. W związku z tym stosowany jest inny parametr zwany SINAD, definiowany jako stosunek sygnału i szumu do szumu. SINAD = (S+N)/N.
W tym momencie wracamy do zasadniczego tematu artykułu, czyli do anten. Antena jest jedynym elementem w torze radiokomunikacyjnym, który jest w stanie poprawić stosunek sygnału do szumu. Żadne układy wzmacniające nie są w stanie tego dokonać, gdyż wzmacnianiu podlega zarówno sygnał, jak i szum, czyli wartość S/N nie ulega poprawie. W praktyce o czułości urządzenia odbiorczego decydują jego szumy własne, których poziom powinien być jak najniższy. Zadaniem anteny jest dostarczenie możliwie niezakłóconego sygnału o poziomie wyższym niż czułość odbiornika.
Antena jest jedynym elementem w torze radiokomunikacyjnym, który jest w stanie poprawić stosunek sygnału do szumu.
Dobór anten do konkretnych zastosowań nie jest rzeczą prostą. Do tych samych urządzeń radiokomunikacyjnych zainstalowanych w różnych warunkach należy dobrać inne anteny. Jest to związane z propagacją fal radiowych, które inaczej zachowują się w otwartej przestrzeni, inaczej na obszarze gęsto zabudowanym lub przemysłowym, a jeszcze inaczej w terenie zalesionym.
Jeśli firma zajmująca się monitorowaniem alarmów chce zaopatrywać się w anteny u jednego producenta, powinna wybrać takiego, który oferuje szeroki asortyment wyrobów. Zasadnicze znaczenie ma jakość materiałów i staranność wykonania anten, gdyż są one wystawione na działanie niekorzystnych warunków środowiskowych. W następnej części artykułu opisane będą profesjonalne anteny radiokomunikacyjne firmy Poynting, które spełniają powyższe wymagania.
Opracował na podstawie materiałów firmy Poynting
Andrzej Walczyk
www.poynting.tech
e-mail: sales-europe@poynting.tech