Kétirányú erősítők

Mit jelent az 1dB-es kompressziós pont (P1dB) és miért fontos jellemző?

Mindegyeik lineáris erősítő meghatározott erősítéssel rendelkezik és a használható kivezérlési tartományán belül az erősítés jó közelítéssel állandónak tekinthető. Az 1 dB-es kompressziós pont a nemlineáris erősítő kivezérlési tartományának felső határát jelenti. Az ehhez a ponthoz tartozó kimenő teljesítményt másképpen az erősítő maximálisan megengedett kimenőszintjének nevezzük (Pkinévl). Ehhez a kimenő szinthez tartozó bemenő szint: Pbe.komp. Az erősítő jelfeldolgozó képessége ugyanis véges, így a bemenő szint növelésével elérünk egy olyan határt, amely után a bemenő szint növekedését már nem követi arányosan a kimenő szint (a karakterisztika kezd telítési jelleget mutatni) és teljesítményvonalak elgörbülnek. Ideális esetben a bemeneti jel 1dB-es változása esetén a kimeneti szint is 1dB-lel változik. Ez viszont csak az erősítő lineáris tartományában érvényes. Az 1dB-es kompressziós pont azt a bemenő szintet jelenti, amikor ettől a lineáris egyenestől a mért teljesítményünk 1dB-lel tér el. A kétirányú erősítő kíválasztásánál figyelembe kell venni az 1dB-es kompressziós pontot, mivel ekkora teljesítmény leadására képes az erősítő.

A fix erősítéssel rendelkező nagyfrekvenciás erősítők használata során el kell kerülni, hogy az erősítő kivezérlése tartósan nagyobb legyen mint a P1dB. Az erősítő folyamatos, maximálisan megengedett kimenőszinten való üzemeltetése az eszköz élettartamának csökkenéséhez, illetve meghibásodáshoz vezethet. Emellett - mivel a P1dB felett nemlineáris kivezérlési tartományban működik az erősítő - a kimenő jel spektruma az eredeti jel mellet  torzítási (IMD) összetevőket tartalmaz, mely a frekvenciasávon belül és azon kívül okozhat interferenciát.

A GEM Microwave kínálatában fix erősítéssel rendelkező és automatikus erősítésszabályzott (AGC) kivitelű erősítők szerepelnek. Az AGC erősítő a bemenő átlagteljesítmény tág határok közötti változása esetén biztosítja - az erősítő a lineáris kivezérlési tartománybeli működése mellett -, hogy az átlagos kimenő teljesítmény állandó legyen. A szabályozó áramkör ezt a bemenő jel jellemzőinek - átlag- és csúcsteljesítményének - , a teljesítményerősítő tulajdoságainak és a kimenő jel átlagteljesítményének figyelembevétele mellett teszi.

Hogyan hasonlíthatom össze a hirdetésekben szereplő  802.11g / 802.11a -ra vonatkozó kimenő teljesítmény értékeket más gyártók hirdetéseiben szereplő teljesítmény értékekkel?

Az átlagos kimeneti teljesítményen az RF burst(jelcsomag) -, melynek hossza 802.11 jel esetében körbelül 20us és 500us közöti - teljesítményének időbeli átlagát értjük. Az RF jelcsomagon belül a maximális vagy csúcsteljesítmény jelentősen eltérhet az átlagteljesítménytől. Amíg  802.11b jelcsomag esetében az eltérés nem jelentős - a teljesítmény közel konstansnak tekinthető-, 802.11g és "n" -nél az OFDM moduláció - ahol a nagyfrekvenciás jel amplitúdója és fázisa is információt hordoz, valamint egyidőben több vivőfrekvencia modulációja történik - használata miatt az RF burst-ön belüli csúcsteljesítmény 7-10dB -el - ami 5..10-szeres teljesítmény viszonyt jelent- nagyobb a burst átlagteljesítményénél. Ezt a mennyiséget PAR (peak to average ratio)-nak nevezzük, azaz az alkalmazott modulációra jellemző átlag- és csúcsteljesítmény közötti viszonynak. Ahhoz, hogy torzítatlanul továbbítsuk a modulált jelet lineáris erősítőre van szükség, vagyis olyanra, amely az átlagos kimeneti teljesítményénél lényegesebben nagyobb csúcsteljesítményt képes szolgáltatni. Az RF jelcsomagban a nagyobb teljesítményű pontok statisztikailag kisebb valószínűséggel fordulnak elő, az összefüggés egy kumulatív eloszlás függvénnyel írható le. Például a QAM-64 modulációnál a 0dB-es teljesítményű pontok valószínűsége 50% körüli, a 4dB-eseké 10%, a 8dB-eseké már csak 0.5%. Az erősítő szempontjából ez azt jelenti, hogy ha 4dB-es (2.5-szeres viszony)  teljesítmény tartalékkal üzemel az erősítő, vagyis az átlagos kimeneti teljesítménye a maximális még torzítatlan kimeneti teljesítménynek 0.4-szerese, akkor az erősítő az információ 90% tudja továbbítani torzítás nélkül.

A legtöbb gyártó kizárólag  802.11g / 802.11a -ra vonatkozó kimeneti csúcsteljesítményt adja meg hirdetésében. Ez azt jelenti, hogy  802.11g vagy 802.11a bemeneti jellel az elérhető átlagos teljesítmény jelentősen kisebb mint ami a hirdetésben szerepel és azt, hogy a vevő általában nincs tisztában az átlag- és csúcsteljesítmény közötti viszony fogalmával és ennek az adatátviteli sebességre gyakorolt drámai hatásával.

A GEM Microwave a kimeneti átlag- és csúcsteljesítmény értékét egyaránt feltünteti a hirdetéseiben. Nincs semmi rejtegetni valónk, úgy gondoljuk ügyfeleinknek ismernie kell a megvásárolt termék jellemzőit. Az általunk fejlesztett erősítők maximális kimeneti teljesítményeként a P1dB -ot adjuk meg, amíg mások sokszor P3dB -ot, vagy pedig az erősítő erősen nemlineáris szaturált kimeneti teljesítményét. Ha egy erősítő adatlapján ez szerepel: “saturated TX power= 2W (33dBm)”  és az adatlap nem ad további felvilágosítást a kompressziós pontról sem pedig a használható kimeneti átlagteljesítményről, akkor a 33dBm-nél körbelül 3-4dB-el kisebb, azaz legfeljebb 30dBm-29dBm( 1Watt - 0.8 Watt ) kimeneti teljesítményre számíthatunk. Ne tévesszen meg a bennünket a reklámfogás, az eszköz átlagos kimeneti teljesítménye és az 1dB-es kompressziós pontja a lényeges, melyről célszerű tájékoztatást kérnünk!

A kétirányú erősítőt az antennatoronyban vagy az bázisállomásnál célszerű felszerelni?

A GSM átjátszó tornyok aktív eszközeit a könnyebb hozzáférhetőség érdekében a torony lábánál található kültéri dobozban vagy a bázisállomás befogadására alkalmas épületben szokás elhelyezni. A toronyon felszerelt antennák speciális, kis veszteségű - ezáltal költséges - koaxiális kábelezésen kersztül csatlakoznak a bázisállomás aktív eszközeihez. Sok esetben előnyösebb ha osztott rendszert építünk ki, vagyis a speciális kábelezés helyett hagyományos kis veszteségű koaxot (pl. RF240) használunk, és a kétirányú kültéri erősítőt a toronyban az antenna közelében szereljük fel.

A kültéri erősítő táplálása ekkor egy tápfeszültség feladó egység beiktatásával a koax kábelen keresztül történik, a rádió és a tápfeladó a torony lábánál lévő dobozban vagy épületben foglal helyet. A kültéri erősítő közvetlenül, vagy rövid és kis veszteségű koaxon keresztül csatlakozik a sugárzóhoz. Az osztott elrendezés a hagyományos elrendezéssel azonos, vagy annál jobb teljesítményt biztosít a költségek jelentős csökkenése mellett. A rendszer kritikus pontja az antenna és a kültéri erősítő közötti kábelezés minősége, mivel a kábel csillapítása közvetlenül hozzáadódik a vételi zajszámhoz.

Hagyományos elrendezés esetén javasolt 3dB-nél kisebb csillapítású kábelezés használata, mivel az 1/2 -szeres kimeneti teljesítmény a hatótávolság körbelül 30%-os csökkenését eredményezi.

Hogyan függ a rádió hatótávolsága a kimeneti teljesítménytől?

A rádió hatótávolsága több tényező hatásától függ. A frekvencia, a környzet csillapítása, a vevő zajszáma és érzékenysége, az adóteljesítmény, a kábelezés csillapítása és az antenna nyeresége hatással van a vételtöbbletre (Link margin) és a jel-zaj viszonyra. A megfelelő vételtöbblet és jel-zaj viszony az adóteljesítmény növelésével is biztosítható abban az esetben, ha a teljesítmény növelő eszköz a rádiójel spektális összetevőit nem módosítja. Kétszeres hatótávolság az adóteljesítmény 6dB-el, azaz négyszeresére való növelésével érhető el, vagyis a szükséges adóteljesítmény a hatótávolság négyzetével arányos.

A hatótávolság növelésének további módja a rendszer (vételi)zajszámának alacsony értéken tartása. Ebből a célból egy kiszajú eszköz felerősíti az antennáról érkező jelet és a veszteséges koax kábelen keresztül továbbítja a rádió felé anélkül, hogy rendszer zajszáma a koax kábel csillapítása miatt növekedne. A vevő zajszáma mellett általában a vevő érzékenysége a legfontosabb tényző. Az antenna és a rádió közötti hosszú és veszteséges kábelezés drasztikusan rontja a vételtöbbletet, viszont az antennához közel felszerelt kültéri kétirányú erősítő a rendszer zajszámának alacsony értéken tartása és megfelelő túlvezérelhetőség(sávon kívüli zavarjel) mellet növeli meg az érzékenységet.

Mit jelent az automatikus erősítésszabályozás (AGC) és miért hasznos?

Az automatikus erősítésszabályozás a bemeneti teljesítmény nagyságától, a kábelezés csillapításától és a hőmérséklet változásától függően úgy állítja be az eszköz adás irányú erősítését, hogy a kimeneten konstans, a specifikációnak megfelelő legyen az átlagos teljesítmény. Az automatikus erősítésszabályozás megfelelő működéséhez az erősítő bemenetére adott 4dBm és 23dBm közötti teljesítmény szükséges.

Példa: a rádió kimeneti teljesítménye 32mW(15dBm), a toronyban az antennához közel felszerelt 1Watt-os(30dBm) erősítő és a rádió közötti kábelezés csillapítása 7dB, ami megfelel 15m RF240 típusú koax csillapításának. Az erősítő bemenetére ekkor 15dBm-7dB=8dBm teljesítményű rádiójel érkezik, amely nagyobb mint az erősítő vételi és adás üzemmódja közötti átkapcsoláshoz szükséges 0dBm teljesítmény. Az erősítő érzékeli a 8dBm teljesítményű rádiójelet, az erősítésszabályozás pedig 22dB-re állítja be az adás irányú erősítést. Az erősítő kimenetén így 8dBm+22dB=30dBm az átlagteljesítmény.

Az automatikus erősítésszabályozott eszköz használata akkor célszerű, ha a rendszer kimenő teljesítményének egyszerű kalkulációjára van szükség.

OFDM moduláció esetében mekkora lehet az átlagos kimenő teljesítmény?

OFDM bemeneti jel esetén javasolt, hogy az átlagos kimeneti teljesítmény 4-6dB-el kisebb legyen az eszköz 1dB-es kompressziós pontjánál (P1dB), vagyis 4-6dB teljesítmény tartalék szükséges, mivel ekkor biztosított a maximális adatátviteli sebesség.

Figyelembe kell-e venni a rádió kimeneti teljesítményét ha az eszköz fix erősítéssel rendelkezik?

A rádió kimeneti teljesítményét, a kábel csillapítását és az adás irányú erősítést minden esetben figyelembe kell venni. Ha az erősítőt a megengedett bemeneti teljesítménynél nagyobb teljesítménnyel üzemeltetjük akkor amellett, hogy a túlvezérlés hatására módosul a jel spektruma és interferenciát okoz, a vezeték nélküli kapcsolat minősége és sebessége is rosszabb, valamint csökken az eszköz élettartama. Szélsőséges esetben az erősítő 3dB-es folyamatos túlvezérlése az eszköz meghibásodását okozhatja. Ha viszont túlságosan kicsi a bemeneti teljesítmény, akkor a kimeneti teljesítmény sem éri el a kívánt értéket.

Az automatikus erősítésszabályozott erősítőt át lehet-e alakítani fix erősítéssel rendelkezővé?

Természetesen van rá lehetőség. Ekkor a szabályozó áramkört kiiktatjuk és beállítjuk az igény szerinti fix erősítést. Az 1 Watt kimenő teljesítményű kétirányú erősítő esetében jellemzően 6dB és 30dB között lehet állítani az adás irányú erősítést. Minden esetben szükséges a rádió kimeneti teljesítményének és a kábel csillapításának pontos ismerete.

WiFi-n keresztül kapom az internetet, gyakran nagyon rossz a jelerősség, megoldást jelenthet-e számomra a kétirányú erősítő használata?

Igen, de a kétirányú erősítőt a szolgáltatói oldalra célszerű telepíteni, mivel ha a kliens felöl erős a jel, a szolgáltató felöl pedig gyenge, akkor a kliens nagyobb a szolgáltató pedig kisebb sebességgel csatlakozik az ellenkező oldalhoz, így a kliensnél lassú marad a letöltés sebessége.

Ha az erősítő a kliens oldalon kerül telepítésre, akkor biztosítani kell, hogy rendszer vételi zajszáma optimális legyen, vagyis a kétirányú erősítőt kis veszteségű, rövid kábelen keresztül csatlakoztatjuk az antennához. Az erősítő ekkor a jel-zaj viszony csökkenése nélkül növeli a vevő érzékenységét. A rádió kimeneti teljesítményét úgy kell beállítani, hogy minimális kimenő teljesítmény mellett gyors és megbízható legyen a vezeték nélküli kapcsolat, mivel így mások zavartatása nélkül javíthatunk a WiFi kapcsolat minőségén.