Потери в свободном пространстве
Для любого типа беспроводной связи передаваемый сигнал рассеивается по мере его распространения в пространстве. Следовательно, мощность сигнала, принимаемого антенной с постоянной эффективной площадью, будет уменьшаться по мере удаления от передающей антенны. Для спутниковой связи упомянутый эффект является основной причиной снижения интенсивности сигнала. Даже если предположить, что все прочие причины затухания и ослабления отсутствуют, переданный сигнал будет затухать по мере распространения в пространстве. Причина этого – распространение сигнала по всё большей площади. Данный тип затухания называют потерями в свободном пространстве и вычисляют через отношение мощности излучённого сигнала 
к мощности полученного сигнала 
. Для вычисления того же значения децибелах следует взять десятичный логарифм от указанного отношения, после чего умножить полученный результат на 10.
Для идеальной изотропной антенны потери в свободном пространстве составляют
(5.1)
где: 
– мощность сигнала передающей антенны;
– мощность сигнала, поступающего на антенну приемника;
– длина волны несущей;
– расстояние, пройденное сигналом между двумя антеннами;
– скорость света ( 
м/с).
Приведённое выражение можно записать в следующем виде:
(5.2)
На рисунке 5.1 приводится зависимость потерь сигнала в свободном пространстве от пройденного расстояния.
Рисунок 5.1 - Потери мощности сигнала
Для других типов антенн следует учитывать коэффициент усиления. В результате уравнение для потерь мощности сигнала в свободном пространстве принимает следующий вид:
(5.3)
Здесь
– коэффициент усиления передающей антенны;
– коэффициент усиления антенны приемника;
– эффективная площадь передающей антенны;
– эффективная площадь антенны приемника.
Переход от второй дроби к третьей выполнен с учетом связи коэффициента усиления антенны и ее эффективной площади, которая была определена в уравнении (5.3). Выражение для потерь в свободном пространстве можно переписать в следующем виде:
(5.4)
Следовательно, если размеры антенн и их разнесение в пространстве ос-таются неизменными, увеличение длины несущей волны (снижение несущей частоты 
) приводит к увеличению потерь в свободном пространстве.
Сравним уравнения (5.2) и (5.4). Из уравнения (5.2) следует, что по мере возрастания частоты растут и потери в свободном пространстве, а потому при высоких частотах радиосигнала потери становятся значительным препятствием для связи. Однако, проанализировав уравнение (5.4), можно сказать, что потери легко компенсировать, увеличивая коэффициент усиления антенны. Действительно, при работе на высоких частотах усиление увеличивается, тогда как остальные факторы, влияющие на качество связи, остаются неизменными. Из уравнения (5.2) следует, что при фиксированном расстоянии между приемником и передатчиком увеличение частоты приводит к возрастанию потерь в свободном пространстве на величину 
. Однако если учесть коэффициент усиления антенны, а также считать ее эффективную площадь неизменной, потери мощности сигнала в свободном пространстве составят 
. Следовательно, при использовании более высоких частот потери мощности сигнала снижаются.
Шум
Для любой передачи данных справедливо утверждение, что полученный сигнал состоит из переданного сигнала, модифицированного различными искажениями, которые вносятся самой системой передачи, а также из дополнительных нежелательных сигналов, взаимодействующих с исходной волной во время ее распространения от точки передачи к точке приема. Эти нежелательные сигналы принято называть шумом. Шум является основным фактором, ограничивающим производительность систем связи.
Шумы можно разделить на четыре категории:
- тепловой шум;
- интермодуляционные шумы;
- перекрестные помехи;
- импульсные помехи.
Тепловой шум является результатом теплового движения электронов. Данный тип помех оказывает влияние на все электрические приборы, а также на среду передачи электромагнитных сигналов. Тепловой шум является функцией температуры и равномерно распределен по спектру частот, поэтому данный тип шума называют также белым шумом. Тепловой шум устранить нельзя, поэтому именно он определяет верхний предел производительности систем связи. Тепловой шум оказывает значительное влияние на спутниковые системы связи, поскольку сигнал, получаемый наземной станцией от спутника, достаточно слаб.
Тепловой шум, присутствующий в полосе шириной 1 Гц, для любого устройства или проводника составляет
(Вт/Гц).
Здесь
– плотность мощности шумов в ваттах на 1 Гц полосы;
– постоянная Больцмана, 
;
– температура в Кельвинах (абсолютная температура).
Считается, что шум не зависит от частоты. Следовательно, тепловой шум, присутствовавший в полосе диапазона B Гц, можно выразить следующим образом:
Запишем данное выражение, используя децибел-ватты:
Если сигналы разной частоты передаются в одной среде, может иметь место интермодуляционный шум. Интермодуляционным шумом являются помеха, возникающие на частотах, которые представляют собой сумму, разность или произведение частот двух исходных сигналов. Например, смешивание двух сигналов, передаваемых на частотах 
и 
соответственно, может привести к передаче энергии на частоте 
. При этом данный паразитный сигнал может интерферировать с сигналом связи, передаваемым на частоте .
Интермодуляционный шум возникает вследствие нелинейности приемника, передатчика или же промежуточной системы передачи. Как правило, все указанные компоненты ведут себя как линейные системы, т.е. их выходная мощность равна входной мощности, умноженной на некоторую константу. Для нелинейных систем выходная мощность является более сложной функцией входной мощности. Нелинейность может быть вызвана неисправностью одной из деталей, использованием сигнала чрезмерной мощности или же просто природой используемого усилителя. Для указанных случаев помехи возникают на частотах, являющихся суммой или разностью частот исходных сигналов.
С перекрёстными помехами сталкивался каждый, кто во время использования телефона переменно слышал разговор посторонних людей. Данный тип помех возникает вследствие нежелательного объединения трактов передачи сигналов. Такое объединение может быть вызвано сцеплением близко расположенных витых пар, по которым передаются множественные сигналы. Перекрестные помехи могут возникать во время приема посторонних сигналов антеннами СВЧ-диапазона. Несмотря на то, что для указанного типа связи используют высокоточные направленные антенны, потерь мощности сигнала во время распространения избежать все же невозможно. Как правило, мощность перекрёстных помех равна по порядку (или ниже) мощности теплового шума. Все указанные выше типы помех являются предсказуемыми и характеризуются относительно постоянным уровнем мощности. Таким образом, вполне возможно спроектировать систему передачи сигнала, которая была бы устойчивой к указанным помехам.
Однако, кроме вышеперечисленных типов помех, существуют так называемые импульсные помехи, которые по своей природе являются прерывистыми и состоят из нерегулярных импульсов или кратковременных шумовых пакетов с относительно высокой амплитудой. Причин возникновения импульсных помех может быть множество, в том числе, внешние электромагнитные воздействия (например, молнии) или дефекты (поломки) самой системы связи.
Как правило, отрицательное влияние импульсных помех на процесс аналоговой передачи данных незначительно. Например, при передаче голосового сигнала может появляться потрескивание или щелчки, не сильно влияющие на разборчивость передаваемой информации. В то же время при передаче цифровых данных импульсные помехи — это основной источник ошибок. К примеру, посторонний импульс длительностью 0,01 сек. никак не повлияет на голосовой сигнал, однако, при передаче данных со скоростью 56 Кбит/с появление такого импульса будет означать потерю 560 бит информации.
5.4 Отношение сигнал/шум в цифровых системах связи
Отношение энергии сигнала на 1 бит к плотности мощности шумов на 1 герц 
— используется в качестве меры производительности цифровых систем связи. Рассмотрим цифровой или аналоговый сигнал, содержащий двоичные цифровые данные, передаваемые с определенной скоростью — R бит/с. Напомним, что 1 Вт = 1 Дж/с, и вычислим удельную энергию одного бита сигнала: 
(где 
– мощность сигнала; 
– время передачи одного бита). Скорость передачи данных R можно выразить в виде 
. Следовательно,
.
Отношение, выраженное в децибелах, принимает следующий вид:
Отношение 
имеет большое практическое значение, поскольку скорость появления ошибочных битов является (убывающей) функцией данного отношения. При известном значении , требуемом для получения желаемого уровня ошибок, можно выбирать все прочие параметры в приведенном уравнении. Необходимо отметить, что для сохранения требуемого значения при повышении скорости передачи данных R потребуется увеличивать мощность передаваемого сигнала по отношению к шуму.
Довольно часто уровень мощности шума достаточен для изменения значения одного из битов данных. Если же увеличить скорость передачи данных вдвое, биты будут «упакованы» в два раза плотнее, и тот же посторонний сигнал приведёт к потере двух битов информации. Следовательно, при неизменной мощности сигнала и шума увеличение скорости передачи данных влечет за собой возрастание уровня возникновения ошибок.
Атмосферное поглощение
Причиной дополнительных потерь мощности сигнала между передающей и принимающей антеннами является атмосферное поглощение, при этом основной вклад в ослабление сигнала вносят водные пары и кислород. Максимальные потери мощности сигнала наблюдаются вблизи точки 22 ГГц, что вызвано взаимодействием с водяными парами. Для частот ниже 15 ГГц потери мощности намного меньше. Пик потерь мощности вследствие взаимодействия электромагнитных волн с кислородом наблюдается вблизи точки 60 ГГц; действие данного фактора ослабляется при частотах ниже 30 ГГц. Дождь и туман (капли воды, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе) приводят к рассеиванию радиоволн и, в конечном счете, к ослаблению сигнала. Указанные факторы могут быть основной причиной потерь мощности сигнала. Следовательно, в областях, для которых характерно значительное выпадение осадков, необходимо либо сокращать расстояние между приемником и передатчиком, либо использовать для связи более низкие частоты.