Signal-Rausch-Verhältnis

Introduction

Wenn man über Funk kommuniziert, ist es wichtig zu wissen, wie man Signal- und Rauschpegel misst, um die Kommunikationsumgebung und die Zuverlässigkeit zu bestimmen. Nach der Lektüre dieses Artikels sollten Ingenieure diese Begriffe gut verstehen und wissen, wie sie sie bei der Entwicklung ihres Funksystems verwenden können.

Empfangssignalpegel

Dieser Wert ist als RSSI (Received Signal Strength Indicator) oder einfach RSS bekannt und steht für die Signalstärke an der Empfangsantenne. Meistens erkennt man dies z. B. an einer grafischen Balkenanzeige, wobei die Anzahl der Balken den RSSI-Wert angibt, wie unten dargestellt. Der Wert kann auch als Prozentsatz angezeigt werden. Außerdem ist es möglich, den RSSI-Wert als absoluten Wert anzuzeigen, z. B. -90 dBm. In jedem Fall gilt: je höher der Wert, desto stärker das Signal.

Rauschpegel

Definition

Zunächst einmal: Was verstehen wir unter Rauschen? Rauschen ist jedes unerwünschte Signal im Empfänger (entweder im Empfänger selbst oder aus der Umgebung), das das Signal, das wir zu empfangen versuchen, stört. Wer früher Kompaktkassetten anhörte, nahm oft ein hochfrequentes Rauschen im Hintergrund wahr. Dies wird als Bandrauschen bezeichnet und ist auf die zufällige Anordnung der magnetischen Partikel im Band zurückzuführen. In ähnlicher Weise kann beim Empfang eines HF-Signals ein Rauschen auftreten, das die Datenwiederherstellung erschwert oder unerwünschte Signale aus der Umgebung ebenso wie das Nutzsignal aufnimmt.
Bei der Bewertung der Kommunikationsleistung müssen daher sowohl der Pegel des Nutzsignals (erwünscht) als auch der Pegel des Rauschens (unerwünscht) berücksichtigt werden.

Rauschquellen

Natürliche Rauschquellen sind unter anderem Blitze (zu hören als Knistern in AM-Radios) und kosmische Strahlung aus dem Weltall. Andere Lärmquellen sind vom Menschen verursacht, z. B. die Zündung von Autos, Lichtschalter, Computermonitore, Leuchtstoffröhren, Wechselrichter, Stromleitungen usw. Außerdem können andere drahtlose Geräte in der Umgebung Signale auf ähnlichen Frequenzen erzeugen.

Rauschen kann sogar von den eingebauten Komponenten des Empfängers erzeugt werden, z. B. von einem LCD usw., wo unbeabsichtigte Strahlung von solchen Komponenten ein ständiges Problem darstellt. Außerdem geben alle Komponenten aufgrund der thermischen Bewegung der Ladungsträger Rauschen ab, das mit steigender Temperatur zunimmt. Daher sind Empfänger wie Radioteleskope auf eine kryogene Kühlung angewiesen, um ihre Empfindlichkeit zu maximieren.

Signal-Rausch-Verhältnis (S/N)

Um also den Signalempfang mit der geringst möglichen Wahrscheinlichkeit von Datenfehlern zu verbessern, müssen wir das gewünschte Signal maximieren und gleichzeitig alle unerwünschten Signale minimieren. Das Verhältnis zwischen dem gewünschten und dem unerwünschten Pegel ist das D/U-Verhältnis (engl. Desired/Undesired). Oder besser gesagt, es ist der verfügbare Signalabstand, der als Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) oder SNR bezeichnet wird.

Unterschied zwischen Empfängerempfindlichkeit und S/N

Einer der Parameter in der Spezifikation für Funkempfänger ist die Empfängerempfindlichkeit. Dieser wird definiert als der niedrigste Signalpegel (in dBm), bei dem ein Empfang noch möglich ist. Je niedriger dieser Wert ist, desto besser ist die Empfindlichkeit. Aber bedeutet das, dass Funkwellen weiter reichen können?

Man würde erwarten, dass höhere Empfindlichkeit = größere Entfernung bedeutet. Aber das ist nicht alles.

Die Empfindlichkeit des Empfängers wird vom Hersteller gemessen, wobei ein Signal direkt an den Antennenanschluss des Empfängers angeschlossen wird. Das heißt, die Empfängerleistung wird bei geringen Signalstörungen aus der Umgebung beurteilt.

Bei konkreten Übertragungen erfasst die Antenne sowohl unerwünschte Signale aus der Umgebung als auch das gewünschte Signal. Bei der Bewertung der Kommunikationsleistung müssen daher der Pegel des Nutzsignals (erwünscht) und der Pegel des Rauschens (unerwünscht) berücksichtigt werden. Das ist das Signal-Rausch-Verhältnis (oder D/U), das wir oben beschrieben haben, und die Messung, die verwendet werden muss.

Das Modul MU-2 von Circuit Design kann beispielsweise bei einem Pegel von -100 dBm empfangen, bei einem Rauschpegel von -120 dBm und einem S/N von 20 dB ist der Empfang jedoch möglich. Im zweiten Beispiel ist der Signalpegel mit -80 dBm höher, aber der Rauschpegel ist auch höher bei nur 5 dB S/N, und der Empfang ist nicht möglich.

 

Messung des RSSI

Der RSSI ist, wie oben erklärt, der Empfangspegel, der an der Antenne gesehen wird, und fast alle Circuit Design-Module verfügen über eine Methode zur Ausgabe des RSSI-Echtzeitwerts, entweder durch Eingabe des Befehls oder durch Verwendung des RSSI-Terminals des Moduls (Details siehe Produkthandbuch).

Beachten Sie, dass der RSSI-Wert kein Hinweis auf das S/N ist und nur den Gesamtpegel anzeigt. Das S/N wird wie folgt aus dem RSSI bestimmt:

1. Messung des RSSI während des Signalempfangs
2. Messung des RSSI ohne Signal (Rauschpegel)

Die Spanne zwischen diesen 2 Pegeln ergibt das S/N.

Ergebnisse aus tatsächlichen Messungen

Die folgenden Ergebnisse wurden mit dem 429-MHz-Modul MU-2 von Circuit Design erzielt. Mit ähnlichen Ergebnissen können Sie rechnen, wenn Sie das Modul MU-4 434 MHz verwenden.

Rauschpegel

Mit dem Befehl @CA kann eine Quellstation den RSSI-Pegel jedes Kanals an einer Zielstation abfragen. Bei MU-2 429 MHz stehen 40 Kanäle (Kanal-7-46) zur Verfügung. Der Nutzer kann den Rauschpegel an der Zielstation ermitteln. Bei diesem Test wurde der Befehl alle 30 s über insgesamt 50 Minuten wiederholt (wodurch die RSSI-Daten 100 mal erfasst werden konnten). Die abgelesenen Werte werden unten angezeigt.

Wie Sie sehen können, ist das Grundrauschen nicht konstant, sondern schwankt. Wenn wir nur den 100. Datensatz des RSSI mit dem Maximal-/Minimalpegel vergleichen und sie zusammen aufzeichnen, erhalten wir die folgende Grafik:

Wenn man den RSSI über einen längeren Zeitraum verfolgt, sieht man, wie sich der Rauschpegel um 6 und 8 dB ändert. Was man auch sehen kann, wenn man viele RSSI-Messwerte lange Zeit betrachtet, sind Signale auf anderen Kanälen, z. B. auf den Kanälen 15, 31, 43 und 45.

Blick auf das S/N

Mit dem Befehl @CR kann der RSSI sowohl für den Signalpegel als auch für den Rauschpegel um die Zielstation herum ermittelt werden. Das Ergebnis enthält 2 Messwerte – einen für den Signalpegel und einen für den Rauschpegel. Der Befehl wird alle 30 Sekunden für insgesamt 50 Minuten wiederholt und gegen die Zeit dargestellt.

 

Sie sehen, dass der Signalpegel nicht konstant ist, sondern um 10 dB und mehr an manchen Stellen abfällt. Wahrscheinlich ist das auf Bewegung von Menschen, Objekten usw. in dem Bereich zurückzuführen, der die Funkausbreitung beeinflusst. Wo es Menschen und Autos gibt, kann der Pegel sogar noch mehr schwanken.

Fazit

Da das MU-2 binäres FSK (2-FSK) verwendet, ist es notwendig, mindestens 10 dB im S/N für den Empfang zu lassen. Im obigen Test haben wir gesehen, dass der Signalpegel über eine Dauer von 50 Minuten um 10 dB oder mehr schwankte. Für eine zuverlässige Kommunikation ist es daher empfehlenswert, eine zusätzliche Marge hinzuzufügen, um das S/N auf etwa 20 dB bis 30 dB zu verbessern.

Um Funkwellen über eine große Distanz zu übertragen, müssen wir nicht nur die Empfängerempfindlichkeit, sondern auch den Rauschpegel berücksichtigen.