Двунаправленные усилители (ВDA)

Двунаправленный усилитель (Bi-directional Amplifier, BDA) - это усилитель полосы ВЧ сигнала, который работает в двух направлениях - приема и передачи, т.е. в простейшем случае имеет в своем составе два линейных широкополосных ВЧ усилителя (без какого-либо преобразования сигнала). Один усиливает всю полосу частот, в которой работает радиосистема на передачу, в сторону абонентских радиостанций (Downlink), второй такой же усилитель усиливает сигнал от радиостанций в сторону радиосистемы (Uplink). На входе и выходе стоят два полосовых дуплексных антенно-разделительных фильтра для подключения двух антенн. Одна антенна «смотрит» в сторону радиосистемы, а вторая - в сторону радиоабонентов и устанавливается в тех местах, где покрытие непосредственно от радиосистемы плохое или отсутствует совсем.

Рассмотрим работу двунаправленного усилителя на примере крупного многоэтажного здания.

Конструктивная сложность и размеры высотных зданий обуславливают сильное поглощение и ослабление сигнала стенами зданий. В таких условиях усилитель ставят на крыше здания или его верхних этажах в максимальном приближении к внешней антенне (для улучшения соотношения сигнал/шум в усиленном сигнале, который будет подаваться по коаксиальному кабелю в здание).

Сигнал, полученный с внешней антенны, усиливается усилителем Downlink и по коаксиальным кабелям попадается на установленные в помещениях здания внутренние антенны, излучающие его для приема абонентскими радиостанциями.

Работа в обратном направлении полностью аналогична - принятый установленными внутри здания антеннами сигнал через усилитель Uplink передается на внешнюю антенну и излучается для приема базовыми станциями.

Использование двунаправленных усилителей предполагает применение дополнительных антенн внутри помещений или в других местах, где принимаемый сигнал от радиосистемы настолько слаб, что нуждается в усилении. Причем, как правило, это не одна антенна, а целая распределенная антенная система (Distributed Antenna System, DAS).

Важной задачей при реализации решений с использованием двунаправленных усилителей является обеспечение требуемой развязки между внешней антенной и внутренними антеннами. При этом важно не допустить попадание сигнала с выхода внутренних антенн на вход внешней антенны (и наоборот) и последующего самовозбуждения усилителя.

---

Упрощенная структурная схема традиционного двунаправленного усилителя (моноблока) приведена на рисунке ниже:

Данная схема приведена для пояснения принципа действия, и имеет мало общего с реальной структурной схемой, так как в состав реального BDA входят и линейные малошумящие входные усилители, и регулируемые аттенюаторы, а также предусилители и и специализированные высоко-линейные усилители мощности, не говоря уже об измерительных элементах, которые необходимы для правильной настройки такого двунаправленного усилителя.

Данное решение, несмотря на свою очевидную простоту в реализации, к сожалению не слишком эффективно. И в первую очередь это связано с тем, что коэффициент усиления каждого из линейных усилителей (Uplink и Downlink) должен быть меньше степени изоляции внешней и внутренней антенн. В противном случае усилитель перейдет в режим самовозбуждения. В современных двунаправленных усилителях имеется защита от такого режима, однако практика использования таких усилителей показывает их не очень высокую эффективность.

В настоящее время помимо классического BDA (моноблока) получили распространение двунаправленные усилители, разделенные на два блока, которые называются Локальный блок (Local Unit) и Удаленный блок (Remote Unit), структурная схема которых приведена на рисунке ниже:

При использовании такого усилителя появляется возможность разнесения полукомплектов усилителей на значительно большее удаление друг от друга - до 300 метров по коаксиальному кабелю.

Несмотря на то, что данное решение более эффективно, чем первое, оно также не лишено недостатков.

В частности, остается проблема изоляции внешней и внутренней антенн, а также то, что оба усилителя, причем особенно это актуально для усилителя Downlink, вынуждены будут усиливать все сигналы, которые попадут в полосу пропускания входных полосовых антенно-разделительных фильтров. А так как в эфире всегда присутствуют не только «свои» несущие, но и чужие, то выходная мощность усилителя будет пропорционально делиться между ними, автоматически снижая его эффективность.

Последние разработки в области конструирования таких устройств позволяют исправить этот недостаток, включив в состав каждого из полукомплектов двунаправленного усилителя блоки цифровой обработки сигнала, с помощью которых можно обеспечить пропуск и дальнейшее усиление сигналов по нескольким каналам шириной 25-30 кГц каждый. Причем их количество и значение центральной частоты выбирается программно. Такие усилители получили название Channel-Selective. КПД усилителя мощности в таких устройствах гораздо выше, что обеспечивает лучшие характеристики по покрытию внутри помещений, снижает количество необходимых антенн внутри здания и т.д.

Но главная проблема – изоляция внешних и внутренних антенн, по-прежнему остается основным ограничением при использовании устройств BDA.

Новым шагом в проектировании таких систем стала возможность использования ВОЛС для связи между собой локального и удаленного блоков. В первую очередь это резкое увеличение расстояния (до 10-20 км), на котором могут работать соединенные по оптическому кабелю блоки. Такое большое расстояние уже само по себе обеспечивает прекрасную изоляцию антенн и позволяет в полной мере раскрыть преимущества использования BDA:

Возможность заказа локального и удаленного блоков BDA с опцией цифровой обработки сигнала (Channel-Selective) позволяет использовать такие устройства для расширении зоны покрытия существующих базовых станций не только внутри зданий, тоннелей и других сложных с точки зрения радиопокрытия сооружений, но и на открытой местности, если требуется обеспечить связью небольшую по размерам территорию.

Новые схемотехнические решения позволили поднять и мощность усиливаемого сигнала. Фактическая суммарная мощность усиленного сигнала у большинства производителей составляет 5-10 Вт.

Еще одним вариантом использования таких устройств может стать схема, приведенная на следующем рисунке:

В этом случае сигнал от базовой станции можно брать непосредственно с антенного фидера через направленный ответвитель. Это одно из лучших решений, так как:

• обеспечивается гарантированная развязка антенн;
• снижается стоимость локального усилителя, т.к. большая мощность усилителя в сторону базовой станции не нужна – фактически мы имеем непосредственное соединение с базовой станцией;
• нет необходимости в приобретении опции цифровой обработки сигнала, во всяком случае для локального блока, т.к. нет «чужих» сигналов.

Для самых сложных объектов, например тоннелей или городского метрополитена, также существуют решения, когда необходима установка большого числа удаленных блоков. В этом случае есть возможность реализовать схему точка-многоточка. 

Принцип работы такой схемы заключается в установлении соединений по одному оптическому волокну сразу нескольких условных «пар» BDA-усилителей. Уплотнение оптического кабеля осуществляется с помощью оптических мультиплексоров (призм), входящих в состав каждого из устройств. Для эффективного разделения каналов в качестве источников излучения применяются высокостабильные прецизионные лазерные излучатели. Использование такой схемы предполагает тщательный экономический анализ ее внедрения, так как стоимость ее достаточно высока, и использование других альтернативных вариантов, например установка базовых станций на каждой из станций метро, иногда может оказаться экономически более выгодным вариантом.

---

Нашей компанией предлагаются двунаправленные усилители производства компании Hytera, которая на сегодняшний день производит практически все варианты BDA-усилителей, описанные в настоящей статье, в том числе с опцией Channel-Selective, позволяющей программно разрешать от 1 до 8 каналов с шириной спектра 25 -30 кГц.

Для более сложных решений точка-многоточка мы предлагаем решение от компании Fiber-Span.

В качестве примеров, можно привести несколько характерных случаев, когда может возникнуть необходимость в применении двунаправленных усилителей:

• Решение для организации радиосвязи в туннелях. В длинных и узких туннелях радиосигнал очень быстро затухает и его прием возможен только у входа и выхода. Использование двунаправленного усилителя позволит обеспечить надежную радиосвязь вдоль всего туннеля.

• Радиосвязь в закрытых помещениях. Большинство транкинговых радиосистем обеспечивают большие зоны охвата на открытой местности. Но в закрытых помещениях происходит ослабление сигнала вследствие потери мощности при отражении, прохождении радиосигнала через препятствия и из-за других факторов. Поэтому на нижних этажах, в подвалах и лифтах высотных зданий образуются зоны, недоступные для связи или зоны с низким качеством сигнала. Для передачи сигналов базовой станции в эти помещения можно устанавливать двунаправленные усилители, которые позволяют значительно увеличить мощность сигнала и повысить качество связи.

• Увеличение существующей зоны покрытия. Надо понимать, что использование двунаправленного усилителя вместо базовой станции никогда не сможет обеспечить сопоставимые зоны покрытия. Максимум, что можно получить, это обеспечение радиосвязью небольшой территории, если использовать вынос удаленного блока двунаправленного усилителя по оптическому кабелю с обязательным использованием цифровой фильтрации для усиления только нужных участков спектра.

---

Вернуться к разделу "Комплектующие для систем радиосвязи"