Podstawy radiokomunikacji

Transkrypt

1 Podstawy radiokomunikacji Z. Serweciński

2 Fala elektromagnetyczna kierunek drgań wektora natężenia pola elektrycznego kierunek rozchodzenia się fali kierunek drgań wektora natężenia pola magnetycznego Falą elektromagnetyczną nazywamy zaburzenie pola elektrycznego i magnetycznego, które rozchodzi się w próżni lub ośrodku materialnym. Fala elektromagnetyczna jest nośnikiem energii na małe i duże odległości; gdy dociera do przewodnika ulega zamianie 2 na prąd płynący w przewodniku.

3 Fala elektromagnetyczna Pole elektryczne jest opisane ilościowo przez wielkość zwaną natężeniem pola elektrycznego E, którego jednostką jest V/m. Pole magnetyczne jest opisane ilościowo przez wielkość zwaną natężeniem pola magnetycznego H, którego jednostką jest A/m. 3

4 Prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni i w powietrzu: c km/s 1 c w dielektryku bezstratnym: v = = µε µ r ε r µ = c µ r = przenikalność magnetyczna ośrodka ε = c ε r = przenikalność elektryczna ośrodka µ r względna przenikalność magnetyczna ośrodka ε r względna przenikalność elektryczna ośrodka 4

5 Fala elektromagnetyczna λ Długość fali λ = v/f Dla próżni lub powietrza λ = c/f Np. dla średniej częstotliwości pasma UKF (69,5 MHz) λ = 4,32 m, dla środkowej częstotliwości pasma CB (f = 27 5 MHz) λ = 11 m, dla mikrofalλ<1 m.

6 Fala płaska TEM Pojęcie fali płaskiej jest bardzo użyteczne podczas analizy rzeczywistych fal radiowych. Źródła rzeczywiste wytwarzają zwykle fale kuliste, cylindryczne albo będące wynikiem ich superpozycji (nakładania się). W dostatecznie dużej odległości od źródła (anteny nadawczej) każdą falę możemy lokalnie (na małym obszarze) traktować jako falę płaską, czyli falę, której czoło jest płaskie. 6

7 Fala płaska TEM Wektor pola elektrycznego E fali płaskiej jest zawsze prostopadły do wektora pola magnetycznego H. Jednocześnie oba te wektory są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali (jak na rys. ze str. 2 i 5). Falę płaską tego typu nazywa się falą typu TEM (Transverse ElektroMagnetic). 7

8 Podział fal radiowych wg ITU-R Częstotliwość Długość fali Oznaczenie metryczne Nazwa oznaczenie częstotliwościowe 10 khz 30 khz 30 km 10 km fale myriamowe VLF (Very Low Frequencies) fale o bardzo niskiej częstotliwości 30 khz 300 khz 10 km 1 km fale kilometrowe LF (Low Frequencies) fale o niskiej częstotliwości 330 khz 3 MHz 1 km 100 m fale hektometrowe MF (Medium Frequencies) fale o średniej częstotliwości 3 MHz 30 MHz 100 m 10 m fale dekametrowe HF (High Frequencies) fale o wysokiej częstotliwości 30 MHz 300 MHz 10 m 1 m fale metrowe VHF (Very High Frequencies) fale o bardzo wysokiej częstotliwości Zakres mikrofal 300 MHz 3 GHz 3 GHz 30 GHz 30 GHz 300 GHz 1m 10 cm 10 cm 1 cm 1 cm 1 mm fale decymetrowe fale centymetrowe fale milimetrowe UHF (Ultra High Frequencies) fale o ultra wysokiej częstotliwości SHF (Super High Frequencies) fale o super wysokiej częstotliwości EHF (Extremaly High Frequencies) fale o ekstremalnie wysokiej częstotliwości 8

9 Tradycyjny podział fal radiowych Nazwa zakresu fale bardzo długie fale długie fale średnie fale pośrednie fale krótkie fale ultrakrótkie mikrofale Długość fal > 20 km 20 3 km m m m 10 1 m < 1 m Częstotliwość < 15 khz khz khz 1,5 3 MHz 3 30 MHz MHz > 300 MHz 9

10 Polaryzacja fali elektromagnetycznej O polaryzacji fali płaskiej decyduje figura geometryczna, jaką zakreśla koniec wektora natężenia pola elektrycznego w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali. Jeśli wektor wykreśla linię prostą, mówimy o polaryzacji liniowej, która najczęściej jest pionowa bądź pozioma. Z polaryzacją kołową lub eliptyczną (prawoskrętną lub lewoskrętną) mamy do czynienia w przypadku, gdy wektor zakreśla odpowiednio okrąg lub elipsę. 10

11 Polaryzacja fali elektromagnetycznej a b Fale spolaryzowane liniowo a) poziomo b) pionowo Fale spolaryzowane a) kołowo b) eliptycznie 11

12 Efekt naskórkowy (zjawisko naskórkowości) Efekt naskórkowy dotyczy przewodników rzeczywistych, w których płynie prąd zmienny. Polega on na tym, że prąd zmienny płynie tylko w cienkiej, powierzchniowej warstwie przewodnika, a nie całym jego przekrojem. Zjawisko to powoduje wzrost rezystancji przewodnika oraz strat (energia fali zamienia się na ciepło). Efekt naskórkowy jest tym silniejszy, im większa jest częstotliwość prądu. 12

13 Efekt naskórkowy (zjawisko naskórkowości) Głębokością wnikania nazywamy drogę w głąb przewodnika, po przebyciu której amplituda pola E lub H fali elektromagnetycznej zostanie osłabiona 2,7 razy. Głębokość wnikania zależy od częstotliwości fali, przewodności materiału oraz przewodności magnetycznej. Przykładowo, dla f = 10 GHz głębokość wnikania dla miedzi wynosi 0,66 µm, dla złota 0,786 µm, dla aluminium 0,814 µm, dla srebra 0,64 µm. Efekt naskórkowy ograniczamy przez powlekanie przewodnika cienką warstwą przewodnika o większej głębokości wnikania oraz przez wygładzanie powierzchni przewodnika. 13

14 Efekt naskórkowy (zjawisko naskórkowości) Rys. Nierównomierność rozkładów gęstości prądu w wyniku zjawiska naskórkowości przepływ prądu stałego przepływ prądu zmiennego o częstotliwości f 1 przepływ prądu zmiennego o częstotliwości f 2 > f 1 14

15 Efekt Dopplera Z efektem Dopplera mamy do czynienia, jeśli przynajmniej jedna z anten (nadawcza lub odbiorcza) znajduje się w ruchu. Polega on na pozornej zmianie częstotliwości. Jest analogiczny, jak w przypadku fali akustycznej. Efekt Dopplera ma znaczenie w systemach radiokomunikacji ruchomej lądowej (w systemach komórkowych), satelitarnej (z wyjątkiem satelitów geostacjonarnych), w technice radarowej. Zmiana częstotliwości może skutkować błędną filtracją sygnału wejściowego i kłopotami z utrzymaniem połączenia. Zmiana częstotliwości wynosi f = f 0 v/c, gdzie f 0 częstotliwość sygnału, v prędkość poruszającego się odbiornika lub nadajnika, c prędkość światła w próżni lub powietrzu. 15

16 Prowadnice falowe Prowadnica falowa jest to układ powierzchni granicznych materiałów, tworzących ciągłą drogę z jednego punktu do drugiego, zdolny do skierowania przepływu energii elektromagnetycznej wzdłuż tej drogi. Fala elektromagnetyczna może być prowadzona wzdłuż przewodników, jak i dielektryków. Prowadnice, które prowadzą fale płaskie TEM lub zbliżone do nich, są zwane liniami transmisyjnymi. Prowadnice, które prowadzą inne rodzaje fal niż TEM, są zwane falowodami. 16

17 Linie transmisyjne TEM Linie transmisyjne TEM prowadzą fale płaskie TEM lub zbliżone do nich. Rodzaje linii transmisyjnych TEM linie współosiowe (koncentryczne) pomiędzy przewodnikami znajduje się przestrzeń wypełniona dielektrykiem (tworzywo sztuczne lub powietrze); ekran powoduje, że rozpraszanie energii na zewnątrz i wpływ zakłóceń zewnętrznych są znikome; nie są wrażliwe na zbliżenie do innych przedmiotów; konstrukcja mechaniczna jest bardzo trwała (> 10 lat) i odporna na czynniki zewnętrzne, które nie powodują zmian parametrów elektrycznych linii, 17

18 Linie transmisyjne TEM Linie symetryczne pozwalają realizować dość duże wartości impedancji falowych; promieniują i odbierają znaczne zakłócenia; ich parametry elektryczne są wrażliwe na zbliżenie do innych przedmiotów; znacznie mniej odporne na czynniki zewnętrzne (do kilku lat). 18

19 Linie transmisyjne TEM Linie mikropasmowe i paskowe używane są w technice mikrofalowej; wykonane są w technice obwodów drukowanych, co ułatwia połączenia z elementami elektronicznymi; mają dość dużą tłumienność, ale nie stanowi to problemu w krótkich połączeniach; są niesymetryczne względem ziemi; część linii pola zamyka się w powietrzu co powoduje występowanie składowych wzdłużnych pola o małych wartościach, dlatego linie te nazywamy quasi-tem. 19

20 Falowody Falowody mają postać metalowych rur o przekroju prostokątnym, kołowym lub eliptycznym. Wykorzystuje się je przede wszystkim w zakresie mikrofalowym do przesyłania energii od nadajnika do anteny lub od anteny do odbiornika. Istnieją też falowody dielektryczne, wykorzystujące zjawisko fali powierzchniowej. Przykładem falowodu dielektrycznego jest światłowód, prowadzący fale elektromagnetyczne optyczne. 20

21 Falowody Falowody mogą przenosić fale: typu TE (Transverse Electric, inne oznaczenie H) fale, które nie mają składowej pola elektrycznego wzdłuż kierunku propagacji, a mają składową wzdłużną pola magnetycznego (pole elektryczne jest prostopadłe do kierunku propagacji), typu TM (Transverse Magnetic, inne oznaczenie E) fale, które mają składowe wzdłużne pola elektrycznego, a nie mają składowych wzdłużnych pola magnetycznego (pole magnetyczne jest prostopadłe do kierunku propagacji). W falowodach nie mogą rozchodzić się fale typu TEM. 21

22 Prowadzenie fal w falowodach Fala rozchodząca się w falowodzie jest wytwarzana przez wejściowe prądy i napięcia. Z polem elektrycznym jest związana różnica potencjałów między ściankami falowodu. Z polem magnetycznym jest związany przepływ prądu po wewnętrznej powierzchni falowodu. Energia fali jest przenoszona w dielektryku wypełniającym falowód. Ścianki falowodu, podobnie jak przewody linii transmisyjnych, nie przenoszą energii i służą jedynie jako prowadnice fal w przestrzeni. 22

23 Prowadzenie fal w falowodach Rozkłady przestrzenne pola elektrycznego i magnetycznego wewnątrz falowodu zależą od częstotliwości fali. Fala elektromagnetyczna porusza się w falowodzie odbijając się od jego ścianek. Fala poruszająca się wzdłuż osi falowodu (bez odbić) zostaje szybko wytłumiona. Kąt padania i kąt odbicia jest funkcją częstotliwości. Gdy częstotliwość się zmniejsza, kąt padania i odbicia maleje. Dla częstotliwości granicznej kąt padania (i odbicia) wynosi 0º i fala nie może rozchodzić się wzdłuż falowodu. 23

24 Propagacja fal w falowodzie prostokątnym dla różnych częstotliwości 24

25 Rozkłady ważniejszych rodzajów pola w falowodzie prostokątnym i kołowym Linia ciągła oznacza pole elektryczne, linia przerywana oznacza pole magnetyczne. 25

26 Budowa falowodów Falowody można podzielić na sztywne i półgiętkie. W przypadku falowodów sztywnych zmiana kierunku prowadzenia falowodu wymaga użycia odpowiedniego odcinka przejściowego. Falowody półgiętkie mają karbowaną powierzchnię, co umożliwia ich niewielkie zginanie. Falowody eliptyczne są zwykle wykonywane jako półgiętkie. 26

27 Wzbudzanie fal w falowodach Wzbudzenie fal w falowodzie może odbywać się na trzy sposoby: przez pobudzenie pola elektrycznego, pobudzenie pola magnetycznego lub pobudzenie obu składowych pola elektromagnetycznego. Pobudzenie pola elektrycznego odbywa się najczęściej poprzez sondę (antenkę) wtrąconą w środku szerszej ścianki w odległości ¼λ g od zwartego końca falowodu. 27

28 Wzbudzanie fal w falowodach Pobudzenie pola magnetycznego odbywa się za pomocą małej pętli umieszczonej przy zwartym końcu falowodu. 28

29 System łączności radiowej System łączności radiowej wykorzystuje fale elektromagnetyczne do transmisji informacji między nadajnikiem i odbiornikiem. Sygnał wyjściowy z nadajnika o mocy P T doprowadzony jest do anteny nadawczej, która zamienia sygnał elektryczny na falę elektromagnetyczną i wypromieniowuje ją do przestrzeni otaczającej antenę. Przestrzeń otaczająca antenę nazywa się radiowym kanałem propagacyjnym. Sygnał radiowy odbierany jest przez antenę odbiorczą i doprowadzony jest do odbiornika. 29

30 Rodzaje systemów łączności radiowej Systemy łączności radiowej ruchomej Antena terminala użytkownika umieszczona jest poniżej otaczających ją obiektów (anteny terminala i stacji bazowej nie muszą widzieć się bezpośrednio). Realizują połączenia z użytkownikiem będącym w ruchu. Antena terminala ma często dookólną charakterystykę promieniowania. Sygnał radiowy dociera do odbiornika z anteną dookólną wieloma drogami (propagacja wielodrogowa). Względny ruch między antenami powoduje dopplerowskie przesunięcie częstotliwości odbieranego sygnału oraz 30 zmiany właściwości kanału radiowego w czasie.

31 Rodzaje systemów łączności radiowej Systemy łączności radiowej stałej Realizują połączenia między nieruchomym nadajnikiem i nieruchomym odbiornikiem. Wysokość zawieszenia anten dobiera się tak, by anteny te wzajemnie się widziały. Stosuje się anteny o wąskich charakterystykach promieniowania (w odbiorniku), np. z reflektorem parabolicznym. przykłady systemów: cyfrowe linie radiowe, połączenia radiowe punkt-punkt (P-P), połączenia radiowe punkt-wiele punktów (P-MP). 31

32 Rozchodzenie się fal radiowych wokół Ziemi a) z pominięciem wpływu atmosfery Ziemia b) w rzeczywistej atmosferze Ziemia 32

33 Mechanizmy propagacji fal w atmosferze Odbicie i załamanie na warstwach troposfery a) występujące zawsze b), c) krótkotrwałe, spowodowane zjawiskami atmosferycznymi i anomaliami w atmosferze Dyfrakcja ugięcie fal na przeszkodach terenowych Rozpraszanie w troposferze występuje wskutek lokalnych fluktuacji współczynnika załamania troposfery Hydrometeory cząsteczki wody zawarte w powietrzu: deszcz, mgła Dukty fal powstają wskutek lokalnej inwersji zmian współczynnika załamania troposfery w funkcji wysokości nad powierzchnią Ziemi 33

34 Tłumienie wolnej przestrzeni Antena odbiorcza umieszczona w strefie dalekiej odbiera sygnał malejący ze wzrostem odległości między antenami. Tłumienie wolnej przestrzeni określa się wzorem: L FS W W = 4πd λ 2 = 4πdf c 2 d odległość między antenami λ długość propagującej fali f częstotliwość propagującej fali c prędkość rozchodzenia się fali 34

35 Tłumienie wolnej przestrzeni W mierze logarytmicznej tłumienie wolnej przestrzeni określa się wzorem: L FS [db] = 10log 4πd λ 2 = 20log 4πd λ W praktyce wykorzystuje się zależność: L FS [ db] = 32, log( f[ MHz ]) + 20log( d[ km ]) Dla propagacji w wolnej przestrzeni, tłumienie kanału radiowego jest proporcjonalne do kwadratu odległości między antenami. 35

36 Strefy Fresnela... czyli jak przeszkody terenowe wpływają na zasięg łącza radiowego R 1 r Na propagację fal mają wpływ przeszkody terenowe znajdujące się w obszarze pierwszej strefy Fresnela. Przestrzennie strefy Fresnela mają postać elipsoid obrotowych, których ogniska stanowią punkty umieszczenia anten. R 1 promień pierwszej strefy Fresnela 36

37 Strefy Fresnela Promień pierwszej strefy Fresnela wynosi: r [m] R 1 = 8,66 f [MHz] Sprawdzenie, czy obszar objęty pierwszą strefą Fresnela jest wolny, stanowi istotny element projektowania łączy mikrofalowych. Dla łączy o podwyższonej niezawodności działania, cały obszar pierwszej strefy Fresnela powinien być wolny od przeszkód. Dla łączy o niższych wymaganiach wystarczy zapewnić wolny obszar w strefie o promieniu 0,6 R 1 37

38 Podstawowe techniki wielodostępu w systemach radiokomunikacyjnych FDMA wielodostęp częstotliwościowy TDMA wielodostęp czasowy CDMA wielodostęp kodowy 38

39 Podstawowe techniki wielodostępu w systemach radiokomunikacyjnych Wspólne wykorzystanie przez wielu użytkowników dostępnego zakresu częstotliwości opiera się na zastosowaniu jednej lub jednocześnie kilku z niżej wymienionych technik wielodostępu: FDMA wielodostęp częstotliwościowy TDMA wielodostęp czasowy CDMA wielodostęp kodowy 39

40 FDMA wielodostęp częstotliwościowy najprostsza i najstarsza technika w radiokomunikacji, stosowana np. do przesyłania sygnałów radiofonicznych i telewizyjnych; dostępny zakres częstotliwości radiowych jest dzielony na kanały, które przydzielane są poszczególnym nadawcom i programom; dany kanał może być przydzielony nowemu użytkownikowi po zwolnieniu go. 40

41 TDMA wielodostęp czasowy jeden częstotliwościowy kanał radiowy jest wykorzystany do przesyłania informacji dla wielu różnych odbiorców; kanał ten jest przydzielany użytkownikom okresowo w krótkich przedziałach czasowych, nazywanych szczelinami; technika TDMA jest stosowana np. w systemach komórkowych GSM (łącznie z FDMA) i telefonii bezprzewodowej DECT; w GSM użytkownikowi przydzielana jest określona szczelina czasowa (lub kilka szczelin) w określonym kanale radiowym; technika TDMA wymaga synchronizacji między nadajnikiem a odbiornikiem. 41

42 CDMA wielodostęp kodowy Informacje do wielu odbiorców przesyłane są w tym samym paśmie i tym samym czasie. Ich rozróżnienie po stronie odbiorczej jest możliwe dzięki temu, że są kodowane różnymi sekwencjami kodowymi. W systemach z rozpraszaniem bezpośrednim DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) każdy bit informacji mnożony jest przez pseudolosowy ciąg składający się z wielu bitów. 42

43 Podstawowe techniki wielodostępu w systemach radiokomunikacyjnych W wyniku tej operacji pasmo sygnału zostaje znacznie poszerzone (rozproszone). Jednocześnie w paśmie tym przesyłanych może być wiele sygnałów do różnych odbiorców. Odtworzenie w odbiorniku informacji oryginalnej wymaga przemnożenia sygnału odebranego przez sekwencję kodującą. Technika CDMA-DSSS stosowana jest m.in. w bezprzewodowych sieciach komputerowych i systemach komórkowych trzeciej generacji (UMTS). 43

44 Simpleks Podstawowe techniki transmisji w systemach radiokomunikacyjnych nadawanie i odbiór przebiegają naprzemiennie w tym samym kanale częstotliwościowym; wymaga to przełączania kierunków transmisji. Duosimpleks nadawanie i odbiór przebiegają naprzemiennie w różnych kanałach częstotliwościowych; technika ta również charakteryzuje się przełączaniem kierunków transmisji. 44

45 Podstawowe techniki transmisji w systemach radiokomunikacyjnych Dupleks częstotliwościowy (FDD) nadawanie i odbiór przebiegają jednocześnie w różnych kanałach częstotliwościowych. Dupleks czasowy (TDD) nadawanie i odbiór przebiegają w jednym kanale częstotliwościowym, ale w różnych przedziałach czasu (w tzw. szczelinach czasowych); zmiana kierunku transmisji zachodzi dostatecznie często, tak że użytkownik ma wrażenie jednoczesności nadawania i odbioru informacji. 45

46 Szerokości kanałów radiowych wybranych systemów radiokomunikacyjnych i radiodyfuzyjnych 46

47 Tłumienie mocy Skale względne i decybelowe w radiokomunikacji P we W A P = W P wy Tłumienie napięć P we A P = 10log [db] P wy P we moc wejściowa P wy moc wyjściowa U we V A U = V U wy A U = 20log [db] U we U wy U 1 napięcie wejściowe 47 U 2 napięcie wyjściowe

48 Skale względne i decybelowe w radiokomunikacji Bezwzględny poziom mocy P p = 10log [dbm] 1 mw P p = 10log [dbw] 1 W Bezwzględny poziom napięcia p U = 20log [dbµv] U 1 µv 48

49 Skale względne i decybelowe w radiokomunikacji Moc odniesienia Moc 1 mw wydzielona na rezystancji 50 Ω (najczęściej) Napięcie odniesienia U = P R Jeśli P = 1 mw, R = 50 Ω, to U = 0,224 V 49

50 Skale względne i decybelowe w radiokomunikacji Zależność między bezwzględnym poziomem mocy a bezwzględnym poziomem napięcia P p = 10log [dbm] 1 mw P = U2 R R = 50 Ω U 2 50 Ω U 2 U 2 p = 10log = 10log = 10log = 1 mw 50 Ω 1 mw (0,224 V) 2 = 20 log U 0,224 V 50

51 Historia radiokomunikacji James Clerc Maxwell ( ) 1873 r. opublikowanie Treatise on Electricity and Magnetism na temat promieniowania elektromagnetycznego. Korzystając z czysto matematycznego wnioskowania Maxwell formułuje, w jednym zestawie równań, podstawowe związki między elektrycznością i magnetyzmem. Sugeruje istnienie różnych rodzajów promieniowania elektromagnetycznego, które rozchodzą się z szybkością światła. 51

52 Historia radiokomunikacji Heinrich Hertz ( ) 1888 r. Heinrich Hertz, profesor fizyki Politechniki w Karlsruhe, przeprowadza eksperyment potwierdzający istnienie fal radiowych, tak jak to przewidział J. C. Maxwell. Hertz potwierdza również, że fale radiowe rozchodzą się z prędkością światła. 52

53 Wynalazcy radia Nicola Tesla (1893 r.) Aleksander Popow (1896 r.) Guglielmo Marconi (1896 r.) 1897 r. utworzenie Marconi Wireless Telegraph Company 1901 r. przesłanie litery s przez Atlantyk 1909 r. nagroda Nobla z fizyki 53