Systemy i Sieci Radiowe

Transkrypt

1 Systemy i Sieci Radiowe Wykład 4 Media transmisyjne część Program wykładu Widmo sygnałów w. cz. Modele i tryby propagacji Anteny Charakterystyka kanału radiowego zjawiska propagacyjne 1

2 Transmisja radiowa Zakresy fal radiowych Transmisja radiowa Widmo sygnałów w.cz

3 Transmisja radiowa Sposoby propagacji Transmisja radiowa Tryby propagacji 3

4 Transmisja radiowa Horyzont radiowy Transmisja radiowa Refrakcja troposferyczna 4

5 Transmisja radiowa Refrakcja troposferyczna Propagacja Propagacja przyziemna Fale transmitowane wzdłuż konturu ziemi Transmisja na znaczne odległości Częstotliwości do MHz Przykład Radiofonia AM 5

6 Propagacja Propagacja jonosferyczna Sygnał odbijany od warstwy jonosfery Sygnał transmitowany na duże odległości Skoki Odbicia spowodowane przez refrakcję Przykład Radiostacje amatorskie CB radio Propagacja Propagacja powierzchniowa Anteny nadawcza i odbiorcza w bezpośredniej widoczności Komunikacja satelitarna sygnały ponad 30 MHz nie odbijane przez jonosferę Komunikacja powierzchniowa efektywna linia widoczności 6

7 Propagacja Propagacja powierzchniowa - refrakcja Refrakcja ugięcie fal przez atmosferę Prędkość fali funkcja gęstości w danym ośrodku Zmiana prędkości przy zmianie ośrodka Ugięcie fal na granicy ośrodków Propagacja Propagacja powierzchniowa - równania Horyzont optyczny d = h Horyzont radiowy (efektywny) d = Κh d = odległość między anteną a horyzontem (km) h = wysokość anteny (m) K = współczynnik dopasowania (refrakcja) K = 4/3 Maksymalna odległość pomiędzy antenami h1 = wysokość anteny 1 h = wysokość anteny ( Κh + Κ ) 3.57 h 1 7

8 Transmisja radiowa Anteny Antena przewodnik elektryczny bądź system przewodników Transmisja wypromieniowanie energii elektromagnetycznej w przestrzeń Odbiór zbieranie energii elektromagnetycznej z przestrzeni W komunikacji dwukierunkowej ta sama antena może być używana zarówno do nadawania jak i odbioru Transmisja radiowa Anteny charakterystyka promieniowania Charakterystyka promieniowania Graficzna reprezentacja właściwości emisyjnych anteny Przedstawiana jako charakterystyka dwuwymiarowa Szerokość wiązki (szerokość połowy mocy) Kierunkowość anteny Charakterystyka odbioru Ekwiwalent anteny odbiorczej o danej charakterystyce promieniowania 8

9 Transmisja radiowa Anteny typy anten Antena izotropowa (idealna) Moc promieniowana jednolicie we wszystkich kierunkach Anteny dipolowe Półfalowe anteny dipolowe (dipol Hertza) Ćwierćfalowe anteny pionowe (antena Marconiego) Anteny paraboliczne Transmisja radiowa Anteny zysk anteny Zależność między zyskiem anteny a obszarem roboczym 4πA G = λ e = 4πf c A e G = zysk anteny Ae = obszar roboczy f = częstotliwość fali nośnej c = prędkość światła (» m/s) λ = długość fali 9

10 Transmisja radiowa Kierunkowość anteny Transmisja radiowa Kierunkowość anteny Zysk anteny Moc wyjściowa w danym kierunku, względem mocy na wyjściu anteny izotropowej Obszar roboczy Uzależniony od fizycznych rozmiarów i kształtu anteny 10

11 Propagacja Zjawiska propagacyjne Tłumienie sygnału Straty w wolnej przestrzeni Szum Absorpcja atmosferyczna Zjawisko wielodrogowości Refrakcja Szum termiczny Zjawiska propagacyjne Tłumienie sygnału Moc sygnału maleje wraz ze wzrostem odległości Współczynniki tłumienia Sygnał odbierany dostateczna moc aby odbiornik mógł go odpowiednio zinterpretować Sygnał musi mieć poziom odpowiednio wyższy niż tło szumowe odbiór bez błędu Tłumienie rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości (zniekształcenia) 11

12 Transmisja radiowa Tłumienie sygnału Transmisja radiowa Tłumienie dodatkowe 1

13 Zjawiska propagacyjne Straty w wolnej przestrzeni Straty w wolnej przestrzeni, antena izotropowa Pt P r = ( 4πd ) ( 4πfd ) λ Pt = moc sygnału na wyjściu anteny nadawczej Pr = moc sygnału na wejściu anteny odbiorczej λ = długość fali d = odległość między antenami c = prędkość światła (3*10 8 m/s) = c L db Pt = 10log P r 4πd = 0log = 0 log( λ) + 0log( d ) db λ 4πfd = 0log = 0log f + 0log d c ( ) ( ) db Zjawiska propagacyjne Straty w wolnej przestrzeni Straty dla zysku anten L Pt P r = ( 4π ) ( d ) ( λd ) ( cd ) G G λ r t A Gt = zysk anteny nadawczej Gr = zysk anteny odbiorczej At = obszar roboczy anteny nadawczej Ar = obszar roboczy anteny odbiorczej db = r A t = f A r A ( ) + 0log( d ) 10log( At Ar ) log( f ) + 0log( d ) 10log( A A t ) dB = 0log λ = r 0 + t 13

14 Zjawiska propagacyjne Szum termiczny Powstaje na skutek pochłaniania elektronów Obecny we wszystkich urządzeniach i ośrodkach Nie może być wyeliminowany Funkcja temperatury Szczególnie znaczący dla komunikacji satelitarnej Zjawiska propagacyjne Szum termiczny Moc szumu w pasmie o szerokości 1Hz w dowolnym urządzeniu lub przewodniku: N 0 = kt ( W/Hz) N0 = gęstość mocy szumu (W/1 Hz pasma) k = stała Boltzmana = J/K T = temperatura [K] Niezależny od częstotliwości Szum termiczny w pasmie B Hz [W]: N = ktb Lub w dbw N = 10 log k + 10 log T + 10log B = 8.6 dbw + 10 log T + 10log B 14

15 Zjawiska propagacyjne Inne typy szumu Szum intermodulacji Przesłuchy niepożądane sprzężenie pomiędzy ścieżkami sygnału Szum impulsowy nieregularne impulsy Krótkie i z dużą amplitudą Zewnętrzne źródła promieniowania Zjawiska propagacyjne Eb/N0 Stosunek energii sygnału/bit do mocy szumu/hz E b N 0 S / R = N 0 = S ktr BER funkcja Eb/N0 dla transmisji cyfrowej Eb/N0 dla żądanej stopy błędu Wzrost BER konieczny wzrost mocy sygnału nadawanego 15

16 Zjawiska propagacyjne Inne zjawiska Absorpcja atmosferyczna Pochłanianie cząsteczek Zjawisko wielodrogowości Odbierane zwielokrotnione kopie sygnału nadawanego Refrakcja Ugięcia fal przejściu przez atmosferę Zjawiska propagacyjne Zjawisko wielodrogowości 16

17 Zjawiska propagacyjne Zjawisko wielodrogowości Odbicia Gdy powierzchnia duża względem długości fali Dyfrakcja Na krawędziach elementów nieprzepuszczalnych Rozpraszanie Gdy sygnał uderza w obiekt, którego rozmiar jest podobny bądź mniejszy od długości fali sygnału Zjawiska propagacyjne Zjawisko wielodrogowości - efekty Zwielokrotnione kopie sygnału Mogą docierać z różnymi fazami Gdy fazy niezgodne => S/N maleje Interferencje międzysymbolowe (ISI) Jedna lub więcej kopii impulsu docierająca w tym samym czasie co główny impuls następnego bitu 17

18 Zjawiska propagacyjne Zjawisko wielodrogowości - typy Zaniki szybkie Zaniki wolne Zaniki selektywne Zaniki płaskie Zaniki Rayleigha Zaniki Rice a 18