WILK Jacek 1 MARCINIAK Marian 2 Wpływ szumów na propagację fal radiowych WSTĘP Politechnika Świętokrzyska w Kielcach uczestniczyła w programie badań międzynarodowego Europejskiego Projektu ICT COST Action IC0802 Propagation tools and data for integrated Telecommunication, Navigation and Earth Observation systems [8], w ramach którego skupiono się m.in. na merytorycznej analizie wpływu naturalnych i sztucznych źródeł szumów na propagację fal radiowych w systemach satelitarnych [12, 13, 14, 15, 16]. Metoda przeglądu literaturowego pozwoliła sklasyfikować znane rodzaje szumów oraz przedstawić ich wpływ na transmisję sygnałów radiowych, również z wykorzystaniem opracowanych do tego celu przez ITU-R modeli matematycznych. 1. DEFINICJA I KLASYFIKACJA. WYJAŚNIENIE ISTOTY ZJAWISK FIZYCZNYCH Jak zauważają autorzy: w rzeczywistych warunkach pracy systemów satelitarnych podczas transmisji danych [ ] na sygnały pożądane nakładają się przebiegi przypadkowe szumy (naturalne przyp. J.W.), których nie sposób przewidzieć stosując metody analizy zarówno stałoprądowej, jak i zmiennoprądowej. W praktyce bez względu na sposób obróbki sygnału obecność szumów towarzyszy transmisji danych w dowolnym punkcie systemu. Cechą charakterystyczną szumu jest to, że jego przebieg nie ma określonej częstotliwości, gdyż stanowi mieszaninę wielu przebiegów o stochastycznych amplitudach i częstotliwościach są to przebiegi niepowtarzalne, wzajemnie nieskorelowane o dzwonowym (normalnym) rozkładzie amplitudy. Wartość średnia zmiennego napięcia szumów wynosi zero [16]. Ponieważ na odbiór sygnałów satelitarnych wpływają różnego rodzaju zakłócenia naturalne pochodzące z Ziemi, jak również spoza niej np. szumy Słońca i Księżyca, pożądane wydaje się być dokonanie klasyfikacji szumów oraz przeanalizowanie ich wpływu na transmisję fal mikrofalowych. Zagadnienie to jest istotne, gdyż przykładowo dla sygnałów o częstotliwości 12,5 GHz istnieje silne powiązanie pomiędzy intensywnością scyntylacji oraz szumami nieba. Zgodnie z rekomendacją ITU-R Rec. P. 372-10 [4] szum radiowy (ang. radio noise), zwany też szumem nieba (ang. sky noise), stanowi sumę emisji z wielu rozmaitych źródeł nie będących nadajnikami radiowymi. Z zakłóceniem odbioru radiowego mamy do czynienia wówczas, gdy na wejście odbiornika przedostają się sygnały niepożądane (zakłócenia intermodulacyjne, pozapasmowe, sąsiedniokanałowe, wspólnokanałowe). Odbiór radiowy dodatkowo pogarszają zjawiska: blokowania odbiornika oraz modulacji skrośnej. Obecność szumów może być wynikiem działalności człowieka tzw. źródła sztuczne (interferencyjne lub przemysłowe) oraz naturalnych źródeł szumów zarówno o podłożu ziemskim, jak i pozaziemskim. Istnienie promieniowania elektromagnetycznego może być zarówno źródłem promieniowania pożądanego (z punktu widzenia działania danego systemu telekomunikacyjnego), jak i niepożądanego (interferencja elektromagnetyczna stanowi produkt uboczny wzajemnego oddziaływania na siebie urządzeń należących do różnych systemów) lub tylko niepożądanego (np. nadajniki emitujące częstotliwości harmoniczne). Dążeniem projektantów sieci telekomunikacyjnych jest zapewnienie kompatybilności elektromagnetycznej wewnętrznej (dotyczącej danego systemu) i zewnętrznej (uwzględniającej wpływ naturalnych źródeł szumów czy zjawisk wywołanych działalnością człowieka), poprzez zgodne współistnienie określonych podsystemów i systemów zarówno w czasie, jak i przestrzeni. 1 Politechnika Świętokrzyska, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki, Al. 1000-Lecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce, jwilk@tu.kielce.pl 2 Politechnika Świętokrzyska, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki, Al. 1000-Lecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce, marian.marciniak@ ieee.org 6589
Ze względu na wpływ promieniowania elektromagnetycznego na cząsteczki materii rozróżnia się: (1) promieniowanie niejonizujące związane ze zmianami natężenia pola elektromagnetycznego generowanymi przez źródła sztuczne oraz (2) promieniowanie jonizujące, które spowodowane jest wykorzystywaniem substancji promieniotwórczych w: (A) przemyśle; (B) nauce; (C) ochronie zdrowia i (D) energetyce jądrowej. Promieniowanie to powstaje wskutek korzystania z: (1) urządzeń elektrycznych i elektronicznych (zlokalizowanych zwłaszcza w pobliżu anteny odbiorczej); (2) linii elektroenergetycznych i (3) innych systemów łączności. Na obszarze miasta Kielce główne źródło zakłóceń elektromagnetycznych stanowią: (1) stacje bazowe telefonii komórkowej; (2) stacje elektroenergetyczne 400/220/110 kv, 220/110 kv i 110/15 kv; (3) linie elektroenergetyczne 110 kv, 220 kv i 400 kv; (4) stacje nadawcze i przekaźnikowe RTV; (5) radiotelefony bazowe; (6) nadajniki wykorzystywane przez radioamatorów (CB-radio o mocy do 10 W oraz radiostacje kat. 1 i 2 o mocy od 15 do 750 W); (7) nadajniki systemów monitoringu (często sprzężone z systemem GPS); (8) urządzenia wojskowe do radionawigacji i radiolokacji (radiolatarnia lotniskowa); (9) przedmioty codziennego użytku (telefony komórkowe itp.) [6] Obecność szumów może być także spowodowana naturalnymi źródłami szumów zarówno o podłożu ziemskim, jak i pozaziemskim. Naturalne źródła szumów mogą być wynikiem działania wielu rozmaitych czynników, jak choćby: (1) burz elektromagnetycznych, (2) wyładowań atmosferycznych (burzowych) oraz (3) szumów międzygalaktycznych. Jako kryterium podziału szumów naturalnych pochodzących spoza Ziemi może posłużyć określenie źródła ich promieniowania (promieniowanie naturalnych źródeł szumów pozaziemskich przyjęto określać mianem promieniowania kosmicznego). W ogólnej teorii pojęcie promieniowania oznacza: (1) strumień energii transmitowanej przez układ/obiekt materialny lub (2) proces emisji tej energii. Innymi słowy, termin ten określa przenoszenie energii na odległość. Na tej podstawie wyróżnić można szumy kosmiczne wywołane: (1) promieniowaniem galaktycznym; (2) promieniowaniem tła kosmicznego; (3) promieniowaniem radiogwiazd i aktywnością Słońca oraz (4) promieniowaniem Księżyca. Najbardziej aktywne źródła promieniowania galaktycznego znajdują się w centrum galaktyki (wielkość szumów galaktycznych zmienia się w zależności od aktywności słonecznej), z kolei źródła dyskretne szumów (radiogwiazdy) zlokalizowane są w niektórych gwiazdozbiorach. Ponieważ zakłócenia wywołane promieniowaniem dyskretnych źródeł szumów dotyczą niewielkich kątów bryłowych, przy precyzyjnym zorientowaniu na stałe anten o małych szerokościach kątowych wiązek, wpływ zakłóceń spowodowanych promieniowaniem radiogwiazd jest niewielki i z tego względu często pomijany [9]. Najsilniejsze źródło promieniowania stanowią gwiazdozbiory: Kasjopea, Oriona oraz Byka. Mając na uwadze nieregularny rozkład przestrzenny ww. źródeł szumów, intensywność ich promieniowania w znacznym stopniu uzależniona jest od ruchu obrotowego Ziemi (w tym cyklu dobowego). Do naturalnych źródeł szumów pochodzących z Ziemi zalicza się natomiast: (1) promieniowanie termiczne Ziemi (wskutek obecności w skorupie ziemskiej i glebie naturalnych izotopów promieniotwórczych); (2) promieniowanie termiczne innych naturalnych źródeł (np. granit, popiół i żużel hutniczy zawierający radioaktywny węgiel); (3) zakłócenia atmosferyczne w ramach których wyróżnić można: (A) promieniowanie termiczne atmosfery spowodowane przez szereg zjawisk (m.in. emisje z: gazów atmosferycznych, zawiesin wody i kropelek lodu tworzących chmury, opadów i oparów atmosferycznych oraz emisje spowodowane zapyleniem); (B) wyładowania elektryczne (błyskawice) oraz (C) szum jonizacyjny. Rozpatrując uwarunkowania towarzyszące propagacji fal radiowych w troposferze należy podkreślić, że jest ona źródłem wielu szumów naturalnych (szumu termicznego, wyładowań atmosferycznych oraz szumu jonizacyjnego). W praktyce jakość sygnału pogarszają także szumy fluktuacyjne powstające wewnątrz układów fizycznych (szumy cieplne). Szumy te, zwane również termicznymi (ang. thermal noise), stanowią istotne źródło zakłóceń w radiokomunikacji satelitarnej. Jak zauważają autorzy wytwarzane są nie tylko przez szum fluktuacyjny wewnątrz urządzeń odbiorczych, lecz również przez źródła naturalne szumów spotkać je można zarówno na łączu Ziemia-satelita, jak i satelita-ziemia. Energia szumów termicznych [ ] (zwiększa się przyp. J.W.) wraz ze wzrostem temperatury. Dla anteny naziemnej w odbiorniku 6590
źródłem szumów jest promieniowanie nieba określone przez jego temperaturę luminancyjną. Dla anteny umieszczonej na satelicie źródłem szumów jest powierzchnia Ziemi o określonej temperaturze termodynamicznej [16]. Poza tym, szumy te występują wewnątrz urządzeń odbiorczych w każdym oporniku (niezależnie od technologii wykonania oraz jego składu chemicznego). Za ich powstawanie odpowiada: (1) ruch swobodnych elektronów, który jest równoważny prądom elektrycznym o nieregularnych, stochastycznych natężeniach i kierunkach (elektrony znajdujące się w ciągłym ruchu zderzają się ze sobą nawzajem i przemieszczają w różnych kierunkach, w konsekwencji w przypadkowych chwilach czasu i z różną prędkością docierają do obu końców przewodnika lub opornika, co prowadzi do losowych zmian napięcia pomiędzy końcówkami badanego elementu) oraz (2) oddziaływanie swobodnych elektronów z drgającymi jonami w sieci krystalicznej materiału. W literaturze spotyka się podział szumów ze względu na ich charakter (rodzaj) na: (1) szumy termiczne; (2) zakłócające; (3) interferencyjne; (4) intermodulacyjne, jak również źródło pochodzenia: (1) zakłócenia własne (generowane przez aparaturę nadawczo-odbiorczą); (2) zakłócenia obce (atmosferyczne, interferencyjne, kosmiczne, przemysłowe). Klasyfikację szumów ze względu na ich rodzaj autor przedstawił w [16]. Rozróżnienie ze względu na ich lokalizację odnaleźć można w [1]. Ze statystycznego punktu widzenia szumy można podzielić na: (1) fluktuacyjne ciągłe szumy będące wynikiem interferencji wielu zakłóceń oraz (2) impulsowe o przypadkowym czasie wystąpienia (spowodowane m.in. zakłóceniami w sieciach lokalnych, wybuchami nuklearnymi, wyładowaniami atmosferycznymi i elektrostatycznymi). Istnieje również podział szumów ze względu na sposób ich oddziaływania na sygnał wyjściowy (szumy: (1) addytywne oraz (2) multiplikatywne). Jako pierwsze analizie zostaną poddane szumy naturalne spowodowane promieniowaniem termicznym Ziemi (wpływ organizmów żywych został pominięty). W rzeczywistości każde ciało o temperaturze większej od zera bezwzględnego jest źródłem promieniowania. Rozpatrywane w teorii propagacji fal radiowych obiekty rzeczywiste, takie jak np. Ziemia, Słońce, chmury z pewną dozą podobieństwa można postrzegać jako ciała doskonale czarne. Przyjmuje się, że zdolność emisyjna Ziemi osiąga wartość promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze 288 K (bezwzględna temperatura Ziemi zawiera się w przedziale od 180 K do 350 K). Ziemia stanowi źródło promieniowania podczerwonego (emitowane długości fal wahają się w zakresie 4-120 m, przy czym maksimum energii dotyczy fal o długości od 10 m do 15 m) [17]. Na proces wypromieniowywania jej energii wpływa (poprzez absorbcję i reemisję w kierunku Ziemi) m.in. (1) para wodna; (2) dwutlenek węgla; (3) ozon; (4) pyłki oraz (5) chmury. W konsekwencji jedynie 4% energii promienistej pochodzącej z Ziemi trafia w przestrzeń międzyplanetarną (proces ten dotyczy jedynie długości fal w zakresie 8,5-12,5 m). Promieniowanie termiczne atmosfery jest natomiast źródłem zakłóceń atmosferycznych. Wiąże się ono przede wszystkim ze zjawiskiem absorpcji troposferycznej (refrakcja w tym środowisku jest niezależna od częstotliwości). Proces ten zachodzi w opadach atmosferycznych (wskutek indukowania się prądu przesunięcia w kropelkach wody, które w zakresie mikrofalowym mają charakter półprzewodzący) i molekułach gazów stanowiących atmosferę ziemską (głównie w tlenie, parze wodnej i azocie, wskutek czego wzbudzone atomy i cząsteczki pochłaniają energię propagowanej fali radiowej). W konsekwencji zarówno krople wody, jak i wzbudzone molekuły gazów stanowią wtórne źródło promieniowania. W rzeczywistości kolejne warstwy atmosfery pochłaniają promieniowanie cieplne, po czym dalej jak wykazano emitują je jako własne (atmosfera ziemska absorbuje energię i emituje szum własny, w wyniku czego stanowi daleki od idealnego przypadku ciała doskonale czarnego absorber). Ponieważ temperatura w atmosferze jest wyższa od zera bezwzględnego, stanowi ona podobnie jak Ziemia źródło promieniowania elektromagnetycznego, przyczyniając się do zwiększenia temperatury szumowej nieba. Przypuszczalnie około 63% emisji atmosferycznej dociera do powierzchni Ziemi (jako promieniowanie zwrotne), zaś około 37% uchodzi w przestrzeń międzyplanetarną (jako promieniowanie uchodzące). Sumaryczna wartość natężenia promieniowania bezpośredniego (od tarczy słonecznej) i rozproszonego (od całego nieboskłonu), które trafia na powierzchnię Ziemi stanowi promieniowanie całkowite. Jego wartość zależy od pory dnia, zachmurzenia i stopnia zanieczyszczenia atmosfery. W warunkach pogody (bezchmurnego nieba) maksimum 6591
promieniowania całkowitego pojawia się w godzinach południowych. O ile częściowe zachmurzenie (nie powodujące zakrycia tarczy słonecznej) powoduje wzrost natężenia promieniowania całkowitego, o tyle w warunkach całkowitego zachmurzenia notuje się jego spadek. Zasadniczo przyjmuje się, że wzrost zachmurzenia wpływa na zmniejszenie promieniowania całkowitego, zaś stan zachmurzenia w znaczący sposób oddziałuje na mechanizm rozchodzenia się fal radiowych o częstotliwości powyżej 30 GHz. Na propagację fal radiowych znaczący wpływ ma także zjawisko rozproszenia światła [7]. Zależną od absorpcji w troposferze temperaturę szumową oblicza się z zależności [3]: A 10 t b [ K] t m (1 10 ), (1) gdzie: t m [K] założona, stała wartość temperatury otoczenia (260-280 K); A [db] całkowita (wypadkowa) absorpcja atmosferyczna fali radiowej. Najczęściej szum z pojedynczych źródeł, takich jak np. gazy atmosferyczne czy powierzchnia Ziemi, podawany w postaci temperatury luminancyjnej t b. Na rysunku 1 przedstawiono rozkład temperatury luminancyjnej t b typowej atmosfery (o gęstości pary wodnej 7,5 g/m 3, ciśnieniu 1023 mb, temperaturze powierzchni 288 K) dla naziemnego użytkownika systemu satelitarnego (bez uwzględnienia tła szumów kosmicznych 2,7 K oraz innych pozaziemskich źródeł szumów). Na wartość temperatury luminancyjnej oprócz częstotliwości w dużej mierze wpływa kąt elewacji propagowanej fali radiowej. Ponieważ zgodnie z prawem Kirchoffa dla gazów w termodynamicznej równowadze emisja szumów cieplnych jest równa absorpcji, obserwuje się podobieństwo przebiegu intensywności wtórnego promieniowania gazów atmosferycznych do absorpcji troposferycznej w funkcji częstotliwości. Z podanych względów krzywe z rysunku 1 wyglądają podobnie do krzywych ilustrujących wypadkowe tłumienie w gazach atmosferycznych w funkcji częstotliwości fali radiowej [5]. Dla kąta elewacji 0º temperatura szumowa anteny staje się porównywalna z temperaturą otoczenia Ziemi. Rys. 1. Rozkład temperatury luminancyjnej t b czystej atmosfery dla różnych kątów elewacji [4] Wartość temperatury luminancyjnej t b w zakresie częstotliwości od 1 GHz do 10 GHz wynosi zwykle kilka kelwinów dla dużych kątów elewacji satelity (większych od 30º). Z kolei dla małych 6592
kątów elewacji satelity (bliskich zera) temperatura szumowa dochodzi do 150 K. Dla fal radiowych o częstotliwości powyżej 10 GHz obserwuje się jej gwałtowny wzrost do 300 K dla niewielkich kątów elewacji, na co mają wpływ szeroko rozłożone linie absorpcyjne tlenu i pary wodnej. W konsekwencji jako górną granicę zakresu częstotliwości odpowiednich do łączności satelitarnej zwykło się przyjmować 10 GHz. W praktyce warto pamiętać również o tym, że temperatura szumowa anteny oprócz częstotliwości i kąta elewacji zależy od jej sprawności (właściwy dobór sprzętu). Szum nieba spowodowany absorpcją fal radiowych w deszczu t d oblicza się z zależności [12]: gdzie: 10 t [ K] t (1 10 ), d m (2) t m [K] średnia wartość temperatury na drodze propagacji fali radiowej w deszczu (270-280 K); A d [db] całkowita (wypadkowa) absorpcja fali radiowej w deszczu. Rozkład temperatury szumowej deszczu t d, w zależności od absorpcji propagowanej fali radiowej oraz temperatury t m, został przedstawiony na rysunku 2. Ad Rys. 2. Rozkład temperatury szumowej deszczu t d w zależności od absorpcji propagowanej fali radiowej oraz temperatury t m [3] W praktyce temperatura szumowa t d nie zależy od częstotliwości propagowanej fali radiowej, ani też w sposób znaczący dla absorpcji poniżej 10 db od temperatury t m. Notuje się szybki wzrost jej wartości wraz ze zwiększeniem tłumienia spowodowanego wystąpieniem opadów deszczu: około 56 K dla tłumienia 1 db, 137 K dla 3 db, 188 K dla 5 db [3]. Uznaje się, że krzywa dla t m = 275 K służy jako najlepsza prognoza do wyznaczenia temperatury szumowej t d. W podobny sposób wyznacza się temperaturę szumową nieba spowodowaną obecnością chmur na drodze propagacji fal radiowych. Dla trasy zenitalnej (α = 90º) można ją oszacować na podstawie tabel opracowanych przez Stephena D. Slobina dla kilku częstotliwości, zaś dla innych kątów elewacji w oparciu o zależność [10]: t z tch, (3) sin α gdzie: t z [K] temperatura chmury dla trasy zenitalnej. S. Slobin przeprowadził obliczenia temperatury szumowej dla kilku lokalizacji w USA oraz czterech modeli chmur warstwowych. Jego godzinne obserwacje dla statystycznego roku (w oparciu o dane z 30 lat) dla każdej z 15 stacji pomiarowych posłużyły do określenia skumulowanych 6593
rozkładów tłumienia zenitalnego i temperatury szumowej nieba spowodowanej tlenem i parą wodną, która skraplając się tworzy chmury. Z dużą dozą podobieństwa można ją również obliczyć w oparciu o wartość absorpcji fali radiowej gdzie: 10 w chmurze A ch : t [ K] t (1 10 ) ch m, (4) t m [K] średnia wartość temperatury na drodze propagacji w chmurze (280 K). Szumy nieba znacząco pogarszają stosunek mocy nośnej sygnału do mocy szumów (CNR) dla łącza downlink (zmniejsza się poziom nośnej) oraz współczynnik dostępności G/T. Wzrost temperatury szumowej nieba przekłada się na zwiększenie temperatury szumowej systemu odbiorczego. W wyniku prac realizowanych przez ITU-R opracowano również empiryczne zależności przedstawiające temperaturę luminancyjną Ziemi T w funkcji długości geograficznej, z punktu widzenia satelity umieszczonego na orbicie geostacjonarnej, dla fal radiowych w zakresie częstotliwości w zakresie od 1 GHz do 51 GHz. Dodatkowo oszacowano wpływ temperatury T (dla określonych częstotliwości) na jakość odbioru mikrofalowych sygnałów satelitarnych w różnych rejonach Ziemi (m.in.: obszarze Afryki, Oceanu Spokojnego). Odnotowano zwiększenie temperatury T wraz ze wzrostem częstotliwości, co wiąże się przede wszystkim ze zjawiskiem absorpcji gazów b g [4]. b g Ach b g Rys. 3. Rozkład średniej temperatury luminancyjnej T b g Ziemi w funkcji długości geograficznej (z punktu widzenia satelity umieszczonego na orbicie geostacjonarnej) [4] Oprócz emisji cieplnej źródło szumów w atmosferze ziemskiej stanowią pojawiające się w trakcie burz wyładowania elektryczne. Ponieważ pomiędzy powierzchnią Ziemi i górnym, zjonizowanym obszarem atmosfery występuje stała różnica potencjałów (około 400 kv), stanowi ona swego rodzaju naturalny kondensator, który ciągle się rozładowuje, ze względu na niedoskonałą izolację dolnych warstw atmosfery. Doładowanie tego kondensatora następuje w trakcie burz, kiedy to chmury dostarczają Ziemi ładunków ujemnych (podczas wyładowań) [11]. Jedną z głównych przyczyn zakłóceń atmosferycznych są wyładowania elektryczne pomiędzy dwiema chmurami lub chmurą i Ziemią, podczas których występuje: (1) faza przedwyładowania w trakcie której od chmury do 6594
Ziemi wzrasta lider schodkowy z prądem o natężeniu od 100-300 A oraz (2) faza wyładowania podstawowego o czasie trwania od 100 do 3000 μs, której towarzyszy prąd o natężeniu od 10 ka do 100 ka wzdłuż drogi wyznaczonej przez lidera [11]. W wyniku tego zjawiska w szerokim zakresie częstotliwości generowane są fale radiowe. Zakłócenia spowodowane wyładowaniami elektrycznymi można podzielić zasadniczo na dwie podstawowe grupy: (1) zakłócenia lokalne silne trzaski pojawiające się okresowo, w nieregularnych odstępach czasu w bliskim otoczeniu powstawania wyładowania elektrycznego oraz (2) zakłócenia dalekie względnie stały szum (zależny od położenia geograficznego, pory roku i doby), którego źródłem są liczne wyładowania atmosferyczne pojawiające się nieustannie na Ziemi (według danych statystycznych na każdą sekundę przypada 100 wyładowań atmosferycznych) [1]. W toku przeprowadzonych analiz można stwierdzić, że intensywność zakłóceń powodowanych wyładowaniami elektrycznymi maleje wraz ze wzrostem częstotliwości. Przyczyną zakłóceń atmosferycznych występujących w troposferze może być także szum jonizacyjny spowodowany: (1) naładowanymi elektrostatycznie cząsteczkami wody oraz (2) wyładowaniami cichymi pomiędzy obiektami o ostrych krawędziach (np. słupami energetycznymi) i chmurami. Pierwszy, wymieniony powyżej, rodzaj szumu jonizacyjnego wywołują najczęściej naładowane elektrostatycznie: (1) kropelki deszczu; (2) cząsteczki śniegu oraz (3) kryształki lodu stykające się z anteną odbiorczą. Zjawisko to skutkuje generowaniem impulsów w obwodzie odbiornika, w wyniku których (zwłaszcza w pierwszej fazie wystąpienia ulewnych opadów deszczu) pojawiają się silne trzaski stanowiące źródło szumu. O ile uziemienie anteny oraz jej połączenie metaliczne z masztem nie wpływa korzystnie na zmniejszenie poziomu szumów jonizacyjnych wywołanych naładowanymi elektrostatycznie cząsteczkami wody, o tyle powoduje zmniejszenie szumów spowodowanych emisją elektronów z ostro zakończonych anten [11]. Wyładowania ciche występują z kolei najczęściej w rejonach górskich (na powierzchni anten i masztów), kiedy na skutek indukcyjnego ładowania się elementów przewodzących do wysokich napięć, emitowane elektrony pobudzają powietrze do świecenia. Ich przyczyną może być zarówno porywisty, suchy wiatr, jak i występowanie silnie zjonizowanych chmur nad szczytami górskimi. Konsekwencją opisanego wyżej zjawiska jest pojawianie się ogni Św. Elma (Św. Bartłomieja, Kastora i Polluksa) zwane inaczej zjawiskiem korony. Wyładowaniom tym towarzyszy często powstawanie cichych dźwięków w postaci syczenia, świstu lub gwizdu. Dotychczas prowadzone przez ITU-R badania umożliwiają oszacowanie poziomu szumów atmosferycznych, przemysłowych i kosmicznych w zależności od pory doby i roku w oparciu o mapy intensywności zakłóceń. Szczegółowe informacje na temat wpływu środowiska elektromagnetycznego (w tym: zakłóceń atmosferycznych, szumów wytworzonych przez człowieka, hydrometeorów, promieniowania ciał niebieskich oraz absorpcji gazów atmosferycznych w zakresie częstotliwości od 1 GHz do 340 GHz) na propagację fal radiowych zawarte są w rekomendacji ITU-R P. 372-10 [4], przy czym zamieszczone tam dane nie obejmują wpływu interferencji sygnałów na jakość transmisji. WNIOSKI W rzeczywistych warunkach transmisji fal radiowych, sygnały rozchodzą się w niejednorodnym i stratnym środowisku propagacyjnym. W konsekwencji na tłumienie sygnałów radiowych (w tym satelitarnych) wpływ mają zarówno naturalne, jak i sztuczne źródła promieniowania, pochodzące z Ziemi, jak również spoza niej. Rozpatrując uwarunkowania towarzyszące propagacji fal radiowych należy podkreślić, że jest ona źródłem wielu szumów naturalnych (szumu termicznego, wyładowań atmosferycznych oraz szumu jonizacyjnego). Obecność szumów może być również wynikiem działalności człowieka tzw. źródła sztuczne (interferencyjne lub przemysłowe). W praktyce jakość sygnału pogarszają także szumy fluktuacyjne powstające wewnątrz układów fizycznych (szumy cieplne). Znajomość istoty powstawania opisanych wyżej zjawisk oraz ich wpływu na transmisję fal radiowych jest niezwykle istotna, gdyż poprzez racjonalne gospodarowanie zasobem częstotliwości pozwala na zapewnienie niezawodnej łączności dalekosiężnej przy zachowaniu pożądanej 6595
kompatybilności elektromagnetycznej. W przyszłości wyniki badań mogą zostać wykorzystane do łączenia wielu sygnałów informacyjnych we wspólny sygnał transmitowany łączem satelitarnym metodą transmultipleksacji sygnałów [2]. Streszczenie Jako że na jakość mikrofalowego sygnału satelitarnego wpływają wszelkiego rodzaju źródła szumów naturalnych, w artykule zaprezentowano ziemskie i pozaziemskie źródła szumów naturalnych (w tym nieodzowne dla propagacji fal radiowych w troposferze: (1) szumy termiczne; (2) wyładowania burzowe oraz (3) szumy jonizacyjne). Na podstawie przeglądu literaturowego zaproponowano własną klasyfikację szumów ziemskich i pozaziemskich, w tym szumów wytworzonych przez człowieka, w ramach której sukcesywnie wyszczególniono kolejne ich źródła, dotychczas całościowo nie zebrane i opisane w przedstawiony sposób oraz mechanizmy powstawania szumów. Słowa kluczowe: źródła szumów naturalnych, sztucznych, szumy ziemskie i pozaziemskie. The influence of noises on the propagation of radio waves Abstract This article presents the influence of noises on the propagation of radio waves, especially the terrestrial and extraterrestrial natural noise sources (including essential for the propagation of radio waves in the troposphere: (1) thermal noises, (2) stormwater discharges and (3) ionization noises). On the basis of the literature review the author describes his own classification of the terrestrial and extraterrestrial natural noise sources (man-made noise, too) in which he consistently and successively describes the sources as this information has not collected yet in this way and he describes the mechanism for generating the noises. Keywords: the natural noise sources, man-made noise, the terrestrial and extraterrestrial natural noise sources. BIBLIOGRAFIA 1. Bem J., Anteny i rozchodzenie się fal radiowych, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1973. 2. Ciosmak J., Algorytm wyznaczania nieseparowalnych dwuwymiarowych zespołów filtrów dla potrzeb systemów transmultipleksacji. Przegląd Elektrotechniczny 2011, nr 11. 3. Ippolito L. J., Satellite communications. Systems engineering. Atmospheric effects, satellite link design and system performance, JohnWiley & Sons, Chichester 2008. 4. ITU-R Rec. P. 372-10, Radio noise, Genewa 2009, http://www.itu.int/rec/r-recp.372-10- 200910-I/en (wersja elektroniczna). 5. ITU-R Rec. P. 676-9, Attenuation by atmospheric gases, Genewa 2012, http://www.itu.int/rec/r- REC-P.676-9-201202-I/en (wersja elektroniczna). 6. Majka M., Maruszczak K., A. Kiełtyka, Program ochrony środowiska dla powiatu kieleckiego Aktualizacja na lata 2012-2015 w perspektywie do roku 2019, Starostwo Powiatowe w Kielcach, Kielce 2011. 7. Marciniak M., Zinenko T. L,. Nosich A. I, Accurate Analysis of Light Scattering and Absorption by an Infinite Flat Grating of Thin Silver Nanostrips in Free Space Using the Method of Analytical Regularization. IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS 2013, nr 3. 8. Memorandum of Understanding for the implementation of a European Concerted Research Action designated as COST Action IC0802 Propagation tools and data for integrated Telecommunication, Navigation and Earth Observation systems, http://w3.cost.eu/fileadmin/ domain_files/ict/action_ic0802/mou/ic0802-e.pdf 9. Pawłowski W., Propagacja fal radiowych w warunkach łączności satelitarnej, [w:] Systemy radiokomunikacji satelitarnej, (red.) L. Knoch, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1980. 10. Slobin S. D., Microwave noise temperature and attenuation of clouds: Statistics of these effects at various sites in the United States, Alaska, and Hawaii, Radio Science 1982, Vol. 17, Iss. 6. 11. Szóstka J., Fale i anteny, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2006. 6596
12. Wilk J. Ł., Naturalne źródła szumów w transmisji satelitarnej, [w]: Rola Informatyki w Naukach Ekonomicznych i Społecznych. Innowacje i implikacje interdyscyplinarne, (red.) T. Grabiński, Wydawnictwo Wyższej Szkoły Handlowej im. B. Markowskiego w Kielcach, t. II, Kielce 2010. 13. Wilk J. Ł., The influence of the antenna parameters on a digital satellite signal reception. CEEPUS CII-CZ-0404-01-1011-M-43894, Brno 2011. 14. Wilk J. Ł., The measurment processing of satellite signal, CEEPUS CII-CZ-0404-01-1011-M- 43894. Brno 2011. 15. Wilk J. Ł., Współpraca naukowa w ramach Projektu Europejskiego COST IC0802, [w:] Wschód i Zachód w wymiarze globalnym. Doświadczenia z przeszłości a perspektywy na przyszłość, (red.) M. Miłek, G. Wilk-Jakubowski, R. S. Brzoza, Wydawnictwo Stowarzyszenia Współpracy Polska-Wschód. Oddział Świętokrzyski, Kielce 2012. 16. Wilk J. Ł., Wybrane zagadnienia dotyczące szumów w komunikacji satelitarnej, [w]: Rola Informatyki w Naukach Ekonomicznych i Społecznych. Innowacje i implikacje interdyscyplinarne, (red.) T. Grabiński, Wydawnictwo Wyższej Szkoły Handlowej im. B. Markowskiego w Kielcach, t. II, Kielce 2010. 17. Zwoździak J., Zwoździak A., Szczurek A., Meteorologia w ochronie atmosfery, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1998. 6597