TTS Moduł 9

From Studia Informatyczne

Spis treści

Wykład

Grafika:TTS_M9_Slajd1.png W tym rozdziale przedstawiono podstawowe problemy i systemy związane z przesyłaniem informacji na odległość przy wykorzystaniu radiowych fal elektromagnetycznych o różnych częstotliwościach.

Grafika:TTS_M9_Slajd2.png Z przesyłaniem informacji na odległość związane są takie zagadnienia jak rozchodzenie się fal radiowych, wypromieniowanie i odbiór tych fal, konstrukcja nadajników i odbiorników, systemy modulacji i wielodostępności, problem szumów i zniekształceń intermodulacyjnych, bilansu mocy w kanale transmisyjnym i wiele wiele innych.

Grafika:TTS_M9_Slajd3.png Badania teoretyczne Maxwella i doświadczalne Hertza w IXX stuleciu nad falami elektromagnetycznymi utorowały drogę do rozwoju telekomunikacji „bez drutu” czyli radiokomunikacji. Pod koniec IXX wieku Guglielmo Marconi przeprowadził pierwsze transmisje telegraficzne i radiowe.

Grafika:TTS_M9_Slajd4.png Szybki rozwój radiofonii i radiotelegrafii po I wojnie światowej był możliwy dzięki wynalezieniu lampy elektronowej umożliwiającej generację fal oraz wzmacnianie i przetwarzanie (modulację, detekcję i przemianę ) sygnałów. Telewizja rozpoczyna swoją karierę w latach 30 tych XX wieku, z początku jako czarno-biała. Era telewizji kolorowej rozpoczyna się w latach 60 tych XX wieku ( w Polsce w latach 70 tych).

Grafika:TTS_M9_Slajd5.png Po II wojnie światowej rozpoczyna się gwałtowny rozwój elektroniki spowodowany wynalezieniem tranzystora a następnie układów scalonych o coraz większym stopniu integracji. W latach 70 tych rozpoczyna się również era mikroprocesorów. Ten rozwój elektroniki umożliwia rozwój różnorodnych systemów telekomunikacyjnych a w tym systemów radiokomunikacyjnych. Gwałtowne przyspieszenie rozwoju cywilnych systemów radiokomunikacyjnych nastąpiło w latach 90 ubiegłego stulecia po zakończeniu okresu „zimnej wojny” kiedy to wiele firm zajmująca się do tej pory problematyką wojskową rozpoczęła badania i produkcję na rzecz elektroniki „cywilnej”. W tym czasie następuje gwałtowny rozwój systemów z modulacją cyfrową.

Grafika:TTS_M9_Slajd6.png Każdy systemu radiokomunikacyjny składa się z nadajnika i odbiornika informacji oraz układu dwóch anten przedzielonych przestrzenią. Za pomocą fal radiowych przesyłane są informacje na odległości od pojedynczych centymetrów do wielu milionów kilometrów ( łączność z sondami kosmicznymi).

Grafika:TTS_M9_Slajd7.png Antena to urządzenie do wypromieniowania lub odbioru fali elektromagnetycznej. Najważniejszymi parametrami anten są: Charakterystyka promieniowania, szerokość ch-ki promieniowania, zysk kierunkowy i energetyczny, zakres częstotliwości, impedancja. Zgodnie z zasada odwracalności parametry te są identyczne zarówno dla procesu nadawania jak i odbioru.
  • Charakterystyka promieniowania określa zdolność promieniowania energii przez antenę w różnych kierunkach i jest zdefiniowana jako względny rozkład wartości pola elektrycznego fali na powierzchni kuli której środek pokrywa się ze środkiem anteny. Charakterystyka anteny jest trójwymiarowa lecz zwykle przedstawia się ją w odpowiednio dobranych płaszczyznach w układzie współrzędnych biegunowych lub prostokątnych. Charakterystyki prostokątne mogą być prezentowane w mierze liniowej lub logarytmicznej. Na charakterystyce promieniowania wyróżniamy wiązkę (wstęgę) główną oraz wstęgi (listki) boczne i wsteczne.

Grafika:TTS_M9_Slajd8.png
  • Szerokość wiązki określa kąt dla którego gęstość promieniowanej mocy zmniejszy się do połowy (o 3 dB) . Dlatego też kąt ten nazywany jest często kątem połowy mocy.
  • Tłumienie listków bocznych i wstecznych – określa stosunek gęstości mocy promieniowanej przez wiązkę główną do gęstości mocy promieniowanej przez listki boczne lub wsteczne. W mierze decebelowej będzie to różnica odpowiednich gęstości mocy wyrażonych w dB .
  • Kierunkowość D (Zysk kierunkowy) – określa kierunkowe właściwości anteny w stosunku do anteny odniesienia. Tą antena odniesienia może być dipol półfalowy lub hipotetyczna antena izotropowa (promieniująca jednakowo we wszystkich kierunkach). Zysk anteny podajemy w mierze liniowej w watach na wat [W/W], lub w mierze logarytmicznej [dB]. Różnica kierunkowości (w dB) odniesionej do anteny dipolowej i odniesionej do anteny izotropowej jest równa kierunkowości anteny dipolowej odniesionej do anteny izotropowej (2,15 dB).

Grafika:TTS_M9_Slajd9.png
  • Sprawność anteny jest miarą względnych strat mocy w jej odwodach. Sprawność anteny wyrażana jest w procentach [%].
  • Zysk energetyczny anteny to zysk kierunkowy z uwzględnieniem sprawności . Analogicznie jak kierunkowość zysk energetyczny może się odnosić do anteny izotropowej G_I\, lub dipola G_D\,. Jeżeli zysk G_I\, wynosi 10 W/W (10dB) , to znaczy że antena wysyła w kierunku maksymalnego promieniowania 10 razy więcej energii niż antena izotropowa. Zysk G_D\, tej anteny będzie mniejszy i będzie wynosił 7,85 dB.
  • Powierzchnia skuteczna anteny A_{SK}\, - jest parametrem anteny odbiorczej opisującym relacje między gęstością mocy fali [W/m^2]\,, a mocą odbierana przez antenę odbiorczą P_O[W]\,. Powierzchnię skuteczną można wyliczyć mając wartość zysku energetycznego i długości fali.
  • Częstotliwość pracy anteny jest parametrem określającym zakres częstotliwości w którym parametry anteny spełniają określone wymagania.
  • Impedancja anteny jest impedancją widzianą na wrotach (zaciskach) anteny.

Grafika:TTS_M9_Slajd10.png Do najstarszych anten należą anteny przewodowe (liniowe). Najprostsze konstrukcje to dipol prosty i dipol pętlowy. Są to konstrukcje symetryczne o długości najczęściej równej połowie długości fali. \lambda/2\,. W płaszczyźnie prostopadłej do osi anteny antena promieniuję równomiernie (charakterystyka promieniowania jest kołowa - F(\Phi)=const.) . W funkcji kąta \theta\, antena wykazuje już pewną kierunkowość. Maksymalne promieniowanie występuje w płaszczyźnie prostopadłej do osi anteny (\theta=90^\circ) ,a minimalne w kierunku osi z (\theta=0^\circ i \theta=180^\circ). Zysk kierunkowy dipola półfalowego odniesiony do anteny izotropowej wynosi 2,15 dB. Ulepszona konstrukcją jest dipol pętlowy. Zaletą tej konstrukcji jest możliwość mocowania tej anteny do masztu metalowego w połowie jej długości, ponieważ w tej płaszczyźnie napięcie na radiatorze wynosi 0V. Chyba najczęściej stosowaną anteną jest antena przewodowa – monopolowa (stosowana powszechnie w telefonach komórkowych). Antenę tworzy odcinek (najczęściej \lambda/4\,) pręta umieszczonego nad płaszczyzną przewodzącą (Ziemią), lub tzw. przeciwwagą złożoną z kilku – kilkunastu prętów (przewodów). Przeciwwagą dla anteny w telefonie komórkowym jest masa elektryczna komórki.

Grafika:TTS_M9_Slajd11.png Proste anteny przewodowe stosowane są tam gdzie kierunkowość nie jest wskazana (telekomunikacja ruchoma). Kiedy wymagana jest kierunkowość stosowane są konstrukcje złożone z wielu elementów przewodowych. Do najbardziej popularnych konstrukcji należą anteny typu Yagi.

Antena Yagi składa się z dipola pętlowego W (wibratora , radiatora) stanowiącego część aktywną anteny (zasilaną przez linię). Za dipolem umieszczony jest jeden lub kilka biernych reflektorów R\, , a w kierunku promieniowania znajdują się pewna liczba biernych direktorów D_1\,, D_2\, , D_3\,. Większa liczba reflektorów i direktorów pozwala uzyskać większą kierunkowość (do kilkunastu dB). Impedancja anteny Yagi wynosi około 300\, \Omega\,. Do zasilania anteny stosuje się linię symetryczną 300\, \Omega\,. lub linię współosiową 75\, \Omega\, oraz transformator impedancji o przekładni napięciowej n=2\, co daje czterokrotną zmianę impedancji. Antena tego typu jest stosowana powszechnie w systemach telewizyjnych.

Antena logarytmiczna jest odmiana anteny Yagi w której wszystkie jej elementy są podłączone synfazowo (w tej samej fazie) do linii zasilającej. Anteny tego typu odznaczają się dobra kierunkowością (do kilkunastu dB) i szerokopasmowością (można osiągnąć szerokość pasma pracy pond 2 oktawy). Dużą ich zaletą jest możliwość uzyskania impedancji anteny o wartości 300\, \Omega\, , co bardzo ułatwia ich zasilanie i eliminuję konieczność stosowania transformatorów dopasowywujących.


Grafika:TTS_M9_Slajd12.png Anteny aperturowe promieniują przez aperturę czyli otwarcie anteny. Stosuje się je głównie w zakresie mikrofal dla fal centymetrowych i milimetrowych. Do najprostszych konstrukcji należą anteny tubowe związane z techniką falowodową, gdyż są one naturalnym zakończeniem falowodu prostokątnego lub kołowego. Anteny tubowe pozwalają uzyskać kierunkowości rzędu 10 dB. Są stosowane w systemach nie wymagających dużych kierunkowości (np. w układach pomiarowych). W systemach radiokomunikacyjnych stosowane głównie jako promienniki do anten reflektorowych.

Grafika:TTS_M9_Slajd13.png Anteny aperturowe – reflektorowe składają się z reflektora oraz promiennika (wibratora), który go oświetla. Anteny takie pozwalają uzyskać bardzo duże wartości kierunkowości (do 50 dB).i bardzo wąskie ch-ki promieniowania. Stosowane są powszechnie w systemach radiokomunikacji naziemnej (radiolinie) i satelitarnej. Do odbioru telewizji satelitarnej stosuję się antenę reflektorową podświetlaną (ofsetową) w której promiennik umieszczony jest z dołu anteny. Taka konstrukcja powoduje że reflektor anteny ustawiona jest bardziej pionowo co zapobiega zbieraniu się wody w jego zagłębieniu co powoduje utratę jej parametrów.

Grafika:TTS_M9_Slajd14.png Największe możliwości w kształtowaniu charakterystyki promieniowania dają anteny złożone z wielu elementów promieniujących ułożonych w szyki i matryce antenowe. Zasilanie synfazowe wszystkich elementów promieniujących zapewnia kierunek promieniowania prostopadły do płaszczyzny anteny. W miarę wzrostu liczby elementów wzrasta kierunkowość a maleje kąt promieniowania. Konstrukcja umożliwia minimalizację poziomu listków bocznych poprzez odpowiedni rozkład mocy zasilania poszczególnych radiatorów. Ta metodą można również wpływać na kształt promieniowanej wiązki. Tą właściwość wykorzystuje się np. w antenach umieszczonych na satelitach do dystrybucji sygnału telewizyjnego.

Grafika:TTS_M9_Slajd15.png Do przesyłania informacji wykorzystywane są fale radiowe o bardzo szerokim spektrum częstotliwości :od kilku kHz do kilkudziesięciu GHz. Fale bardzo długie wykorzystywane są do łączności na bardzo duże odległości (również w wodzie). Fale długie, średnie i krótkie wykorzystywane są do radiofonii oraz komunikacji na duże odległości. Fale bardzo krótkie wykorzystywane są w radiofonii FM i telewizji. Pasma UHF to domena telewizji, radionawigacji, telefonii komórkowej, radarów dalekiego zasięgu i wielu systemów przesyłania danych (pasmo 2,4 i 5,8 GHz). Pasma mikrofalowe centymetrowe i milimetrowe wykorzystywane są w radioliniach, telewizji satelitarnej, radarach i nawigacji satelitarnej.

Grafika:TTS_M9_Slajd16.png W wolnej przestrzeni fale radiowe rozchodzą się po liniach prostych podobnie jak fale świetlne. Wraz z odległością natężenie pola elektrycznego fali zmniejsza się proporcjonalnie do odległości a gęstość mocy do jej kwadratu. Moc odebrana przez odbiornik jest funkcja mocy nadajnika, odległości i długości fali oraz zysku energetycznego anteny nadawczej i odbiorczej.

Grafika:TTS_M9_Slajd17.png Zasady propagacji fali w wolnej przestrzeni dotyczą transmisji sygnału między satelitami oraz między satelitami a ziemią (przypadek1). W otoczeniu Ziemi warunki propagacji zależą silnie od częstotliwości. Dla fal długich osiągamy duże i stabilne zasięgi transmisji dzięki ugięciu fali ( przyp 4). Duże zasięgi osiągane są również na falach krótkich dzięki odbiciu fali od jonosfery (przyp 3). Jednak warunki propagacji na falach krótkich są niestabilne i zmieniają się z porą dnia. Dla fal ultrakrótkich i mikrofalowych zasięg transmisji pokrywa się w przybliżeniu z zasięgiem optycznym (antena nadawcza i odbiorcza muszą się wzajemnie widzieć). Większe zasięgi od zasięgu optycznego można uzyskać dla tych częstotliwości wykorzystując odbicia fal od turbulencji (zaburzeń troposfery) (przyp 2).

Grafika:TTS_M9_Slajd18.png W warunkach transmisji fal UHF nad powierzchnia Ziemi obliczanie zasięgów transmisji musi uwzględniać odbicie fal od powierzchni Ziemi. W tych warunkach wartość natężenia pola maleje z kwadratem odległości a wartość gęstości mocy maleje z odległością do czwartej potęgi. W warunkach miejskich sygnał może dochodzić do anteny odbiorczej z wielu dróg. Mówimy o zjawisku i problemie wielodrożności. Zjawisko to powoduje zmniejszenie poziomu sygnału, wzrost szumów fazowych, a nawet zaniki transmisji. Można przeciwdziałać temu zjawisku zwiększając moc nadajnika, stosując odbiór zbiorczy (wiele anten), oraz odpowiednie systemy modulacji (modulacje szerokopasmowe).

Grafika:TTS_M9_Slajd19.png Podstawowy układ łącza do przesyłania informacji za pomocą fal radiowych zawiera układ nadajnika i odbiornika fal radiowych z odpowiednimi antenami przedzielonymi przestrzenią (torem radiowym). Przesyłana informacja może mieć charakter analogowy bądź cyfrowy. W przypadku sygnału analogowego (np. sygnał mowy) informacja może być przesłana w formie analogowej lub cyfrowej. Informacja przenoszona jest przez tor radiowy z wykorzystaniem fal radiowych o różnych częstotliwościach. Jest to możliwe dzięki procesowi modulacji w nadajniku i demodulacji w odbiorniku. Transmisji sygnałów w torze radiowym towarzyszą procesy tłumienia fali, szumów, zakłóceń i intermodulacji. Przy łączności z obiektami ruchomymi zniekształcenie transmisji może być spowodowane efektem Dopplera.

Grafika:TTS_M9_Slajd20.png Wybór parametrów łącza zależy od rodzaju i ilości przesyłanych informacji, oraz zasięgu transmisji. Z ilości przesyłanych informacji i przyjętej modulacji wynika szerokość pasma. Większa ilość informacji wymusza stosowanie bardziej złożonych systemów modulacji (modulacje wielostanowe) i większych szerokości pasma, a to z kolei wymusza stosowanie większych częstotliwości nośnych. Przesyłanie w łączu informacji pochodzących z wielu źródeł wymusza stosowanie różnych metod zwielokrotnienia jak np. zwielokrotnienie częstotliwościowe i czasowe. Jakość transmisji analogowej zależy od stosunku sygnału do szumu (parametr SNR) . Jakość transmisji cyfrowej określa stopa błędu (BER). Z wartości SNR i BER można wyznaczyć wymagane czułości odbiornika oraz parametry anteny odbiorczej i nadawczej oraz moc nadajnika. Wymienione parametry uświadamiają jak bardzo skomplikowanym problemem jest zaprojektowanie optymalne łącza radiokomunikacyjnego.

Grafika:TTS_M9_Slajd21.png Podstawą każdego systemu łączności jest system modulacji czyli sposób nakładania informacji na sygnał radiowy – falę nośną. Proces modulacji polega na zmianie parametrów fali nośnej w takt informacji. W zależności od typu informacji stosujemy modulację analogową bądź cyfrową. W procesie modulacji zmianie podlega amplituda, częstotliwość lub faza fali nośnej. Podstawowe procesy i układy modulacji zostały omówione w module 8. W tym punkcie przedstawimy specjalne modulacje cyfrowe które wymagają minimalnych szerokości pasma jak np. modulacja MSK a przede wszystkim GMSK oraz wielostanowe modulacje cyfrowe ( QPSK, MQAM) zapewniające bardzo efektywne wykorzystanie pasma. W systemach modulacji cyfrowej dąży się do przesłania jak największej informacji w jak najwęższym paśmie. Parametrem opisującym właściwość „zagęszczania” informacji jest efektywność widmowa wyrażana w bitach informacji na 1 Hz pasma.

Grafika:TTS_M9_Slajd22.png Do prostych modulacji cyfrowych wykorzystujemy modulację fazy i częstotliwości (zaleta –stałą amplituda sygnału ).Jak pamiętamy modulacja z kluczowaniem częstotliwości FSK (Frequency Shift Keying) polega na wyborze jednej z dwóch częstotliwości nośnych w takt sygnałów 1,0. Modulację taka nazywamy BFSK (binarne kluczowanie częstotliwości). Dla ograniczenia szerokości pasma stosuje się płynne przejście z jednego stanu do drugiego CPFSK. Modulacja MSK jest odmianą modulacji CPFSK przy minimalnym skoku częstotliwości. Modulacją najbardziej oszczędzającą pasmo jest modulacja GMSK. Jest to modulacja MSK w której prostokątny sygnał modulujący poddany jest przed modulacją filtracji wg funkcji Gaussa która „wygładza” cyfrowy sygnał informacji. Filtracja Gaussa zapewnia optymalne wykorzystanie pasma częstotliwości. Modulacja GMSK jest stosowana w telefonii komórkowej GSM.

Grafika:TTS_M9_Slajd23.png Modulacje cyfrowe dwustanowe wykorzystywane są w systemach o małej przepływności. Przy większych przepływnościach stosujemy modulacje wielostanowe (M - stanowe ), gdzie M jest liczbą możliwych stanów. Najczęściej w systemach wielostanowych wykorzystujemy modulację fazy lub jednoczesną modulację fazy i amplitudy (modulacje QAM). Wynika to z faktu że wielostanowe modulacje częstotliwości są mało efektywne jeśli chodzi o wykorzystanie pasma częstotliwości. Modulacje te nazywamy kwadraturowymi ponieważ sygnały ze wszystkich stanów powstają z sumy dwóch fal nośnych będących w kwadraturze (są przesunięte w fazie o 90^\circ\,). Zaletą systemów kwadraturowych jest duża efektywność widmowa a wadą złożoność układów modulacji i demodulacji.



Grafika:TTS_M9_Slajd24.png W tablicy zestawiono efektywność widmową wielostanowych modulacji fazowych MPSK, częstotliwościowych MFSK i amplitudowo-fazowych MQAM. Wynika z niej że efektywność modulacji fazowej wzrasta ze wzrostem M, a modulacji częstotliwościowej maleje. Największa efektywność modulacji posiada modulacja QAM. Efektywność ta okupiona jest dużą komplikacją układu oraz mniejsza odpornością na zakłócenia. Modulacje QAM wykorzystywane są między innymi w liniach radiowych.

Grafika:TTS_M9_Slajd25.png Aby umożliwić jednoczesne przesyłanie informacje z wielu źródeł stosuje się różnorodne metody zwielokrotnienia. Najprostsze jest zwielokrotnienie częstotliwościowe FDM w którym każdy kanał jest nadawany na innej częstotliwości. Przykładowym rozdziałem FDM jest odbiór programów telewizyjnych nadawanych na różnych kanałach. Drugą metodą jest zwielokrotnienie czasowe TDM w którym każdy sygnał jest nadawany na tej samej częstotliwości ale w różnych przedziałach czasowych (szczelinach). Stosuje się również jednoczesne zwielokrotnienie czasowe i częstotliwościowe (system GSM). Wykorzystuję się również zwielokrotnienie polaryzacyjne (TV satelitarna i radiolinie) i kodowe (system UMTS). Jeżeli nadajnik chce uzyskać dostęp do systemu komunikacyjnego to musi otrzymać do swojej dyspozycji częstotliwość, szczelinę czasową lub odpowiedni ciąg kodowy. Mówimy wtedy o dostępie ze zwielokrotnieniem częstotliwościowym FDMA, czasowym TDMA lub kodowym CDMA (Code Division Multiple Access).

Grafika:TTS_M9_Slajd26.png Najstarsze systemy radiokomunikacyjne to systemy radiowe i telewizyjne (systemy radiodyfuzji). Dźwięki i obrazy transmitowane są w tych systemach z wykorzystaniem modulacji analogowych. Pierwsze radiolinie zbudowano w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku i służyły do przesyłania wielkiej liczby kanałów telefonicznych (stosując zwielokrotnienie FDM). Od lat osiemdziesiątych rozwijane są systemy telefonii komórkowej naziemnej (obecnie rozwijana jest już trzecia generacja telefonii komórkowej - UMTS). Rozwijane są także systemy satelitarnych komunikacji oraz satelitarnej telewizji.

Grafika:TTS_M9_Slajd27.png Od lat osiemdziesiątych rozwijane są cyfrowe linie radiowe o różnorodnej przepływności (od kilku do kilkuset Mbit/s). Radiolinie wykorzystują zjawisko prostoliniowego rozchodzenia się fal i zasięg do bezpośredniej widoczności anten (zasięg optyczny). Wymagają stosowania wysokich masztów antenowych i anten o dużych kierunkowościach (anteny reflektorowe). Do ważnych parametrów łącza należy współczynnik gotowości określający procent czasu (najczęściej w skali roku) kiedy system jest w pełni sprawny i zapewnia wymaganą stopę błędu BER (10^{-3}\,). W ostatnich latach gwałtowny rozwój łącz światłowodowych zmniejszył znaczenie radiolinii.

Grafika:TTS_M9_Slajd28.png Po II wojnie światowej następuje rozwój systemów radiokomunikacji ruchomej dla takich służb jak policja czy straż pożarna. W systemach tych stosowano nadajniki o dużej mocy obejmujące obszar całego miasta. Pojemność takich systemów była bardzo mała ( mała liczba użytkowników) z uwagi na ograniczone pasmo częstotliwości. Przełom nastąpił w latach 80 kiedy wprowadzono system komórkowy. Cały obszar podzielony jest na komórki o kształcie sześciokąta. W centrum komórki znajduje się stacja bazowa obsługująca użytkowników znajdujących się na ich terenie. Pojemność systemu rośnie gdy wielkość komórki maleje. Pojemności nowych systemów są coraz większe przez stosowanie coraz mniejszych komórek oraz złożonych systemów wielodostępności (FDMA/TDMA i CDMA). Nowsze systemy dostarczają również coraz większą gamę usług począwszy od transmisji telefonicznej a skończywszy na wideo konferencji.

Grafika:TTS_M9_Slajd29.png W tablicy zestawiono najważniejsze parametry systemu pierwszej generacji NMT 450 oraz parametry systemów 2 generacji (GSM 900 i GSM 1800). Ostatnio operatorzy wprowadzają do eksploatacji system 3 generacji - UMTS. System ma działać w różnych środowiskach, od terenów wiejskich do wnętrz budynków. Ma być również uzupełniony o segment satelitarny do łączności z obszarami o małej gęstości ruchu. UMTS ma zapewniać szeroką gamę usług takich jak transmisja mowy, wideo telefonia i szybka transmisja danych do 2 Mbit/s. Częstotliwość pracy UMTS leży w pasmach 1900-2200 MHz przy czym zakresy 1980-2010 i 2170-2200 MHz przeznaczono do połączeń satelitarnych.

Grafika:TTS_M9_Slajd30.png Powszechna globalizacja wymusza globalne rozwiązania przekazywania informacji. Takie rozwiązania może zapewnić jedynie radiokomunikacja satelitarna. Podstawowym problemem przy projektowaniu satelitarnych systemów jest wybór orbity. Niskie orbity maja takie zalety jak niewielkie opóźnienie propagacyjne, korzystny bilans energetyczny, a przede wszystkim możliwość zapewnienia zasięgu dla całego globu łącznie z obszarami podbiegunowymi. Podstawowe wady niskich orbit to potrzeba dużej liczby satelitów do zapewnienia łączności globalnej. Najwięcej zalet posiada orbita geostacjonarna w której satelita okrąża Ziemię w odległości 35786 km. dzięki czemu prędkość kątowa satelity jest taka sama jak prędkość kątowa Ziemi i w efekcie satelita jest pozornie nieruchomy dla obserwatora z Ziemi. Stanowi to największa zaletę tej orbity ponieważ eliminuje konieczność stosowania kosztownych i skomplikowanych urządzeń do jego śledzenia. Wady tej orbity wynikają z dużej odległości satelity od Ziemi co powoduje: duże opóźnienie i tłumienie sygnału. Wadą jest również niemożność komunikacji z obszarami podbiegunowymi (powyżej 70^\circ\, szerokości geograficznej).

Grafika:TTS_M9_Slajd31.png Współczesne system telewizji satelitarnej wykorzystuje satelity geostacjonarne. Do satelity dosyłany jest sygnał z Ziemi i po przemianie częstotliwości i wzmocnieniu (około 100 dB) transmitowany jest na wybrany obszar. Nadawanie odbywa się w paśmie 10,7 do 1275 GHz ( w USA i w Rosji w paśmie 4 GHz). Nadajniki posiadają moc rzędu kilkudziesięciu Wat co zapewnia na Ziemi gęstość mocy od 10 do ponad 100 pW/m^2\,.

Energii do urządzeń satelity dostarczają baterie słoneczne. Obecnie stosowane są fotoogniwa krzemowe o napięciu 0,5V i sprawności ponad 10 %. Antena nadawcza satelity składa się z reflektora parabolicznego oświetlanego przez układ źródeł znajdujących się w jego ognisku. Podział mocy między poszczególnymi elementami układu oświetlającego umożliwia odpowiednie kształtowanie wiązki fal na rozkaz z Ziemi w zależności od potrzeb. W systemie TV satelitarnej wykorzystuję się modulację częstotliwości FM. Do odbioru sygnału na Ziemi wykorzystuje się anteny reflektorowe podświetlane (anteny ofsetowe). W ognisku anteny znajduje się jeden lub więcej konwerterów. W konwerterze następuje wzmocnienie i obniżenie częstotliwości sygnału do zakresu 950-2150 MHz. Tuner wybiera sygnał z żądanego kanału i demoduluje go tak aby był możliwy jego odbiór przez odbiornik TV.


Pytania sprawdzające

(jeśli potrafisz na nie odpowiedzieć, to znaczy, że opanowałeś/aś materiał wykładu)

  1. Przedstaw uproszczony schemat łącza radiowego.
  2. Wymień podstawowe parametry anten ?
  3. Co to jest antena izotropowa ?
  4. Co to jest zysk kierunkowy ?
  5. Co to jest zysk energetyczny ?
  6. Co to jest powierzchnia skuteczna anteny ?
  7. Jakie znasz konstrukcje anten przewodowych i aperturowych.
  8. Jakie metody propagacji wykorzystujemy w systemach radiokomunikacyjnych ?
  9. Jakie są różnice między propagacją fali w wolnej przestrzeni a propagacją w otoczeniu Ziemi ?
  10. Jakie są skutki wielodrożności ?
  11. Jak szybko maleje amplituda fali w wolnej przestrzeni ?
  12. Jak szybko maleje amplituda fali w przypadku dwudrożności ?
  13. Jakie można uzyskać zasięgi łączności naziemnej dla fal UHF i mikrofal ?
  14. Jakie są podstawowe parametry łącza ?
  15. Wymień stosowane rodzaje modulacji cyfrowych.
  16. Jakie są zalety modulacji cyfrowej w porównaniu do modulacji analogowej ?
  17. Jakie modulacje zapewniają dużą efektywność widmową?
  18. Przy modulacji wielostanowej większą efektywność zapewnia modulacja (fazy czy częstotliwości) ?
  19. Jakie są metody zwielokrotnienia (wielodostępu) ?
  20. Jakie są zalety systemu komórkowego ?
  21. Jakie rodzaje modulacji i wielodostępu stosowane są w systemach GSM ?
  22. Wymień znane Ci systemy radiokomunikacji satelitarnej.
  23. Przedstaw najważniejsze elementy systemu telewizji satelitarnej.

Słownik

  • Fale radiowe – fale elektromagnetyczne o częstotliwościach od kilku kHz do kilkuset GHz
  • Mikrofale - fale elektromagnetyczne o częstotliwościach od 1 GHz do kilkuset GHz.
  • Antena izotropowa – hipotetyczna antena promieniująca jednakowo we wszystkich kierunkach.
  • Zysk kierunkowy - fale o częstotliwościach od 1 GHz do kilkuset GHz.
  • Antena izotropowa - fale o częstotliwościach od 1 GHz do kilkuset GHz.
  • Charakterystyka promieniowania - określa względny rozkład wartości pola elektrycznego na powierzchni kuli otaczającej antenę.
  • Kierunkowość anteny - kierunkowe właściwości anteny w stosunku do anteny izotropowej lub dipola półfalowego.
  • Zysk energetyczny anteny – to zysk kierunkowy z uwzględnieniem sprawności.
  • Powierzchnia skuteczna anteny – opisuje relacje między gęstością mocy fali, a mocą odbierana przez antenę odbiorczą.
  • Antena przewodowa – antena zbudowana z jednego lub wielu przewodów w postaci prętów. Przykładowe anteny przewodowe : dipol prosty i dipol pętlowy, antena Yagi.
  • Anteny aperturowe – anteny promieniujące przez aperturę czyli otwarcie anteny. Przykładowe konstrukcje - antena tubowa i soczewkowa.
  • Antena reflektorowa - złożona jest z reflektora parabolicznego oświetlonego przez antenę tubowa.
  • System radiokomunikacyjny – system do przesyłania informacji z wykorzystaniem fal radiowych.
  • Wielodrożność – łączność kiedy fala docierająca do odbiornika jest sumą co najmniej dwóch fal, np. fali bezpośredniej i fali odbitej od powierzchni ziemi.
  • Zasięg optyczny – zasięg łączności w przypadku wzajemnej widoczności anteny nadawczej i odbiorczej.
  • Parametr SNR – stosunek sygnału do szumu (jakość transmisji analogowej).
  • Parametr BER – stopa błędu przy transmisji cyfrowej (jakość transmisji cyfrowe).
  • Modulacja FSK (Frequency Shift Keying) – metoda modulacji z kluczowaniem częstotliwości.
  • BFSK –binarne kluczowanie częstotliwości (wybór jednej z dwóch częstotliwości).
  • CPFSK – kluczowanie częstotliwości bez skoku fazy.
  • MSK – odmiana modulacji CPFSK przy minimalnym skoku częstotliwości.
  • GMSK – odmiana modulacji MSK z modulacja częstotliwości wg funkcji Gaussa (zapewnia najlepsze wykorzystanie pasma częstotliwości.
  • Modulacje kwadraturowe – modulacje wykorzystujące dwa przebiegi nośne przesunięte w fazie o 90^\circ\,.
  • QAM - modulacja qwadraturowa fazy z jednoczesną modulacją amplitudy.
  • FDM ( FDMA) – częstotliwościowa metoda zwielokrotnienia (wielodostępu).
  • TDM, (TDMA) – czasowa metoda zwielokrotnienia (wielodostępu).
  • CDMA – kodowa metoda wielodostępu.
  • NMT450 – jeden z systemów komórkowych I generacji.
  • GSM –system telefonii komórkowej II generacji.
  • UMTS - system telefonii komórkowej III generacji.

Bibliografia

  1. Jerzy Szabatin, Karol Radecki i inni, „Teoria sygnałów i modulacji - Ćwiczenia laboratoryjne”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2001 Ćwiczenia 4 i 5.
  2. Jarosław Szóstka, „Mikrofale”, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2006 Rozdziały 10-12.
  3. Janusz A. Dobrowolski, „Układy i systemy wielkich częstotliwości – Zadania” , Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 200,21 Rozdziały 9-13.
  4. Krzysztof Wesołowski, „Systemy radiokomunikacji ruchomej”, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2003 Rozdziały 1-8.