ΕΙΣΑΓΩΓΗ. Δύο κατηγορίες Μικροκυματικών Ζεύξεων: Οπτικής Επαφής (ΟΕ) Πέραν του ορίζοντος (ΠΟ)

Transcript

1

2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Δύο κατηγορίες Μικροκυματικών Ζεύξεων: Οπτικής Επαφής (ΟΕ) Πέραν του ορίζοντος (ΠΟ) ΟΕ: 1. Χαμηλές ισχύς εκπομπής 2. Μήκη διοδεύσεως της τάξης 20 με 100km/ επαναληπτικός σταθμός (για επίγεια Τ/Η) 3. Δορυφορικές επικοινωνίες για πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις. ΠΟ: 1. Τροποσφαιρική διάδοση 2. Μεγάλες ισχύς εκπομπής (έως 50kW ή περισσότερο) 3. Μήκος διοδεύσεως 100 με 1500 km/ζεύξη

3 ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ: Μετάβαση σε υψηλές συχνότητες V, U και SHF. Μετάδοση σε 10 3 km Εύρος ζώνης μέχρι 10MHz Απεριόριστη επέκταση συστήματος ΟΕ (θεωρητικά) Πλεονέκτημα ΠΟ σε ανώμαλο έδαφος ή θαλάσσια περάσματα. Ανάπτυξη των δορυφορικών σταθμών Μέλλον στις οπτικές συχνότητες

4 ΕΠΙΓΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΟΕ Τα μικροκυματικά (ΜΚ) ΤΗ συστήματα είναι ανταγωνιστικά των ενσύρματων γραμμών. Πεδία εφαρμογών από συστήματα μικρού αριθμού τηλεφωνικών γραμμών (ΟΤΕ INTRACOM ) σε συστήματα μεγάλου αριθμού κυκλωμάτων ή TV καναλιών για αποστάσεις μερικών χιλιάδων km. 1. Ολοκληρωμένα συστήματα για πολλαπλή τηλεφωνία ή τηλεόραση που αποτελούν μέρος εθνικών ή διεθνών δικτύων. 2. Μη ολοκληρωμένα συστήματα για πολλαπλή τηλεφωνία ή TV που περιστασιακά συνδέονται με εθνικά ή διεθνή δίκτυα. 3. Κινητά συστήματα.

5 ΕΠΙΛΟΓΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ 1 10GHz : κατάλληλη περιοχή για ΜΚ ζεύξης ΟΕ. >10GHz : αποδοτική χρήση υπό συνθήκες απορρόφηση από: βροχή ομίχλη χιόνι για f> 10GHz Ο 2 για f > 20GHz

6 Specific Attenuation Versus Frequency for Various Rainfall Rates including: (a) Drizzle, (b) Light Rain, (c) Moderate Rain, and (d) Heavy Rain.

7 Επιτρεπτές ζώνες συχνοτήτων από την ITU Γενεύη GHz GHz GHz GHz GHz

8 Η επιλογή της συχνότητας λειτουργίας εξαρτάται : Υψηλότερη συχνότητα σημαίνει: 1. Μεγαλύτερη κατευθυντικότητα κεραίας 2. Ευρύτερη διαθέσιμη ζώνη πληροφοριών 3. Απόσβεση μετάδοσης, διαλείψεις, αύξηση SNR στον δέκτη. 4. Μείωση της διαθέσιμης ισχύος εκπομπής Χρήση της ζώνης 335MHz έως 420MHz από μικρής χωρητικότητας σύστημα. Πλεονεκτήματα: ανεκτές μερικές εδαφικές ανωμαλίες αρκετά φθηνή εγκατάσταση.

9 ΜΚ ΣΥΣΤΗΜΑ ΟΕ 1. Το σήμα της ζώνης βάσης (baseband) διαμορφώνεται στην F 1 και ενισχύεται στον πομπό του τόπου Α. 2. Εκπομπή της F 1 από την κατευθυντική κεραία Α. 3. Στον ΕΣ (στον τόπο Γ) το σήμα λαμβάνεται, ενισχύεται και μετατίθεται σε συχνότητα για την αποφυγή παρεμβολών μεταξύ εισερχομένων και εξερχομένων σημάτων. 4. Τελικά το σήμα αφού περάσει από άλλους πιθανούς επαναλήπτες θα αποδιαμορφωθεί από δέκτη στον τόπο Β. 5. Η αντίστροφη λειτουργία γίνεται για την επικοινωνία του τόπου Β με τον Α. 6. Η αμφίδρομη αυτή επικοινωνία μπορεί να γίνεται σε πολλές ή δύο μόνο συχνότητες για σύστημα FDM.

10 ΣΚΟΠΟΣ: Στο τέλος κάθε ζεύξης πρέπει να επιτυγχάνεται ικανοποιητική αναλογία SNR ή BER. Στοιχεία από την διάδοση ΗΜ κυμάτων και την θεωρεία κεραιών Βασική απώλεια μετάδοσης στο κενό: Η ενεργός επιφάνεια της κεραίας λήψης δίδεται από: Όπου λ το μήκος κύματος σε μέτρα και d η κατευθυντικότητα της κεραίας.

11 Επίσης η ενεργός επιφάνεια της κεραίας λήψης ορίζεται σαν τον λόγο της ισχύος που καταναλώνεται στο τερματικό φορτίο του δέκτη W r προς τη μέση τιμή του διανύσματος Poynting, S, του προσπίπτοντος πεδίου. Η κατευθυντικότητα ισούται: P, είναι η συνολική ισχύς που ακτινοβολείτε από την κεραία εκπομπής. Οι απώλειες βρίσκονται συνδυάζοντας τις (1) και (2)

12 Απώλειες: 1. Ελεύθερου χώρου 2. Λόγω περίθλασης από εμπόδια 3. Απορρόφηση της ΜΚ δέσμης από την ατμόσφαιρα 4. Σκέδαση δέσμης από υδρομετεωρολογικά στοιχεία 5. Διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών α. ανακλάσεις στην επιφάνεια της γης β. ανακλάσεις σε τροπόσφαιρα. Περίθλαση από εμπόδια h = απόσταση ευθείας όρασης πάνω (h>0) ή κάτω (h<0) από την κορυφή του σημαντικότερου εμποδίου της διαδρομής. F 1 = ακτίνα πρώτης ζώνης Fresnel

13 Νομογράφημα υπολογισμού της βασικής απώλειας μετάδοσης μεταξύ δύο ισοτροπικών κεραιών (από την CCIR)

14 Απώλειες περίθλασης σχετικά με τις απώλειες στον ελεύθερο χώρο (db) B απώλειες από εμποδιαμορφής μαχαιρωτής ακμής D από λεία σφαιρικά εμπόδια Α d Σχέση (5)

15 Ενεργός ακτίνα της γης παράγοντας Κ Σε συνθήκες πρότυπης ατμόσφαιρας, (dn/dh=γραμμική), η διάθλαση είναι συνεχής. Η δέσμη τείνει από αραιή πυκνότητα αέρα σε πυκνότερη. Το φαινόμενο αυτό κάνει την δέσμη να ακολουθεί την καμπυλότητα της γης. Παράγοντας Κ: ο λόγος της ακτίνας R e της καμπυλότητας της δέσμης, προς την πραγματική ακτίνα της γης R 0. K= 4/3 για συνθήκες πρότυπης ατμόσφαιρας και μέσα γεωγραφικά πλάτη. Όταν απαιτείται μεγάλη αξιοπιστία και ποιότητα τότε το ύψος ασφαλείας = F 1 για Κ = 4/3 και για συστήματα μικρότερης αξιοπιστίας το ύψος ασφαλείας = 0.6 F 1, πάλι με Κ = 4/3

16 Κάμψη της μικροκυματικής δέσμης για διάφορες τιμές της βαθμίδας διαθλαστικότητας (θεωρήθηκαν βαθμίδες διαθλαστικότητας)

17 Απορρόφηση της ΜΚ δέσμης από την ατμόσφαιρα και σκέδαση δέσμης από υδρομετεωρολογικά στοιχεία. A(dB) = γ d γ= γ 0 +γ w d = διαδρομή (km) (εξολοκλήρου στην γη) γ= σχετικός συντελεστής εξασθένισης γ 0 = σε ξηρό αέρα γ w =υδρατμοί.

18 Νομογράφημα υπολογισμού του σχ. συντ. εξασθ. γ (C) ατμοσφαιρική απορρόφηση (Α) βροχόπτωση R(mm/h) (B) Ομίχλη.

19 2. ΜΕΛΕΤΗ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΗΣ ΖΕΥΞΗΣ ΟΕ Α) Αρχικός σχεδιασμός και επιλογή των θέσεων εκπομπής, λήψης και αναμετάδοσης. Β) Περιγράμματα διαδρομής: Καθορισμός οπτικής επαφής, υπολογισμός ύψους κεραιών εκπομπής λήψης, καθορισμός του σημείου ανάκλασης της δέσμης. Γ) Ακριβής τοποθέτηση και περιγραφή των χαρακτηριστικών παραμέτρων για κάθε σημείο που επίκειται τοποθέτηση πομπού δέκτη ή επαναληπτικού σταθμού Δ) Υπολογισμός του ισοζυγίου ισχύος των ζεύξεων που θα αποτελούν το ΤΗ δίκτυο. Όλα τα αποτελέσματα των υπολογισμών πρέπει να εμπίπτουν στις οδηγίες της CCIR (International Radio Consultive Committee). Αποφυγή ΗΜ παρεμβολών από / σε άλλα ΤΗ συστήματα ή δίκτυα. Κατανομή συχνοτήτων (CCIR). Χρόνος ύπαρξης του ΤΗ δικτύου και ικανοποιητικής λειτουργείας εξαρτάται από το ποσό της επένδυσης.

20 2.1 Αρχικός σχεδιασμός και επιλογή των θέσεων εκπομπής, λήψης και αναμετάδοσης. Α) Χάραξη χάρτη μικρής κλίμακας του χωρομετρικού διαγράμματος των διαδρόμων. Β) Σημείωση των πιθανών θέσεων εκπομπής, λήψης και αναμετάδοσης. Επαναληπτικοί σταθμοί: Εκμετάλλευση του υψομέτρου. Οπτική επαφή με πομπό και δέκτη. Πλησίον γραμμής παροχής ηλεκτρικής ενέργειας.

21 Ζεύξη Ικαρίας Σάμου με ανακλαστήρες.

22 Τομή της ζεύξης Ικαρίας Σάμου για κ=4/3

23 2.2. Περιγράμματα διαδρομής: Καθορισμός οπτικής επαφής (χάρτης 1:50,000)

24

25 Υπολογισμός ύψους κεραιών εκπομπής λήψης. Επίδραση της καμπυλότητας της γης. Όπου ct = 12.75, όταν h k (m), X 1,2 (km) και ct = 1.5, όταν h k =(ft), X 1,2 (mil) Επίδραση ύψους ασφαλείας Fresnel h F = F 1 Εξίσωση (5) Το τελικό ισοδύναμο ύψος για κάθε σημείο της διαδρομής είναι: h T = h k + h F

26

27

28 Σχεδίαση ειδικού συστήματος ακτινοβολίας για την τηλεοπτική κάλυψη της υπό εξέταση περιοχής.

29 (Μελέτη πεδιο-κάλυψης με το παραπάνω σύστημα ακτινοβολίας & δεδομένη ισχύ πομπού. / Μοντέλο διάδοσης CCIR + RMD (50% του χρόνου, 50% των θέσεων band IV)

30 Το λογισμικό πρόβλεψης δίδει σαν αποτέλεσμα μελέτη ραδιοκάλυψης για ένα πομπό ή δίκτυο έως 1000 πομπών σε διάφορες μορφές ενώ έχει δυνατότητα επιλογής ανάμεσα σε 10 μοντέλα διάδοσης στατιστικής ή αιτιοκρατικής φύσης ανάλογα με την μορφολογία του εδάφους. Μελέτη ραδιοκάλυψης Τ/Ο σταθμού με χρήση του μοντέλου διάδοσης Free space +RMD (50% του χρόνου, 50% των θέσεων) Κατά την εφαρμογή ενός μοντέλου διάδοσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορες τεχνικές για τον ακριβέστερο υπολογισμό της απόσβεσης του σήματος οι οποίες παίρνουν υπόψη λεπτομέρειες του εδάφους και τις συνθήκες του περιβάλλοντος στο οποίο γίνεται διάδοση. Το λογισμικό έχει την δυνατότητα να εξετάζει σημεία γύρω από το σημείο εκπομπής σε απόσταση έως και 300 km

31 Μελέτη ραδιοκάλυψης Τ/Ο σταθμού με χρήση του μοντέλου διάδοσης CCIR + RMD (50% του χρόνου, 50% των θέσεων)

32 ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Αφού ο ενδιαφερόμενος Ρ/Φ ή Τ/Ο σταθμός καθορίζει την επιθυμητή περιοχή κάλυψης (έκταση, συγκεκριμένες πόλεις ή χωριά) ακολουθούνται τα παρακάτω βήματα για την σχεδίαση του συστήματος ακτινοβολίας: Βήμα 1 Εκπονείται χάρτης οπτικής επαφής από το συγκεκριμένο σημείο εκπομπής. Με αυτό τον τρόπο γίνεται εμφανές ποιες περιοχές έχουν οπτική επαφή με τη θέση εκπομπής και κατά συνέπεια είναι ευκολότερη η κάλυψη τους. Χάρτης οπτικής επαφής από το κ.ε. Χορτιάτης (για απόσταση 120 Km)

33 Βήμα 2 Στην συνέχεια γνωρίζοντας τις δυνατότητες κάλυψης που έχει το δεδομένο σημείο εκπονείται απεριόριστος αριθμός μηκοτομών προς χαρακτηριστικές τοποθεσίες και πόλεις ή χωριά που ενδιαφέρει η κάλυψη τους. Κάθε μια μηκοτομή μας δίδει το προφίλ του εδάφους προς την συγκεκριμένη κατεύθυνση και την απόσβεση που εισάγεται στην διαδρομή του σήματος. Η εκτίμηση αυτής της απόσβεσης μπορεί να γίνει με χρήση διαφόρων μοντέλων διάδοσης για διάφορα ποσοστά χρόνου και θέσεων και για ειδικό χαρακτήρα περιβάλλοντος στο σημείο λήψης (πόλη, προάστια, αραιό δάσος κτλ.) Έτσι καταλήγουμε στις τιμές της αναγκαίας ενεργούς ακτινοβολούμενης ισχύος (ERP) για την ποιοτική κάλυψη των επιθυμητών τοποθεσιών. Αυτές οι τιμές του αναγκαίου ERP είναι ο οδηγός για την σχεδίαση του συστήματος ακτινοβολίας του Ρ/Φ ή Τ/Ο σταθμού.

34

35 Δύο μέθοδοι: (α) Χρήση χάρτου κυρτότητας Κ =3/4 h T = h F

36 Περίγραμμα διαδρομής με χρησιμοποίηση χαρτιού κυματότητας 4/3

37 Βήμα 3 ο Με δεδομένες τις τιμές των αναγκαίων ERP για την κάλυψη της επιθυμητής περιοχής, γίνεται προσπάθεια σύνδεσης του οριζόντιου και κάθετου διαγράμματος ακτινοβολίας της κεραίας (με χρήση της θεωρίας στοιχειοκεραιών και εξειδικευμένων προγραμμάτων προσομοίωσης). Το κάθε διάγραμμα ακτινοβολίας τη κεραίας είναι δυνατόν να έχει διαφορετικές κλίσεις ως προς τον ορίζοντα (depression angle) ώστε να προσεγγίζονται οι τιμές του ERP που απαιτεί η κάθε μια τοποθεσία.

38 Σύστημα ακτινοβολίας Τ/Ο σταθμού για κάλυψη κεντρικής Μακεδονίας από κ.ε. Χορτιάτης

39 Βήμα 4 ο Έχοντας καταλήξει στο σύστημα ακτινοβολίας το οποίο πληροί τις απαιτήσεις για την κάλυψη της επιθυμητής περιοχής εκτελείται η τελική μελέτη ραδιοκάλυψης. Αυτή δίδει την αναμενόμενη κάλυψη για δεδομένη ισχύ πομπού και με τη χρήση αυτού του συστήματος ακτινοβολίας. Στην μελέτη ραδιοκάλυψης είναι δυνατόν να εκτιμηθεί η στάθμη του ηλεκτρικού πεδίου σε 720,000 σημεία σε όλο τον αζιμουθιακό κύκλο (360 ο ) και για απόσταση έως και 300 Km από το σημείο εκπομπής.

40 Μελέτη ραδιοκάλυψης Τ/Ο σταθμού από κ.ε. Χορτιάτης με το παραπάνω σύστημα ακτινοβολίας και για ισχύ πομπού P = 1KW (μοντέλο διάδοσης CCIR+RMD, 50% του χρόνου, 50% των θέσεων)

41 Καθορισμός του σημείου ανάκλασης της δέσμης Νομογράφημα υπολογισμού του σημείου ανάκλασης

42 2.3. Ακριβής τοπογραφική καταγραφή των σημείων εκπομπής, λήψης και αναμετάδοσης και των χαρακτηριστικών της διαδρομής. Σχετικά με τις επιλεγμένες θέσεις: Καταγραφή πιθανών πηγών παρεμβολής από το υπάρχον ΤΗ σύστημα. Καταγραφή της ακριβούς θέσης και ύψους. Περιγραφή τύπου εδάφους και των ήδη υπαρχουσών κατασκευών Στοιχεία για γεωλογικά φαινόμενα (π.χ. σεισμοί). Σχετικά με την διαδρομή: Εκτίμηση μορφολογίας εδάφους Κλιματολογικά δεδομένα (μέσος μηνιαίος ρυθμός βροχοπτώσεων, χιονόπτωση, θερμοκρασία, πιθανότητα εμφάνισης καταιγίδας, ομίχλης, χαλαζιού και παγετού)

43 2.4 Ισοζύγιο ισχύος για τον καθορισμό των απαιτούμενων χαρακτηριστικών του εξοπλισμού των τερματικών στοιχείων μιας ζεύξης. Για να προδιαγραφεί ο εξοπλισμός πρέπει να καθορισθούν οι εξήςν παράγοντες στο τέλος της ζεύξης. Επίπεδο λήψης. Σηματοθορυβική σχέση SNR CCIR για διαδρομή 2500km: Ποσοστό χρόνου λειτουργίας [%] SNR [db] 99.0 > >45 Αναλογικά Συστήματα: Διαμόρφωση FM. Γιατί αυξάνοντας το εύρος ζώνης και μειώνοντας αισθητά την ισχύ του πομπού, επιτυγχάνεται το ίδιο SNR με την ΑΜ στην έξοδο του δέκτη. Ψηφιακά Συστήματα: Το BER καθορίζει το SNR.

44 Απλοποιημένο μοντέλο για τον υπολογισμό του ισοζυγίου ισχύος.

45 α) Δεδομένης της στάθμης ισχύος του σήματος εισόδου P 0 στο σημείο Α της μικροκυματικής ισχύος στην έξοδο του πομπού, σημείο Β των απωλειών της γραμμής μεταφοράς L T, σημείο Γ και του κέρδους της κεραίας, υπολογίζεται αρχικά το EIRP EIRP: Ενεργός Ισοτροπική Ακτινοβολούμενη Ισχύς. «Το γινόμενο της ακτινοβολούμενης ισχύος επί το κέρδος της κεραίας ορίζεται ως EIRP». Όπου το κέρδος της παραβολικής κεραίας δίδεται από:

46 β) Απώλειες κατά την διαδρομή. Επειδή θεωρούμε EIRP => D=1 στην σχέση (4). Οπότε Απώλειες ελευθέρου χώρου (FSL) είναι: Όπου: R = μήκος διαδρομής σε Km f = συχνότητα σε MHz Απώλειες λόγο ατμοσφαιρικής απορρόφησης, σχέσεις (7), (8) και διάγραμμα σελ 11 (L A (db) =γr) γ) Καθορισμός της λαμβανομένης στην κεραία λήψης, ισοτροπικής ισχύος (IRL) χωρίς διαλείψεις σημείο Δ.

47 δ) Επίπεδο σήματος λήψης (RSL), στην είσοδο του δέκτη, σημείο Ε. Όπου: G R = κέρδος της κεραίας λήψης. L R = απώλειες γραμμής μεταφοράς Κατώφλι αναφοράς δέκτη (RSL threshold) Συνήθως δίδεται από τον κατασκευαστή. Αν όχι CCIR. Τυπικά -110dBw

48 2.4.3 Κατώφλι θερμικού θορύβου

49 (1): κατώφλι θερμικού θορύβου του δέκτη (εξαρτάται από το εύρος ζώνης IF και την παράμετρο NF του δέκτη. (2): C/N margin κάτω από την τιμή αυτή η σηματοθορυβική σχέση (S/N) μειώνεται απότομα. (3): τιμή κορεσμού. Η ισχύς θερμικού θορύβου σε εύρος ζώνης BW είναι: Αν NF είναι ο παράγοντας θορύβου (noise figure) του δέκτη, τότε: Έτσι υπολογίζεται η σηματοθορυβική σχέση στην είσοδο του δέκτη C/N. Ο ελάχιστος επιτρεπτός λόγος σήματος προς θόρυβο στην είσοδο του δέκτη είναι:

50 2.4.4 Περιθώριο Διαλείψεων. Ποσοστό χρόνου λειτουργίας: Όπου: f = συχνότητα σε GHz. Α = περιθώριο διαλείψεων σε db R = μήκος διαδρομής σε km α = 4 για ομαλό έδαφος. α = 1 για μέσο έδαφος. α = 1/4 για ορεινό, εξαιρετικά ανώμαλο ή πολύ ξηρό έδαφος β= 1/2 για παραλιακές περιοχές. β = 1/4 για πολύ εύκρατο κλίμα β = 1/8 για πολύ ξηρό κλίμα. Το απαιτούμενο RSL = RSL THRES +A

51 Αν το απαιτούμενο RSL είναι μικρότερο (κατά μέτρο) από αυτό που υπολογίστηκε από την σχέση (16) τότε προβαίνουμε σε διορθώσεις. Πιθανές λύσεις: 1. Αύξηση κέρδους κεραιών. 2. Αύξηση ισχύος πομπού. 3. Πύκνωση επαναληπτικών σταθμών 4. Διαφορική λήψη συχνότητας

52 Συντελεστής βελτίωσης: Όπου: f = συχνότητα σε GHz 2<f<11 GHz R = απόσταση σε Km Δf/f <5% Α = περιθώριο διαλείψεων σε db 5. Διαφορική λήψη χώρου 1,2 και 3 αντιοικονομικά Σπατάλη διαθέσιμου φάσματος συχνοτήτων. Μέγιστη επιτρεπτή απόκλιση μεταξύ των δύο συχνοτήτων σε Hz, 5%

53 Παράδειγμα πρόκλησης διαλείψεων από μηχανισμό οδήγησης Η συνηθέστερη λύση: Διαφορική λήψη χώρου

54 Αν G 1 = G 2, Όπου: S= Η απόσταση μεταξύ των κεραιών της διαφορικής λήψης (5<S<15m) R = 24<R<70Km f = 2<f<11GHz Αν G 1 G 2 Όπου V η διαφορά κέρδους της δεύτερης κεραίας από την πρώτη.

55 2.4.5 Διαθεσιμότητα ΜΚ ζεύξης Διακοπές: Α) Μεγάλη χρονική διάρκεια (10s 1h). Αραιές διακοπές (μια φορά το χρόνο). Β) Μικρής χρονικής διάρκειας (δέκατα του sec). Συχνές διακοπές (πολλές φορές σε μια ώρα), συνεχόμενη ακολουθία από διακοπές. Αιτίες: Α) Αύξηση θορύβου από τη διαδρομή (πολλαπλές διαδρομές) Β) Κακή λειτουργία του κυρίως μηχανισμού της ζεύξης (σύστημα διακοπών ελέγχου) Γ) Παρεμβολές από άλλα συστήματα EMI / EMC Δ) Ανθρώπινα λάθη

56 Διαθεσιμότητα: T ON Χρόνος λειτουργίας Τ OFF Χρόνος λειτουργίας Ποσοστό μη λειτουργίας: Για τηλεοπτικά συστήματα U< 0.01% S/N για αναλογικά συστήματα (τηλεοπτικά). Για το σήμα εικόνας: Df pp = Η απόκλιση από το σήμα εικόνας σε MHz F V = Η υψηλότερη συχνότητα βασικής ζώνης BW FM = Δf pp 2f V (Carson) σε MHz k V = συντελεστής βελτίωσης λόγω έμφασης και ζύγισης.

57 Για το σήμα ήχου: Σύστημα Γραμμών σάρωσης Εύρος Ζώνης (MHz) K V (db) f s = υποφέρουσα f α = ακουστική συχνότητα. Δf s = μέγιστη απόκλιση φέροντος από το υποφέρον Δf α = μέγιστη απόκλιση υποφέρουσας από την ακουστική συχνότητα. Όλες οι συχνότητες σε MHz

58 k a = συντελεστής βελτίωσης λόγω χρησιμοποίησης έμφασης και ζύγισης. k a = 13.6 db όταν f a = 5kHz k a = 18.3 db όταν f a = 10kHz k a = 16.8 db όταν f a = 15kHz Όταν υπάρχουν περισσότερες της μιας ακουστικής υποφέρουσας, τότε ισχύει: Όπου: f m = Η υψηλότερη συχνότητα της βασικής ζώνης S/N για ψηφιακά συστήματα. Ο υπολογισμός της σηματοθορυβικής σχέσης στην έξοδο του δέκτη δεν έχει νόημα σε ψηφιακά δίκτυα

59 Το απαιτούμενο C/N στην είσοδο του δέκτη καθορίζεται από το BER. Η σχέση (29) ισχύει για ψηφιακή διαμόρφωση PAM. Οι τιμές της συνάρτησης Q(x) δίδονται στον πίνακα. Καθώς τα λάθη συμβαίνουν με μικρή πιθανότητα, μπορεί να αγνοηθεί η πιθανότητα ότι κάθε ένα bit μπορεί να ανιχνευθεί λάθος περισσότερες φορές από μια, κατά την μετάδοση του μέσω καναλιού με Κ επαναληπτικούς σταθμούς. Συνεπώς ο αριθμός των λαθών θα αυξάνεται γραμμικά με τον αριθμό των επαναληπτικών σταθμών και η εξίσωση (29) θα είναι:

60 Αντίθετα η χρήση Κ αναλογικών επαναληπτικών σταθμών μειώνει το λαμβανόμενο C/N κατά Κ και έτσι η (29) γίνεται:

61 Παράδειγμα: Ψηφιακό τηλεπικοινωνιακό σύστημα μεταδίδει δεδομένα σε απόσταση 1000km. Κάθε 10km χρησιμοποιούνται επαναληπτικοί σταθμοί. Υπολογίστε το απαιτούμενο C/N στην είσοδο του δέκτη ώστε να επιτευχθεί η προδιαγραφή του πρωτοκόλλου για BER μικρότερο του Α. Οι επαναλήπτες είναι ψηφιακή. Β. Οι επαναλήπτες είναι αναλογικοί. Λύση: Α. Για ψηφιακούς επαναλήπτες είναι: Η διαφορά ανάμεσα στα Α και Β είναι 18.3 db ή 70 περίπου φορές περισσότερη είναι η ισχύς που χρειάζεται ένα αναλογικό σύστημα σε σχέση με αντίστοιχο ψηφιακό για το ίδιο αποτέλεσμα σε BER.

62 Παράδειγμα σχεδιασμού μικροκυματικής ζεύξης. Να υπολογιστεί η μικροκυματική ζεύξη μεταξύ των σημείων τόπων Α και Β που φαίνονται στον χάρτη. Προδιαγραφές ζεύξης και εξοπλισμού: Τύπος σήματος Συχνότητα λειτουργίας Συντελεστής θορύβου δέκτη (NF) Κατώφλι αναφοράς δέκτη Απόσταση Υψόμετρο θέση Α Υψόμετρο θέση Β Φορτίο Μέγιστη συχνότητα σήματος video f V Απόκριση p p Μέγιστη συχνότητα σήματος audio f a Μέγιστη συχνότητα σήματος βασικής ζώνης f m TV (1 οπτικό + 2 ήχους) GHz 7 db -111dBw 56km 185m 1318m Οπτικό 1V pp Ήχος 9 dbm 6MHz 8MHz 15kHz 9MHz Υποφέρουσα ακουστικού σήματος f s 7.5, 8.59MHz Ισχύς εξόδου πομπού Απώλειες γραμμής μεταφοράς Α Απώλειες γραμμής μεταφοράς Β Διάμετρος κεραίας εκπομπής Α Διάμετρος κεραίας εκπομπής Β 30dBm 1dB 1dB 2m 2m

63 1. Υπολογισμός ύψους των κεραιών. Από τον χάρτη παίρνουμε την μηκοτομή (σχήμα ). Από τις σχέσεις (9) και (5) υπολογίζονται το ύψος λόγω της καμπυλότητας της γης και το απαιτούμενο ύψος ασφαλείας Fresnel. Το συνολικό ισοδύναμο ύψος είναι το άθροισμα τους. [εξ. (10)]

64

65

66

67 Υψόμετρο θέσης κεραίας εκπομπής: Υψόμετρο θέσης κεραίας λήψης: Απόσταση: Συχνότητα: 185m 1318m 56km 10430ΜHz

68 Καταλήγουμε στην επιλογή ύψους κεραιών στις Α και Β 50m (χειρότερη περίπτωση στα 45km όπου h T =45m

69 2. EIRP: Ενεργός Ισοτροπική Ακτινοβολούμενη Ισχύς. Από εξισώσεις (11)&(12): EIRP dbw =P 0 L T + G T = = 43 dbw Απώλειες ελευθέρου χώρου (FSL), [είναι εξ(14)]: FSL db = logR km +20logf MHz = log log56=147.76dB Απώλειες λόγω ατμοσφαιρικής απορρόφησης, σχέσεις (7), (8) και διάγραμμα σελ 12. L A db = γr = 0.015x56=0.84dB. Υπολογισμός επιπέδου ισοτροπικής λήψης [εξ (15)]: IRL dbw = EIRP dbw FSL db L A db = = 105.6dBw Επίπεδο σήματος λήψης (RSL) χωρίς διαλείψεις, στην είσοδο του δέκτη [εξ. (16)]. RSL dbw = IRL db + G R db L R db = = 62.6dBw

70 Κατώφλι θερμικού θορύβου εξισώσεις (16)&(17) BW= Δf pp MHz +2f m MHz = 8+18=16MHz N IF dbw = -204 dbw +10logBW Hz +NF db = = dBw Κατώφλι αναφοράς δέκτη. (RSL threshold) Από τις προδιαγραφές του δέκτη, RSL THRES = 111dBw Προσδιορισμός του ελάχιστου επιτρεπτού λόγου σήματος προς θόρυβο στην είσοδο του δέκτη. Εξίσωση (19) C/N margin dbw = RSL THRES db N IF dbw = 111 ( )= 11.85dBw Υπολογισμός περιθωρίου διαλείψεων εξίσωση (20) α =1, β = 1/4 Από τις προδιαγραφές απαιτείται ο χρόνος μη λειτουργίας να μην υπερβαίνει τα 5 δευτερόλεπτα το χρόνο.

71 Π απαιτούμενο % = 5 / (3600x24x365)x100% = x10-5 % Λύνοντας την (20) ως προς Α x10-5 % = 6x 10-5 % x 1 x (1/4) x10.43 x 56 3 x 10 A/10 A = db Άρα το απαιτούμενο RSL χωρίς διαλείψεις για λειτουργία της ζεύξης % για ένα έτος πρέπει να είναι: % t ON = 5 sy -1 RSL απαιτούμενο = = dbw Προηγουμένως όμως βρέθηκε RSL = dbw (βήμα 6) Άρα απαιτείται βελτίωση τουλάχιστον κατά db.

72 Το επίπεδο σήματος λήψης στον δέκτη RSL που υπολογίστηκε στο βήμα 6, αντιστοιχεί σε ποσοστό χρόνου μη λειτουργίας, εξίσωση (20) Π= 6x10-5 x 1 x (1/4) x x 56 3 x 10 -B/10 = 3.98 x 10-4 % Όπου Β = RSL THRES RSL = 111 ( 62.6) = 48.4 db Ο συντελεστής βελτίωσης δίδεται από: I = Π /Π απαιτούμενο = 3.98x10-4 % / x10-5 % = Λύνοντας την σχέση (22) ως προς S, προσδιορίζουμε την απόσταση μεταξύ των κεραιών της διαφορικής λήψης: S 2 = IR / (7x10-5 f 10 B/10 ) S = 5.007m

73 ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ: Αν επιλεγεί S > 5.007m θα πάρουμε καλύτερα αποτελέσματα ως προς τον συντελεστή βελτίωσης της διαφορικής λήψης. Αυξάνεται ο χρόνος λειτουργίας και η αξιοπιστία του συστήματος. 11. Υπολογισμός SNR εξίσωση (28) Κ V = 18.1 S/N V = C/N +10log3(Δf pp /f m ) log(BW FM / 2f V ) +k V = = db

74 Γεωμετρικά στοιχεία για την ανάκλαση από σφαιρική γη Κατανομή του δέκτη διάθλασης και ανώμαλη τροποσφαιρική διάθλαση

75 Παραδείγματα μηχανισμών διαλείψεων πολλαπλών διαδρομών

76 Περίγραμμα διαδρομής με χρησιμοποίηση χαρτιού κυρτότητας 4/3

77

78 Διάγραμμα λειτουργίας για διαφορική λήψη συχνότητας (α) και χώρου (β).

79 Απλοποιημένο μοντέλο για τον υπολογισμό του ισοζυγίου ισχύος μικροκυματικής ζεύξης

80 Απλοποιημένο κύκλωμα παραγωγής σήματος FM στενής ζώνης

81 Πυκνότητα ισχύος θορύβου, S n, Στην έξοδο FM αποδιαμορφωτή

82 Παραδείγματα κυκλωμάτων προέμφασης (α) και αποέμφασης (β) για σύστημα μεταφοράς εικόνας (από την CCIR)

83 Εκτίμηση του περιθωρίου διαλείψεων για διαλείψεις τύπουrayleigh Ποσοστό χρόνου λειτουργίας (%) Περιθώριο διαλείψεων (db)

84

85

86 Τυπικό σύστημα εκπομπής και λήψης χρησιμοποιούμενο για την εκπομπή

87 Ορισμοί, Τροχιές, Συχνότητες, Γεωμετρία κάλυψης Βασικές έννοιες: 1. Διαστημικός σταθμός 2. Επίγειος δορυφορικός σταθμός 3. Διαστημική ραδιοεπικοινωνία 4. Διαστημικό σύστημα 5. Δορυφόρος 6. Τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος (ενεργούς παθητικούς) 1. Δορυφορικό σύστημα 2. Δορυφορικό δίκτυο 3. Δορυφορική ζεύξη 4. Δορυφορική τροχιά 5. Κλίση δορυφορικής τροχιάς 6. Περίοδος δορυφόρου 7. Γεωσύγχρονος δορυφόρος 8. Γεωστατικός δορυφόρος Δορυφορικές υπηρεσίες: 1. Σταθερή δορυφορική υπηρεσία 2. Κινητή δορυφορική υπηρεσία 3. Δορυφορική υπηρεσία Ραδιοφωνίας / τηλεόρασης 1. Δορυφορική υπηρεσία ραδιοεντοπισμού & ραδιοπλοήγησης 2. Μετεωρολογική δορυφορική υπηρεσία 3. Δορυφορική υπηρεσία έρευνας διαστήματος και εξερεύνησης της γης.

88

89

90

91 ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΘΟΡΥΒΟΥ Έστω G = S 0 /N 0 και N i = ktb Ορίζουμε: T e = ενεργός θερμοκρασία εισόδου του δέκτη Τ i = θόρυβος εξωτερικών πηγών

92 GkT i B+N Δ = Gk(T i +T e )B = T π (L-1) N Δ = GkB(T i +T e T i ) = GkBT e Σαν ενεργό θερμοκρασία θορύβου ενός τετραπόλου ορίζουμε τη θερμοκρασία μιας θερμικής πηγής θορύβου που θα έπρεπε να τη βάλουμε στην είσοδο του τετραπόλου αν ήταν «αθόρυβο» για να μας δώσει στην έξοδο του ισχύ ίση με την πρόσθετη ισχύ Ν n του πραγματικού τετραπόλου. Γενικά Τ e T i

93

94 Θερμοκρασία θορύβου λειτουργίας Τα Λ =T e +T i = N 0 / kbg Θόρυβος Ενισχυτικών Διατάξεων (τετραπόλων) σε σειρά Ο θόρυβος στην πρώτη βαθμίδα είναι καθοριστικός για τον θόρυβο όλου του δικτυώματος.

95 Θόρυβος παθητικού δικτυώματος Θερμοδυναμική ισορροπία: Θόρυβος Παθητικού Δικτυώματος και Ενισχυτή σε Σειρά Σημείο αναφοράς η είσοδος του δικτυώματος

96 Σημείο αναφοράς η έξοδος του δικτυώματος

97 T M = φυσική θερμοκρασία μέλανος σώματος G(θ,φ)= διαγράμματα ακτινοβολίας Αν το άνοιγμα της δέσμης είναι πολύ στενό ή ισχύς συγκεντρώνεται σε μικρή στερεά γωνία T Μ (θ,φ) = ct Θερμοκρασία θορύβου κεραίας Προέλευση (ουρανός γαλαξίας, ήλιος, σελήνη, ατμόσφαιρα-αέρια, σύννεφα και έδαφος) Θόρυβος από τον κύριο λοβό

98 Αν Τ Μ (θ,φ) σταθερή Τ κ = Τ Μ Συνολικός θόρυβος κεραίας

99 Πηγές Θορύβου κεραίας Κοσμικός θόρυβος T C = f -2 (f σε MHz Θόρυβος ηλιακού συστήματος Γήινος Θόρυβος

100 T op =T ουρανού Τ α = Τ ατμόσφαιρας Τα πλ = Τ πλευρικού λοβού

101 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΘΟΡΥΒΟΥ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (Τ Λ )

102

103 Θερμοκρασία θορύβου προερχόμενη από την ατμόσφαιρα

104

105 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΚΑΤΑ ΤΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ 1. Απώλειες ελευθέρου χώρου: L = log(f)+20log(d) σε db, F σε GHz, d σε km 2. Ατμοσφαιρική απορρόφηση/ εξασθένηση (>15GHz) 3. Απώλειες πολώσεως από βροχή διασπορά (< 15GHz) 4. Στροφή Faraday (<1GHz) Δορυφορικές επικοινωνίες Για 2,3 & 4 χρήση περιθωρίου λειτουργίας 3dB

106 Σχεδιασμός Δορυφορικής Ζεύξης Παράγοντες που επηρεάζουν. Βάρος και διαστάσεις δορυφόρου Ισχύς d.c. που μπορεί να δημιουργηθεί στον δορυφόρο Ζώνες συχνότητας Μέγιστες διαστάσεις κεραιών δορυφόρου και επίγειου σταθμού. Ο τρόπος της πολλαπλής προσπέλασης που χρησιμοποιείται Το σύστημα διακρίνεται: Επίγειος σταθμός δορυφόρος (Up Link) Δορυφορικός αναμεταδότης Δορυφόρος Επίγειος σταθμός (Down Link) Σημαντικότερη η καθοδική πορεία Ο δορυφόρος διαθέτει περιορισμένη ισχύ Καθοδική πορεία Down Link

107

108 E e = EIRP για τον επίγειο σταθμό = G e = Συντελεστής ποιότητας επίγειου σταθμού Τ e = (Figure of Merit) σε dbw T -1 T D = Ισοδύναμη θερμοκρασία θορύβου Ανοδική πορεία Up Link Στην είσοδο τον ενισχυτή LNA στον δορυφόρο: L u = Απώλειες uplink M = Περιθώριο λειτουργίας G s = Απολαβή κεραίας του δορυφόρου Ν u = Θερμικός θόρυβος ανόδου Τ s = Θερμοκρασία θορύβου στον δορυφόρο (κεραία + δέκτη)

109 Συνολικά: C/T όχι σε dbw/t Αναμετάδοση

110 Για εξοικονόμηση ενέργειας οι ενισχυτές πρέπει να εργάζονται στον κόρο αυξάνονται οι μη γραμμικότητες, αυξάνεται ο θόρυβος ενδοδιαμόρφωσης

111

112 Παράδειγμα 1 Η συχνότητα λήψης επίγειου σταθμού είναι 4GHz. Η γωνία ανύψωσης 10 και το διάγραμμα της έχει ως εξής: Η απολαβή σε κατεύθυνση διαφορετική από ±1 από τον κύριο λοβό είναι -10dBi. Ο ενισχυτής χαμηλού θορύβου είναι ψυχόμενος με ενίσχυση 25dB και ενεργό θερμοκρασία 15 Κ. Ο ενισχυτής ισχύος ή μίκτης έχει συντελεστή θορύβου 5dB και ενισχύει 20dB. Ο συζεύκτης και η γραμμή μεταφοράς έχουν 0.2dB και 0.1dB απόσβεση αντίστοιχα και θερμοκρασία 290 Κ. Αν η επίδραση του ήλιου και της βροχής είναι αμελητέα, να προσδιοριστεί η θερμοκρασία θορύβου λειτουργίας του συστήματος λήψης: Κεραία, Συζεύκτης, Γραμμή, LNA, PA/mix

113 Από το διάγραμμα: T πλ = Τ πλ (έδαφος) +Τ πλ (ατμόσφαιρα) Τα πλ (έδαφος) = (1/2) Τ έδαφος G πλ (1) -10dBi = 10logG πλ G πλ =0.1 (2) Από (1) και (2) προκύπτει: (1/2)x 290x0.1 =14.5 K

114 Συζεύκτης: -0.2dB L Σ =0.95 Γραμμή μεταφοράς: -0.1dB L M = 0.977

115 Παράδειγμα 2 Δεδομένων των παρακάτω πληροφοριών για μια δορυφορική ζεύξη υπολογίστε την απαιτούμενη ισχύ εκπομπής από τον επίγειο σταθμό. Επίγειος Σταθμός: G e =55dB T e = 18.13dBK Συνολικά στοιχεία L u = 203dB C/N = 21 db M = 4dB Δορυφόρος: G s =25dB P s =6 W = 7.8dBw T s = 31.8dBK L d = 199 db B RF = 8MHz k=1.38x10-3 = dB Λύση C/T d = E s L d M + G e /T e (dbw/k) E s = P s + G s = 32.8 (dbw) G e /T e =(55dB 18.13dBK)=36.87 (db/k) C/T d = db/k

116 Συνολικά C/N T = 21dB (δεδομένο) C/T T = C/N T +10logk+10logk+10logB RF = = dbw/t Πρέπει να υπολογιστεί το C/T u : να βρεθεί το P e C/T u = dbw/k Άνοδος E e =P e +G e P e = P e =21.8dBw ή P e =151W