Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: Τομέας Τηλεπικοινωνιών και Τεχνολογίας Πληροφορίας Εργαστήριο Ασύρματης Τηλεπικοινωνίας Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Μανίκα Μάριου του Γεωργίου Αριθμός Μητρώου: 4795 Θέμα «ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ ΜΗ-ΙΟΝΙΖΟΥΣΑΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ (100ΚHz 3GHz) ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ» Επιβλέπων ΣΤΑΥΡΟΣ ΚΩΤΣΟΠΟΥΛΟΣ, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Οκτώβριος 2011

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ ΜΗ-ΙΟΝΙΖΟΥΣΑΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ (100ΚHz 3GHz) ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Μανίκα Μάριου του Γεωργίου Αριθμός Μητρώου: 4795 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις /10/2011 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Σταύρος Κωτσόπουλος, Καθηγητής Θεόδωρος Αντωνακόπουλος, Καθηγητής

4 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ ΜΗ-ΙΟΝΙΖΟΥΣΑΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ (100ΚHz 3GHz) ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ» Φοιτητής: Μανίκας Μάριος του Γεωργίου Επιβλέπων: Σταύρος Κωτσόπουλος, Καθηγητής

5 Περίληψη Στη διπλωματική αυτή παρουσιάζονται οι μετρήσεις των επιπέδων της μη-ιονίζουσας ακτινοβολίας σε διάφορες γεωγραφικές περιοχές της Ελλάδας που πραγματοποιήθηκαν μέσω του Προγράμματος «ΕΡΜΗΣ», το οποίο υλοποιείται από το Εργαστήριο Κινητών Ραδιοεπικοινωνιών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, είτε σε συνεχή βάση μέσω εγκατεστημένων μετρητικών σταθμών (μετρήσεις 24ώρου) είτε με περιοδικές μετρήσεις με τη χρήση συχνοεπιλεκτικού πεδιόμετρου (μετρήσεις ad hoc). Περιγράφονται οι μετρητικές διατάξεις και τα είδη των συσκευών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να πραγματοποιηθούν μετρήσεις ηλεκτρομαγνητικού υποβάθρου, οι προδιαγραφές που πρέπει να πληρούν και η μεθοδολογία που εφαρμόζεται βάσει προτύπων. Ξεχωριστή αναφορά γίνεται στη συσκευή SRM-3000 που χρησιμοποιείται για τις μετρήσεις στενής ζώνης του προγράμματος Ερμής. Παρουσιάζονται επίσης τα όρια ασφαλούς έκθεσης του κοινού στην ακτινοβολία καθώς και η ευρωπαϊκή και ελληνική νομοθεσία που θεσμοθετεί αυτά τα όρια. v

6 vi

7 Περιεχόμενα Πρόλογος Κεφάλαιο 1 Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία Επιδράσεις και Όρια Ασφαλείας Εισαγωγή Κοινές πηγές Συστήματα Ηλεκτρομαγνητικής Ακτινοβολίας Ραδιοφωνία FM Τηλεόραση (Αναλογική) Ψηφιακή Τηλεόραση (DVB-Τ) GSM Το Σύστημα Κινητών Τηλεπικοινωνιών DCS Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) WiFi Βιολογικές Επιδράσεις Ηλεκτρομαγνητικής Ακτινοβολίας Θερμικές Επιδράσεις Μη-Θερμικές Επιδράσεις Επιδημιολογικές μελέτες Όρια Ασφαλούς Έκθεσης του Κοινού - Νομοθεσία Κεφάλαιο 2 Μετρητικές διατάξεις και Μεθοδολογία μετρήσεων Η/Μ πεδίων Είδη Μετρητικών Διατάξεων Απαιτήσεις Οργάνων Μέτρησης Μεθοδολογία -Πρότυπα μετρήσεων Μετρήσεις με χρήση Πεδιόμετρου SRM Το πεδιόμετρο SRM Μέτρηση με το πεδιόμετρο SRM Τύποι Λειτουργιών Συσκευής Αβεβαιότητες μετρήσεων με τη χρήση της συσκευής SRM Κεφάλαιο 3 Πρόγραμμα Μέτρησης, Καταγραφής, Ελέγχου και Δημοσίευσης των Αποτελεσμάτων Μετρήσεων Της Ηλεκτρομαγνητικής Ακτινοβολίας στο Περιβάλλον "Ερμής" Εισαγωγή Πρόγραμμα "Ερμής" Προδιαγραφές συστήματος Εξοπλισμός μετρήσεων Παρουσίαση Αποτελεσμάτων στον Ιστοχώρο του Ερμή Παρόμοια προγράμματα σε Ελλάδα και εξωτερικό Κεφάλαιο 4 Αποτελέσματα Μετρήσεων Μετρήσεις 24-ώρου... 59

8 4.2 Αποτελέσματα Μετρήσεων Στενής Ζώνης (Ad-hoc) Αποτελέσματα Μετρήσεων από Επιλεγμένους Σταθμούς Αθλητικός όμιλος Δήμου Νέας Ιωνίας, Νομός Αττικής. Διακυμάνσεις της πυκνότητας ροής ισχύος κατά τη διάρκεια του 24ώρου ο Γυμνάσιο Αγίας Παρασκευής, Νομός Αττικής. Εποχικές διακυμάνσεις της πυκνότητας ροής ισχύος Σταθμός μέτρησης στο Δημαρχείο Ρίου. Διακυμάνσεις της πυκνότητας ροής ισχύος σε χρονικό διάστημα δύο ετών Κεφάλαιο 5 Συμπεράσματα Περιεχόμενα πινάκων Πίνακας 1.1 Τεχνικές παράμετροι DVB-T Πίνακας 1.2 Επίπεδα Μέγιστης Ισχύος Εξόδου Σταθμού Βάσης (normal BTS) Πίνακας 1.3 Επίπεδα Μέγιστης Ισχύος Εξόδου micro - BTS Πίνακας 1.4 Επίπεδα Μέγιστης Ισχύος Εξόδου Κινητού Τερματικού Πίνακας 1.5 Επίπεδα Μέγιστης Ισχύος Εξόδου Σταθμού Βάσης (normal BTS) Πίνακας 1.6 Επίπεδα Μέγιστης Ισχύος Εξόδου micro - BTS Πίνακας 1.7 Επίπεδα Μέγιστης Ισχύος Εξόδου Κινητού Τερματικού Πίνακας 1.8 Βασικοί περιορισμοί της Σύστασης της Ευρωπαϊκής Ένωσης για ηλεκτρικά, μαγνητικά & ηλεκτρομαγνητικά πεδία (0 Ηz 300GHz) για τον γενικό πληθυσμό Πίνακας 1.9 Επίπεδα αναφοράς βάσει της Σύστασης της Ευρωπαϊκής Ένωσης για ηλεκτρικά, μαγνητικά & ηλεκτρομαγνητικά πεδία (0 Ηz 300 GHz) για το γενικό πληθυσμό Πίνακας 2.1 Αβεβαιότητα Οργάνου SRM-3000 σε τιμές % Πίνακας 2.2 Αβεβαιότητα Οργάνου SRM-3000 σε τιμές db Πίνακας 3.1 Τεχνικά χαρακτηριστικά συσκευής MCE Πίνακας 4.1 Εγκατεστημένοι Σταθμοί, περιβάλλον σταθμών, ημερομηνία εγκατάστασης, καταγεγραμμένες μετρήσεις και Μέση τιμή Έντασης Ηλεκτρικού Πεδίου Πίνακας 4.2 Μέση τιμή έντασης ηλεκτρικού πεδίου για τις ζώνες συχνοτήτων 100ΚΗΖ 900ΜHZ, 900ΜΗΖ 3GHZ, για τη συνολική ζώνη συχνοτήτων 100ΚΗΖ 3GHZ και η τιμή της τυπικής απόκλισης της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου για τη ζώνη συχνοτήτων 100ΚΗΖ 3GHZ viii

9 Πίνακας 4.3 Μέσες τιμές της έντασης ηλεκτρικού πεδίου για την ζώνη συχνοτήτων 100ΚHz -3GHz καθώς και για τις ζώνες 100KHz-900MHz (low-band) και 900MHz- 3GHz (high-band) ανά τύπο περιβάλλοντος σταθμών Πίνακας 4.4 Πηγές Εκπομπής στις μετρούμενες ζώνες συχνοτήτων Πίνακας 4.5 Ποσοστά συνεισφοράς κάθε φασματικής ζώνης στην συνολική ηλεκτρομαγνητική επιβάρυνση Πίνακας 4.6 Μέση τιμή πυκνότητας ροής ισχύος στον αθλητικό όμιλο Νέας Ιωνίας ανά ώρα μετρήσεων Πίνακας 4.7 Μέση τιμή πυκνότητας ροής Ισχύος (mw/m 2 ) στο 2 ο Γυμνάσιο Αγίας Παρασκευής ανά μήνα στο διάστημα Ιανουάριος 2009 έως Δεκέμβριος Πίνακας 4.8 Μέση τιμή πυκνότητας ροής Ισχύος (mw/m 2 ) ανά μήνα στο Δημαρχείο Ρίου στο διάστημα Φεβρουάριος 2007 έως Απρίλιος

10

11 Πανεπιστήμιο Πατρών Πρόλογος Στις τελευταίες δεκαετίες επιπρόσθετα με τα παραδοσιακά συστήματα εκπομπής (ραδιοφωνία και τηλεόραση), τα συστήματα ραντάρ κτλ η ανάπτυξη και η λειτουργία διάφορων ασύρματων δικτύων και κυρίως των δικτύων της κινητής τηλεφωνίας οδήγησε σε αυξανόμενη ανησυχία του κοινού όσον αφορά την έκθεση σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπεται από αυτές τις πηγές (μη-ιονίζουσα ακτινοβολία). Οι ανησυχίες αυτές δημιουργούν τη ζήτηση για συνεχή πληροφόρηση του κοινού όσον αφορά τα επίπεδα έκθεσης του στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι να παρουσιάσει τα αποτελέσματα μετρήσεων σε διάφορες γεωγραφικές περιοχές που πραγματοποιήθηκαν μέσω του Προγράμματος "Ερμής" είτε σε συνεχή βάση μέσω εγκατεστημένων μετρητικών σταθμών (μετρήσεις 24ώρου) είτε με περιοδικές μετρήσεις με τη χρήση συχνοεπιλεκτικού πεδιόμετρου (μετρήσεις ad hoc). Το δίκτυο ΕΡΜΗΣ, το οποίο άρχισε τη λειτουργία του το Νοέμβριο του 2002, υλοποιείται από το Εργαστήριο Κινητών Ραδιοεπικοινωνιών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου και το Εργαστήριο Ραδιοεπικοινωνιών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Μέχρι σήμερα έχει εφαρμοστεί σε 116 σημεία σε πυκνό αστικό και ημιαστικό περιβάλλον σε 36 νομούς της χώρας. Μέσω του προγράμματος Ερμής μόνο για τους σταθμούς της Νότιας Ελλάδας έχουν καταγραφεί από την αρχή λειτουργίας του προγράμματός το 2002 πάνω από 19,6 εκατομμύρια 6-λεπτες μετρήσεις (24ώρου) και έχουν πραγματοποιηθεί πάνω από 100 μετρήσεις στενής ζώνης (ad hoc). Στο Κεφάλαιο 1 αναφέρονται κάποιες βασικές πληροφορίες για την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία καθώς και για τις βιολογικές επιδράσεις (θερμικές και μη) της μη-ιονίζουσας ακτινοβολίας. Επίσης περιγράφονται τα συστήματα επικοινωνιών που αποτελούν τις κυριότερές πηγές ακτινοβολίας στη ζώνη συχνοτήτων 100ΚΗz 3GHz. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την παρουσίαση των ορίων ασφαλούς έκθεσης του κοινού στην ακτινοβολία και την ευρωπαϊκή και ελληνική νομοθεσία που θεσμοθετεί αυτά τα όρια. Στο Κεφάλαιο 2 περιγράφονται οι μετρητικές διατάξεις και τα είδη των συσκευών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να πραγματοποιηθούν μετρήσεις ηλεκτρομαγνητικού υποβάθρου, οι προδιαγραφές που πρέπει να πληρούν και η μεθοδολογία που εφαρμόζεται βάσει προτύπων. Ξεχωριστή αναφορά γίνεται στη συσκευή SRM-3000 που χρησιμοποιείται για τις μετρήσεις στενής ζώνης του προγράμματος Ερμής. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφεται το πρόγραμμα "Ερμής" και ο μετρητικός εξοπλισμός που χρησιμοποιείται στο πρόγραμμα. Επίσης γίνεται αναφορά σε παρόμοια προγράμματα 24ώρης παρακολούθησης των επιπέδων της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που έχουν λειτουργήσει στην Ελλάδα και το εξωτερικό. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται σε πίνακες τα αποτελέσματα των μετρήσεων που έχουν καταγραφεί μέσω του προγράμματος "Ερμής" σε 24ωρη βάση σε διάφορες γεωγραφικές περιοχές της νοτίου Ελλάδος. Επίσης εξετάζονται παραδείγματα μετρήσεων από κάποιους συγκεκριμένους σταθμούς και η διακύμανση του μετρούμενου μεγέθους της πυκνότητας ροής ισχύος σε αυτούς τους σταθμούς. Στο Κεφάλαιο 5 εξάγονται κάποια γενικά συμπεράσματα για την έκθεση του κοινού στην μη-ιονίζουσα ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που προκύπτουν από την διπλωματική εργασία. 1

12 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Η/Υ Θέλω να ευχαριστήσω τον Καθηγητή στο Εργαστήριο Ασύρματης Τηλεπικοινωνίας του Τομέα Τηλεπικοινωνιών & Τεχνολογίας Πληροφορίας κ. Σταύρο Κωτσόπουλο χωρίς την πολύτιμη συνδρομή και καθοδήγηση του οποίου δε θα ήταν δυνατή η ολοκλήρωση της παρούσης εργασίας. Επίσης να ευχαριστήσω τον Καθηγητή κ. Φ. Κωνσταντίνου, διευθυντή του Εργαστηρίου Κινητών Ραδιοεπικοινωνιών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου για την έμπρακτη υποστήριξη του καθόλη τη διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας. Μανίκας Μάριος Σεπτέμβριος

13 Πανεπιστήμιο Πατρών Κεφάλαιο 1 Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία Επιδράσεις και Όρια Ασφαλείας. 1.1 Εισαγωγή Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αποτελείται από κύματα που στην πλειονότητά τους είναι αόρατα. Από την ακτινοβολία αυτή, μόνο ένα μικρό τμήμα της μπορεί να εντοπισθεί από το ανθρώπινο μάτι και αποτελεί το ορατό φως που παράγει τα διάφορα χρώματα του ουράνιου τόξου. Εικόνα 1.1 Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα Τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία εμφανίζονται σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων (ηλεκτρομαγνητικό φάσμα) που χωρίζεται σε επιμέρους περιοχές (ζώνες συχνοτήτων) (Εικόνα 1.1). Το φάσμα των συχνοτήτων περιλαμβάνει την ιονίζουσα και τη μη ιονίζουσα ακτινοβολία. Η ιονίζουσα ακτινοβολία είναι αυτή που έχει συχνότητα υψηλότερη από το ορατό φως. Είναι μικρότερου μήκους κύματος και μεταφέρει πολύ υψηλή ενέργεια. Η ιονίζουσα ακτινοβολία περιλαμβάνει την κοσμική ακτινοβολία, τις ακτίνες Χ και τις ακτινοβολίες α, β και γ ραδιενεργού διάσπασης. Χαρακτηρίζεται με τον όρο «ιονίζουσα», διότι προκαλεί ιονισμό της ύλης, δηλαδή το φωτόνιό διαθέτει τέτοια ενέργεια, ώστε μπορεί να εκδιώξει ένα ηλεκτρόνιο από ένα άτομο της ύλης. Η ακτινοβολία αυτή μπορεί να προκαλέσει άμεση βλάβη στη βιολογική ύλη και συγκεκριμένα στο DNA των κυττάρων. Οι πηγές των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, στα οποία υποβάλλονται καθημερινά ένα μεγάλο μέρος του πληθυσμού (ραδιοκύματα, μικροκύματα, ηλεκτρισμός), είναι μεγάλου μήκους κύματος και χαμηλής συχνότητας. Είναι επιστημονικά παραδεκτό 3

14 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Η/Υ ότι δεν μπορούν να προκαλέσουν ιονισμό, διότι η ενέργεια που μεταφέρουν είναι μικρή. Ωστόσο υπάρχουν αναφορές στη βιβλιογραφία για έμμεσο τρόπο διάσπασης χημικών δεσμών στα μόρια κυττάρων Τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία που παράγονται από τα καλώδια ηλεκτρικού ρεύματος και τις οικιακές ηλεκτρικές συσκευές, είναι εξαιρετικά χαμηλής συχνότητας που φτάνουν μέχρι 300 Hz. Οι ραδιοσυχνότητες βρίσκονται μεταξύ 10 MHz και 300 GHz. Τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία (ΗΜΠ), υπάρχουν παντού στο περιβάλλον και προέρχονται από φυσικές ή τεχνητές πηγές. Το γήινο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, το ηλιακό φως, οι κεραυνοί, ο χτύπος της καρδιάς, το ανθρώπινο νευρικό σύστημα αποτελούν φυσικές πηγές ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Στις τεχνητές πηγές περιλαμβάνονται οι οικιακές ηλεκτρικές συσκευές (ηλεκτρική σκούπα, φούρνος μικροκυμάτων, ψυγείο, τηλεόραση κ.λ.π.), οι γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικού ρεύματος, οι τηλεοπτικοί και ραδιοφωνικοί σταθμοί, οι σταθμοί βάσης κινητής τηλεφωνίας, τα ραντάρ κ.λ.π.. Θα πρέπει να τονιστεί ότι η ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικού πεδίου επάγει ηλεκτρικό ρεύμα. Τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία μπορεί να είναι υψηλής ή χαμηλής έντασης, συνεχή ή μικρής διάρκειας. Τα ηλεκτρικά πεδία δημιουργούνται λόγω διαφοράς ηλεκτρικού δυναμικού. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά δυναμικού, τόσο ισχυρότερο είναι το ηλεκτρικό πεδίο που προκύπτει. Τα μαγνητικά πεδία δημιουργούνται όταν υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα. Όσο πιο υψηλή είναι η ένταση του ρεύματος τόσο πιο δυνατό θα είναι το μαγνητικό πεδίο. Όταν διακοπεί το ηλεκτρικό ρεύμα, το μαγνητικό πεδίο μηδενίζεται. Μια συσκευή, όπως για παράδειγμα ο στεγνωτήρας μαλλιών, παράγει μαγνητικό πεδίο μόνο όταν βρίσκεται σε λειτουργία. Η διακοπή του ρεύματος, εξαφανίζει άμεσα το μαγνητικό πεδίο. Υπάρχουν τρία φυσικά μεγέθη που περιγράφουν της ένταση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας: η ένταση του μαγνητικού πεδίου, που μετράται σε Α/m η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, που μετράται σε V/m και η πυκνότητα ισχύος που μετράται σε W/m 2. Σε συνθήκες επίπεδου κύματος, δηλαδή όταν η απόσταση από την κεραία είναι αρκετά μεγαλύτερη από τις διαστάσεις της κεραίας, τα τρία αυτά μεγέθη είναι μεταξύ τους συνδεδεμένα μέσω απλών μαθηματικών σχέσεων και η γνώση του ενός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση των άλλων δύο. Πολύ κοντά στις κεραίες σε σχέση με τις φυσικές τους διαστάσεις η ένταση του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου δεν συνδέονται μεταξύ τους με σταθερή σχέση και η πυκνότητα ισχύος δεν ορίζεται. 1.2 Κοινές πηγές Συστήματα Ηλεκτρομαγνητικής Ακτινοβολίας Αναφέρονται συνοπτικά οι φασματικές περιοχές που καταλαμβάνει κάθε υπηρεσία, το είδος της διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται, το εύρος ζώνης (bandwidth) που καταλαμβάνεται καθώς και βασικές προτάσεις όσον αφορά την ισχύ των εκπεμπόμενων σημάτων. Ακολουθεί η παρουσίαση των υπηρεσιών της ραδιοφωνίας και τηλεόρασης που είναι αναλογικά συστήματα καθώς και των πιο διαδεδομένων συστημάτων κινητών τηλεπικοινωνιών, GSM 900, DCS 1800, UMTS και WiFi, τα οποία είναι ψηφιακά συστήματα. 4

15 Πανεπιστήμιο Πατρών Ραδιοφωνία FM Οι υπηρεσίες της ραδιοφωνίας και της τηλεόρασης ανήκουν στην κατηγορία των ευρείας εκπομπής υπηρεσιών. Η ραδιοφωνία χρησιμοποιεί τη φασματική ζώνη VHF και συγκεκριμένα το τμήμα MHz. Βασικοί Ορισμοί Τα εκπεμπόμενα σήματα διαμορφώνονται με το σχήμα FM, σύμφωνα με το οποίο η στιγμιαία συχνότητα του διαμορφωμένου φέροντος σήματος (f i ) μεταβάλλεται γραμμικά με το σήμα βασικής ζώνης m(t) (διαμορφώνον). Αν f C η συχνότητα του φέροντος τότε: f i (t) = f C + k f m(t) ( 1.1 ) Αν μάλιστα θεωρήσουμε ότι το σήμα βασικής ζώνης είναι ημιτονοειδές τότε το διαμορφωμένο φέρον σήμα το εκπεμπόμενο δηλαδή θα έχει την ακόλουθη μορφή: [ 2 f t + m sin(2 f )] e( t) = A cos π π t ( 1.2 ) C C Ο παράγοντας m καλείται δείκτης διαμόρφωσης και ισούται με: f peak k f Am m = = ( 1.3 ) f f m m m όπου: Δf peak η μέγιστη μεταβολή της στιγμιαίας συχνότητας του φέροντος. f m η συχνότητα του διαμορφώνοντος σήματος. k f η ευαισθησία συχνότητας του διαμορφωτή. Η παραπάνω παραδοχή βοηθάει στην ανάλυση ορισμένων βασικών μεγεθών για τη συγκεκριμένη διαμόρφωση. Στην πραγματικότητα βέβαια το σήμα βασικής ζώνης δεν είναι ημιτονοειδές αλλά ένα πιο σύνθετο ακουστικό σήμα ομιλίας ή μουσικής. Κάθε ραδιοφωνικός σταθμός παράγει ένα διαμορφωμένο σήμα το οποίο καταλαμβάνει μία μικρή ζώνη συχνοτήτων περί τη συχνότητα φέροντος του σταθμού. Τα σήματα αυτά έχουν μεταξύ τους μια φασματική απόσταση έτσι ώστε να εμποδίζεται η αλληλοεπικάλυψή τους. Μία τυπική τιμή φασματικής απόστασης είναι τα 300 KHz. Σχήμα 1.1 Φασματική Απόσταση σημάτων FM. 5

16 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Η/Υ Όπως φαίνεται από τη σχέση (1.4) η διαμόρφωση FM αποτελεί μία μη γραμμική διαδικασία, με αποτέλεσμα το φάσμα μιας τέτοιας κυματομορφής να μην συνδέεται με απλό τρόπο με αυτό το υ σήματος διαμόρφωσης. Έτσι, το φάσμα μίας κυματομορφής FM περιέχει μια συνιστώσα που οφείλεται στο φέρον και ένα άπειρο σύνολο πλευρικών συχνοτήτων που τοποθετούνται συμμετρικά εκατέρωθεν του φέροντος σε διαστήματα συχνότητας f m, 2f m, 3f m, Μία διαφορετική έκφραση για το εκπεμπόμενο σήμα, από την οποία φαίνεται καθαρά και η προαναφερθείσα ιδιότητα, είναι η ακόλουθη: n= [ 2π ( f + nf ) t] e( t) = A J ( m) cos ( 1.4 ) C n Ο παράγοντας J n (m) είναι η n-oστής τάξης συνάρτηση Bessel πρώτου είδους. C m Ισχύς Μετάδοσης Από τη σχέση (1.4 ) προκύπτει με μαθηματικές πράξεις η μέση ισχύς της κυματομορφής FM: P = e ( t) = AC J n ( m) 2 n= ( 1.5 ) και εκμεταλλευόμενοι τη βασική ιδιότητα των συναρτήσεων Bessel: n= 1 J = n ( m) = 1 P AC ( 1.6 ) Παρατηρούμε λοιπόν ότι όταν το φέρον διαμορφώνεται για τη δημιουργία κυματομορφής FM, η ισχύς στις πλευρικές συνιστώσες μπορεί να εμφανιστεί μόνο σε βάρος της αρχικής ισχύος του φέροντος. Έτσι, το σήμα πληροφορίας m(t) ουσιαστικά δεν προσδίδει στην ισχύ εκπομπής, ενώ ενδεχόμενη μεταβολή του δείκτη διαμόρφωσης m συνεπάγεται ανακατανομή της ισχύος στις πλευρικές συνιστώσες του φέροντος και όχι μεταβολή της συνολικής τιμής της. Η ισχύς των κεραιών εκπομπής των ραδιοφωνικών σταθμών είναι της τάξης των KWatt. Εύρος Ζώνης Μετάδοσης Το εύρος ζώνης μετάδοσης μιας κυματομορφής FM θεωρητικά είναι άπειρο λόγω των άπειρων πλευρικών συνιστωσών του σήματος. Πρακτικά όμως η κυματομορφή είναι περιορισμένη σε πεπερασμένο αριθμό συνιστωσών με κάποιο προκαθορισμένο ποσό παραμόρφωσης. Τότε, το ενεργό εύρος ζώνης μπορεί να υπολογιστεί με δύο τρόπους: Βασιζόμενοι στον κανόνα του Carson ο οποίος εκφράζεται ως εξής για την περίπτωση εκείνη που το σήμα βασικής ζώνης είναι ημιτονοειδές: 1 BandWidth = 2 f peak + 2 f m = 2 f peak 1 + ( 1.7 ) m 6

17 Πανεπιστήμιο Πατρών Στη γενικότερη περίπτωση, όπου θεωρούμε αυθαίρετο σήμα βασικής ζώνης m(t) ιδιαίτερη σημασία παίζει η υψηλότερη συνιστώσα συχνότητας W και το εύρος ζώνης μετάδοσης είναι τότε: BandWidth = 2 f peak + 2 W ( 1.8 ) Στην εμπορική ραδιοφωνία η μέγιστη απόκλιση της συχνότητας συνήθως ορίζεται στα 75 KHz. Επίσης, μπορεί να θεωρηθεί ότι W = 15 KHz, καθώς αυτή είναι τυπικά η μέγιστη συχνότητα εκπομπής ήχου. Επομένως: FM BandWidth = 180 KHz Βασιζόμενοι στην Παγκόσμια Καμπύλη [1] που στηρίζεται στη διατήρηση εκείνων των πλευρικών συχνοτήτων των οποίων τα πλάτη είναι μεγαλύτερα από μία προκαθορισμένη τιμή. Μία τυπική τιμή αντιστοιχεί στο 1%του πλάτους του αδιαμόρφωτου φέροντος και τότε προκύπτει: FM BandWidth = 240 KHz Γενικά ο κανόνας του Carson υποτιμά την απαίτηση εύρους ζώνης ενός συστήματος μετάδοσης FM, ενώ η Παγκόσμια Καμπύλη δίνει ένα πιο συντηρητικό αποτέλεσμα Τηλεόραση (Αναλογική) Τα τηλεοπτικά σήματα εκπέμπονται στις φασματικές ζώνες VHF και UHF. Η πλειονότητα των σταθμών χρησιμοποιεί πλέον τη ζώνη UHF. Βασικοί Ορισμοί Κάθε τηλεοπτικό σήμα αποτελείται από δύο ή τρία φέροντα. Ένα φέρον περί το οποίο μεταδίδεται η εικόνα και ένα για μετάδοση του ήχου. Στην περίπτωση που το κανάλι υποστηρίζει στερεοφωνική μετάδοση ήχου χρησιμοποιούνται δύο φέροντα ήχου. Το φέρον εικόνας απέχει από το φέρον ήχου (για το Ευρωπαϊκό Σύστημα PAL) 5.5 MHz, ενώ τα φέροντα εικόνας των διαδοχικών καναλιών απέχουν 8 MHz. Για τη μετάδοση του ήχου χρησιμοποιείται το σχήμα διαμόρφωσης FM, ενώ για τη μετάδοση της εικόνας χρησιμοποιείται διαμόρφωση AM VSB, την οποία αναλύουμε στη συνέχεια. Γενικά στη διαμόρφωση AM το πλάτος του φέροντος σήματος μεταβάλλεται γύρω από μία μέση τιμή γραμμικά σε σχέση με το σήμα βασικής ζώνης m(t). Επομένως μία διαμορφωμένη κυματομορφή AM θα έχει την εξής μορφή: [ 1+ k m( t) ] cos(2 f ) e( t) = A π t ( 1.9 ) C a C 7

18 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Η/Υ Σχήμα 1.2 Τηλεοπτικό σήμα Όπως παρατηρούμε από τη σχέση (1.9) η διαμόρφωση ΑM αποτελεί μία γραμμική διαδικασία και με ανάλυση κατά Fourier προκύπτει απ ευθείας η μορφή του φάσματος του διαμορφωμένου σήματος, σε αντίθεση με ό,τι ίσχυε στη διαμόρφωση FM. Έτσι ο μετασχηματισμός Fourier του e(t) είναι: A ka AC ( [ δ ( f f ) + δ ( f + f )] + [ M ( f f ) + M ( f f C )] ( 1.10 ) 2 2 C E f ) = C C C + Εύρος Ζώνης Ισχύς Μετάδοσης Αν το εύρος ζώνης του σήματος βασικής ζώνης είναι W τότε για τη μετάδοση AM σήματος απαιτείται εύρος ζώνης 2W. Η διαμόρφωση αυτή καλείται και AM DSB (Double Side Band) διότι μεταδίδονται και οι δύο πλευρικές ζώνες (άνω + κάτω) και έτσι δικαιολογείται και ο διπλασιασμός του απαιτούμενου εύρους ζώνης μετάδοσης. Για τον υπολογισμό της ισχύος μετάδοσης στο συγκεκριμένο σχήμα γίνεται και εδώ την παραδοχή ότι το διαμορφώνον σήμα είναι ένα απλό ημίτονο. Τότε με ανάλυση της σχέσης (1.9) για m(t) = A m cos(2πf m t) έχουμε: 1 1 e( t) = AC cos(2π fct) + mac cos[2π ( fc + f m ) t] + mac cos[2π ( fc f m ) t] ( 1.11 ) 2 2 Το μέγεθος m είναι ο δείκτης διαμόρφωσης και ισούται προς k α Α m. Η μέση ισχύς είναι 2 P = e(t) και επομένως αποτελείται από τρεις συνιστώσες: Ισχύς Φέροντος = 1 2 A C Ισχύς άνω πλευρικής συχνότητας = 2 1 m A C 8

19 Πανεπιστήμιο Πατρών Ισχύς κάτω πλευρικής συχνότητας = 1 m A C Παρατηρούμε την άμεση εξάρτηση του λόγου της συνολικής ισχύος πλευρικής ζώνης προς τη συνολική ισχύ της διαμορφωμένης κυματομορφής από το δείκτη διαμόρφωσης m. Αν μάλιστα ο δείκτης διαμόρφωσης είναι μικρότερος του 0.2 τότε η ισχύς της μίας πλευρικής συχνότητας είναι μικρότερη από το 1% της συνολικής ισχύος, ενώ αν m = 1 η ισχύς στις δύο πλευρικές συχνότητες είναι μόνο το 1/3 της συνολικής ισχύος. Εκμεταλλευόμενοι το γεγονός της συμμετρίας του φάσματος του διαμορφωμένου σήματος γύρω από την κεντρική συχνότητα του φέροντος είναι δυνατή η μετάδοση μίας μόνο πλευρικής ζώνης. Το σχήμα αυτό καλείται AM SSB (Single Side Band). Πέρα από την προφανή μείωση του απαιτούμενου εύρους ζώνης μετάδοσης στο 50% 2 (BandWidth = W), η μέση ισχύς θα είναι ίση προς m ( t) / 2, κάτι που σημαίνει ότι το σύνολο της ισχύος του πομπού μπορεί να αποδοθεί για τη μετάδοση του σήματος πληροφορίας. Ωστόσο, στην περίπτωση των τηλεοπτικών σημάτων το σήμα βασικής ζώνης περιέχει σημαντικές συνιστώσες σε αρκετά χαμηλές συχνότητες, με αποτέλεσμα το σχήμα SSB να μην είναι κατάλληλο εξαιτίας της δυσκολίας απομόνωσης μίας πλευρικής ζώνης. Έτσι υιοθετήθηκε τελικά το σχήμα διαμόρφωσης υπολειπόμενης πλευρικής ζώνης AM VSB, το οποίο αποτελεί συμβιβασμό μεταξύ των συστημάτων AM DSB και AM SSB. Σύμφωνα με το σύστημα αυτό η μία πλευρική ζώνη μεταδίδεται σχεδόν ολόκληρη, ενώ διατηρείται ένα κατάλοιπο της άλλης. Το πλεονέκτημα της AM VSB είναι ότι εξοικονομεί εύρος ζώνης σχεδόν τόσο αποτελεσματικά όσο και στην AM SSB, ενώ ταυτόχρονα διατηρεί τα άριστα χαρακτηριστικά της AM DSB, όσον αφορά στις χαμηλές συχνότητες της βασικής ζώνης. Το εύρος ζώνης μετάδοσης είναι συνεπώς: όπου: BandWidth = W + f u W το εύρος ζώνης του σήματος πληροφορίας. f u το εύρος της υπολειπόμενης πλευρικής ζώνης. Η ισχύς των κεραιών εκπομπής των τηλεοπτικών σταθμών είναι της τάξης των KWatt Ψηφιακή Τηλεόραση (DVB-Τ) Το DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestial, Eπίγεια Ψηφιακή Εκπομπή του Βίντεο) είναι το τρίτο της σειράς των ευρωπαϊκών συστημάτων ψηφιακής τηλεόρασης. Το DVB-S για τη δορυφορική τηλεόραση και DVB-C για την καλωδιακή, πιστοποιήθηκαν το 1994, ενώ οι προδιαγραφές του DVB-T οριστικοποιήθηκαν το H καθυστέρηση αυτή οφείλεται στο γεγονός ότι το σύστημα είναι πολύ περισσότερο πολύπλοκο από τα άλλα δύο, και αν και σχεδιάσθηκε να έχει τη μέγιστη ομοιότητα, χρησιμοποίησε εντελώς διαφορετικό και ιδιαίτερα πολύπλοκο σύστημα διαμορφώσεως. Το πρότυπο όμως είχε τεράστια απήχηση και προχώρησε πολύ γρήγορα και πλέον εφαρμόζεται σε πολλές χώρες της 9

20 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Η/Υ Ευρώπης, συμπεριλαμβανομένου και της δικιά μας. Στον Πίνακας 1.1 παρουσιάζονται κάποιες σημαντικές τεχνικές παράμετροι των δικτύων DVB-T. Πίνακας 1.1 Τεχνικές παράμετροι DVB-T Εύρος συχνοτήτων Πόλωση Διαπόσταση καναλιών Αριθμό προγραμμάτων Ισχύς Διαμόρφωση Ακτίνα κάλυψης MHz MHz MHz Κάθετη ή οριζόντια 7 MHz (Band III) 8 MHz (Band IV+V) 4/καναλί Μέχρι 100 kw (ERP) ανά κανάλι (C)OFDM»60 km Πλεονεκτήματα Ψηφιακής Τηλεόρασης Η επίγεια ψηφιακή τηλεόραση παρουσιάζεται σε πολλούς τομείς ανώτερη της αναλογικής μετάδοσης. Συνοπτικά τα θετικά της τεχνολογίας: 1. Το πιο ισχυρό πλεονέκτημα της ψηφιακής, έναντι της αναλογικής TV, είναι η δυνατότητα ταυτόχρονης εκπομπής πολλών προγραμμάτων και υπηρεσιών, επιλεγμένης ποιότητας και ευκρίνειας, μέσα από την ίδια συχνότητα και ροή ψηφιακής πληροφορίας (bitstream). Για παράδειγμα, σε Ροή ψηφιακής πληροφορίας 20Mbits/s για το κανάλι της τηλεόρασης των 8MHz, είναι δυνατό να «χωρέσουν» 4 τηλεοπτικά προγράμματα, που έχουν την ποιότητα της συμβατικής τηλεοπτικής εικόνας (5Mbit/s). Το πλεονέκτημα αυτό αποτελεί, ταυτόχρονα, ισχυρό οικονομικό κίνητρο για τους παροχείς τηλεοπτικών προγραμμάτων. 2. Οι αμφίδρομες υπηρεσίες είναι ένα κίνητρο, που αναδεικνύεται μέσα από την ψηφιακή TV και αλλάζει τη στάση του τηλεθεατή απέναντι στην τηλεοπτική συσκευή, από παθητική σε ενεργητική. Τηλεαγορές, EPG, video on demand, είναι μερικές από αυτές. 3. Σε τεχνικό επίπεδο, σε σύγκριση με την αναλογική TV, το DVB μειώνει κατά την εκπομπή το λόγο σήματος προς θόρυβο, μέχρι περίπου 30dB (1000 περίπου φορές), ώστε στο τμήμα του δέκτη να φτάνει το ίδιο σήμα. Αυτό, έχει ως επακόλουθο, την αποτελεσματικότερη χρήση του φάσματος συχνοτήτων (επανάληψη της ίδιας συχνότητας σε μικρότερες αποστάσεις), αλλά και την αποτελεσματική χρήση εσωτερικών κεραιών στους δέκτες. 4. Iσχυρή προστασία σε σφάλματα. Οι προδιαγραφές των ψηφιακών συστημάτων, προβλέπουν ρυθμό ψηφιακών σφαλμάτων (BER, Bit Error Rate) της τάξης του O ρυθμός αυτός μπορεί να ερμηνευθεί σαν σφάλμα ενός δψηφίου (bit), ανά ώρα εκπομπής. Αυτό ισχύει, εφόσον ο λόγος σήματος προς θόρυβο, είναι ανώτερος κάποιου προβλεπόμενου ορίου. Αντίθετα, το αναλογικό σήμα, είναι πολύ πιο επιρρεπές στις παρεμβολές. 5. Δυνατότητα μεταβλητού bitstream για κάθε κανάλι, ανάλογα με την απαίτηση ποιότητας του προγράμματος. Με αυτόν τον τρόπο, οι πάροχοι μπορούν να αυξάνουν την ποιότητα μιας εκπομπής, που έχει υψηλότερες απαιτήσεις (π.χ. 10

21 Πανεπιστήμιο Πατρών μιας ταινίας), εις βάρος κάποιας άλλης που έχει λιγότερες (π.χ. ενός δελτίου ειδήσεων). Διαμόρφωση COFDM Η άμεση και εκτενής διάδοση της επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης, οφείλεται κατά κύριο λόγο στα γνωστά πλεονεκτήματα των ψηφιακών συστημάτων μετάδοσης, τα οποία απορρέουν μέσα από τη χρήση του διεθνούς πρότυπου κωδικοποίησης MPEG- 2. Επιπρόσθετα, όμως, το DVB-T έχει σαν βασικό χαρακτηριστικό και πλεονέκτημα, ότι εξουδετερώνει τα σήματα που οφείλονται σε ανακλάσεις από γειτονικά αντικείμενα, πρόβλημα, που ταλανίζει όλα τα αναλογικά συστήματα επίγειας τηλεόρασης και έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση δεύτερης εικόνας στο δεξιό μέρος της οθόνης, γνωστής και ως φάντασμα, όταν το απευθείας σήμα είναι σχετικά ασθενές. Κάτι τέτοιο οφείλεται στο πολύπλοκο σύστημα διαμόρφωσης που χρησιμοποιεί, γνωστό με την ονομασία COFDM (Coded Othogonal Frequency Division Multiplexing, Kωδικοποιημένη Ορθογωνική Πολύπλεξη με Διαίρεση Συχνότητας). Δεν θα επεκταθούμε παραπέρα στις λεπτομέρειες της διαμόρφωσης αυτής απλά θα αναφέρουμε ότι η μέθοδος COFDM δεν εφαρμόζεται μόνο στην επίγεια ψηφιακή τηλεόραση, αλλά και στο σύστημα DAB (Digital Audio Broadcasting, Ψηφιακή Eκπομπή του Ήχου), όπως επίσης και σε τοπικά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας, προσαρμοσμένη σε κάθε περίπτωση, στις απαιτήσεις του συστήματος που χρησιμοποιείται GSM -900 Παρότι τα συστήματα ραδιοφώνου και αναλογικής τηλεόρασης παρουσιάζουν κάποιες ομοιότητες με αυτά της κινητής τηλεφωνίας, υπάρχει μια θεμελιώδης διαφορά: η επικοινωνία στις περιπτώσεις του ραδιοφώνου και της τηλεόρασης είναι μονόδρομη από την κεραία εκπομπής προς τονδέκτη στο σπίτι μας, ενώ στα συστήματα κινητής τηλεφωνίας είναι αμφίδρομη τόσο από τον σταθμό βάσης προς το κινητό τηλέφωνο όσο και αντίστροφα. Έτσι, στις περιπτώσεις των ραδιοφωνικών και τηλεοπτικών εκπομπών είναι δυνατόν εκπέμποντας με μεγάλη ισχύ από μία μόνο θέση, όπως η κορυφή ενός βουνού απ όπου η εκπομπή είναι πολύ καλύτερη, να καλυφθεί αποτελεσματικά μια μεγάλη γεωγραφική έκταση με σήμα. Αντίθετα, τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας χρειάζονται για να λειτουργήσουν εκπομπή από πολλές θέσεις, αλλά με μικρή ισχύ εκπομπής σε κάθε μία. Τα συστήματα κινητών τηλεπικοινωνιών παρουσιάζουν σημαντική εξάπλωση τα τελευταία χρόνια, με αποτέλεσμα η συνεισφορά τους στη συνολική ηλεκτρομαγνητική επιβάρυνση που παράγεται από τα διάφορα τηλεπικοινωνιακά συστήματα να είναι σημαντική. Εκπέμπουν σε μικροκυματικές συχνότητες. Το σύστημα GSM 900 έχει επικρατήσει πλέον στην Ευρώπη και καλύπτει τις ανάγκες των συγκεκριμένων υπηρεσιών. Αναφέρονται στη συνέχεια σε κάποια βασικά χαρακτηριστικά όσον αφορά στην κατανομή των συχνοτήτων και των καναλιών, στις προδιαγραφές εκπομπής ισχύος και στα σχήματα διαμόρφωσης και κωδικοποίησης. Ζώνες Συχνοτήτων Κατανομή Καναλιών Το κύριο σύστημα GSM 900 (Standard ή Primary, P GSM) λειτουργεί στις ακόλουθες ζώνες συχνοτήτων [2]: MHz: το κινητό μεταδίδει, η βάση λαμβάνει (Uplink) MHz: το κινητό λαμβάνει, η βάση μεταδίδει (Downlink) 11

22 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Η/Υ Η φασματική απόσταση των φερόντων (carrier spacing) έχει οριστεί στα 200 KHz. Η συχνότητα των φερόντων ορίζεται μέσω του απόλυτου αριθμού καναλιού n (absolute radio frequency channel number ARFCΝ). Αν F uplink (n) και F downlink (n) οι συχνότητες των φερόντων (σε MHz) που αντιστοιχούν στο κανάλι n, τότε έχουμε: F uplink (n) = n, 1 n 124 F downlink (n) = F uplink (n) + 45 Εκτός από το P GSΜ υπάρχουν δύο ακόμη συστήματα: το E GSM (Extended GSM) το οποίο απλά επεκτείνει τις δύο ζώνες του κύριου συστήματος κατά 10 MHz και το R GSM (Railways GSM) το οποίο καταλαμβάνει επιπλέον 4 MHz εύρος ζώνης σε σχέση με τα δύο προηγούμενα συστήματα. Προδιαγραφές Ισχύος Πομπών Οι απαιτήσεις που αναφέρονται στη συνέχεια [3] αφορούν στα επίπεδα ισχύος που αναπτύσσονται στο τμήμα του εξοπλισμού που συνδέεται με την κεραία του πομπού. Εφόσον διατίθεται εξοπλισμός με ολοκληρωμένη κεραία, τότε πρέπει να υποτεθεί μία κεραία αναφοράς με κέρδος 0 dbi. Επίσης, ο όρος ισχύς εξόδου (output power) αναφέρεται σε μέτρηση της ισχύος που προκύπτει ως μέση τιμή του ωφέλιμου τμήματος κατά τη διάρκεια της ριπής (burst). Γίνεται αναφορά αρχικά στους Σταθμούς Βάσης (Base Station BTS) και έπειτα στα Κινητά Τερματικά (Mobile Station MS). Επιπλέον γίνεται διαχωρισμός μεταξύ των κανονικών σταθμών βάσης (normal BTS) και των μικρο σταθμών (micro BTS). Τα δύο αυτά συστήματα διαφέρουν σημαντικά ως προς τις απαιτήσεις εμβέλειας, ενώ παράλληλα οι απαιτήσεις close proximity για τους μικρο σταθμούς είναι πολύ πιο αυστηροί. Σταθμοί Βάσης Στον Πίνακα 1.2 δίνονται οι προδιαγραφές μέγιστης ισχύος εξόδου ενός Σταθμού Βάσης για κάθε κλάση ισχύος (power class), μετρούμενη στην είσοδο του Tx Combiner του BSS [3]. Πίνακας 1.2 Επίπεδα Μέγιστης Ισχύος Εξόδου Σταθμού Βάσης (normal BTS) TRX power class Maximum output power (Watt) (< 640) (< 320) (< 160) (< 80) (< 40) (< 20) (< 10) (< 5) Στον Πίνακα 1.3 δίνονται οι προδιαγραφές μέγιστης ισχύος εξόδου ανά φέρον για μικρο σταθμούς. Στην προκειμένη περίπτωση οι τιμές αναφέρονται στο τμήμα του εξοπλισμού που συνδέεται με την κεραία, μετά απ όλα τα στάδια των combiners [3]. 12

23 Πανεπιστήμιο Πατρών Πίνακας 1.3 Επίπεδα Μέγιστης Ισχύος Εξόδου micro - BTS TRX power class Maximum output power M1 (>19) 24 dbm ( (>0.08) 0.25 Watt ) M2 (>14) 19 dbm ( (>0.03) 0.08 Watt ) M3 (>9) 14 dbm ( (>0.01) 0.03 Watt ) Η ανοχή της πραγματικής ισχύος εξόδου του Σταθμού Βάσης είναι ± 2 db υπό κανονικές συνθήκες και ± 2.5 db υπό ακραίες συνθήκες. Κινητά Τερματικά Στον Πίνακα 1.4 δίνονται οι προδιαγραφές μέγιστης ισχύος εξόδου ενός κινητού τερματικού [3]. Πίνακας 1.4 Επίπεδα Μέγιστης Ισχύος Εξόδου Κινητού Τερματικού Nominal Maximum Power class output power Watt (39 dbm) 3 5 Watt (37 dbm) 4 2 Watt (33 dbm) Watt (29 dbm) Η ανοχή της πραγματικής ισχύος εξόδου του κινητού τερματικού είναι ± 2 db υπό κανονικές συνθήκες και ± 2.5 db υπό ακραίες συνθήκες. Παρατήρηση: Η ισχύς εκπομπής των Σταθμών Βάσης της Κινητής Τηλεφωνίας είναι πολύ μικρότερη σε σχέση με τις ισχύεις εκπομπής των Ραδιοφωνικών και Τηλεοπτικών σταθμών, κάτι που έχει ως αποτέλεσμα τη μεγαλύτερη συνεισφορά των τελευταίων στην Η/Μ επιβάρυνση. Κωδικοποίηση Για την εκπομπή και λήψη του σήματος GSM επιλέχθηκε ένας συνδυασμός TDMA (Time Division Multiple Access) και FDMA (Frequency Division Multiple Access) με μεταπήδηση συχνότητας (Frequency Hopping). Η βασική μορφή της εκπομπής GSM είναι μια σειρά από 100 περίπου bits, η οποία ονομάζεται ριπή (burst). Οι ριπές έχουν μια πεπερασμένη διάρκεια και καταλαμβάνουν ένα πεπερασμένο μέρος του ραδιοφάσματος. Εκπέμπονται σε χρονικά παράθυρα, τα οποία λέγονται θυρίδες (slots). Οι κεντρικές συχνότητες των θυρίδων τοποθετούνται κάθε 200 KHz μέσα στο εύρος συχνοτήτων (FDMA) και επαναλαμβάνονται κάθε ms (TDMA). Έτσι υπάρχουν συγκεκριμένα κανάλια με τις ίδιες συχνότητες για κάθε χρονοθυρίδα και επίσης κανάλια με μεταπήδηση συχνότητας, όπου οι χρονοθυρίδες έχουν διαφορετικές συχνότητες. Η σχέση μεταξύ της ζεύξης κινητού τερματικού σταθμού βάσης (uplink) και της ζεύξης σταθμού βάσης κινητού τερματικού (downlink) είναι ότι η αρίθμηση των χρονοθυρίδων του uplink εξάγεται από αυτή των χρονοθυρίδων του downlink με μετατόπιση κατά τρεις περιόδους ριπών (Burst Periods, BP = ms). 13

24 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Η/Υ Διαμόρφωση Η διαμόρφωση που έχει επιλεχθεί για το GSM είναι η GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) με BT=0.3.Κατά την αποδιαμόρφωση έχει υιοθετηθεί από τα περισσότερα συστήματα GSM η τεχνική Viterbi, η οποία βάση αλγόριθμου κάνει αποδιαμόρφωση με μέγιστη πιθανότητα, δηλαδή βρίσκει την πιο κατάλληλη εκπεμπόμενη ακολουθία λαμβάνοντας υπόψη κάποια πιθανά υποθετικά σήματα, καθώς και το στατιστικό θόρυβο Το Σύστημα Κινητών Τηλεπικοινωνιών DCS 1800 Το ψηφιακό σύστημα DCS 1800 είναι ένα σύστημα το οποίο ανήκει στην κατηγορία των προσωπικών επικοινωνιακών δικτύων και βασίζεται στη θεμελιώδη τεχνολογία του GSM. Γι αυτόν ακριβώς το λόγο δε θα αναφερθούν εκτενώς στα χαρακτηριστικά του, καθώς η παρουσίαση του συστήματος GSM 900 μας δίνει μια αρκετά καλή εικόνα και του εν λόγω συστήματος. Το σύστημα DCS 1800 λειτουργεί στην περιοχή των μικροκυματικών συχνοτήτων, παρέχει υψηλή ποιότητα επικοινωνίας σε συνδρομητές που κινούνται σε πυκνοκατοικημένες περιοχές και προσφέρει υψηλή χωρητικότητα από πλευράς εξυπηρέτησης χρηστών. Το κόστος της ολοκληρωμένης τεχνικής του υποδομής είναι αρκετές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο, από το αντίστοιχο κόστος του GSM. Οι βασικές διαφορές του από το GSM 900 εστιάζονται στις ζώνες συχνοτήτων που καταλαμβάνει, αλλά και στα επίπεδα εκπεμπόμενης ισχύος, τα οποία παραθέτουμε στη συνέχεια. Ζώνες Συχνοτήτων Κατανομή Καναλιών Το σύστημα DCS 1800 λειτουργεί στις ακόλουθες ζώνες συχνοτήτων [2]: MHz: το κινητό μεταδίδει, η βάση λαμβάνει (Uplink) MHz: το κινητό λαμβάνει, η βάση μεταδίδει (Downlink) Η φασματική απόσταση των φερόντων (carrier spacing) έχει και εδώ οριστεί στα 200 KHz. Η συχνότητα των φερόντων ορίζεται κατά αναλογία με το GSM 900 σύμφωνα με τις ακόλουθες σχέσεις: F uplink (n) = (n 512), 512 n 885 F downlink (n) = F uplink (n) + 95 Τα κανάλια 512 και 885 γενικά δε χρησιμοποιούνται για να αποφευχθούν οι παρεμβολές με άλλα συστήματα. Από τις εκφράσεις αυτές εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα. Καταρχάς, παρατηρούμε ότι το σύστημα DCS καταλαμβάνει υψηλότερη ζώνη συχνοτήτων σε σχέση με το GSM, κάτι που επηρεάζει τα χαρακτηριστικά λήψης του ραδιοσήματος, λόγω των ιδιαιτεροτήτων της αντίστοιχης ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης (ολίσθηση Doppler, χαρακτηριστικά διαλείψεων). Παράλληλα, είναι εμφανές το αυξημένο εύρος ζώνης, καθώς διατίθενται 75 MHz για κάθε δρόμο του σήματος έναντι των 25 MHz στο σύστημα GSM. Προδιαγραφές Ισχύος Πομπών Κατ αναλογία με το σύστημα GSΜ παραθέτονται στους επόμενους τρεις πίνακες (Πίνακας 1.5, Πίνακας 1.6 και Πίνακας 1.7) τα επίπεδα μέγιστης ισχύος εξόδου τόσο 14

25 Πανεπιστήμιο Πατρών για τους Σταθμούς Βάσης (normal BTS, micro BTS) όσο και για τα Κινητά Τερματικά, για κάθε κλάση ισχύος [3]. Πίνακας 1.5 Επίπεδα Μέγιστης Ισχύος Εξόδου Σταθμού Βάσης (normal BTS) TRX power class Maximum output power (Watt) (< 40) (< 20) (< 10) (< 5) Πίνακας 1.6 Επίπεδα Μέγιστης Ισχύος Εξόδου micro - BTS TRX power class Maximum output power M1 (>27) 32 dbm ( (>0.5) 1.6 Watt ) M2 (>22) 27 dbm ( (>0.16) 0.5 Watt ) M3 (>17) 22 dbm ( (>0.05) 0.16 Watt ) Πίνακας 1.7 Επίπεδα Μέγιστης Ισχύος Εξόδου Κινητού Τερματικού Nominal Maximum Power class output power 1 1 Watt (30 dbm) Watt (24 dbm) 3 4 Watt (36 dbm) Η ανοχή της πραγματικής ισχύος εξόδου για όλες τις παραπάνω κατηγορίες είναι ± 2 db υπό κανονικές συνθήκες και ± 2.5 db υπό ακραίες συνθήκες. Συγκρίνοντας τα επίπεδα αυτά με τα αντίστοιχα για το σύστημα GSM, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι το DCS εν γένει λειτουργεί σε χαμηλότερα επίπεδα ισχύος Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) Η εξέλιξη των συστημάτων κινητών επικοινωνιών τρίτης γενιάς ήρθε ως φυσικό επακόλουθο των απαιτήσεων των χρηστών για νέες, βελτιωμένες υπηρεσίες. Στην Ευρώπη το πρότυπο που αναπτύχθηκε για την υλοποίηση της νέας αυτής γενιάς είναι το UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). Ο σχεδιασμός του συστήματος έχει γίνει στην περιοχή συχνοτήτων κοντά στα 2 GΗz για την Ευρώπη. Παράλληλα με την συνολική αναδιάρθρωση του δικτύου, απαραίτητη ήταν και η ανάπτυξη μιας νέας ασύρματης διεπαφής, ανάμεσα στο δίκτυο και τον χρήστη (αυτή η διεπαφή καλείται γενικά air interface). Οι ασύρματες διεπαφές που είχαν υλοποιηθεί για τα συστήματα 2 ης γενιάς ήταν βελτιστοποιημένες για φωνητικές κλήσεις. Η προσπάθεια για υπηρεσίες δεδομένων είχε ως βάση τις τεχνικές που είχαν αναπτυχθεί για τις φωνητικές κλήσεις, που προφανώς είχαν άλλες απαιτήσεις (π.χ. πολύ χαμηλή καθυστέρηση, σταθερός ρυθμός μετάδοσης κτλ). Οι βασικές απαιτήσεις που είχαν τεθεί για την ασύρματη διεπαφή τρίτης γενιάς ήταν: Ρυθμοί μετάδοσης ως 384 Kbps σε ευρεία περιοχή. Ρυθμοί μετάδοσης ως 2 Mbps σε εσωτερικούς χώρους. 15

26 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Η/Υ Δυνατότητα παροχής υπηρεσιών μεταγωγής πακέτου και μεταγωγής κυκλώματος. Υλοποίηση μεταβλητού ρυθμού μετάδοσης. Δυνατότητα υποστήριξης πολλαπλών υπηρεσιών σε μία σύνδεση. Βελτιωμένη χωρητικότητα και κάλυψη σε σχέση με το GSM. Διατήρηση συμβατότητας με το GSM. Κατά το δυνατόν, εύκολη πρακτική υλοποίηση. Το σημαντικότερο air interface τρίτης γενιάς είναι το WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access). Το πρωτόκολλο WCDMA αναπτύχθηκε από τον οργανισμό 3GPP (3 rd Generation Partnership Project). Ο οργανισμός 3GPP είναι μία ένωση που δημιουργήθηκε από την συνεργασία των οργανισμών προτυποποίησης της Ευρώπης, της Ιαπωνίας, των Η.Π.Α., της Κίνας και της Κορέας. Ο ίδιος ο οργανισμός 3GPP αναφέρει το WCDMA και με μία εναλλακτική ονομασία ως UTRA (Universal Terrestrial Radio Access). Το WCDMA έγινε αποδεκτό από τον οργανισμό ETSI/SMG2 (European Telecommunications Standards Institute, τμήμα Special Mobile Group 2) το To πρότυπο αυτό χρησιμοποιείται τόσο στην Ευρώπη, όσο και στην Ασία και στην Αμερική. Εκτός από την υλοποίηση των απαιτήσεων που είχαν τεθεί για την ασύρματη διεπαφή (air interface) τρίτης γενιάς, το WCDMA έχει ακόμα ένα πλήθος χαρακτηριστικών που μπορούμε να συνοψίσουμε στα παρακάτω βασικά σημεία: Όπως είναι φανερό από την ονομασία της, η ασύρματη διεπαφή WCDMA είναι μία τεχνική ευρείας ζώνης που επιτρέπει πολλαπλή πρόσβαση σε ένα δίκτυο, χρησιμοποιώντας διαχωρισμό κωδικών. Τα bits πληροφορίας του χρήστη απλώνονται (spread) σε ένα μεγάλο εύρος ζώνης, πολλαπλασιαζόμενα με ψευδοτυχαία bits (τα chips). Τα chips λαμβάνονται από τους spreading codes του CDMA. Το συνηθέστερο chip rate είναι 3.84 Mcps και επιβάλλει φέρον (carrier) στα 5 MHz. Υποστηρίζει μεταβλητό bitrate. Κάθε χρήστης στέλνει δεδομένα σε περιόδους των 10 msec (Transmission Time Interval, TTI ή Frame). Σε αυτό το διάστημα το bit rate του χρήστη παραμένει σταθερό. Εκτελεί ταχύ έλεγχο ισχύος (fast power control) με συχνότητα 1.5 KHz. Έτσι προλαμβάνει προβλήματα όπως η αχρήστευση μίας κυψέλης (π.χ. εξαιτίας ενός χρήστη που ανεβάζει συνεχώς την ισχύ του και υπερκαλύπτει όλους τους άλλους χρήστες). Υπάρχει open loop power control (στην αρχικοποίηση μιας σύνδεσης μόνο), fast closed loop power control και outer loop power control. Υποστηρίζει πολυπλεξία χρόνου TDD και πολυπλεξία συχνότητας FDD. Στην πολυπλεξία χρόνου TDD, μόνο ένα φέρον στα 5 MHz χρησιμοποιείται τόσο για την προς τα κάτω ζεύξη (downlink - DL), όσο και για την προς τα πάνω ζεύξη (uplink - UL). Στην πολυπλεξία συχνότητας FDD, χρησιμοποιούνται ξεχωριστά φέροντα για UL και DL. Παρέχει την δυνατότητα ενός πλήθους διαπομπών (handovers): softer handover (δύο γειτονικά αλληλοεπικαλυπτόμενοι τομείς του ίδιου σταθμού βάσης), soft handover (δύο γειτονικοί αλληλοεπικαλυπτόμενοι σταθμοί βάσης), inter frequency hard handover (π.χ. από ένα φέρον σε ένα άλλο σε σταθμούς βάσης με πολλά φέροντα) και inter system hard handover (π.χ. από UMTS-FDD σε UMTS-TDD ή από GSM σε WCDMA). 16

27 Πανεπιστήμιο Πατρών Εξαιρετικά σημαντικό στοιχείο αποτελεί η δυνατότητα ασύγχρονων σταθμών βάσης, επομένως δεν χρειάζεται παγκόσμια ώρα αναφοράς (μέσω GPS για παράδειγμα). Διευκολύνει τον διαχειριστή του δικτύου στην μεταβολή της γεωγραφικής κάλυψης και χωρητικότητας όλου του συστήματος, παρέχοντάς του νέα εργαλεία. Συνεργάζεται με το GSM (π.χ. inter system hard handover) WiFi Τα τελευταία χρόνια έχει παρατηρηθεί αλματώδης ανάπτυξη στον τομέα των ασύρματων τοπικών δικτύων (WLANs). Η επιτυχία του Ethernet (IEEE 802.3) και επιθυμία δημιουργίας ενός «ασύρματου Ethernet», οδήγησε στη σύσταση της ομάδας εργασίας το 1990, που κατέληξε αρκετά χρόνια μετά σε δύο ιδιαίτερα επιτυχημένα δίκτυα το b και το μεταγενέστερο g στη ζώνη των 2.4 GHz καθώς και του a στα 5 GHz. Τα δίκτυα αυτά εμφανίζονται είτε σε μορφή infrastructure, όπου όλοι οι σταθμοί συνδέονται σε ένα κεντρικό Access Point (AP), είτε σε μορφή ad hoc, όπου δύο ή περισσότεροι σταθμοί μπορούν να συνδεθούν απ ευθείας. Έχουν διαδοθεί ευρέως κυρίως γιατί συνδυάζουν το χαμηλό κόστος με αρκετά αξιόπιστη παροχή υπηρεσιών και δυνατότητα περιορισμένης κινητικότητας στους χρήστες. Τρία φυσικά στρώματα είχαν οριστεί αρχικά για το πρότυπο Αυτά είναι τα εξής: Direct Sequence Spread Spectrum (Απλωμένο Φάσμα Ευθείας Ακολουθίας) στην ISM μπάντα των 2,4 GHz με ρυθμούς μετάδοσης 1 και 2 Mbps Frequency Hopping Spread Spectrum (Απλωμένο Φάσμα και Πήδημα Συχνότητας) στην ISM μπάντα των 2,4 GHz με ρυθμούς μετάδοσης 1 και 2 Mbps. Infrared (Υπέρυθρες Ακτίνες) σε μήκη κύματος μεταξύ 850 και 950 nm με ρυθμούς μετάδοσης 1 και 2 Mbps. 17

28 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Η/Υ 1.3 Βιολογικές Επιδράσεις Ηλεκτρομαγνητικής Ακτινοβολίας Όταν τα Η/Μ κύματα συναστούν ένα εμπόδιο τότε μπορεί μέρος αυτών να ανακλαστεί, να διαθλαστεί, να διαδοθεί μέσω του αντικειμένου ή να απορροφηθεί από το αντικείμενο. Ποια από αυτές τις διαδικασίες θα επικρατήσει και σε τι ποσοστό, εξαρτάται από τη συχνότητα του Η/Μ κύματος, τη γωνία πρόπτωσης, από το πόσο καλός αγωγός του ηλεκτρισμού είναι το αντικείμενο και ακόμη από το σχήμα του αντικείμενου. Στο σώμα του ανθρώπου, που έχει μέτρια αγωγιμότητα, μπορεί να συμβούν όλα τα παραπάνω. Όπως κάθε μορφή ενέργειας έτσι και η ενέργεια που μεταφέρεται από τα ραδιοκύματα είναι δυνατόν να επιδρά σε βιολογικά συστήματα, το τελικό δε αποτέλεσμα μπορεί να είναι επιβλαβές σε διάφορο βαθμό ή μπορεί ακόμη να είναι και ευεργετικό. Αυτό εξαρτάται από τις συνθήκες έκθεσης (συχνότητα, πυκνότητα ισχύος, είδος κυματομορφής, διάρκεια έκθεσης κλπ) καθώς επίσης κι από ορισμένους βιολογικούς και περιβαλλοντικούς παράγοντες. Η δράση των Η/Μ κυμάτων με το ανθρώπινο σώμα ή με βιολογικά συστήματα συντελείται μέσω κάποιων φυσικών μηχανισμών που ανάλογα με τη συχνότητα των κυμάτων είναι δυνατόν να προκαλέσουν διέγερση κυττάρων του νευρικού και μυϊκού ιστού ή να προκαλέσουν θέρμανση του σώματος ή των οργάνων. Οι παραπάνω μηχανισμοί έχουν σχέση με την επαγωγή των ηλεκτρικών ρευμάτων στο σώμα του ατόμου που είναι εκτεθειμένο σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και με την απορρόφηση ενέργειας γενικότερα. Ο τρόπος με τον οποίο τα Η/Μ κύματα προκαλούν τις οποιεσδήποτε επιδράσεις στους ζωντανούς ιστούς είναι ακόμη αντικείμενο έρευνας Θερμικές Επιδράσεις Θερμικές ονομάζονται εκείνες οι επιδράσεις της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που οφείλονται σε μετρήσιμη αύξηση της θερμοκρασίας των ιστών που δέχονται ακτινοβολία. Οι βλάβες στον οργανισμό προκαλούνται από την θέρμανση των ακτινοβολούμενων ιστών και από την αδυναμία των θερμορυθμιστικών μηχανισμών των διαφόρων ιστών στην αντιμετώπιση της ακτινοβόλησης. Παρατηρήσιμη αύξηση της θερμοκρασίας προκαλείται από πυκνότητες ισχύος άνω του 1 mw/cm 2. Οι θερμικές επιδράσεις είναι αυτές που κατά κύριο λόγο αποτελούν το αντικείμενο μελέτης στις δυτικές χώρες. Το μέγεθος που χρησιμοποιείται για να εκφράσει την ένταση τουηλεκτρομαγνητικού πεδίουσε ένα σημείο ή σε μια περιοχή είναι η πυκνότητα ισχύος. Η πυκνότητα ισχύος δίνει όμως μόνο έμμεση πληροφορία για την ποσότητα ενέργειας που θα απορροφήσει το σώμα μας, όταν βρεθεί στο ακτινοβολούμενο σημείο. Ουσιαστικά είναι ένα μέτρο των συνθηκών που επικρατούν σε ένα σημείο πριν βρεθούμε σε αυτό. Το σώμα θα απορροφήσει ένα μέρος μόνο της ενέργειας αυτής και όχι απαραιτήτως ομοιόμορφα. Η μέση τιμή ενέργειας που απορροφάται από ολόκληρο το σώμα εκφράζεται από το δοσομετρικό όρο Specific Absorption Rate (SAR) και σημαίνει την ισχύ που απορροφάται ανά μονάδα βάρους του σώματος (W/Kg). O SAR είναι ένα μέγεθος που έκτος από τη συχνότητα της ακτινοβολίας και την αγωγιμότητα των ιστών εξαρτάται και από άλλους παράγοντες όπως η «ένταση» του πεδίου, ο προσανατολισμός του ατόμου σε σχέση με την κατεύθυνση του κύματος, το μέγεθος του σώματος κ.α. (συνθήκες έκθεσης). Οι ιστοί απορροφούν ενέργεια λόγω της παρουσίας νερού και ιόντων και το ανθρώπινο σώμα αποτελείται κατά 70%από νερό.το μόριο του νερού(h 2 0) αποτελεί ένα ηλεκτρικό δίπολο με θετικό φορτίο μεταξύ των δύο ατόμων υδρογόνου και με αρνητικό στην άλλη άκρη του όπου βρίσκεται το άτομο του οξυγόνου. Έτσι όταν το σώμα βρεθεί μέσα σε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο τα μόρια του νερού, που είναι δίπολα, θα αρχίσουν να περιστρέφονται ή να πάλλονται στο ρυθμό της συχνότητας 18

29 Πανεπιστήμιο Πατρών του κύματος. Όσο πιο μεγάλη είναι η ταχύτητα παλμού και όσο η διάρκεια του φαινομένου είναι μεγαλύτερη τόσο μεγαλύτερα ποσά θερμότητας θα παραχθούν. Ο οργανισμός του ανθρώπου διαθέτει θερμορυθμιστικούς μηχανισμούς που κρατούν τη θερμοκρασία του σώματος σταθερή μεταξύ 36 και 37 βαθμών Κελσίου. Όταν τα παραγόμενα ποσά θερμότητας είναι σχετικά μικρά οι θερμορυθμιστικοί μηχανισμοί μπορούν να απάγουν αυτήν τη θερμότητα και να κρατούν σταθερή τη θερμοκρασία στους C. Αντίθετα όταν τα ποσά θερμότητας υπερβούν κάποια τιμή οι μηχανισμοί αυτοί δεν μπορούν να ανταπεξέλθουν κάτι που οδηγεί στην αύξηση της θερμοκρασίας σε ιστούς ή όργανα του σώματος άνω των 37 βαθμών. Επίσης οι μηχανισμοί αυτοί θα ανταποκριθούν αποτελεσματικότερα υπό ευνοϊκές περιβαλλοντολογικές συνθήκες (όχι πολύ υψηλή θερμοκρασία και υγρασία, ελαφριά ενδυμασία κλπ.). Κάτω από τέτοιες συνθήκες ένα υγιές άτομο εκτεθειμένο σε H/M ακτινοβολία είναι σε θέση να αντιμετωπίσει απορροφημένη ισχύ (SAR) μέχρι 4 W/Kg κατά μέσο όρο σε όλο το σώμα ( Εικόνα 1.2) χωρίς να σημειωθεί αύξηση της θερμοκρασίας του πάνω από ένα βαθμό Κελσίου. Εικόνα 1.2 Η διαφοροποίηση του SAR σε σχέση με το μέσο SAR για ολόσωμη έκθεση Ενδεικτικά αναφέρεται ότι η τιμή SAR=4 W/Kg μπορεί να προκύψει,υπό ορισμένες συνθήκες έκθεσης, από ένα πεδίο που έχει πυκνότητα ισχύος περίπου 10 mw/cm 2. H απορρόφηση όμως της Η/Μ ακτινοβολίας δε γίνεται ομοιόμορφα. Έτσι οι τιμές SAR μπορεί να έχουν μεγαλύτερη τιμή σε κάποιες περιοχές από ότι στο υπόλοιπο σώμα. Επίσης η αύξηση της θερμοκρασίας τοπικά, συγκριτικά με άλλες περιοχές του σώματος, είναι ανάλογη με την ικανότητα ανταλλαγής θερμότητας [4]. 19

30 Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Η/Υ Μη-Θερμικές Επιδράσεις Οι μη-θερμικές επιδράσεις προκαλούνται από μικρές πυκνότητες ισχύος (της τάξης των λίγων mw/cm 2 ), ώστε να μην παρατηρείται αύξηση της θερμοκρασίας των ιστών. Η δράση των Η/Μ κυμάτων στο ανθρώπινο σώμα μπορεί να προκαλέσει τη διέγερση κυττάρων του μυϊκού και του νευρικού ιστού, που ανταποκρίνονται σε ηλεκτρικά ερεθίσματα. Αυτά προέρχονται από τα επαγόμενα στο σώμα ηλεκτρικά ρεύματα. Οι επιδράσεις που χαρακτηρίζονται ως μη-θερμικές συμβαίνουν συνήθως για συχνότητες πεδίων κάτω των 10 ΜΗz. Μη-θερμικές επιδράσεις μπορεί να υπάρξουν όμως και σε υψηλότερες συχνότητες. Για να φτάσουμε στο κατώφλι διεγέρσεως των κυττάρων απαιτούνται πολύ ισχυρά πεδία. Έχουν παρατηρηθεί όμως ορισμένα πειραματικά αποτελέσματα που προκύπτουν χωρίς την ύπαρξη σημαντικών αλλαγών στη θερμοκρασία και για τις τιμές πεδίων κάτω από το κατώφλι διεγέρσεως. Τα αποτελέσματα αυτά θα πρέπει να αποδοθούν σε μη θερμικούς μηχανισμούς σε μοριακό επίπεδο. Σύμφωνα με τις μέχρι τώρα επιστημονικές γνώσεις δεν είναι σαφής ο τρόπος με τον οποίο οι μη θερμικές επιδράσεις αποτελούν κίνδυνο για την υγεία. Παρόλα αυτά όμως έχει προταθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση και άλλους αρμόδιους φορείς ότι πρέπει να γίνει έρευνα προς την κατεύθυνση αυτή, διότι μόνο με βάση τα αποτελέσματα που θα προκύψουν από τη σχετική έρευνα μπορούν να θεσπιστούν όρια ασφαλείας για τις μη θερμικές επιδράσεις. Τα κυριότερα μη θερμικά φαινόμενα είναι: α) Αυξημένη εκροή ιόντων ασβεστίου από τα εγκεφαλικά κύτταρα που εκτίθενται σε ραδιοσυχνότητες διαμορφωμένες κατά παλμούς με περίοδο παλμών 16Ηz της τάξεως των συχνοτήτων που εκπέμπει ο εγκέφαλος (6-25Ηz). Επίσης έχουν παρατηρηθεί φαινόμενα συντονισμού να σχετίζονται με αυξημένη ταχύτητα εκροής του ασβεστίου, όταν η συχνότητα διαμόρφωσης των μικροκυμάτων ταυτίζεται με τις ηλεκτροφυσιολογικές ιδιοσυχνότητες του εγκεφάλου. β) Το μικροκυματικό ακουστικό φαινόμενο. Όταν ο άνθρωπος βρεθεί κοντά σε μία πηγή που εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που προέρχεται από radar (μικροκυματικό) διαμορφωμένη κατά παλμούς, τότε έχει την αίσθηση ότι ακούει ήχο που μπορεί να τον αντιλαμβάνεται σαν βόμβο ή κρότο. Σύμφωνα με τη μέχρι τώρα γνώση, η ερμηνεία των μικροκυματικών ακουσμάτων είναι ότι οι μικροκυματικοί παλμοί δημιουργούν απότομη μικρή αύξηση της θερμοκρασίας του εγκεφάλου, η οποία δημιουργεί ένα κύμα πίεσης το οποίο διεγείρει τον κοχλία του αυτιού και δημιουργεί την αίσθηση του ήχου. Η συχνότητα του ακουστικού σήματος είναι ίδια με εκείνη των μικροκυματικών παλμών Επιδημιολογικές μελέτες Με τη μέθοδο των επιδημιολογικών μελετών ερευνάται το ιατρικό ιστορικό ενός δείγματος πληθυσμού, συνήθως χιλιάδων ατόμων, που κατοικεί σε χώρους βεβαρημένους ηλεκτρομαγνητικά (όπως κοντά σε πυλώνες υψηλής τάσης δικτύων διανομής ρεύματος ή σε εγκαταστάσεις κεραιών κ.α.) και συγκρίνεται η συχνότητα των ασθενειών αυτού του δείγματος με εκείνη ενός άλλου ανάλογου δείγματος πληθυσμού που κατοικεί σε χώρους ηλεκτρομαγνητικά «καθαρούς». Οι περισσότερες μελέτες ερευνούν το κατά πόσο η Η/Μ ακτινοβολία είναι υπεύθυνη για την εμφάνιση καρκίνου, νευρολογικών και ψυχιατρικών ασθενειών και επίσης για τυχόν επιδράσεις στην ανθρώπινη αναπαραγωγή. Η μέθοδος της επιδημιολογικής προσέγγισης έχει το μειονέκτημα ότι μόνο αναδρομικά μπορεί να μελετήσει την επίδραση ενός παράγοντα στη συχνότητα εμφάνισης μιας ασθένειας. 20