ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ
Ηλεκτρομαγνητικό κύμα Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα (ραδιοκύμα) αποτελεί το μέσο μεταφοράς της πληροφορίας που εκπέμπεται (ακτινοβολείται) στο χώρο από την κεραία. Ο δέκτης λαμβάνει ένα μικρό ποσοστό της ενέργειας του Η/Μ κύματος που ακτινοβολήθηκε.
Σφαιρική διάδοση κύματος Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα διαδίδεται σφαιρικά, όπως τα κυκλικά κύματα της θάλασσας. Όταν το κύμα συναντά εμπόδια, τότε ανακλάται ή διαθλάται και εξασθενίζει ανάλογα με τη συχνότητά του (f) και το μήκος κύματός του (λ).
Πυκνότητα ισχύος Όταν μια κεραία εκπέμπει ισχύ Pε, τότε η πυκνότητα ισχύος ρ σε απόσταση R θα είναι: Ρε ρ = 4πR² Το ηλεκτρικό πεδίο Ε σε απόσταση R θα είναι: 30Pε E = R
Απώλειες ισχύος κύματος Μια κεραία που βρίσκεται σε απόσταση R από τον πομπό λαμβάνει σήμα με ισχύ: Pλ = λ² 4π * ρ Οι απώλειες ισχύος (σε db) λόγω της διάδοσης του σήματος σε απόσταση R από τον πομπό είναι: Pε α = 10log ( ) = 20logR(km) + 20logf(MHz)+ 32,5 Pλ
Τρόποι διάδοσης Η/Μ κύματος Κύματα εδάφους Ιονοσφαιρικά κύματα
Κύματα εδάφους Απ'ευθείας κύμα (1) Κύμα από ανάκλαση στο έδαφος (2) Κύμα επιφανείας (3)
Κύματα εδάφους Το κύμα επιφανείας διαδίδεται σχεδόν εφαπτομενικά με το έδαφος, ιδιαίτερα όταν το έδαφος είναι αγώγιμο και ακολουθεί την καμπυλότητα της Γης. Η διάδοση κυμάτων εδάφους εξαρτάται από α) τη συχνότητα, β) την ολική απόσταση και γ) από τη μορφολογία και αγωγιμότητα του εδάφους. Οι αποστάσεις ραδιοζεύξεων με κύματα εδάφους είναι μεγαλύτερες στην επιφάνεια της θάλασσας. Όσο μικρότερη είναι η συχνότητα του κύματος εδάφους, τόσο μικρότερη εξασθένηση υφίσταται.
Κύματα χώρου (ιονοσφαιρικά) Το κύμα χώρου ανακλάται από τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας (ιονόσφαιρα) και επιστρέφει προς την Γη, με αποτέλεσμα να καλύπτει μεγάλες αποστάσεις. Η ιονόσφαιρα αποτελείται από πολύ αγώγιμα ατμοσφαιρικά στρώματα λόγω της μεγάλης πυκνότητας ιόντων που περιέχουν.
Ιονόσφαιρα Τα υψηλότερα στρώματα έχουν μεγαλύτερη πυκνότητα ιονισμού. Ιονίζονται από τον ήλιο και επηρεάζονται από τις μεταβολές του μαγνητικού πεδίου της Γης.
Επίδραση μήκους κύματος στην ανάκλαση Το φαινόμενο της κύρτωσης είναι εντονότερο: όσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα ιονισμού του στρώματος και όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος κύματος λ (μικρότερη f).
Επίδραση ηλιακής ενέργειας στην πυκνότητα της ιονόσφαιρας ΗΜΕΡΑ ΝΥΧΤΑ
Επίδραση της γωνίας πρόσπτωσης στην ανάκλαση Όσο μεγαλύτερη είναι η γωνία πρόσπτωσης, τόσο διευκολύνεται το φαινόμενο της ανάκλασης.
Οριακή γωνία πρόσπτωσης Για δεδομένη συχνότητα εκπομπής, όταν η γωνία πρόσπτωσης είναι μικρότερη από μια οριακή γωνία θc, τότε το Η/Μ κύμα δεν ανακλάται και χάνεται.
Συχνότητες MUF και LUF MUF (Maximum Usable Frequency) είναι η μέγιστη συχνότητα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί, πέρα από την οποία δεν μπορούμε να πετύχουμε ραδιοεπικοινωνία σε μικρότερη απόσταση. LUF (Lowest Usable Frequency) είναι η ελάχιστη συχνότητα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί κατά την εκπομπή, ώστε το κύμα να μην απορροφηθεί τελείως από την ιονόσφαιρα. Ραδιοζεύξη με ιονοσφαιρικό κύμα είναι δυνατή με συχνότητα f τέτοια ώστε: LUF < f < MUF
Ζώνη σιγής Αν η ελάχιστη οριακή απόσταση κάλυψης από ιονοσφαιρικό κύμα (ΑΓ) είναι μεγαλύτερη από τη μέγιστη κάλυψη από κύμα εδάφους (ΑΒ), τότε υπάρχει μια ζώνη σιγής (ΒΓ) όπου δεν φτάνει το εκπεμπόμενο σήμα.
Συμβολή κυμάτων Αν η ελάχιστη οριακή απόσταση κάλυψης από ιονοσφαιρικό κύμα (ΑΓ) είναι ίδιας τάξης με τη μέγιστη κάλυψη από κύμα εδάφους (ΑΒ), τότε έχουμε συμβολή κυμάτων με αποτέλεσμα αθροιστικό (εντονότερο σήμα) ή αφαιρετικό (διαλείψεις)
Υπερμακρά κύματα (VLF) Τα υπερμακρά κύματα (VLF Very Low Frequency) έχουν μήκη κύματος από 10km έως 30km και αντιστοιχούν στις συχνότητες 10KHz έως 30KHz. Χρησιμοποιούνται σε ειδικές εφαρμογές ραδιοτηλεγραφίας μικρής ταχύτητας. Το κύμα έχει μικρές απώλειες και μπορεί να διαδοθεί σε αποστάσεις έως και 1000km! Έχει μεγάλη διεισδυτικότητα στο νερό, γι'αυτό και αξιοποιείται στις επικοινωνίες των υποβρυχίων.
Μακρά κύματα (LF) Τα μακρά κύματα (LF Low Frequency) έχουν μήκη κύματος από 1km έως 10km και αντιστοιχούν στις συχνότητες 30KHz έως 300KHz. Χρησιμοποιούνται σε στρατιωτικές εφαρμογές για επικοινωνία με πλοία. Οι απώλειες αυξάνονται όσο αυξάνεται η συχνότητα εκπομπής και διαφέρουν από νύχτα σε ημέρα. Ο εξοπλισμός (πηνία, κεραίες) είναι μικρότερος, βολικότερος και φθηνότερος.
Μεσαία κύματα (ΜF) Τα μεσαία κύματα (MF Medium Frequency) έχουν μήκη κύματος από 100m έως 1km και αντιστοιχούν στις συχνότητες 300KHz έως 3MHz. Χρησιμοποιούνται στην ραδιοφωνία με διαμόρφωση πλάτους ΑΜ (531ΚΗz~1602KHz) και για στρατιωτικές ραδιοεπικοινωνίες (1700ΚHz~3MHz). Τα κύματα εδάφους δημιουργούν την πρώτη ζώνη κάλυψης. Τη νύχτα τα κύματα χώρου δημιουργούν την ευρύτερη δεύτερη ζώνη κάλυψης.
Βραχέα κύματα (HF) Τα βραχέα κύματα (HF High Frequency) έχουν μήκη κύματος από 10m έως 100m και αντιστοιχούν στις συχνότητες 3MHz έως 30MHz. Τα κύματα εδάφους απορροφώνται από το έδαφος, ενώ τα κύματα χώρου καλύπτουν αποστάσεις χιλιάδων χιλιομέτρων λόγω ανακλάσεων στην ιονόσφαιρα. Χρησιμοποιούνται για ραδιοεπικοινωνία μεγάλων αποστάσεων σε στρατιωτικές και εμπορικές εφαρμογές (Citizen Band ή CB στα 27MHz).
Πολλαπλές ανακλάσεις των Βραχέων κυμάτων Οι πολλαπλές ανακλάσεις των βραχέων κυμάτων δημιουργούν πολλαπλές ζώνες σιγής. Κύματα ημέρας: 50m~10m Κύματα νύχτας: 100m~50m
Υπερβραχέα κύματα (VHF) Τα υπερβραχέα κύματα (VHF Very High Frequency) έχουν μήκη κύματος από 1m έως 10m και αντιστοιχούν στις συχνότητες 30MHz έως 300MHz. Τα κύματα χώρου δεν ανακλώνται από την ιονόσφαιρα. Πρέπει να υπάρχει οπτική επαφή μεταξύ των κεραιών του πομπού και του δέκτη. Χρησιμοποιούνται στη ραδιοφωνία FM (88~108ΜΗz), σε εκπομπές τηλεόρασης, στη ραδιοτηλεφωνία και επικοινωνία (walkie-talkie).
Ραδιοηλεκτρικός ορίζοντας Είναι η μέγιστη απόσταση κάλυψης D: D = 4120 * ( h1 + h2) όπου h1 και h2 τα ύψη των κεραιών του πομπού και του δέκτη σε μέτρα πάνω από την θάλασσα.
Διάθλαση υπερβραχέων κυμάτων Τα υπερβραχέα κύματα διαθλώνται από την τροπόσφαιρα (κατώτερα στρώματα ιονόσφαιρας) Οι διαθλάσεις δημιουργούν ελαφρές κυρτώσεις στην ακτίνα διάδοσης του κύματος, μεγαλώνοντας τον ραδιοηλεκτρικό του ορίζοντα.
Μικροκύματα Τα μικροκύματα είναι οι συχνότητες 300MHz και άνω. Οι συχνότητες 470ΜHz~890MHz χρησιμοποιούνται στην αναλογική και ψηφιακή τηλεόραση (κανάλια 14~83 της μπάντας UHF). Χρησιμοποιούνται λίαν κατευθυντικές κεραίες με χαμηλή ισχύ εκπομπής. Επιτρέπουν διαμορφώσεις μεγάλου εύρους με τεράστιο όγκο πληροφορίας.
Ραδιοζεύξεις με μικροκύματα Τα μικροκύματα διαπερνούν εύκολα τα στρώματα της ιονόσφαιρας. Χρησιμοποιούνται στις δορυφορικές επικοινωνίες με κατοπτρικές κεραίες υψηλής κατευθυντικότητας.
Τύποι ραδιοζεύξεων Εφαρμογές ραδιοφωνίας Εφαρμογές ραδιοτηλεφωνίας Μικροκυματικές ραδιοζεύξεις Δορυφορικές ζεύξεις
Εφαρμογές ραδιοφωνίας Απαιτείται μεγάλη ισχύς εκπομπής φέροντος για σφαιρική κάλυψη. Οι κεραίες τοποθετούνται σε υψόμετρο για την επίτευξη μεγάλου οπτικού ορίζοντα.
Εφαρμογές ραδιοτηλεφωνίας Οι πομποδέκτες έχουν περιορισμένη ισχύ εκπομπής (π.χ. 25 Watt) κυρίως στη μπάντα VHF Τα κανάλια έχουν μεταξύ τους απόσταση 25ΚHz, π.χ. Τα κανάλια της πυροσβεστικής μπορεί να είναι στις συχνότητες: 170,100MHz 170,125MHz και 170,150ΜΗz. Απαιτείται οπτική επαφή. Χρησιμοποιείται για τοπική επικοινωνία από πυροσβεστική, αστυνομία, αεροπλάνα, κτλ.
Τρόποι επικοινωνίας στη ραδιοτηλεφωνία Απλή (simplex) Πλήρως αμφίδρομη (full duplex) Ημιαμφίδρομη ζεύξη με αναμεταδότη (semi duplex)
Μικροκυματικές ζεύξεις (Radio Links) Για την αύξηση της εμβέλειας χρησιμοποιείται η τεχνική της πολλαπλής αναμετάδοσης του σήματος με μικρής ισχύος ζεύξεις λίαν κατευθυντικές σημείου προς σημείο (point to point) ή πολλαπλών σημείων (point to multipoint)
Δορυφορικές ζεύξεις Οι αναμεταδότες βρίσκονται πάνω σε δορυφόρο. Λόγω χρήσης κατευθυντικών κατοπτρικών κεραιών, η απαιτούμενη ισχύς είναι μικρή. ULF (Up Link Frequency) DLF (Down Link Frequency) Επίγειοι σταθμοί βάσης
Τεχνική φασματικής πολυπλεξίας Πολλά σήματα ομαδοποιούνται και εκπέμπονται από το κανάλι του ίδιου πομπού και αναμεταδότη. Χρησιμοποιείται στις δορυφορικές τηλεοπτικές εκπομπές, την ψηφιακή τηλεόραση, την κινητή τηλεφωνία, κτλ.
Γεωστατικοί δορυφόροι Είναι οι δορυφόροι που βρίσκονται σε κίνηση σύγχρονη με την περιστροφή της Γης, έτσι ώστε να φαίνονται ακίνητοι πάντα πάνω από την ίδια περιοχή της Γης. Η τροχιά τους είναι πάνω από τον Ισημερινό της Γης σε ακτίνα περίπου 36000 km. Χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές GPS, δορυφορικής τηλεόρασης, κτλ.
Γραμμή μεταφοράς Είναι ειδικό καλώδιο υψηλών συχνοτήτων για τη μεταφορά της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας προς ή από τις κεραίες. Το ρεύμα ή η τάση μιας υψηλής συχνότητας (π.χ. f=30mhz, λ=10m) αλλάζει πάνω στο καλώδιο.
Ισοδύναμο κύκλωμα γραμμής μεταφοράς Το καλώδιο υψηλών συχνοτήτων δε χαρακτηρίζεται μόνο από την Ωμική του αντίσταση. Το ισοδύναμο της γραμμής μεταφοράς θεωρούμε ότι αποτελείται από μια αλληλουχία πυκνωτών, αντιστάσεων και πηνίων. Οι τιμές των R, L, C δίνονται ανά μονάδα μήκους και ονομάζονται κατανεμημένα στοιχεία.
Ισοδύναμο κύκλωμα γραμμής μεταφοράς Οι τιμές των κατανεμημένων στοιχείων εξαρτώνται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του καλωδίου. Οι κατανεμημένες αντιστάσεις προκαλούν την εξασθένηση του σήματος (μετατροπή της ενέργειας σε θερμότητα). Τα πηνία και οι πυκνωτές δημιουργούν χαμηλοδιαβατό φίλτρο, περιορίζοντας τη ζώνη διέλευσης συχνοτήτων. Ανάλογα με τις συχνότητες, επιλέγουμε το κατάλληλο καλώδιο.
Χαρακτηριστική αντίσταση γραμμής μεταφοράς Δίνεται από τον τύπο: Rc = L/C και εξαρτάται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της γραμμής. Για να έχουμε μέγιστη μεταφορά ισχύος, θα πρέπει η αντίσταση εξόδου του πομπού να είναι ίση με την χαρακτηριστική αντίσταση του καλωδίου και την αντίσταση της κεραίας, δηλ. RC=RL.
Ομοαξονικό καλώδιο (ασύμμετρη γραμμή μεταφοράς) Αποτελείται από ένα κεντρικό αγωγό, ένα στρώμα μονωτικού (τεφλόν) και το μπλεντάζ.
Τύποι ομοαξονικών καλωδίων Τύπος Ζc f Εξασθένηση Εφαρμογές RG-59 73Ω 100MHz 10dB/100m ΤV, HF 400MHz 21dB/100m RG-11 75Ω 100MHz 7,5dB/100m VHF 400MHz 16dB/100m RG-214 50Ω 100MHz 6dB/100m Sat TV, UHF 400MHz 14dB/100m 900MHz 23,5dB/100m RG-58 53,5Ω 100MHz 16dB/100m HF,CB
Συμμετρική γραμμή μεταφοράς Αποτελείται από δύο παράλληλους αγωγούς που περιβάλλονται από μονωτικό υλικό. Η γραμμή τροφοδοτείται από τον ενισχυτή ισχύος συμμετρικά (μέσω διπλού μετασχηματιστή).
Οπτική ίνα Το φως παγιδεύεται και ταξιδεύει μέσω ανακλάσεων σε ειδικό γυάλινο καλώδιο-κυματοδηγό. Το φως πρέπει να εισέρχεται στην οπτική ίνα με γωνία μικρότερη από την οριακή γωνία φορ. Το αριθμητικό άνοιγμα ΝΑ της ίνας είναι χαρακτηριστικό μέγεθος της οπτικής ίνας.
Ζεύξη με οπτική ίνα μέσω αναμεταδότη Ο οπτικός πομπός εκπέμπει φωτεινή ισχύ Pφ=n*I, όπου n=απόδοση πομπού και I=ρεύμα διέγερσης. Ο οπτικός δέκτης δημιουργεί ρεύμα I=σ*Pφ, όπου σ=συντελεστής απόκρισης (ma/mw).
Πλεονεκτήματα ζεύξης με οπτική ίνα Μικρή απόσβεση (εξασθένηση) μόλις μερικά db/km Ευρεία ζώνη διέλευσης (εκατοντάδες Mhz) Ηλεκτρική και ηλεκτρομαγνητική προστασία (δεν επηρεάζεται από κεραυνούς, βιομηχανικούς παράσιτα, κτλ) Το σήμα έχει μεγάλη αντοχή στους θορύβους και τις παρεμβολές Ασφάλεια στην επικοινωνία και προστασία του σήματος από υποκλοπές Γι' αυτό οι οπτικές ίνες σήμερα αξιοποιούνται σε τηλεπικοινωνιακά δίκτυα μεγάλων αποστάσεων.