Bezpečnostný systém na cestných komunikáciách DIPLOMOVÁ PRÁCA TIBOR ŠENKÁR V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Rudolf Hronec, PhD Stupeň kvalifikácie: Inžinier (Ing.) Dátum odovzdania diplomovej práce: ŽILINA 2006
Abstrakt Cieľom mojej práce bolo urobiť návrh zariadenia, ktoré by skvalitnilo bezpečnosť na cestných komunikáciách. Ide o zariadenie, ktoré by včas upozornilo vodičov motorových vozidiel, že v ich blízkosti sa nachádza vozidlo prednostnej právomoci jazdy, napríklad sanitné, policajné alebo hasičské vozidlo. V prvej kapitole som sa zameral na šírenie elektromagnetických vĺn, príjem a vysielanie v ISM pásme, návrh antén a vhodnej modulácie. Nasledovná kapitola bola zameraná na návrh a realizáciu zariadenia. Poslednú kapitolu som doplnil o ďalšie návrhy, ktoré taktiež prispejú k bezpečnosti na cestných komunikáciách.
V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA A N O T A Č N Ý Z Á Z N A M Priezvisko a meno: Tibor Šenkár Rok : 2006 Názov diplomovej práce: Bezpečnostný systém na cestných komunikáciách Elektrotechnická fakulta Počet strán : 49 Počet obrázkov : 41 Počet tabuliek : 16 Počet grafov : 0 Počet príloh : 8 Počet použ. lit. : 13 Anotácia v slovenskom (českom) jazyku: Diplomová práca sa zaoberá návrhom a realizáciou bezpečnostného systému na cestných komunikáciách pomocou rádiového prenosu v pásme ISM, a ďalšie návrhy. Popis teórie šírenia elektromagnetických vĺn v danom pásme. Anotácia v cudzom jazyku (angl. resp. nemecký): This diploma work is dealt of projection and realization security system on way interaction through the medium radio transmission in ISM band et cetera proposals. Describe the theory of propagation electromagnetic waves in this band. Kľúčové slová: prijímač, vysielač, 433 Mhz, ISM, antény Vedúci práce : doc. Ing. Rudolf Hronec, PhD Recenzent : Mgr. Ing. Roman Pšanecký Dátum : 19.6.2006
Obsah 1. Úvod...1 2. Zhodnotenie súčastného stavu...2 3. Šírenie elektromagnetických vĺn...3 3.1 Šírenie prízemných priamych a prízemných odrazených vĺn...5 3.2 Vplyv nerovností zemského povrchu na šírenie VKV...6 3.3 Vplyv prekážok na šírenie VKV...9 3.4 Voľba polarizácie pre VKV pásmo 4. Vysielania a príjem v pásme 433,050 až 434,790 MHz...13 4.1 Základné parametre pásma f...14 4.2 Vysielanie v pásme 433,050 až 434,790 MHz...15 4.3 Príjem v pásme 433,050 až 434,790 MHz...15 4.3.1 Prijímače v pásme 433,050 až 434,790 MHz pre AM a FM...16 4.4 Antény vhodné pre pásmo 433,050 až 434,790 MHz...17 4.4.1 Prútová anténa...17 4.4.2 Elektricky skrátená prútová anténa...18 5. Vhodné modulácie pre pásmo 433,050 až 434,790 MHz...19 5.1 Dôvody použitia modulácie...19 5.2 Základné rozdelenie modulácií...20 5.2.1 Spojité modulácie (analógové)...21 5.2.2 Amplitúdová modulácia - AM 5.2.3 Frekvenčná modulácia FM 5.2.4 Fázová modulácia PM 5.2.5 Nespojité (diskrétne, impulzné) modulácie...32
6. Realizácia anténneho prijímača a vysielača funkčnej vzorky zariadenia...33 6.1 Technické údaje vysielača a prijímača...33 6.2 Vysielač...34 6.3 Kóder...35 6.3.1 Adresné/dátové programovanie (prednastavenie)...35 6.3.2 Všeobecný popis...37 6.3.3 Funkčný popis...38 6.4 Prijímač...38 7. Ďalšie využitie...42 7.1 Inteligentné dopravné značenia...42 7.2 Návrh systému pre zabránenie reťazovej dopravnej nehody...45 8. Zhodnotenie dosiahnutých výsledkov...47 9. Tabuľka nameraných hodnôt...47 10. Záver...48 Zoznam použitej literatúry Príloha
Zoznam obrázkov a tabuliek OBRÁZKY 1. Obr. 3.1 Prierez zemskej atmosféry...3 2. Obr. 3.2 Šírenie prízemných priamych a odrazených vĺn...5 3. Obr. 3.3 Určenie priamej viditeľnosti medzi VA a PA...6 4. Obr. 3.4 Dopad rovinnej rádiovej vlny na nerovný povrch zeme...7 5. Obr. 3.5 Dopad rádiovej vlny na hladký povrch zeme...7 6. Obr. 3.6 Určenie rozhodujúcej oblasti prenosu elektromagnetickej energie...8 7. Obr. 3.7 Určenie polomeru Fresnelovej zóny...9 8. Obr. 3.8 Určenie rozhodujúcej oblasti na šírenie vĺn...9 9. Obr. 3.9 Šírenie elektromagnetických vĺn pri prekážke v tvare klina...10 10. Obr. 3.10 Závislosť činiteľa tlmenia od efektívnej výšky prekážky...10 11. Obr. 3.11 Odraz vertikálne polarizovanej vlny...12 12. Obr. 3.12 Nehomogénne rozloženie poľa...13 13. Obr. 4.1 Bloková schéma prijímača v pásme 433,92 MHz pre moduláciu AM...16 14. Obr. 4.2 Bloková schéma prijímača v pásme 433,92 MHz pre moduláciu FM...16 15. Obr. 4.3 Štvrťvlná prútová anténa a jej vyžarovací diagram...18 16. Obr. 4.4 Elektricky skrátená prútová anténa...19 17. Obr. 4.5 Vyžarovacie diagramy elektricky skrátenej prútovej antény...19 18. Obr. 5.1 Časové priebehy signálov pri AM modulácii ( pozitívna i negatívna modulácia )...22 19. Obr. 5.2 Čiarové spektrum AM modulovaného signálu jedným modulačným signálom...23 20. Obr. 5.3 Časový priebeh signálov pri modulácii ASK...25 21. Obr. 5.4 Časové priebehy signálov pri FM modulácii...26
22. Obr. 5.5 Grafické priebehy Besselových funkcií...27 23. Obr. 5.6 Časový priebeh signálov pri FSK...29 24. Obr. 5.7 Časové priebehy signálov pri fázovej modulácii...30 25. Obr. 5.8 Časové priebehy signálov pri modulácii PKS...31 26. Obr. 6.1 Schéma zapojenia vysielača...34 27. Obr. 6.2 Zapojenie jednotlivých vývodov vysielacieho modulu TX 4MDIL...35 28. Obr. 6.3 Tvar signálu adresy/dát...36 29. Obr. 6.4 Tvar signálu adresy/dátového bitu pre HT 12E/EA...37 30. Obr. 6.5 Blokový diagram dekóderu... 37 31. Obr. 6.6 Časovanie vysielania pre HT12E/EA...38 32. Obr. 6.7 Zapojenie jednotlivých vývodov prijímacieho modulu RX BC...40 33. Obr. 6.8 Schéma prijímača...42 38. Obr. 7.1 Zachytenie signálu zmeny rýchlosti...44 39. Obr. 7.2 Návrh blokovej schémy systému...45 40. Obr. 7.3 Systém ecall...46 41. Obr. 7.3 Systém ecall a Safety signal...46 TABUĽKY 1. Tab. 6.1 Elektrické vlastnosti vysielacieho modulu TX 4MDIL...35 2.Tab. 6.2 Popis vývodov vysielacieho modulu TX 4MDIL...35 3. Tab. 6.3 Tabuľka režimov prepínania...39 4.Tab.6.4 Elektrické vlastnosti prijímacieho modulu RX BC- NBk...40 5. Tab. 6.5 Popis vývodov prijímacieho modulu RX BC...41 6. Tab. 9. Namerané hodnoty dosahu zariadenia...47
Zoznam skratiek symbolov IDS VKV EMV VA PA FM frequenci modulation AM amplitude modulation PM phase modulation TÚSR ISM industy, science, medical ERP effective radiated power ASK amplitude shift keying FSK frequenci shift keying PSK phase shift keying VF DPS SSB single side band CW continual wave DSB dual side band SAW surface acoustic wave PAM pulse amplitude modulation PPM pulse position modulation PŠM pulse wide modulation ΔM delta modulation PCM pulse code modulation RC resistance,capacitor 2na12 PDZ inteligentné dopravné systémy veľmi krátke vlny elektromagnetické vlny vysielač prijímač frekvenčná modulácia amplitúdová modulácia fázová modulácia Telekomunikačný Úrad Slovenskej Republiky priemysel, veda, výskum efektívny vyžiarený výkon amplitúdové kľúčovanie frekvenčné kľúčovanie fázové kľúčovanie vysokofrekvenčný doska plošných spojov jedna povrchová vlna spojitá vlna dvojité postranné pásmo povrchová akustická vlna impulzne amplitúdová modulácia pulzne polohová modulácia pulzne šírková modulácia delta modulácia impulzne kódová modulácia dpor, kondenzátor typové označenie kódera premenlivé dopravné značenia
ASL automatic speed limiter ecall - automatický obmedzovač rýchlosti celoeurópske palubné tiesňové volania
1 1. ÚVOD Bezdrôtový prenos dát na malú vzdialenosť získava medzi konštruktérmi elektronických zariadení stále väčšiu popularitu, čo je predovšetkým výsledkom ľahkej dostupnosti a nízkej ceny monolitických a hybridných blokov typu vysielač a prijímač. Hlavná výhoda takéhoto riešenia však spočíva v náhrade klasicky používaných káblov (obvykle hlavný zdroj porúch) bezdrôtovým prenosom. Na druhej strane si však užívateľ musí uvedomiť, že pri rádiovom prenose dát sa podstatne zvyšuje vyžarovanie rušivého elektromagnetického poľa v okolí bezdrôtových systémov, čo okrem zamorenia životného prostredia elektromagnetickým smogom môže poskytnúť neoprávneným subjektom znamenitú príležitosť pre prienik do aktívneho systému a spúšťanie skrytého skenovania dátových tokov. Preto je potrebné v dnešnej dobe prenášané informácie kódovať kódom s dostatočnou redundanciou. Bezdrôtový prenos dát je často ekonomicky najvhodnejším riešením spojenia medzi jednotlivými objektmi systému. Na druhej strane tu vzniká požiadavka, ktorá je kladená nielen na vysokú spoľahlivosť systému, ale aj na komunikačný protokol. V praktickej časti som sa zaoberal návrhom a realizáciou bezdrôtového zariadenia určeného pre bezpečnosť na pozemných komunikáciách. Ide o zariadenie ktoré by vopred upozornilo vodičov, že v ich blízkosti sa nachádza vozidlo prednostnej právomoci jazdy. Tieto vozidlá by boli vybavené vysielačom ktorý pri spustení sirény začne vysielať zakódovaný signál. Následne vozidlá v okruhu jedného kilometra (záleží od hustoty budov a použití antény) príjmu signál, ktorý sa spracuje a po dekódovaní sa rozsvieti varovný signál na palubnej doske a stlmí zvuku autorádia čím by sa predišlo napríklad kolízii.vozidlá prednostnej právomoci jazdy tým môžu plynulo predchádzať ostatné vozidlá a dostať sa včas na potrebné miesto zásahu. Ešte na záver by som chcel tiež rozobrať tému inteligentných dopravných značiek ktoré by mohli vodičov počas jazdy upozorniť na zmenu rýchlosti poprípade zónu.
2 2. Zhodnotenie súčastného stavu V súčasnosti sa neustále zvyšuje životná úroveň obyvateľstva, čo má za následok nárast mobility. Základným motivačným prvkom sa stáva pohyb, ktorý vyjadruje pocit slobody. V spoločnosti je teda prirodzeným javom rast vlastníctva súkromných vozidiel. Priestor vymedzený v aglomeráciách je sprevádzaný koncentráciou rôznych aktivít, čo spôsobuje vysoký stupeň urbanizácie. Kvalita dopravných služieb v aglomeráciách je obmedzovaná financiami a sprevádzaná vysokým stupňom kongescií zápchami, zvyšovaním nehodovosti a znižovaním kvality životného prostredia. Jednou z možností, ako takýmto stavom predchádzať, je dostatočne včas informovať účastníka dopravného procesu, prostredníctvom rádiového prenosu. Takýmto spôsobom sa vytvárajú podmienky pre bezpečnú a plynulú prepravu. Túto možnosť v súčasnosti poskytujú inteligentné dopravné systémy (IDS). Základným cieľom inteligentných dopravných systémov je: zvyšovať bezpečnosť cestnej premávky, zvyšovať efektívnosť prepravy vyjadrenú úsporou času na prepravu, zvyšovať kvalitu životného prostredia. Úlohou inteligentných dopravných systémov je efektívne využívať cestnú a mestskú komunikačnú sieť na základe použitia informačných, komunikačných a riadiacich technológií. Inteligentné dopravné systémy: umožňujú efektívne spojenie zdroja a cieľa, poskytujú informácie o dopravnom procese, integrujú viacero druhov dopráv do jednotného systému.
3 3. Šírenie elektromagnetických vĺn Elektromagnetické vlnenie sa šíri od zdroja (vysielača) priamočiaro a to v guľových vlnoplochách. Šírenie je však výrazne ovplyvňované zemskou atmosférou, ktorej prierez je vykreslený na obr. 3.1. 1 Obr. 3.1 Prierez zemskej atmosféry Najvyššia vrstva zemskej atmosféry je delená na vrstvy D, E, F 1 a F 2. Ionosféru tvorí najväčšia časť atmosféry, kde vzhľadom k veľmi nízkemu tlaku sa podľa stupňa ožiarenia slnečnými lúčmi uvoľňuje väčšie či menšie množstvo elektrónov, ktoré spôsobujú väčšiu či menšiu elektrickú vodivosť príslušnej vrstvy. Podľa stupňa vodivosti dochádza potom k odrazom elektromagnetického vlnenia v danom mieste. Stupeň ionizácie jednotlivých vrstiev ionosféry závisí na stupni a druhu slnečnej činnosti, obecne však vzrastá stupeň ionizácie od najmenej ionizovanej spodnej vrstvy (D) k najviac ionizovanej vrchnej vrstve 1 Spracované podľa: ČESKÝ, M., Anteny pro příjem rozhlasu a televize. Praha:SNTL, 1978, s. 15
4 (F 2 ). Podľa stupňa ionizácie mení sa však tiež odrazivosť pre elektromagnetické vlnenie, takže spravidla dolná vrstva odráža veľmi dlhé vlnenie, pričom vyššie frekvencie sa odrážajú postupne od vyšších vrstiev. 2 Všeobecne to môžeme vyjadriť pomocou kritickej frekvencie f kr. Pri tejto frekvencii, sa ešte odrazí elektromagnetická vlna pri uvažovanom uhle dopadu na spodný okraj ionizovanej vrstvy. Pre φ d = 0 je: f kr = 80,8N (3.1) max kde: N max maximálna hustota elektrónov (hustota ionizácie). S využitím uvedeného vzťahu platí pre vrstvu D, že kritická frekvencia pre strednú zemepisnú šírku a poludňajšie hodiny je 0,5 MHz. Pre vrstvu E je kritická frekvencia okolo poludnia približne 3 až 4 MHz. Po západe slnka klesá hodnota kritickej frekvencie asi na 0,9 MHz a po celú noc je takmer stála. Pre vrstvu F 2 má kritická frekvencia rôznu hodnotu v letnom a zimnom období. V letnom období je kritická frekvencia vrstvy F 2 v rozmedzí 4 až 8 MHz (podľa intenzity slnečnej činnosti ) a počas dňa a noci je takmer stála. V zimnom období nadobúda hodnoty okolo poludnia 6 až 12 MHz a v noci pred úsvitom 2 až 6 MHz. 3 Pre veľmi veľké frekvencie nestačí však v obecnom prípade ani odrazivosť najvyšších vrstiev a tieto prenikajú do voľného priestoru. Len pri výnimočne intenzívnej slnečnej činnosti sa stáva za určitých okolností najvyššia vrstva F 2 odrazivá aj pre nižšie frekvenčné spektrum VKV. Odrazivosť ionosféry je teda rôzna podľa frekvencie elektromagnetického vlnenia. Elektromagnetické vlnenie odrazené od ionosféry dopadá na zem s tak veľkou intenzitou, a to i od značnej vzdialenosti od vysielača, že veľmi často prehluší aj silné miestne vysielače. Odraz, lom a čiastočný 2 Porov.: ČESKÝ, M., Anteny pro příjem rozhlasu a televize. Praha:SNTL, 1978, s. 14 16. 3 Porov.: VÁVRA, Š. a kol., Antény a šírenie elektromagnetických vĺn. Bratislava:Alfa, 1989, s. 336 338.
5 ohyb elektromagnetického vlnenia v blízkosti zemského povrchu spôsobujú značné nerovnosti v šírení užitočných signálov. V pásme VKV sa za normálnych okolností ionosféra pri šírení neuplatňuje a priestorová vlna uniká mimo zemskú atmosféru. Hlavným nositeľom elektromagnetického vlnenia v pásme VKV je vlna priama. Priama vlna sa však v teréne odráža od každej prekážky, hlavne od vodivých predmetov, čím vznikajú ostré tiene, teda priestory, ktoré aj keď sú v blízkosti vysielača, majú príjem veľmi zlý. Tento jav sa so zvyšujúcou frekvenciou zhoršuje. Ďalej tu pôsobí ohyb elektromagnetických vĺn na horských hrebeňoch, tým sa stáva, že príjmové podmienky v blízkych a vzdialených oblastiach sú veľmi rôzne. 4 3.1 Šírenie prízemných priamych a prízemných odrazených vĺn EMV sa v pásmach VKV šíria pomocou prízemných priamych a prízemných odrazených vĺn. Elektromagnetické pole môžeme pri tomto spôsobe šírenia považovať za súčet priamej a odrazenej vlny, ako to vidno na obr. 3.2. 5 Obr. 3.2 Šírenie prízemných priamych a odrazených vĺn Rozdiel fáz dvoch rovnakých zložiek poľa je závislé od rozdielu dráh r 1 a r 2. Môžeme ho vyjadriť vzťahom: (3.2) Δϕ = k( r ) 2 r1 4 Porov. ČESKÝ, M., Anteny pro příjem rozhlasu a televize. Praha:SNTL, 1978, s. 16 20. 5 Spracované podľa: VÁVRA, Š. a kol., Antény a šírenie elektromagnetických vĺn. Bratislava:Alfa, 1989, s. 309
6 Mód šírenia je podmienený priamou viditeľnosťou medzi VA a PA. Maximálnu vzdialenosť priamu vzdialenosť optickej viditeľnosti pre tento mód šírenia možno určiť podľa obr.3 kde r 0 je priama vzdialenosť optickej viditeľnosti. 6 Obr. 3.3 Určenie priamej viditeľnosti medzi VA a PA V hraničnom prípade nemôžeme hovoriť ani o priamej, ani o odrazenej vlne. V takomto prípade môžeme pole určiť podľa zákonitostí difrakcie (ohybu) elektromagnetických vĺn. 7 3.2 Vplyv nerovností zemského povrchu na šírenie VKV Pri šírení vĺn v pásme VKV sa vlna do miesta prijímača dostáva priamou aj odrazenou cestou. Odrazený lúč pôsobí v mieste príjmu nežiadúco na celkovú hodnotu intenzity elektromagnetického poľa. Všeobecne sa uvažuje, že zemský povrch je v mieste odrazu hladký, teda odraz ku ktorému dochádza je tzv. zrkadlový odraz. V praxi však nie je zemský povrch úplne hladký, ale jeho nerovnosti a drsnosti spôsobujú, že dochádza k rozptylu EMV. Pre metrové vlny môžeme malé nerovnosti a drsnosti zemského povrchu zanedbať, ale v pásme decimetrových a centimetrových vĺn sú tieto nerovnosti už porovnateľné s vlnovou dĺžkou, alebo sú dokonca väčšie ako vlnová dĺžka. Vtedy odraz od zeme nebude zrkadlový, ale bude mať povahu rozptylu. Uvažujeme, že na drsný (nerovný) povrch zeme dopadajú dva lúče rovinnej vlny pod elevačným uhlom γ (obr.3.4). 6 Spracované podľa: VÁVRA, Š. a kol., Antény a šírenie elektromagnetických vĺn. Bratislava:Alfa, 1989, s. 309 7 Porov.: VÁVRA, Š. a kol., Antény a šírenie elektromagnetických vĺn. Bratislava:Alfa, 1989, s. 309.
7 8 Obr. 3.4 Dopad rovinnej rádiovej vlny na nerovný povrch zeme Keby nebola nerovnosť o výške h, bol by bod odrazu druhého lúča v bode c (obr.3.5). 2 9 Obr. 3.5 Dopad rádiovej vlny na hladký povrch zeme Ak by sme neuvažovali nerovnosť h, bola by fáza oboch lúčov v rovine kolmej na smer šírenia rovnaká. Ak ale budeme uvažovať nerovnosť vo výške h, bude dráhový a teda aj fázový rozdiel nenulový. Pri hladkých povrchoch medzi lúčmi nenastáva interferencia. Pri drsnom povrchu môže nastať prípad, že fázový rozdiel je rovný π. Potom dochádza k interferencii lúčov ktoré sa navzájom vyrušia a k odrazu nedôjde. V praxi zvyčajne nedochádza ani k jednému prípadu. Často sa preto medzi týmito dvoma prípadmi hľadá určitý kompromis. Praktickými meraniami sa zistilo, že najvýhodnejšou voľbou bude fázový posuv rovný π/8. Ak bude fázový rozdiel menší ako π /8, daný povrch budeme považovať za hladký, ak bude väčší ako π/8 za drsný. O veľkosti drsnosti h hovorí Rayleighovo kritérium, ktoré je funkciou elevačného uhla γ. 8 Prevzaté: PROKOP, J. a kol., Šíření elektromagnetických vln a anteny. Praha:SNTL, 1980, s. 157 9 Prevzaté: PROKOP, J. a kol., Šíření elektromagnetických vln a anteny. Praha:SNTL, 1980, s. 157
8 h h λ 32sin γ λ 32sin γ hladký povrch drsný (3.3) Pri vodorovných lúčoch nie je rozptyl pri odraze tak badateľný ako u lúčov strmších. Pre horizontálne polarizované vlny sa rozptyl pri odraze prejavuje viac ako u vertikálne polarizovaných vĺn. K odrazu medzi VA a PA nedochádza len v jednom mieste, ale prispievajú k nemu aj všetky body roviny medzi VA a PA. Každý tento bod ale prispieva inou mierou, takže nedochádza k zrkadlovému odrazu. Ak by sme chceli charakterizovať objem priestoru medzi VA a PA, v ktorom sa prenos elektromagnetickej energie prevažne uskutočňuje, môžeme uskutočniť nasledujúce meranie. Medzi VA a PA vo vzdialenosti r l od VA a r2 od PA umiestnime clonu s meniteľným priemerom (obr.3.6). VA 2b PA r 1 r 2 r 10 Obr. 3.6 Určenie rozhodujúcej oblasti prenosu elektromagnetickej energie Najprv necháme clonu plne otvorenú, potom postupne zmenšujeme priemer, až do okamihu, kým výraznejšie neklesne hodnota elektrického poľa. Týmto získame v danom mieste priemer oblasti, ktorá sa uplatňuje pri prenose elektromagnetickej energie. Ak tento pokus opakujeme pre rôzne vzdialenosti r od VA a PA, získame veľkosť (objem) rozhodujúcej oblasti pre príjem elektromagnetickej energie - Fresnelovú zónu. Fresnelova zóna teda predstavuje objem medzi VA a PA, poväčšine tvaru rotačného elypsoidu. Šírenie vĺn sa teda neuskutočňuje pomocou lúčov, ale šírenie je priestorové. Hlavná časť šíriacej energie je teda obsiahnutá l. Fresnelovou zónou (obr.3.7 a obr.3.8). Potom polomer pre 10 Prevzaté: PROKOP, J. a kol., Šíření elektromagnetických vln a anteny. Praha:SNTL, 1980, s. 160
9 l.fresnelovu zónu určíme ako: b r1 r2λ = I r + r 1 2 (3.4) 11 Obr. 3. 7 Urč enie polomeru Fresnelovej zóny Obr. 3.8 Urč enie rozhodujúcej oblasti na šírenie vĺ n 12 3.3 Vplyv prekážok na šírenie VKV Ak sa šíria veľmi krátke vlny v kopcovitom teréne, je fyzikálny obraz šírenia rádiových vĺn značne komplikovaný. Elektromagnetické vlny sa v kopcovitom teréne nebudú šíriť len priamočiaro, ale majú schopnosť ohýbať sa okolo prekážok. Takto možno prijímať signály aj v tieni prekážky. Ak prekážka prevyšuje svojím vrcholom alebo sa ním blíži k spojnici VA a PA, budeme hovoriť o efektívnej výške prekážky h. Je to výška nad spojnicou alebo pod spojnicou VA PA. Keď je PA v tieni prekážky, bude mať efektívna výška kladnú hodnotu a naopak, keď je medzi VA a PA priama spojnica, vtedy má zápornú hodnotu (obr.3.9) 11 Prevzaté: PROKOP, J. a kol., Šíření elektromagnetických vln a anteny. Praha:SNTL, 1980, s. 162 12 Spracované podľa: PROKOP, J. a kol., Šíření elektromagnetických vln a anteny. Praha:SNTL, 1980, s. 163
10 13 Obr. 3.9 Šírenie elektromagnetických vĺ n pri prekážke v tvare klina Na obr. 3.10 je znázornená závislosť činiteľa tlmenia od efektívnej výšky prekážky h pre vzdialenosť medzi VA PA 80 km. Výšky antén sú h l = h2 = 30 m a f = 100 MHz. Na obrázku je súčasne vyznačený aj činiteľ tlmenia (oblasť tieňa), vypočítaný Fokovou zjednodušenou metódou (difrakcia okolo hladkej gule). 14 Obr. 3.10 Závislosť č initeľa tlmenia od efektívnej výšky prekážky Z tejto závislosti vidno, že pre túto dĺžku trasy (r = 80 km) a efektívnu výšku prekážky h = 500 m bude pre rovnakú vzdialenosť intenzita elektrického poľa o 23 db väčšia ako pri šírení elektromagnetických vĺn okolo hladkého guľového povrchu Zeme. Toto zväčšenie elektromagnetického poľa sa nazýva zisk prekážky. Potom pri šírení EMV v mestách môžu jednotlivé objekty pôsobiť ako difrakčné prekážky. 13 Prevzaté: VÁVRA, Š. a kol., Antény a šírenie elektromagnetických vĺn. Bratislava:Alfa, 1989, s. 325 14 Prevzaté: VÁVRA, Š. a kol., Antény a šírenie elektromagnetických vĺn. Bratislava:Alfa, 1989, s. 330
11 3.4 Voľba polarizácie pre VKV pásmo Pre prevádzku FM v pásmach metrových vĺn sa používa vzhľadom ku svojím špecifickým vlastnostiam výhradne vertikálna polarizácia. Pre diaľkovú prevádzku je naopak výhodnejšia vlna horizontálne polarizovaná, v ktorej sa pri šírení troposférou na väčšej vzdialenosti prejavuje menší útlm. Základný rozdiel medzi oboma druhmi polarizácie vynikne pri komunikácií lokálnej, prízemnej, kde má vertikálne polarizovaná vlna ďaleko vyššiu schopnosť šíriť sa pomocou odrazov. Táto vlastnosť, nežiadúca napr. v televíznej technike, prináša mnoho výhod pre úzkopásmovú FM komunikáciu pomocou prenosných a mobilných rádiostaníc. Intenzita poľa vertikálne polarizovanej vlny je pri zemi vyššia než u vlny polarizovanej horizontálne. Zjednodušene si to môžeme ukázať na obr. 3.11, ktorý znázorňuje odraz vertikálne polarizovanej vlny na voľnom priestranstve. Odrážaná vlna v bode A mení fázu o 180 stupňov, takže po prebehnutí ďalšej dráhy λ/2 sa na prijímacej anténe stretáva s vlnou priamou vo fáze. Samozrejme záleží na diaľke vlny, takže napr. pre priemernú výšku ľudskej postavy 1,8 m sa javia ideálne kmitočty okolo 80 MHz a vyššie, medzi ktoré môžeme počítať aj pásmo 145 MHz. V pásme metrových vĺn vykazuje teda vertikálna polarizácia zhustené pole v žiadúcej výške nad zemou. Daná výška zhusteného poľa zodpovedá i umiestneniu vozidlových antén. Pre amatérsku prax z toho vyplýva poznatok, že nízko umiestnená anténa môže byť v týchto prípadoch pre komunikáciu hodnejšia než anténa umiestnená vysoko.
12 vysielač RDST vlna priama zdroj signálu (VA) 1,8m odrazená vlna rovina zeme 15 Obr. 3.11 Odraz vertikálne polarizovanej vlny V teréne je šírenie vertikálne polarizovanej vlny ešte ďaleko zložitejšie. K intenzívnym odrazom dochádza od terénnych nerovností (hory, členitý terén), zástavby (budovy v mestách) atď. V niektorých prípadoch, podľa povahy prekážky, môže signál aj meniť polarizáciu. Výsledkom je mnohosmerné šírenie odrazených vĺn s rôznou amplitúdou, fázou a polarizáciou, ktoré vytvoria zložené nehomogénne pole, v ktorom je signál priestorovo rozčlenený. Výsledné pole často vytvára i ostrovčeky so signálom či bez signálu, ktoré sú podobné vrstevniciam na mape (obr. 3.12), a to nielen vo vodorovnej, ale i vo zvislej rovine. V miestach, kde je intenzita odrazených vĺn zvláštne vysoká, dochádza k zhusteniu ostrovčekov do takej miery, že vzdialenosť minim a maxim zodpovedá vždy polovici vlnovej diaľky. Jav je zreteľný obzvlášť pri mobilnej prevádzke a súvisí s vytváraním Fresnellových zón pri odraze vĺn. Podobne sa odrazy prejavia v blízkom poli vysielacej antény. 15 Prevzaté: NOVÁK P., Přednášky z amatérské radiotechniky. Praha: Metasport, 1987 s. 7-9
13 MIN MAX MIN MIN MAX 16 Obr. 3.12 Nehomogénne rozloženie poľa Z uvedených skutočností vyplýva, že vlastnosti vertikálnej polarizácie umožňujú komunikáciu aj v takýchto miestach terénu, kde je šírenie horizontálnej polarizácie nemysliteľné. 17 4. Vysielania a príjem v pásme 433,050 až 434,790 MHz Pre bezdrôtový prenos dát som si vybral tzv. voľné pásmo, teda pásmo, ktoré nepodlieha nutnosti vlastniť povolenie v tomto frekvenčnom rozsahu, označované TÚSR ako pásmo f s rozsahom frekvencií 433,050 až 434,790 MHz. Pre toto pásmo sú prevádzkové podmienky presne stanovené v povolení č. VPR-05/2001 TÚSR. 18 Základné podmienky pre prevádzku staníc v pásme 433,92 MHZ: 1. Stanice sa používajú pre rádiokomunikačné služby týchto kategórií: a) diaľkové ovládanie b) telemetria 16 Prevzaté: NOVÁK P., Přednášky z amatérské radiotechniky. Praha: Metasport, 1987 s. 7-9 17 Prevzaté: NOVÁK P., Přednášky z amatérské radiotechniky. Praha: Metasport, 1987 s. 7-9 18 http://www.teleoff.gov.sk/sk/vpovolenia/lpd.html, 2.2.2006
14 c) signalizácia a prenos poplachových informácií d) prenos hovorových signálov e) prenos dát f) prenos obrazových informácií 2. Stanice nesmú byť prevádzkované s prídavnými zosilňovačmi vysokofrekvenčného výkonu a s prevádzačmi. 3. Prevádzka staníc nemá zaistenú ochranu proti rušeniu spôsobenému vysielačmi rádiových staníc iných rádiokomunikačných služieb, prevádzkovanými na základ individuálneho povolenia, alebo i rovnakej rádiokomunikačnej služby prevádzkovanej na základe tejto generálnej licencie. Všetky frekvencie, na ktorých sú stanice prevádzkované na základe tejto generálnej licencia, sú považované za zdieľané. Prípadné rušenie sú povinní prevádzkovatelia staníc riešiť vzájomnou dohodou. Odstrániť rušenie na svoje náklady, prípadne zastaviť prevádzku, má za povinnosť prevádzkovateľ, ktorý stanicu spôsobujúcu rušenie uviedol do prevádzky neskôr, alebo ju zmenil. 4. Táto generálna licencia sa týka iba tých staníc, u ktorých úrad rozhodol o schválení, alebo uznaní typu rádiového zariadenia. 19 4.1 Základné parametre pásma f Pásmo f je označované v povolení TÚSR aj ako pásmo ISM (industry-science-medical), teda pásmo určené pre priemysel, vedecké účely a zdravotníctvo. Základné parametre pásma f : 1. frekvenčný rozsah: 433,050 až 434,790 MHz pásmo ISM. V tomto pásme nesmú byť prenášané ani hovorové a ani akustické signály. 2. maximálny vysielací výkon: 10 mw ERP (efektívny vyžiarený výkon) 3. odstup jednotlivých kanálov v tomto pásme nie je stanovený a pre prenos dát sa môže používať celé pásmo 4. kľúčovací pomer: < 10 % 19 http://www.teleoff.gov.sk/sk/vpovolenia/lpd.html, 2.2.2006
15 4.2 Vysielanie v pásme 433,050 až 434,790 MHz Vzhľadom na určenie zariadení pracujúcich v tomto pásme a parametre, ktoré tieto zariadenia môžu dosahovať je realizácia v podstate jednoduchá. Pri vysielačoch sú kladené nároky najmä na stabilitu nosného kmitočtu a šírku pásma. Tieto parametre sú dôležité najmä z hľadiska možností rušenia blízkeho rádioamatérskeho pásma. Vzhľadom na minimalizáciu ceny vysielača sa jeho koncepcia rieši veľmi jednoducho. Keďže je prenos informácií v tomto pásme obmedzený len na prenos digitálnych dát, používajú sa jednoduché modulácie založené na základe kľúčovania nosnej vlny a to predovšetkým ASK a FSK, veľmi zriedkavo PSK. Vzhľadom na malé objemy dát, ktoré sa prenášajú zariadeniami pracujúcimi v pásme 433,050 až 434,790 MHz nepoužívajú sa viacstavové digitálne modulácie. 4.3 Príjem v pásme 433,050 až 434,790 MHz Na prijímač v pásme 433,050 až 434,790 MHz sú kladené rovnaké nároky, ako na akýkoľvek prijímač pre ktorékoľvek iné pásmo. Sú to najmä: selektivita citlivosť skreslenie frekvenčná nestabilita šírka pásma príkon Prijímače pre pásmo 433,050 až 434,790 MHz sa v podstate neodlišujú od klasických prijímačov pre akékoľvek iné pásmo. Používa sa heterodýnna koncepcia, teda koncepcia, ktorá zahŕňa jednu frekvenčnú konverziu smerom na dol.
16 20 4.3.1 Prijímače v pásme 433,050 až 434,790 MHz pre AM a FM Bloková schéma prijímača v pásme 433,050 až 434,790 MHz pre moduláciu AM je na obr.4.1 a pre moduláciu FM je na obr. 4.2. Vcc Vcc Uin LC filter Zmiešavač MF filter AM demodulátor Komparátor Ant GND Miestny oscilátor GND GND Obr. 4.1 Bloková schéma prijímač a v pásme 433,92 MHz pre moduláciu AM Vcc Vcc Uin LC filter Zmiešavač MF filter FM demodulátor Komparátor Ant GND Miestny oscilátor GND GND Obr. 4.2 Bloková schéma prijímač a v pásme 433,92 MHz pre moduláciu FM Jednotlivé prijímače sa odlišujú len v použitým demodulátorom, no existujú rôzne riešenia, ktoré používajú vstupný filter a prvý VF zosilňovač. Po prvotnej filtrácii sa signál privádza do zmiešavača, kde sa užitočný signál zmiešava so signálom generovaným miestnym oscilátorom na hodnotu medzifrekvenčného kmitočtu. Veľkosť medzifrekvencie sa volí 1 MHz. Po zmiešaní sa signál filtruje v medzifrekvenčnom filtri. Tento filter zaručuje vysokú selektivitu celého prijímača. Po filtrácii sa signál privádza do demodulátora (AM,FM), kde sa preloží modulovaný signál do základného pásma. Demodulovaný signál sa potom privádza od tvarovača impulzov komparátora. Vzhľadom na malé prenosové rýchlosti (do 2000 Bd) sa ako komparátor používa klasické zapojenie operačného zosilňovača ako komparátor. 20 http://www.seapraha.cz/product_info.php?cpath=42_33_35&products_id=76, 12.1.2006
17 21 4.4 Antény vhodné pre pásmo 433,050 až 434,790 MHz Vhodné anténne systémy sú rôzne. Technológia naparovania spojov umožňuje vytvorenie antény na doske plošných spojov. Účinnosť takejto antény je však malá, čo má priamy dopad na dosah zariadenia. Používajú sa najmä prútové antény najčastejšia s dĺžkou λ/4, ale je možné použiť aj elektricky skrátené antény, špirálové antény, či smerové antény typu Yagi. 4.4.1 Prútová anténa Najjednoduchší typ antén, ktorý je možné použiť pre nízkovýkonové aplikácie je tzv. prútová anténa. Ide v podstate o vodič s dĺžkou λ/4, ktorý je umiestnený nad vodivou rovinou. Najčastejšie môžeme takýto druh antén nájsť na automobiloch, kde sa využívajú pre stanice CB, alebo iné rádiové stanice, niekedy aj pre telefóny. Návrh takejto antény je známy už od roku 1890, kedy Marconi objavil možnosť šírenia rádiových signálov na veľké vzdialenosti. Taktiež zistil a popísal vplyv zeme na vyžarovanie antény. Antény, ako akýkoľvek iný elektronický komponent majú dva pripojovacie body. V prípade prútovej antény musíme mať pripojenie na zem, aj keď zemnič nie je nič iné ako batéria, či iné vodiče. Po uzatvorení elektrického obvodu, sa z dôvodu pretekajúceho prúdu vytvorí elektromagnetické pole. Najvhodnejší zemnič sa javí kruh s polomerom λ/4, pričom anténny vodič je umiestnený v strede kruhu. Rozmery zemniča môžu byť samozrejme aj menšie, no zapríčiní to zmenu vlastností antény. Dĺžku anténneho vodiča určíme zo vzťahu (4.1 ). l 300 4. f = [ m; M ] Hz (4.1) 21 SMITH,K., Antény pre nízkovýkonové aplikácie dokument PDF, 11.1.2006
18 Vzťah (4.1 ) určuje dĺžku anténneho vodiča iba orientačne. Jeho dĺžku je nutné upraviť pri presnom ladení antény. Pre zabránenie rozladeniu antény je nutné napájať ju koaxiálnym vodičom. Obr. 4.3 Štvrť vlná prútová anténa a jej vyžarovací diagram Štvrťvlný monopól je možné taktiež realizovať ako vodivú plôšku na doske plošných spojov DPS. Vzhľadom na používanú frekvenciu je dĺžka tejto plôšky 17 cm. Tento rozmer veľmi zväčšuje DPS, preto anténa vytvorená na DPS nie je vhodná pre frekvencie pásma f. 4.4.2 Elektricky skrátená prútová anténa Najjednoduchšou alternatívou ako zmenšiť veľkosť λ/4 prútovej antény je pridať induktor, ktorý bude kompenzovať kapacitný charakter skrátenej antény. Cievka môže byť vytvorená priamo z vodiča, ktorý je použitý ako antény vodič. Takýto typ antény má vlastnosti takmer rovnaké s λ/4 dlhou prútovou anténou. Anténa je znázornená na obr. 4.4 a jej vyžarovacie diagramy na obr. 4.5.
19 Obr. 4.4 Elektricky skrátená prútová anténa Obr. 4.5 Vyžarovacie diagramy elektricky skrátenej prútovej antény Veľkosť indukčnosti je nutné určiť tak, aby anténa bola pri pracovnej frekvencii v rezonancii. 5. Vhodné modulácie pre pásmo 433,050 až 434,790 MHz 22 Proces, pri ktorom sa v závislosti na zmene signálu nesúceho správu vyvolá zmena niektorého parametra iného elektromagnetického signálu, sa nazýva modulácia. Signál nesúci informáciu nazývame modulačný signál a signál, ktorého zmenu niektorého parametra vyvoláme, nazývame nosný signál. 5.1 Dôvody použitia modulácie Dôvody použitia modulácie sú nasledovné: 1. Vytváranie multiplexu (viacnásobné prenosy, lepšie využitie prenosových médií, časový a frekvenčný multiplex ) 22 http://www.alzat.home.sk/modulacie - Modulácie-uč ebný text, 12.2.2006
20 2. Posun signálu do frekvenčného pásma, kde je lepší prenos (zníženie výkonových strát pri prenose, konštrukcia antén) 3. Možnosť súčasného vysielania viacerých kanálov 4. Možnosť presunu digitálnych signálov po analógových kanáloch Vytváranie multiplexu teda viacnásobného využitia prenosového média je v súčasnosti základnou požiadavkou pri navrhovaní akejkoľvek komunikačnej siete. Vzhľadom na fakt, že väčšina nákladov pri budovaní komunikačnej siete sa vynakladá na vedenie, tvorba multiplexu je jednou z možností, ako redukovať náklady na výstavbu nového komunikačného systému. Posuv signálu po frekvenčnom spektre nám umožňuje vytvoriť systém s omnoho vyššou energetickou účinnosťou, čo sa priamo prejavuje v znížení prevádzkových nákladov. Z pohľadu anténnych systémov je modulácia, teda presun signálu v spektre nutnosťou, pretože je nereálne vytvárať anténu sústavu, ktorej dipól má mať rozmer λ/2, keď frekvencia signálu je 5 khz. Modulácia je nutná aj pre prenos digitálnych signálov po analógových kanáloch. Vzhľadom na to, že frekvenčné spektrum impulzu je neohraničené, priamy prenos digitálneho signálu analógovým úzkopásmovým kanálom je veľmi skreslené. Preto je nutné previesť takýto signál na signál s konečnou šírkou spektra, ktorého prenos je už menej narušený. 5.2 Základné rozdelenie modulácií Modulácie môžeme rozdeliť do dvoch základných skupín: 1. Spojité modulácie (analógové) 2. Nespojité modulácie (diskrétne, impulzné)
21 5.2.1 Spojité modulácie (analógové) Medzi základné analógové (spojité) modulácie patria: - Amplitúdová modulácia AM - Frekvenčná modulácia FM - Fázová modulácia PM Tieto tri typy modulácií sú základné a na ich základe obmenou a úpravou týchto modulácií vznikli ďalšie, ktoré zlepšovali ich vlastnosti (účinnosť, šírka pásma potrebná pre prenos). Sú to napríklad SSB, CW a mnohé iné bežne používané. 5.2.2 Amplitúdová modulácia - AM Amplitúdová modulácia bola prvou moduláciou, ktorá bola použitá pre prenos rádiových signálov v rozhlase. Vďaka jednoduchým modulátorom sa táto modulácia v počiatkoch rádiotechniky presadila. Pri amplitúdovej modulácii sa mení amplitúda nosnej vlny v rytme okamžitej hodnoty modulačného signálu. Frekvencia aj fáza modulovanej vlny sa nemenia, sú konštantné. Zadefinujme si základné vzťahy a pojmy: 1. nosná nemodulovaná vlna (nosný signál) s maximálnou amplitúdou U n a kmitočtom ω u = U.sinωt (5.1) n n 2. modulačný signál s maximálnou amplitúdov U a kmitočtom Ω m u.sin m = Um Ω t (5.2) 3. modulovaná nosná vlna s kmitočtom ω pôvodnej nosnej vlny, ale s okamžitou amplitúdou U, ktorá sa však mení s okamžitou amplitúdou modulačného signálu u m
22 u = U.sinωt (5.3) Amplitúda výslednej modulovanej vlny U je v každom okamihu daná súčtom, alebo rozdielom amplitúdy nosnej vlny U n a okamžitej hodnoty modulačného signálu u m. V prípade, že dochádza k sčítaniu hovoríme o pozitívnej modulácii, ak k odčítaniu hovoríme o negatívnej modulácii. Priebeh signálov je na obr. 5.1. Obr. 5.1 Č asové priebehy signálov pri AM modulácii ( pozitívna i negatívna modulácia ) U m U = Un + Um.sin Ω. t U = Un 1 +.sin Ω. t Un U = U.1 + m.sin Ω. t n ( ) (5.4) Podiel U / U m n označujeme písmenom m a nazývame ho činiteľom koeficientom amplitúdovej modulácie. Ak činiteľ AM m vyjadríme v percentách označíme hĺbku modulácie AM podľa vzťahu (5.5). m = 2..( 1+ ) = 2. ( +Δ ) m.100%[%] B F M F f max max U = (5.5) U n Ak rovnicu (5.4) pre okamžitú amplitúdu U modulovanej vlny dosadíme do rovnice (5.3) dostaneme rovnicu modulovanej nosnej vlny:
23 ( ) u = U + U.sin Ω t.sin ωt = U.sin ωt+ U.sin ωt.sin Ωt n m n m (5.6) Použitím matematických pravidiel môžeme rovnicu (5.6) napísať nasledovne: Um Um u = Un.sin ωt+.cos( ω Ω). t.cos( ω +Ω ). t (5.7) 2 2 a po úprave dostaneme výsledné riešenie rovnice (5.6) modulovanej nosnej vlny: Um Um u = Un.sin ωt+.cos 2. Π( f F). t.cos 2. Π ( f + F). t (5.8) 2 2 Čiarové spektrum amplitúdovo modulovaného signálu jedným modulačným signálom s frekvenciou F obsahuje okrem frekvencie f nosného signálu ešte dve ďalšie zložky a to dolnú postrannú zložku f - F a hornú zložku f + F. Ďalšou nemenej dôležitou vlastnosťou AM je, že z hľadiska informačného sú obidve postranné pásma identické. Čiarové spektrum je zobrazené na obr.5.2. Obr. 5.2 Č iarové spektrum AM modulovaného signálu jedným modulač ným signálom Zo vzťahu (5.8) vyplýva, že v postranných pásmach je sústredených iba 50% efektívneho výkonu nemodulovanej nosnej vlny, čo predstavuje 1/3 z celkového výkonu P ef dodaného do antény modulovanou nosnou vlnou za jednu periódu modulačného signálu.
24 Ďalšou vlastnosťou modulácie AM je, že okamžitý maximálny (špičkový) výkon modulovanej nosnej vlny môže byť pri hĺbke modulácie m = 1 až štvornásobne väčší ako by bol maximálny výkon nemodulovanej nosnej vlny. Vysoký špičkový výkon musíme zohľadňovať pri dimenzovaní a výbere niektorých aktívnych a pasívnych súčiastok zapojených v koncovom stupni vysielača. Konkrétne kondenzátory volíme najmenej na dvojnásobné napätie ako je maximálne napätie nemodulovanej nosnej vlny a koncové tranzistory volíme tak, aby boli schopné zniesť najmenej štvornásobný špičkový výkon, ako je špičkový výkon nemodulovanej nosnej vlny. Na záver, ak sa teraz zamyslíme nad účinnosťou prenosu signálu pomocou AM a zohľadníme skutočnosť, že normou stanovený činiteľ modulácie pre rádiové vysielače AM je m = 0,3, dospejeme k záveru, že pre systémy s dvoma postrannými pásmami DSB (Dual Side Band) je účinnosť nízka. Z tohto dôvodu sa používajú systémy s jedným postranným Band). Výhody modulácie AM: - jednoduchá konštrukcia modulátorov a demodulátorov AM signálov - pri prenose užitočného signálu má výsledný modulovaný signál presne definované a ohraničené pásmo postranných zložiek - na prenos informácie nám stačí preniesť iba jedno postranné pásmo, pretože z informačného hľadiska sú obidve postranné pásma identické. Nevýhody modulácie AM: - malá účinnosť - náchylnosť na rušenie v ľubovoľnom mieste prenosového reťazca. V systémoch pracujúcich v pásme 433,05 až 434,79 MHz, kde je výlučne povolený iba prenos dát je AM používaná vo forme ASK. Amplitúdovo kľúčovaný signál sa vo vysielačoch vytvára veľmi
25 jednoducho najmä pri použití SAW rezonátorov. Priebeh signálov pri modulácii ASK je na obr. 5.3. Obr. 5.3 Č asový priebeh signálov pri modulácii ASK 5.2.3 Frekvenčná modulácia FM Pri frekvenčnej modulácii sa mení frekvencia nosnej vlny v rytme modulačného signálu. Amplitúda modulovanej vlny ostáva konštantná. Pri frekvenčnej modulácii rozlišujeme tieto pojmy: - kmitočet modulačného signálu Ω=2.π.F - kmitočet nosnej vlny ω=2.π.f - odchýlka Δω=2.π.Δf nazývaná frekvenčný zdvih (deviácia) Pod pojmom deviácia rozumieme maximálnu zmenu kmitočtu nosnej vlny ω udávanú v Hz. Frekvenčný zdvih nezávisí od frekvencie modulačného signálu Ω, ale závisí od jeho amplitúdy U m (je to jedna z podmienok pre nakreslenú moduláciu FM), čo môžeme vyjadriť vzťahom: Δω=k.U m, pričom k je citlivosť, alebo strmosť modulácie vyjadrená v Hz/V a udáva o koľko Hz sa zmení frekvencia nosného signálu pri zmene amplitúdy modulačného signálu o 1 V. Frekvencia modulačného signálu Ω určuje koľkokrát za sekundu sa zmení kmitočet nosnej vlny z ω-δω na ω+δω a naopak, ako to vidno na obr.5.4.
26 Obr. 5.4 Č asové priebehy signálov pri FM modulácii Predpokladajme, že podobne ako pri modulácii AM môžeme popísať jednotlivé vstupné signály nasledovne: 1. nosný signál s amplitúdou U a kmitočtom ω n u n = U n.sinωt (5.9) 2. modulačný signál s amplitúdou U a kmitočtom Ω m u m= U m.sinω (5.10) 3. nosný modulovaný signál s pôvodnou U n, ale s kmitočtom ω (t), ktorý sa s časom mení v rytme modulačného signálu u. m u= U t (5.11).sin n ω ( ) Túto skutočnosť vieme zapísať vzťahom: ( t) ω = ω+δω.cosωt (5.12) Môžeme teda povedať, že zmena kmitočtu nosnej vlny tak obsahuje obidva charakteristické znaky prenášaného nf signálu a to jeho amplitúdu U m a kmitočet Ω. Pretože uhlový kmitočet je časovou deriváciou fázy, dostaneme vyjadrenie kmitočtu ω (t) frekvenčne modulovanej nosnej vlny integráciou rovnice (5.13) podľa času: kde Δω ω+δω.cos Ω t dt = ω. t+.sin Ω t = ω. t+ M.sin Ω. t Ω ( ) (5.13) (5.14 ) sa nazýva index (činiteľ) frekvenčnej modulácie. Niekedy sa v literatúre označuje aj m f. Δω Ω Δf = = M F
27 Po dosadení výsledku rovnice (5.13) do rovnice (5.11) dostávame výslednú rovni cu pre frekvenčne modulovanú nosnú vlnu: u = U.sin( ω. t+ M.sin Ω. t) (5.15) n Rovnicu (5.15) môžeme rozvinúť do nekonečného radu jednoduchých výrazov určenými Besselo vými funkciami takto: ( ) ( ) ( ) J0 M.sin ωt+ J1( M). sin ω+ω. t sin ω Ω. t + u = Un. J2( M). sin ( ω+ 2. Ω ). t+ sin ( ω 2. Ω). t + J3 ( M). sin ( ω+ 3. Ω). t sin ( ω 3. Ω ). t +... (5.16) Rovnica (5.16) ukazuje, že frekvenčne modulovaná nosná vlna obsahuje pôvodnú nosnú vlnu s kmitočtom ω a nekonečný počet párov postranných frekvenčných zložiek. Grafické znázornenie Besselových funkcií je na obr. 5.5. Obr. 5.5 Grafické priebehy Besselových funkcií V praxi sa ukázalo, že na prenos informácie s dostatočne malým skreslením postačí preniesť všetky postranné zložky, ktorých amplitúda je väčšia ako 1% amplitúdy nosného nemodulovaného signálu. Na výpočet potrebnej šírky prenášaného frekvenčného pásma, potrebného na splnenie tejto požiadavky, môžeme použiť vzťah (5.17). max ( ) ( ) B= 2. F. 1+ M = 2. F +Δ f (5.17) V závislosti od hodnoty činiteľa frekvenčnej modulácie M rozlišujeme dva typy frekvenčnej modulácie. Ak M<1 ide o úzkopásmovú FM a ak M>1 ide o širokopásmovú FM. S hodnotou činiteľa M súvisí dôležitý kvalitatívny ukazovateľ prenosu správ určujúci jeho akosť a to pomer amplitúdy signálu k amplitúde šumu S/N. Platí, že čím je M väčšie, tým väčší je pomer signál/šum. Na druhej strane však platí, že s narastajúcim M narastá, pre kvalitný prenos, aj potrebná šírka frekvenčného pásma. Nedodržanie potrebnej šírky pásma, jej zmenšenie, vedie ku zhoršeniu pomeru S/N max
28 a hlavne ku zvýšeniu skreslenia výstupného signálu na vyšších dynamických úrovniach. Výhody modulácie FM: - možnosť vylúčenia porúch amplitúdového charakteru použitím obmedzovača amplitúdy v prijímači, pretože amplitúda neprenáša žiadnu zložku informácie - jednoduchší modulátor a tým aj jednoduchší vysielač (modulácia sa môže robiť priamo v oscilátore nosného signálu) - vysielač FM signálu je z hľadiska výkonu dobre využitý. Pri vhodnej veľkosti indexu modulácie M (okolo M=5) klesá výkon nosného signálu skoro k nule a skoro všetka vysielaná energia je sústredená v postranných pásmach užitočných pre prenos informácie. - menšie vzájomné rušenie dvoch vysielačov, ktoré pracujú na rovnakých, alebo blízkych nosných kmitočtoch - lepší odstup užitočného užitočného signálu od hluku a šumu. Optimálny odstup signálu od šumu môžeme dosiahnuť optimálnym využitím kmitočtového zdvihu Δf. - podstatne lepšia dynamika prenosu, t.j. rozdiel medzi najhlasnejším a najtichším prenášaným domodulovaným signálom. Dynamika prenosu pri amplitúdovej modulácii je okolo 25 db, ale pri frekvenčnej modulácii s použitím preemfázy sa dosahujú úrovne okolo 45 db. Nevýhody modulácie FM: - zložitejší demodulátor - potrebná podstatne väčšia šírka prenášaného pásma a tým možnosť použitia frekvenčnej modulácie len na frekvenčnom rozsahu veľmi krátkych vĺn
29 V prípade, keď je modulačný signál diskrétny, sa FM označuje ako FSK frekvenčné kľúčovanie. Časový priebeh signálov pri FSK je na obr.5.6. Obr. 5.6 Č asový priebeh signálov pri FSK 5.2.4 Fázová modulácia PM Pri fázovej modulácii sa mení fáza modulovanej nosnej vlny v rytme zmien modulačného signálu. Amplitúda modulovanej nosnej vlny ostáva konštantná. Časové priebehy signálov pri fázovej modulácii sú na obr.5.7. Obr. 5.7 Č asové priebehy signálov pri fázovej modulácii Podobne ako pri amplitúdovej a frekvenčnej modulácii, rovnice popisujúce jednotlivé signály sú: 1. nosný signál s amplitúdou U n, kmitočtom ω a počiatočnou fázou φ =U.sin(ωt+φ) (5.18) u n n a kmitočtom Ω 2. modulačný signál s maximálnou amplitúdou U m u m =U m.sinωt (5.19)
30 3. modulovaný nosný signál s pôvodnou amplitúdou U n, kmitočtom ω a fázou φ, ktorá sa však mení v rytme modulačného signálu u m u= U n.sin(ωt+φ ) (5.20) Veľkosť zmeny fázy je závislá len na amplitúde U m modulačného signálu, rýchlosť tejto zmeny závisí od kmitočtu Ω modulačného signálu (to je podmienka neskreslenej fázovej modulácie). Zmenu fázy φ vieme zapísať rovnicou (5.21) φ =Δφ.sinΩt (5.21) Pre najjednoduchší prípad, ak modulujeme nosný signál jedným modulačným signálom s uhlovou frekvenciou Ω, po dosadení rovnice (5.21) do rovnice (5.20) dostávame výslednú rovnicu fázovo modulovanej nosnej vlny: u= U n.sin(ω.t+δφ.sinωt) (5.22) Δφ, označované tiež M alebo m Ф, - je činiteľ (index) fázovej modulácie. Δφ sa označuje tiež niekedy ako fázový zdvih modulácie ФM (ekvivalent frekvenčného zdvihu Δf pri FM). Rovnicu (5.22) môžeme rozvinúť do nekonečného radu jednoduchých výrazov určenými Besselovými funkciami podobne ako pri modulácii FM. Frekvenčné spektrum fázovo modulovanej vlny obsahuje tiež veľký počet postranných zložiek, alebo pásiem. Činiteľ modulácie M nezávisí od frekvencie modulačného signálu Ω, takže počet významných postranných zložiek sa so zväčšovaním modulačného kmitočtu Ω nezmenšuje, tak ako pri modulácii FM, ale zostáva pri danej amplitúde U m modulačného signálu konštantný. To je však nevýhodné, pretože pre prenos tej istej modulačnej frekvencie F potrebujeme pri modulácii ФM väčšiu šírku pásma ako pri modulácii FM. Ak porovnávame rovnicu (5.22) s rovnicou (5.15) pre frekvenčne modulovanú nosnú vlnu vidíme, že sú si veľmi podobné. Na základe tejto podobnosti môžeme odvodiť vzájomný vzťah medzi činiteľom frekvenčnej a fázovej modulácie a vyjadriť ho rovnicou (5.23).
31 T V 1 Δω Δf ; Δ ϕ = = Δ f = F. Δϕ (5.23) f Ω F max V prípade, že modulačný signál je digitálny nazývame fázovú moduláciu PKS, teda fázové kľúčovanie. Časové priebehy signálov pri PKS sú na obr. 5.8. Obr. 5.8 Č asové priebehy signálov pri modulácii PKS Fázová a frekvenčná modulácia sú vzájomne závislé. Fázovú moduláciu je možné previesť na moduláciu frekvenčnú, keď zabezpečíme, aby sa modulačné napätie pomocou korekčného filtra v modulátore zmenšovalo úmerne s jeho kmitočtom. Tento nepriamy spôsob získania frekvenčne modulovaných signálov sa často používa, pretože fázová modulácia má oproti priamej frekvenčnej modulácii, v oscilátore kmitočtu ω, výhodu v možnosti realizovať vysielač frekvenčne modulovanej nosnej vlny s vysokou stabilitou nosného kmitočtu ω (modulácia sa robí mimo oscilátora nosného kmitočtu ω). Čistá fázová modulácia sa v praxi používa len zriedka. 5.2.5. Nespojité (diskrétne, impulzné) modulácie Nespojité modulácie sú založené na odoberaní vzoriek z pôvodného spojitého, alebo diskrétneho signálu. Veľkosť vzorkovacieho intervalu je daná Shannon-Kotelnikovou teorémou: T V 1 ; f max kde: T interval medzi vzorkami V
32 f max maximálna frekvencia vzorkového signálu Impulzné modulácie môžeme rozdeliť do dvoch základných skupín: 1. nekvantované impulzné modulácie 2. kvantované impulzné modulácie Medzi základné nekvantované modulácie patria: PAM impulzne amplitúdová modulácia PPM impulzne polohová modulácia PŠM impulzne šírková modulácia Medzi základné kvantované modulácie patria: ΔM delta modulácia PCM impulzne kódová modulácia Diskrétne modulácie je možné použiť pre prenos dát, no vzhľadom na ich zložitú realizáciu nie sú príliš vhodnú najmä pre miniatúrne vysielače a preto sa tieto modulácie nepoužívajú. 6. Realizácia prijímača a vysielača funkčnej vzorky zariadenia. Diaľkové ovládanie je určené pre riadenie najrôznejších zariadení ako sú čerpadlá, osvetlenia, jednoduché mechanizmy, ale napríklad aj jednoduché modely. Aby malo diaľkové ovládanie veľký dosah, boli použité kvalitné vysokofrekvenčné moduly s veľmi dobrou stabilitou a odolnosťou proti rušeniu. Podľa použitej antény sa dosah pohybuje od desiatok metrov až nad dva kilometre vo voľnom priestore.
33 23 6.1 Technické údaje vysielača a prijímača Vysielač: Napájacie napätie: Odber prúdu v kľude: Odber prúdu pri vysielaní: Rozmery dosky s plošnými spojmi: Rozmery vysielača v krabičke: 9 V js <0,1 μa 9,5 ma 44 x 64 mm 125 x 50 x 23 mm Prijímač: Napájacie napätie: 9 až 16 V (5 až 24 V) Odber prúdu v kľude: 8,5 ma Odber prúdu drží jedno relé: 101 ma Maximálny odber prúdu (držia všetky relé): 371 ma Rozmery dosky s plošnými spojmi: 84 x 96 mm Rozmery prijímača v krabičke: 111 x 91 x 43 mm 6.2 Vysielač Základom vysielača je kóder HT 12E, na ktorého vstupy sú pripojené štyri tlačidlá. Po stlačení niektorého z nich sa cez zodpovedajúcu diódu D1 D4 aktivuje vstup VT kóderu a rozsvieti sa LED dióda. Kóder začne na výstupe vysielať dáta, ktorými je modulovaný vf vysielač Rx BC NBk. Rýchlosť vysielania dát je daná rezistorom R1. Prepojkami J1 až J4 je možné meniť adresu a tým umožniť používanie viacerých rovnakých súprav vedľa seba bez vzájomného ovplyvňovania. Vysielač je napájaný 9 V. Aj keď je kóder trvale pod napätím, kľudový odber je celkom zanedbateľný. Pri vysielaní stúpne asi na 9 ma. 23 http://www.flajzar.cz/vf1km_www.pdf katalógový list VF moduly 433Mhz, 20.3.2006
34 Obr. 6.1 Schéma zapojenia vysielača Základné oblasti použitia: Autoalarmy Bezdrôtové bezpečnostné systémy Hlásenia zo senzorov Rôzne diaľkové ovládania Obr. 6.2 Zapojenie jednotlivých vývodov vysielacieho modulu TX 4MDIL Vlastnosť Hodnota Min Typicky Max Jednotka V RF RF napájacie napätie 3 5 V SS V AF AF napájacie napätie V SS I S Napájací prúd 3 6 ma f W Pracovná frekvencia - 433,92 - MHz Po RF výstupný výkon do 50 Ohm 4 2 dbm T OP Rozsah pracovných teplôt -20 - +80 C 24 Tab. 6.1 Elektrické vlastnosti vysielacieho modulu TX 4MDIL 24 http://www.sos.sk/a_info/resource/c/pdf/tx4mdil.pdf katalógový list TX-4MDIL, 20.3.2006
35 PIN Označenie Popis 1 V CC Napájacie napätie 2 GND Zem 3 IN Vstupný signál 4 EA Výstup na externú anténu Tab. 6.2 Popis vývodov vysielacieho modulu TX 4MDIL 25 6.3 Kóder 6.3.1 Adresné/dátové programovanie (prednastavenie) Stav každého adresného/dátového pinu môže byť nezávisle prednastavený na logickú jednotku alebo nulu. Ak je prítomný signál povolenia prenosu, kodér zosníma a odvysiela stav 12 bitov adresy/dát v poradí od A0 po AD11 pre kodér HT12E/EA. Počas prenosu informácií týchto bitov je spolu s nimi ako prvý vysielaný synchronizačný bit. Ak spúšťací signál nie je prítomný, čip prechádza do stand-by módu v ktorom dosahuje spotreba prúdu menej ako 1uA pri napájacom napätí 5V. Pri aplikáciách sa na prednastavenie adresných pinov podľa individuálnych bezpečnostných kódov zvyčajne používajú DIP prepínače alebo priamo prepojenia na plošnom spoji a dáta sú zvolené tlačítkom alebo elektronickým spínačom. Nasledujúci obrázok ukazuje použitie HT12E/EA: Vysielaná informácia je nasledujúca: 25 http://www.holtek.com.tw/pdf/consumer/2_12ev110.pdf katalógový list HT 12E/EA, 20.3.2006
36 Prenosové médium Kontrólny Synchron. Obr. 6.3 Tvar signálu adresy/dát Každý programovateľný adresný/dátový pin može byť externe nastavený do jedného z dvoch nasledujúcich stavov ako je možné vidieť dole: FOSC Jednotka Nula Adresný/ dátový bit Obr. 6.4 Tvar signálu adresy/dátového bitu pre HT 12E/EA 6.3.2 Všeobecný popis 2na12 kodéry sú vyrobené technológiou CMOS LSI a sú určené pre aplikácie v diaľkových ovládačoch. Sú schopné zakódovať informáciu ktorá pozostáva z N adresných bitov a 12-N dátových bitov. Každý adresný/dátový vstup može byť nastavený do jedného z dvoch logických stavov. Naprogramovaná adresa/dáta je vysielaná spolu s hlavičkovými bitmi rádiovo, prenosom po prijatí spúšťacieho signálu.
37 Možnosť vybrať spúšťací TE signál na HT12E/EA ďalej rozširuje flexibilitu pri aplikáciách enkodérov série 2na12tu. Blokový diagram HT 12E/EA TE spúšťací OSC2 OSC1 TE Oscilátor Delič Výber dát a vyrov. pamäť DOUT A0 A7 Vysielanie hradlového obvodu Číta a 1 z 12 dekóduje Dvojkový demodulátor Synchr. Obvod AD8 Ad11 VDD VSS Obr. 6.5 Blokový diagram dekóderu 6.3.3 Funkčný popis: Kodér začne 4-bajtový vysielací cyklus pri prijatí spúšťacieho signálu (TE pri HT12E/EA ). Tento cyklus sa bude opakovať tak dlho pokiaľ bude úroveň spúšťacieho signálu v nule. Akonáhle sa úroveň zmení na jednotku kodér dokončí posledný cyklus a ostane nečinný ache je ukázané dole: Dekóder 1 bajt 4 bajty Nepretržitý prenos 4 bajty Obr. 6.6 Č a s o vanie vysielania pre HT12E/EA
38 6.4 Prijímač Signál vysielača je zachytený anténou prijímača a spracovaný vo vf module Rx BC NBk od firmy AUREL. Logický výstup je privedený na vstup mikroprocesoru PIC16C505, ktorý jej dekóduje. Určite ste si všimli, že nikde nie je žiadny kryštál ani rezonátor. Nie je potrebný. Na strane kóderu určuje rýchlosť odpor R2 a mikroprocesor na strane prijímača má vnútorný RC oscilátor 4 MHz. Kmitočet vnútorného oscilátora sa síce môže vplyvom teploty a napájacieho napätia pohybovať v rozsahu 3 až 6 MHz, ale softwarovo je vytvorený originálny dekódovací algoritmus, ktorý je schopný vo veľmi širokom kmitočtovom rozsahu vnútorného oscilátora ( na emulátore vyskúšané od 500 khz až do 20 MHz!) dáta bezchybne dekódovať. Zariadenie je teda spoľahlivé aj pri značných teplotných a napäťových výkyvoch. Mikroprocesor dáta dekóduje, zistí, či súhlasia adresy, a na základe zvoleného spínacieho módu ovláda cez spínacie tranzistory relé. LED5 slúži ako signálizácia príjmu a čistoty pásma 434 MHz. Pokiaľ nevysielam, nemala by svietiť. Pokiaľ rýchlejšie poblikáva znamená to, že prijímač je narušený a môže byť znížená citlivosť, resp. dosah súpravy. Môžeme si vybrať z niekoľkých režimov: 5 J6 Funkcie X Prvým stlačením tlačítka relé zapnuté, druhým vypnuté Impulzný režim 0,8 sekundy X X X Ovláda len dve relé Re1 a Re2. Vždy ľavým tlačítkom je odpovedajúce relé zapnuté a pravým vypnuté Relé drží po celú dobu držania tlačítka. Po pustení tlačítka relé dopadne Tab. 6.3 Tabuľ ka režimov prepínania
39 Kontakty použitých relé je možné zaťažiť maximálne do 250V 5A. Pre kontrolu je paralelne ku každému relé pripojená cez ochranný rezistor LED. Napájanie prijímača môže byť v rozsahu 9 až 16 V (max. 24 V, pokiaľ je dostatočné dimenzované C1). Vstupné napätie je stabilizované na 5 V, v prípade potreby sa dá vyradiť stabilizátor a všetko napájať aj stabilizovaným napätím 5 V. Stabilizátor je treba opatriť vhodným chladičom. Ako prijímač som použil prijímací modul RX BC-NBk s vyššou citlivosťou od firmy Aurel. Kde sú uvedené parametre: nízka spotreba, malé vyžarovanie antény a vysoká odolnosť proti rušeniu vysoká spoľahlivosť SIL thick-film hybridného obvodu pracovná frekvencia 433,93 MHz používaná modulácia On-Off kľúčovanie citlivosť meraná so vstupným On-Off signálom je lepšia než 3 uv (-97 dbm) v strede pásma šírka pásma pri -3 db : 1,2 MHz vstavaný RC filter antény lambda/4 maximálna frekvencia obdĺžnikového priebehu na výstupe je 2 khz napájanie + 5V, maximálna spotreba 3 ma (typicky 2,7 ma) vyžarovanie antény maximálne -60 dbm čas ustálenia je lepší ako 2 sekundy v neprítomnosti VF signálu je na výstupe log. Základné oblasti použitia: Autoalarmy Bezdrôtové bezpečnostné systémy Hlásenia zo senzorov Rôzne diaľkové ovládania
40 Obr. 6.7 Zapojenie jednotlivých vývodov prijímacieho modulu RX BC Vlastnosť Hodnota Min Typicky Max Jednotka V RF RF napájacie napätie 4,5 5 5,5 V SS V AF AF napájacie napätie 4,5 5 5,5 V SS I S Napájací prúd - 2,7 3 ma f W Pracovná frekvencia - 433,92 - MHz B W Šírka pásme pre 3dB - ±1,2 - MHz Maximálna rýchlosť prenosu dát - - 2 khz RF citlivosť (100% AM) - -97 - dbm Úroveň vyžarovaného spektra - -65-60 dbm V OL Výstupné napätie v log. 0 - - 0,1 V SS V OH Výstupné napätie v log. 1 3,8 - - V SS T OP Rozsah pracovných teplôt -20 - +80 C 26 Tab. 6.4 Elektrické vlastnosti prijímacieho modulu RX BC-NBk PIN Označenie Popis 1 RF +V CC Napájacie napätie pre RF 2 RF GND Zem pre RF 3 IN Vf vstup z antény 4 NC Nezapojený 5 NC Nezapojený 6 NC Nezapojený 7 RF GND Zem pre RF 8 NC Nezapojený 9 NC Nezapojený 10 NC Nezapojený 11 AF GND Zem pre AF 12 AF +V CC Napájacie napätie pre AF 13 Test point Testovací bod 14 OUT Výstup signálu 15 AF +V CC Napájacie napätie pre AF Tab. 6.5 Popis vývodov prijímacieho modulu RX BC 26 http://www.aurelwireless.com/wireless/uk/manuals/650200208_um.pdf katalógový list RX BC-NBk, 20.3.2006
41 Obr. 6.8 Schéma prijímač a 7. Ďalšie využitie 27 7.1 Inteligentné dopravné značenia Pojem inteligentné dopravné značenie je na Slovensku už zaužívaný. Jednou zo súčastí inteligentných dopravných systémov sú aj dopravné značky s premennými symbolmi (PDZ). Informácia na týchto značkách odzrkadľuje stav dopravného procesu vo vzťahu k okamžitým okolnostiam, k polohe, alebo smerovaniu vozidiel v cestnej sieti. Používanie PDZ v cestnej premávke je veľmi dôležité predovšetkým v medzinárodnej európskej cestnej sieti, pretože tieto značky sú jednou z významných častí komunikácie s vodičmi. Na základe zlepšenia informovanosti motoristov dochádza k viacerým výhodám, ktoré sú v znižovaní tvorby kongescií, vo zvyšovaní bezpečnosti, vyššej efektívnosti strategického riadenia dopravy a skvalitňovania životného prostredia. 27 http://www.fce.vutbr.cz/veda/dk2004texty/pdf/02_konstrukce%20a%20pozemni%20stavby/2_03_pozem ni%20komunikace/sukennik_peter.pdf - Inteligentné dopravné značenia, dokument PDF 23.3.2006
42 PDZ sú zvislé dopravné značky s premennými symbolmi zobrazené na elektrickom alebo elektromagnetickom paneli, na ktorých sa menia symboly zvislých dopravných značiek podľa potreby. Vo všeobecnosti sa používajú dva druhy PDZ: svetelné sú také, ktorých symbolika sa mení na celej ploche značky prostredníctvom svetelnej zmeny symbolu značky, lamelové umožňujú pomocou riadiacich signálov navoliť jednu z troch pripravených dopravných značiek. Systém je založený na mechanickej výmene viditeľnej plochy, ktorá je vytvorená z lamiel z trojbokých hranolov. Na jednotlivých stenách sú nalepené časti dopravnej značky tak, že pri jednej ploche je viditeľná plocha prvej značky, po pootočení o 120 sa zobrazí druhá značka a po pootočení o ďalších 120 tretia značka. DISTRIBÚCIA ÚDAJOV Na distribúciu dopravných a iných relevantných informácií existujú dva druhy terminálov: pevné stacionárne terminály, pohybujúce sa mobilné terminály. Dopravné značky s premennými symbolmi alebo informačné tabule s meniacim sa textom reprezentujú externé stacionárne terminály (možno na nich meniť text alebo symboly.) Zmena môže byť vyvolaná priamo dopravnými prostriedkami alebo cestnými senzorami upozorňujúcimi na výskyt výnimočných stavov, ktoré sú pred idúcim vozidlom. Poskytujú informácie v reálnom čase ale aj vopred definované stavy. Mobilné terminály sú zariadenia umiestnené vo vozidle, ktoré poskytujú informácie taktiež v reálnom stave. Zariadeniami, ktoré môžu poskytovať tieto informácie sú navigačné systémy, mobilné telefóny
43 prípadne špeciálne orientované palubné počítače vo vozidle. PDZ zobrazujú výstražné, zákazové, príkazové a informatívne dopravné značky, prípadne aj textovú informáciu. Sú nevyhnutnou súčasťou požiadaviek na plynulú a hlavne bezpečnú cestnú premávku. Avšak v mnohých prípadoch ani premenlivé dopravné značenia alebo bežné dopravné značenia vodiči nerešpektujú. Jedným s riešením je zavedenie obmedzovačov rýchlosti do všetkých automobilov prichádzajúcich na slovenský trh. Najvyššia povolená rýchlosť na slovenských cestách je 130 km/h. Riešenie je technicky možné, u výkonnejších vozidiel sa používa obmedzovač rýchlosti na 250 km/h, a čo sa týka menej výkonnejších automobilov sa taktiež využíva systém ASL (Automatic Speed Limiter), ktorý si nastaví šofér, aby neprekročil napr. v meste predpísanú rýchlosť. Montujú sa taktiež do úžitkových vozidiel a autobusov. Musia ich mať všetky, ktoré sú vyrobené po roku 1994 (nosnosťou nad 10 t). Obmedzovač rýchlosti funguje podobne ako regulátor otáčok motora. Pri dosiahnutí najvyššej povolenej rýchlosti elektronika obmedzí dodávku paliva a tým sa zabráni ďalšiemu zrýchľovaniu. Spojením nových technológií a rádiového prenosu sa dá vytvoriť systém, ktorý by zabránil neohľaduplným vodičom prekračovať povolenú rýchlosť a to najmä v zónových úsekoch. Spočíva v inštalácii nízkopríkonového vysielača s dosahom približne tridsať metrov, ktorý by neustále vysielal informáciu o zmene rýchlosti. Znázornené na obr. 7.1 40 ZÓNA 40 ZÓNA Obr. 7.1 Zachytenie signálu zmeny rýchlosti
44 Po zachytení informácie automobilom by bola následne dekódovaná, spracovaná a vyslaná do ASL modulu. ASL modul informáciu spracuje a vyšle pokyn do riadiacej jednotky. Tá obmedzí dodávku paliva a tým zabráni ďalšiemu zrýchľovaniu. Návrh systému, ktorý zabraňuje vodičom motorových vozidiel prekračovať najvyššiu povolenú rýchlosť, som zhrnul do blokovej schémy (obr.7.2). Kóder Nízkopríkonový vysielač Prijímač Dekóder ASL modul Riadiaca jednotka automobilu Obr. 7.2 Návrh blokovej schémy systému Dôvody :Vysoká nehodovosť na cestách, veľa mŕtvych a zranených, nedodržiavanie dopravných predpisov. Neexistuje dôvod, aby vozidlám bola konštrukčne povolená vyššia rýchlosť. 7.2 Návrh systému pre zabránenie reťazovej dopravnej nehody Už existujúci systém, ktorý by mal byť uvedený na trh od roku 2009 je systém ecall. ecall je celoeurópske palubné tiesňové volania, ktorý je prvým stavebným kameňom iniciatívy Inteligentné vozidlo. Palubné volanie ecall je tiesňové volanie, ktoré uskutočnia manuálne cestujúci vo vozidle, alebo sa po nehode spustí automaticky aktivovaním senzorov vo vozidle. Po aktivovaní uskutoční palubné zariadenie ecall tiesňové volanie, ktoré prenáša hlas i údaje priamo do najbližšej tiesňovej služby (zvyčajne na najbližšie stredisko tiesňového volania 112), pozri obrázok č.7.3. Hlasové volanie umožňuje cestujúcim vo vozidle komunikovať s vyškoleným operátorom ecall. V tom istom čase sa odošle minimálny súbor údajov operátorovi ecall, ktorý prijíma hlasové volanie.
45 28 Obr. 7.3 Systém ecall Minimálny súbor údajov obsahuje informácie o nehode vrátane času, presnej polohy, identifikácie vozidla, stavu ecall (minimálne informáciu, či sa ecall spustil manuálne alebo automaticky) a informácie o možnom poskytovateľovi služby. Systém ecall by mohol byť doplnený o ďalší systém a to o automatické vysielanie záchranného signálu (Safety signal) do okolia. Vozidlo, ktoré havaruje nestačí len vyslanie súboru údajov o polohe vozidla ale taktiež vysielanie záchranného signálu do okolia v prípade nepriaznivého počasia aby ostatní vodiči dokázali toto havarované vozilo včas identifikovať a tým prispôsobiť jazdu svojho vozidla a zabrániť reťazovej havárie. Obr. 7.3 Systém ecall a Safety signal 28 http://europa.eu.int/eurlex/lex/lexuriserv/lexuriserv.do?uri=celex:52005dc0431:s K:NOT - OZNÁMENIE KOMISIE RADE, EURÓPSKEMU PARLAMENTU, EURÓPSKEMU HOSPODÁRSKEMU A SOCIÁLNEMU VÝBORU A VÝBORU REGIÓNOV - POSKYTNÚŤ ECALL OBČANOM
46 8. Zhodnotenie dosiahnutých výsledkov. Dosah je závislý predovšetkým na dobrej anténe. V mojej práci som použil medený drôt, ktorý by však nemohol byť použitý v skutočnosti na automobiloch. Pokiaľ nám vyhovuje dosah len niekoľko stoviek metrov, postačí ako na vysielacej, tak aj na prijímacej strane anténa dĺžky 17 cm (prípadne o polovicu kratší). Akonáhle chceme dosiahnuť dosah aspoň 200 m, alebo máme v ceste prekážku (nie železnú), doporučujem dať na vysielaciu stranu drôt s priemerom asi 1,5 až 2 mm dĺžky 17 cm a na prijímač rovnaký drôt dlhý 17 (poprípade 34) cm. Vo voľnom priestore som spoľahlivo dosiahol 500 metrov. A pokiaľ by nestačilo ani tých 500 metrov, môže sa na vstup prijímača pripojiť smerovú anténu. Potom ovládanie funguje na vzdialenosť jedného kilometra aj ďalej. 9. Tabuľka nameraných hodnôt Dĺžka vysielacej antény Dĺžka prijímacej antény Priemer antény Dosah 17 cm 17 cm 1-1,5 mm 2-200 m 17 cm 17-34 cm 1,5-2 mm 200-500 17 cm smerová anténa - 1 km a viac
47 10. Záver Cieľom mojej diplomovej práce bolo vytvoriť bezpečnostný systém na cestných komunikáciách, ktorý by včas upozornil vodičov motorových vozidiel na blízku prítomnosť vozidiel prednostnej právomoci jazdy ako sú sanitné, policajné, hasičské a v neposlednom rade vládne vozidlá. Navrhnuté zariadenie je funkčné a spĺňa všetky požiadavky, ktoré boli kladené pred samotným návrhom. Dosah systému je závislý od použitia vhodných antén. V jednotlivých kapitolách som popisoval šírenie elektromagnetických vĺn, príjem a vysielanie v ISM pásme, návrhu antén a vhodnej modulácii. Zariadenie by umožnilo jednotlivým vozidlám sa včas dostať na miesto zásahu a tým skôr zachrániť ľudský život, poprípade majetok. V poslednej kapitole som obohatil toto zariadenie o inteligentné dopravné značenie a systém pre zabránenie reťazovej havárie pomocou vyslania safety signal nakoľko moje zariadenie je štvorkanálový prijímač a vysielač. Inteligentné dopravné značenie by zabránilo prekročeniu rýchlosti v zónových oblastiach tým že značenie by bolo vybavené nízkopríkonovým vysielačom. Druhý systém ktorý som navrhol by mohol byť spojený s už existujúcim systémom ecall. Cena popisovaného zariadenia je v rozmedzí 2000 4000 Sk, čo by výrazne nenavýšilo cenu vozidla. Prijímač a vysielač som aplikoval v ISM pásme no vo verejnom záujme nieje možné použiť ISM pásmo nakoľko šírka pásma by nepostačovala pre dostatočné zabezpečenie.
48 Zoznam použitej literatúry [1] ČESKÝ, M.: Anteny pro příjem rozhlasu a televize. Praha: SNTL, 1978. 14-20 s. [2] VÁVRA, Š. a kol.: Antény a šírenie elektromagnetických vĺn. Bratislava: Alfa, 1989. 309 338 s. [3] PROKOP, J. a kol.: Šíření elektromagnetických vln a anteny. Praha: STNL, 1980. 157 163 s. [4] NOVÁK, P.: Přednášky z amatérské radiotechniky. Praha: Metasport, 1987. 7 9 s. [5] http://www.teleoff.gov.sk/sk/vpovolenia/lpd.html, 2.2.2006 [6] http://www.seapraha.cz/product_info.php?cpath=42_33_35&products_id=76 katalógové listy firmy Seapraha VF prijímačov pre AM a FM, 12.1.2006 [7] SMITH, K.: Antény pre nízkovýkonové aplikácie dokument PDF, 11.1.2006 [8] http://www.alzat.home.sk/modulacie Modulácie učebný text, 12.2.2006 [9] http://www.sos.sk/a_info/resource/c/pdf/tx4mdil.pdf katalógový list TX- 4MDIL, 20.3.2006 [10] http://www.holtek.com.tw/pdf/consumer/2_12ev110.pdf katalógový list HT 12E/EA, 20.3.2006 [11] http://www.aurelwireless.com/wireless/uk/manuals/650200208_um.pdf katalógový list RX BC-NBk, 20.3.2006 [12]http://www.fce.vutbr.cz/veda/dk2004texty/pdf/02_Konstrukce%20a %20pozemni%20stavby/2_03_Pozemni%20komunikace/Sukennik_P eter.pdf Inteligentné dopravné značenie - dokument PDF, 3.3.2006 [13]http://europa.eu.int/eurlex/lex/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CELEX:52005D C0431:SK:NOT - oznámenie komisie rade, európskemu parlamentu, európskemu hospodárskemu a sociálnemu výboru a výboru regiónov poskytnúť ecall občanom dokument doc., 25.3.2006
Č E S T N É V Y H L Á S E N I E Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod odborným vedením vedúceho diplomovej práce doc. Ing. Rudolfa Hronca, PhD a používal som len literatúru uvedenú v práci. Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce. V Žiline, dňa podpis
P O Ď A K O V A N I E Touto cestou by som chcel poďakovať doc. Ing. Rudolfovi Hroncovi, PhD ktorý mi svojimi radami a pripomienkami pomohol pri vypracovaní mojej diplomovej práce a celej mojej rodine.
V ŽILINE Elektrotechnická fakulta DIPLOMOVÁ PRÁCA (PRÍLOHOVÁ ČASŤ) 2006 Tibor Šenkár
Zoznam príloh: Príloha č. 1: Schéma zapojenia vysielacej časti Príloha č. 2: Vývojový diagram kódera HT 12E/EA Príloha č. 3: Schéma zapojenia prijímacej časti Príloha č. 4: Doska plošného spoja vysielacia časť a) strana súčiastok b) strana spojov Príloha č. 5: Doska plošného spoja prijímacia časť a) strana súčiastok b) strana spojov Príloha č. 6: Fotodokumentácia vysielacia časť a) Celkový pohľad na vysielaciu časť b) Pohľad na vnútorné usporiadanie jednotlivých komponentov vysielača Príloha č. 7: Fotodokumentácia prijímacia časť a) Celkový pohľad na prijímaciu časť b) Pohľad na vnútorné usporiadanie jednotlivých komponentov prijímača Príloha č. 8: Fotodokumentácia celkový pohľad na sústavu vysielač prijímač
Príloha č. 1: Schéma zapojenia vysielacej časti
Príloha č. 2: Vývojový diagram kódera HT 12E/EA Štart Pohotovostný režim Nie Prenos povolený Áno Prenesené 4 dátové slová Nie Prenos stále povolený Áno Priebežný prenos 4 dátových slov
Príloha č. 3: Schéma zapojenia prijímacej časti
Príloha č. 4: Doska plošného spoja vysielacia časť a ) strana súčiastok b ) strana spojov
Príloha č. 5: Doska plošného spoja prijímacia časť a ) strana súčiastok b ) strana spojov
Príloha č. 6: Fotodokumentácia vysielacia časť Obrázok 1: Celkový pohľad na vysielaciu časť Obrázok 2: Pohľad na vnútorné usporiadanie jednotlivých komponentov vysielača
Príloha č. 7: Fotodokumentácia prijímacia časť Obrázok 1: Celkový pohľad na prijímaciu časť Obrázok 2: Pohľad na vnútorné usporiadanie jednotlivých komponentov prijímača
Príloha č. 8: Fotodokumentácia celkový pohľad na sústavu vysielač prijímač Obrázok 6: Pohľad na celý merací systém