Wrocław, 12.10.1999 Marcin Zarzycki

Wprowadzenie do systemów telekomunikacyjnych

Seminarium.

Temat: Podstawowe czynniki pogarszające jakość transmisji

i przetwarzania sygnałów telekomunikacyjnych (szumy, dyspersja

prędkości propagacji, przeniki, przesłuchy, wielodrogowość

propagacji, zniekształcenia międzysymbolowe, utrata

synchronizacji, ...).

1. Rodzaje zakłóceń.

1. Zakłócenia addytywne.

1. szumy powodowane przez człowieka,

2. zakłócenia naturalne o charakterze makroskopowym,

3. szumy fluktuacyjne( generowane wewnątrz układów ).

1. Zakłócenia multiplikatywne.

1. przeniki,

1. Wielodrogowość.

2. Tłumienie światłowodu.

1. Rozpraszanie Rayleighta.

2. Dyspersja chromatyczna.

1. dyspersja falowodowa

2. dyspersja materiałowa.

Wstęp.

Jednym z najważniejszych problemów telekomunikacji jest jakość transmisji sygnałów. We wszystkich ogniwach systemu telekomunikacyjnego występują sygnały niepożądane. Sygnały te to zakłócenia nazywane także szumami. Poniżej chciałem pokrótce omówić podstawowe rodzaje zakłóceń występujących w przesyłaniu sygnału.

Ad 1.1

1. Szumy powodowane przez człowieka możemy podzielić na dwie zasadnicze grupy: zakłócenia typu interferencyjnego oraz zakłócenia przemysłowe.

Szumy interferencyjne to szumy wywoływane przez inne systemy telekomunikacyjne oraz heterodyny odbiorników radiowych. Charakterystyczną cechą tych zakłóceń jest ściśle określone widmo.

Szumy przemysłowe związane są z pracą urządzeń elektrycznych(silniki, aparaty zapłonowe samochodów, spawarki) . Zakłócenia tego rodzaju nazywa się sumarycznymi lub wypadkowymi zakłóceniami radioelektrycznymi. Poziom zakłóceń przemysłowych jest proporcjonalny do gęstości zaludnienia i stopnia industrializacji (rys.1). Cechą charakterystyczną tych zakłóceń jest malenie ich poziomu wraz ze wzrostem częstotliwości (około 28 dB/dek). Źródła zakłóceń przemysłowych możemy podzielić na dwie zasadnicze grupy: systemy energetyczne( poniżej 10 MHz) oraz aparaty zapłonowe pojazdów samochodowych( 20 MHz - 1 GHz).

Rys.1 Uśredniony poziom zakłóceń przemysłowych.

2. W tej grupie szumów również należy wyróżnić dwie podstawowe grupy: szumy atmosferyczne oraz szumy kosmiczne.

Zakłócenia atmosferyczne to wyładowania elektryczne w czasie burz pomiędzy chmurą a Ziemią oraz pomiędzy chmurami. Podczas tych wyładowań emitowane są fale radiowe w bardzo szerokim zakresie częstotliwości. Zakłócenia atmosferyczne możemy podzielić na dwie grupy: zakłócenia lokalne oraz zakłócenia dalekie.

Pierwsze z nich objawiają się w postaci silnych trzasków w odbiorniku radiowym i pojawiają się stosunkowo rzadko( tylko w przypadku, gdy wyładowania elektryczne odbywają się w bezpośrednim sąsiedztwie odbiornika).

Zakłócenia dalekie występują stale a jedynie ich natężenie zmienia się w zależności od pory roku, pory doby oraz położenia geograficznego. Źródłem tych zakłóceń są wyładowania atmosferyczne odbywające się nieustannie w różnych miejscach globu. W wyniku wieloletnich badań stworzono mapę poziomu zakłóceń w dowolnym miejscu na świecie, w dowolnej porze roku i doby (rys.2). Dla zakłóceń tych charakterystyczne jest również to, że poziom ich obniża się gwałtownie przy częstotliwościach powyżej 40 MHz, ponieważ wytworzone powyżej tych częstotliwości fale radiowe nie rozchodzą się już jako fale jonosferyczne.

Rys.2 Spodziewane wartości zakłóceń atmosferycznych odniesione do częstotliwości 1 MHz. Pora roku: zima, godzina czasu miejscowego: 20.00 - 24.00

Zakłócenia kosmiczne to zakłócenia pochodzące od źródeł znajdujących się poza Ziemią. Intensywność promieniowania galaktyki zależy od współrzędnych oraz długości fali. Najsilniejsze promieniowanie dochodzi ze środka galaktyki (gwiazdozbiór Strzelca), a najsłabsze z jej biegunów. Intensywność promieniowania kosmicznego wyraża się za pomocą zastępczej temperatury szumowej, przez którą rozumiemy temperaturę ciała doskonale czarnego o gęstości promieniowania takiej jak gęstość promieniowania źródła zakłóceń(rys.3).

3. Szumy fluktuacyjne, które powstają wewnątrz układów fizycznych objawiają się w postaci chaotycznych zmian potencjałów, prądów lub ładunków w obwodach elektrycznych, uwarunkowanych dyskretną naturą ładunków elektrycznych i ruchem cieplnych nośników ładunków elektrycznych. Dwa skrajne przypadki szumów fluktuacyjnych stanowią fluktuacje:

• prądów i napięć w przewodnikach metalicznych przy termodynamicznej równowadze z promieniowaniem - szum cieplny,

• prądu w diodzie próżniowej - szum śrutowy.

Rys.3 Zależność zastępczej temperatury szumów kosmicznych od częstotliwości.

Ad. 1.2

1. Z przenikami mamy do czynienia w sytuacji, gdy przykładowo nadajnik i odbiornik nie są ze sobą dokładnie zsynchronizowane. Załóżmy, że sygnał z nadajnika jest przesyłany wielokanałowo, wówczas przy niedokładnej synchronizacji próbka sygnału pierwszego może być pomylona z próbką sygnału drugiego, z czego wynika, że sygnał pierwszy zostanie zakłócony przez sygnał drugi.

Ad. 1.3

Z wielodrogowością mamy do czynienia w przypadku, gdy sygnał radiowy pokonuje trasę o różnych parametrach gruntu, stanu troposfery, ukształtowania terenu. Przy wielodrogowości toru radiowego mamy do czynienia z interferencją sygnału, co w rezultacie może prowadzić do jego zaniku.

Ad. 2.1

Większość światłowodów wykonana jest ze szkła kwarcowego SiO₂. Struktura szkła nie jest idealnie doskonała, co prowadzi do fluktuacji gęstości materiału. Te fluktuacje mają wymiary charakterystycznie małe w porównaniu do używanych długości fal więc światło ulega na nich tzw. Rozpraszaniu Rayleighta (rys.4). Polega ono na tym, że na nieregularnościach struktury foton zostaje pochłonięty i natychmiast wypromieniowany w przypadkowym kierunku i bez straty energii. Należy także dodać, że domieszkowanie np. dla uzyskania wyższego współczynnika załamania rdzenia, zwiększa rozpraszanie Rayleigchta.

Rys.4 Zmiany tłumienia wywołanego rozpraszaniem Rayleighta na dł. Fali 1 μm. przy zmianach domieszkowania.

Oprócz rozpraszania Raylighta w światłowodzie istnieje silna absorpcja zarówno w zakresie podczerwieni jak i w nadfiolecie związana z właściwościami samego SiO₂. Dochodzą do tego także zjawiska związane z absorpcją spowodowaną przez zanieczyszczenia materiału, a to wszystko powoduje, że wypadkowa tłumienność większości światłowodów w zależności od długości fali przedstawia się jak na poniższym wykresie (rys.5):

rys.5 Przykładowa zależność tłumienia światłowodu od długości fali.

Ad. 2.2

Kolejnym ważnym zjawiskiem określającym propagacje fal w światłowodzie jest dyspersja, czyli zależność parametrów ośrodka od częstotliwości. Powoduje ona rozmycie czasowe krótkich impulsów, a w konsekwencji ogranicza maksymalną szybkość transmisji.

1. Dyspersję falowodową możemy zdefiniować jako zależność od częstotliwości efektywnego współczynnika załamania oddziałującego z danym modem, spowodowaną zmianami podziału mocy tego modu między rdzeń i płaszcz. W praktyce chodzi o to, że nie całe światło skupione jest w rdzeniu światłowodu (około 20 % światła wędruje przez płaszcz).

2. Dyspersję materiałową możemy zdefiniować jako zależność od częstotliwości grupowych współczynników załamania materiałów z jakich wykonano światłowód.

1

5

---