TEMAT 5

Systemy bezprzewodowe.

Podstawy budowy systemów łączności radiowej oraz satelitarnej.

1. Łączność radiowa

Rys.1. Podział widma elektromagnetycznego

Rys.2. Fala elektromagnetyczna poprzeczna

Rys.3. Dipol

Rys.4. Charakterystyki kierunkowe promieniowania dipola

Rys.5. Antena „Yagi” (zakres VHF i UHF)

Rys.6. Antena paraboliczna (zakres mikrofalowy)

Telekomunikacja satelitarna

W geostacjonarnym systemie telekomunikacji satelitarnej sygnał informacyjny przesyłany jest przez łącze nadawcze ze stacji na Ziemi w kierunku satelity, będąc wzmocnionym przez transponder (czyli układy elektroniczne) na pokładzie satelity, by następnie zostać retransmitowanym z satelity przez łącze powrotne w kierunku innej stacji naziemnej.

Najczęściej wykorzystywanym pasmem częstotliwości w telekomunikacji satelitarnej jest pasmo 6 GHz (pasmo C) dla łącza nadawczego i pasmo 4 GHz dla łącza powrotnego. Zastosowanie takiego pasma częstotliwości ma następujące zalety:

• Stosunkowo tanie wyposażenie mikrofalowe;

• Niewielkie tłumienie spowodowane opadami atmosferycznymi, które stanowią główną przyczynę degradacji sygnału;

• Mało znaczący szum z nieba; szum tła niebieskiego (pochodzący z przypadkowych źródeł emisji galaktycznej, słonecznej i ziemskiej) osiąga swój najmniejszy poziom pomiędzy 1 a 10 GHz.

Rys.7. System telekomunikacji satelitarnej

Interferencja radiowa - ogranicza zastosowania satelitów telekomunikacyjnych działających w paśmie 6/4 GHz, ponieważ częstotliwości transmisji z tego pasma pokrywają się z ziemskimi systemami mikrofalowymi. Zjawisko to wyeliminowano w „drugiej generacji" satelitów telekomunikacyjnych, posługujących się większymi mocami i falami z pasma 14/12 GHz (tzn. z pasma Q).

Rys.8. Schemat blokowy transpondera

Transponder - dla typowego satelity telekomunikacyjnego z pojedynczą translacją częstotliwości.

Antena odbiorcza - przyjmuje sygnały z ziemi.

Filtr pasmowoprzepustuwy - separuje sygnał odbierany od innych kanałów radio­wych.

Wzmacniacz niskoszumowy -wzmacnia sygnał b,w,cz,.

Przetwornik częstotliwości odbiorczej zapewniaja konwersje częstotliwości RF od­bieranych przez satelitę na pożądane częstotliwości łącza powrotnego w stronę stacjinaziemnych.

Wzmacniacz z lampą o fali bieżącej - daje duże wzmocnienie w szerokim zakresie częstotliwości. W lampie o fali bieżącej sygnał elektromagnetyczny propaguje wzdłużspirali (a więc cewki lub przewodnika w kształcie sprężyny), podczas gdy elektrony z wiązki przyspieszanej wysokim napięciem poruszają się równolegle do spirali z prę­dkością bliską prędkości fali sygnału; w wyniku tego następuje przekaz mocy od elektronów do fali, a moc przekazana narasta gwałtownie wraz z propagacją sygnału wzdłuż spirali.

Opóźnienie propagacji - duży problem w związku ze znaczną odległością propagacji w kanałach satelitarnych. W szczególności, sygnały mowy wysłane przez satelitę narażone są na opóźnienia transmisji równe około 270 ms. Tak więc jeśli chodzi o sygnał mowy, to jakiekolwiek niedopasowanie impedancji w zestawie odbiorczym łącza satelitarnego powoduje, że występuje echo głosu spikera, które słyszalne jest ponownie w nadawczej części stacji po całkowitym czasie opóźnienia wynoszącym około 540 ms.

Kompensator echa - zapobiega zjawisku opóźnienia w łączu. Urządzenie odejmujące sztucznie wytworzony estymator echa od sygnału powrotnego; sama zaś estymacja przebiega w specjalnym filtrze, który automatycznie dostraja się do zmiennych charakterystyk kanału.

Radiokomunikacja ruchoma

Radiokomunikacja ruchoma - obszar telekomunikacji bezprzewodowej w pomieszczeniach zamkniętych lub w przestrzeni otwartej, gdzie nadajnik lub odbiornik może być w ruchu, nawet jeśli chwilowo pozostaje w spoczynku.

Złożona i zmienna natura ruchomego kanału radiowego zmusza do wykorzystania analizy statystycznej do ilościowego określenia dwu podstawowych czynników:

• Średnia moc sygnału - minimalna moc emisji z nadajnika, niezbędnej dla akceptowalnej jakości transmisji w wyznaczonym obszarze;

• Zmienność sygnału - charakterystyka zaników w kanale.

Idea łączności komórkowej opiera się na:

1. Dublowaniu częstotliwości. Ta sama częstotliwość nośna kanału przydzielona jest na terenach odległych od siebie na tyle, by interferencja nie stanowiła zagrożenia. W ten sposób zamiast pokrywać znaczne obszary lokalne za pomocą pojedynczego nadajnika dużej mocy, umieszczonego na dużej wysokości, technika dublowania częstotliwości pozwala na osiągnięcie dwu oczywistych korzyści: utrzymywanie nadawanej mocy każdej stacji bazowej na minimalnym poziomie oraz możliwość umieszczania anten stacji bazowych na minimalnych wysokościach jakie są wymagane dla pokrycia obszarów poszczególnych komórek.

2. Podziale komórek. Gdy zapotrzebowanie na połączenia przewyższa liczbę kanałów przyznanych danej komórce, stosuje się podział komórek celem umożliwienia większej liczby połączeń w ramach tej komórki. Podział komórki polega na takiej rewizji granic pojedynczej komórki, aby dany obszar lokalny, rozpatrywany dotychczas jako pojedyn­cza komórka, obejmował teraz pewną liczbę mniejszych komórek, przy wykorzystaniu dodatkowych kanałów przydzielonych tym nowym komórkom. Umożliwia to redukcję mocy i elewacji anten nowych stacji bazowych, przy wykorzystaniu dotyc czasowych częstotliwości zgodnie z nowym planem.

Zjawiska związane z propagacją

Podstawowy problem w pracy radia komórkowego w terenie zabudowanym polega na usytuowaniu anten ruchomych abonentów (indywidualnych lub samochodowych) znacznie poniżej poziomu okolicznych zabudowań. Tak więc nie istnieje „bezpośrednia widoczność" anteny ze stacji bazowej lecz fale rozproszone od okolicznych elewacji i dyfrakcja ponad budynkami i wokół budynków.

Zjawisko wielodrożności - energia dociera do anteny odbiorczej wieloma drogami, a sygnał odbierany dochodzi do miejsca przeznaczenia z różnych kierunków cechujących się różnymi opóź­nieniami czasowymi.

Rys.9. Propagacja fal radiowych w terenie zabudowanym

„Staty­czne" środowisko wielodrożne” Nieruchomy odbiornik odbiera wielodrożny sygnał wąskopasmowy w postaci niezmodulowanej fali nośnej. Sygnał odbierany składa się z dwu stłumionych wersji sygnału transmitowanego, docierających kolejno do odbiornika. Z powodu różnych czasów opóźnienia powstaje względna różnica faz między tymi dwiema składowymi odbieranego sygnału. Są dwa skrajne przypadki:

• Względne przesunięcie fazy jest równe zeru i fala pierwotna sumuje się z odbitą, jak na rys.10a).

• Względne przesunięcie fazy jest równe 180 stopni i fala pierwotna zostaje prawie całkowicie wytłumiona przez falę odbitą, zgodnie z rys.10b).

Rys.10. Zjawisko interferencji

Zjawiska związane z odbiorem wielodrożnym czyli wzmocnieniem lub tłumieniem fali wypadkowej, pokazano na rysunkach 3a) i 3b), gdzie sygnały przedstawiono za pomocą wskazów. W statycznym środowisku wielodrożnym amplituda sygnału odbieranego nie zależy od czasu.

Rys.11. Zjawisko wielodrożności

„Dynamiczne" środowisko wielodrożne”. Odbiornik znajduje się w ruchu, a transmitowany sygnał wąskopasmowy dociera do odbiornika pokonując inną drogę propagacji. Przesunięcia fazy między składowymi pierwotnymi i odbitymi każdego z sygnałów są funkcją położenia odbiornika. W miarę pokonywania przez ruchomy odbiornik pewnego dystansu, amplituda (obwiednia) sygnału odbieranego zmienia się wraz z odległością.

Rys.12. Zmiana amplitudy sygnału wraz z odległością

Zaniki sygnału - zjawisko pokazujące, że dla pewnych lokalizacji odbiornika wskazy sumują się, a dla innych zachodzi prawie całkowite wy­tłumienie interferujących składowych sygnału.

Radiotelefon

Urządzenie zapewniające łączność radiową na bliskie i średnie odległości. W radiotelefonach wykorzystywane są różne sposoby modulacji sygnału m.in. modulacja FM (Freąuency Modulation - modulacja częstotliwości) do łączności radiowej z użyciem mowy. Zaletą transmisji FM wąskopasmowej jest umiarkowana od­porność na zakłócenia, przy stosunkowo wąskim paśmie czę­stotliwości przenoszenia i prostocie układowej.

W radiokomunikacji stosowane są cztery wersje pracy sieci:

• simpleksowy,

• duosimpleksowy,

• dupleksowy,

• semidupleksowy.

Na rys.1. pokazano zasadę pracy radiotelefonu w systemie sieci „simpleks".

Rys.1. Schemat sieci „simpleks” (N - nadajnik, O - odbiornik)

System simpleks - nadawanie i odbiór współpracujących stacji odbywa się na przemian na jednej, określonej częstotliwości, z tym że w czasie gdy jedna ze stacji nadaje, pozostałe stacje odbierają nadawaną korespondencję i nie mają możliwości nadawania. Wymagane jest więc prze­strzeganie kolejności w nadawaniu i odbiorze. Nadawanie informacji jest tylko wtedy celowe, gdy w tym samym czasie współpracujący radiotelefon jest włączony na jej odbiór. System simpleks gospodaruje w sposób ekonomiczny zapasem częstotliwości oraz umożliwia korzy­stanie z prostych urządzeń antenowych.

Pozostałe rodzaje pracy radiotelefonów:

• duosimpleks - dwie częstotliwości pracy (po jednej dla każdego kierunku łączności) z tym że zarówno stacja ruchoma, jak i stała pracują tylko albo na odbiór, albo na nadawanie;

• dupleks - nadawanie i odbiór mogą odbywać się jed­nocześnie w obu kierunkach (wykorzystywane są dwie częstotli­wości oddzielone od siebie o kilka MHz);

• semidupleks - jeden koniec łącza pracuje dupleksowo (stacje stałe), drugi - simpleksowo (stacje ruchome, przy wyko­rzystaniu dwóch częstotliwości po jednej dla każdego kie­runku rozmowy).

Radiotelefon z modulacją FM w systemie simpleks

Urządzenie sterujące - „dyspozytor" całego ze­społu radiotelefonu. Składa się z pewnej liczby przełącz­ników, przekaźników, mikrofonu oraz głośnika (lub słuchawki). Pozwala na:

• ustalenie rodzaju pracy;

• wybranie odpowiedniego kanału ;

• dokonanie innych regulacji przewidzianych dla danego typu radiotelefonu.

W radiotelefonach przenośnych urządzenie sterujące wbu­dowane jest w zespół nadawczo-odbiorczy. Elementy regula­cyjne i sygnalizacyjne umieszczone są na obudowie radiotele­fonu tak, by można było trzymać i obsługiwać radiotelefon jedną ręką.

Nadajnik

Nadajnik ma za zadanie

• wytwarza drgania elektrycz­ne o częstotliwości nośnej odpowiedniego kanału radiowego;

• dokonuje modulacji częstotliwości tych drgań, zgodnie z treścią przekazywanej informacji doprowadzanej z mikrofonu w postaci drgań o małej częstotliwości;

• wzmacnia zmodulowany sygnał do takiego poziomu mocy, aby po doprowadzeniu do anteny nadawczej i wypromieniowaniu w przestrzeń dotarły do stacji odbiorczej.

Rys. 2. Schemat blokowy nadajnika pracującego z

modulacją częstotli­wościową FM

Wzmacniacz mikrofonowy - wzmacnia drgania elektryczne wytworzone w mikrofonie, odpowia­dające treści nadawanej korespondencji,

Ogranicznik dewiacji - korektor charakterystyki częstotliwościowej w postaci filtru (typu RC) do formowania (stłumieniu sygnału o czę­stotliwości poniżej 300Hz oraz powyżej 3000Hz) drgań.

Modulator - moduluje sygnał wielkiej częstotli­wości ze stabilizowanego kwarcem generatora sygnałem informacyjnym.

Powielacze częstotliwości - zwielokrotnienie częstotliwości podstawowej otrzymanej z generatora oraz powielanie wartości dewiacji.

Wzmacniacz mocy - sprzężony z odpowiednio dopasowanym układem antenowym, pozwalającym na wypromieniowanie energii w przestrzeń.

Odbiornik

Odbiornik ma za zadanie;

• selekcja sygnałów odebranych przez antenę;

• wzmocnienie sygnałów do odpowiedniego poziomu;

• demodulacja, czyli wyodrębnienie sygnału odpowiadającego przesła­nej informacji.

Czułość i selektywność - uzyskuje się przez zastosowanie kilku stopni wzmocnienia w.cz. oraz kilku stopni przemiany i stopni wzmocnienia częstotliwości pośrednich.

Podwójna przemiana częstotliwości - pozwala uzyskać do­stateczne osłabienie sygnałów lustrzanych oraz zmniejsza wza­jemne oddziaływanie obwodów w.cz. i heterodyny (generatora przemiany częstotliwości).

Pierwszy stopień przemiany i wzmacniacz pierwszej częstotliwości pośredniej - odpowiednio duża wartość częstotliwości (kilka MHz) zapewnia pożądane osłabie­nie sygnałów lustrzanych. Dzięki dużej różnicy częstotliwości sygnału odbieranego i heterodyny maleje wpływ obwodów w.cz. na heterodynę.

Drugi stopień przemiany oraz wzmacniacz drugiej częstotliwości pośredniej - dużo niższa wartość częstotliwości pośredniej. Jest stosowany gdy selektywność wzmacniacza pierwszej częstotliwości pośredniej jest niedostateczna. Dzięki temu można uzyskać żądaną selektywność przy stosunkowo niewielkiej liczbie obwodów rezonansowych.

Rys.3. Schemat blokowy odbiornika pracującego z modulacją FM

Antena - odbiera zmodulowany sygnał wielkiej częstotliwości.

Wzmacniacz w.cz. - wzmacnia sygnał z anteny i dopro­wadza do pierwszego mieszacza.

Mieszacz pierwszy - miesza sygnał wejściowy z sygnałem ze stopnia powielającego często­tliwość generatora pierwszej przemiany (I heterodyny), stabili­zowanego kwarcem wydzielając pierwszą częstotliwość. W zależności od wartości wielkiej częstotliwości pierwsza częstotliwość pośrednia wynosi od 3 do 12 MHz.

Wzmacniacz pierwszej częstotliwości pośredniej - wzmacnia sygnał p.cz. i doprowadza do drugiego mieszacza,

Mieszacz drugi - miesza sygnał pierwszej p.cz z sygnałem generatora drugiej przemiany (II heterodyny) również stabilizowanego kwarcem. Na wyjściu drugiego mieszacza otrzymuje się drugą częstotliwość pośred­nią, której wartość zawiera się w granicach od 0,3 do 0,6 MHz.

Wzmacniacz drugiej częstotliwości pośredniej - wzmacnia sygnał p.cz. i doprowadza do ogranicz­nika amplitudy. Obwody tego wzmacniacza mają decy­dujący wpływ na selektywność odbiornika oraz na szerokość kanału.

Ogranicz­nik amplitudy - eliminuje sygna­ły zakłócające o dużych amplitudach.

Detektor częstotliwości - zamienia sygnał wejściowy o modulowanej częstotliwości na sygnał o modulowanej amplitudzie, a następnie go demoduluje.

Wzmacniacza napięciowy i mocy m.cz. - wzmacniają zdemodulowany sygnał m.cz. i doprowadzają do głośnika lub słuchawki.

Układ bloka­dy szumów - eliminuje szumy które powstają przy braku częstotliwości nośnej (np. podczas przerw w nadawaniu), szczególnie uciążliwe w odbiornikach FM ze względu na ich dużą czułość. Układ podbiera napięcie szumów z ogranicznika i kieruje go do wzmacniacza prądu stałego na wyjściu którego powstaje napię­cie powodując zablokowanie wyjścia odbiornika w czasie braku sygnału użytecznego.

Układ antenowy

Układ obejmuje:

• antenę lub zestaw anten;

• li­nię prowadzącą drgania w.cz.;

• układ rozwidlający lub przełączający - (w przypadku stosowania wspólnej anteny dla nadajnika i odbiornika) pozwalający na podłączenie anteny do wejścia odbiornika lub wyjścia nadajnika, zależnie od rodzaju pracy (nadawa­nie/odbiór).

Antena - długość ściśle dopasowana do długości fali roboczej oraz do obwodu wyjścio­wego nadajnika i wejściowego odbiornika w celu uzyskania optymalnych warunków pracy przy odbiorze i nadawaniu.

W przypadku nadajnika - dopasowanie energetyczne na największą moc użyteczną w celu wypromieniowania maksymalnej energii.

W przypadku odbiornika - uzyskanie możliwie dużego stosunku napięcia sygnału do napięcia szumów własnych odbiornika.

2. Podstawy radiowych sieci komputerowych

Sieć peer-to-peer - niezależna sieć stworzona, gdy co najmniej dwa komputery wyposażone w karty radiowe znajdą się w swoim zasięgu. Sieć nie wymaga administracji czy prekonfiguracji. W takim przypadku każdy użytkownik może mieć dostęp do zasobów drugiego użytkownika.

Rys.4. Bezprzewodowa sieć peer-to-peer

Sieć z punktem dostępowym - zwiększony zasięg sieci (podwójny zasięg w jakim urządzenia mogą się komunikować).

Rys.5. Bezprzewodowa sieć z punktem dostępowym

Sieć z jednym punktem dostępowym podłączony do sieci kablowej - każdy użytkownik ma bezprzewodowy dostęp zarówno do serwera jak i do innych użytkowników. Każdy punkt dostępowy może obsłużyć wielu użytkowników; dokładna liczba zależy od ilości i rodzaju transmitowanych danych (typowo od 15 do 50 użytkowników).

Rys.6. Bezprzewodowa sieć z punktem dostępowym włączonym do szkieletu sieci

Sieć z wieloma punktem dostępowymi podłączonymi do sieci kablowej - ze względu na ograniczony zasięg punktów dostępowych (300 metrów w pomieszczeniach i 30000 metrów na otwartej przestrzeni) w rozległych infrastrukturach, (magazyny, hurtownie, osiedla mieszkaniowe) instaluje się więcej niż jeden punktu dostępowy. Celem jest pokrycie obszaru z zachowaniem nakładania się zasięgu poszczególnych komórek tak by użytkownik mógł poruszać się po danym obszarze bez utraty dostępu do sieci.

Roaming - możliwość poruszania się w zasięgu zespołu punktów dostępowych. Punkty dostępowe, jeden po drugim, przekazują sobie użytkownika w sposób niezauważalny dla niego, zapewniając stałą łączność.

Rys.7. Kilka punktów dostępowych i roaming

Sieć z punktem dostępowym podłączonymi do łącza radiowego. Niezbędnym warunkiem dla zestawienia takiego połączenia jest widzialność optyczna kierunkowych anten nadawczo-odbiorczych.

Rys.8. Połączenie dwóch lokalizacji

Sieć z punktem dostępowym podłączonym do Internetu - łącza Internetowe doprowadzone do użytkowników indywidualnych np. na osiedlu domków jednorodzinnych. Na punkcie dostępowym stosujemy antenę (lub anteny) dookólne a abonenci korzystają z anten kierunkowych. Niezbędnym warunkiem dla zestawienia takich połączenia jest widzialność optyczna kierunkowych anten nadawczo-odbiorczych abonentów i anteny na punkcie dostępowym.

Rys.9. Bezprzewodowe udostępnianie internetu

---