Uvod v brezžične komunikacije

23. maj 2012

Brezžično širjenje informacij

• Elektromagnetno valovanje (emv)

– električno in magnetno polje v prostoru in času

– naprave

– poti širjenja

– zanesljivost naprav in prenosa informacij

• Elektromagnetno sevanje (EMS)

– učinki na okolico naprav

– učinki na človeka

Naravni zakoni(upad zaznane moči z oddaljenostjo)

250 W

1 W

20 000 km

1300 km

izvor motenj

satelit GNSS

Razširjanje elektromagnetnega valovanja (emv)

• Generiranje emv

• Več poti razširjanja radijskih valov

• Oddajniki in sprejemniki

– osnovni shemi

– usmerjenost, polarizacija anten

– izsevana moč in domet

• Modulacija (informacija + nosilni signal)

• Oddajna moč, impedanca izvora in antene

– Odboj nazaj na spremembah impedance!

Elektromagnetna sevanja (EMS)

Sevanje: oddajanje valov ali delcev, ki se širijo v prostor

(sevanje radijske antene, sevanje radioaktivnega vira, sevanje svetlobe).

Sevanja karakterizira (nas zanima)

jakost sevanja (potencialna izpostavljenost sevanju) in

absorbirana moč sevanja (dejanski učinek sevanja – na tkiva)

Izpostavljenost različnim jakostim povzroča sile v celicah

Učinek: tkiva absorbirajo del izsevane moči EMS

Omejitve seval emv

• Omejitve s stališča uporabnika: specifična vsrkana moč Specific Absorption Ratio

SAR = (σ E2)/ρ– efektivna vrednost električne poljske jakosti E

– tkivo: specifična prevodnost σ in specifična gostota ρ(El. praktikum, Priloge)

• Človekovo telo

– metabolizem proizvaja do 150 W, pri težkem delu

do 1000 W,

– med opoldanskim sončenjem absorbira do 200 W, od RF sevanj 5,6 W

• Biološke učinke EMS ocenjujemo z

izvori sevanj snov absorbira moč

energija sevanja

naravni, vedno več umetnih

Učinki sevanj: segrevanje tkiv

Nadzor nad izvori

• Vdorna globina? Globina, do katere samo lahko zaradi kožnega pojava prodrejo VF EMS ali v prevodne površine (kovine) ali v izpostavljena tkiva, (nekaj mm, cm, odvisna od frekvence).

Nadzor nad izvori

• Ob blagem segrevanju telesa za njegovo izravnavo dokazano poskrbijo naravni mehanizmi v telesu (termoregulacija). Močno segrevanje pa lahko telo preobremeni in povzroči škodljive vplive na zdravje.

• Človek v svojem okolju ni izpostavljen samo enemu viru EMS, temveč vsem virom EMS v določenem okolju hkrati. Posledice akumulacije absorbiranih sevanj?

• Za določitev izpostavljenosti EMS je potrebno izmeriti in oceniti skupno sevalno obremenitev okolja (http://www.forum-ems.si/).

Modulacija

• Zakaj moduliramo?

• Pomembni pojmi:

– pasovna širina

– nosilni signal (sinus določene frekvence)

– informacijski signal (zvoki v telefoniji ali znaki v telegrafiji)

– modulirani nosilni signal

– nameni uporabe različnih vrst (katero modulacijo rabi

radio, katero GSM?)

Modulacija

• Splošno

c

Moduliramo nosilni signal.

Če so nespremenljive:

A .. amplituda

.. frekvenca

.. faza

zapišemo modulirani nosilni signal:

( ) cos( )

Ko spreminjamo samo amplitudo (ne frekvence ali faze):

( ) ( )

cu t A t

u t f t

ω

ω

Φ

= +Φ

= ⋅cos( )

Ko spreminjamo samo frekvenco (ne amplitude ali faze):

( ) cos(( ( ) ) )

Ko spreminjamo samo fazo (ne amplitude ali frekvence):

( ) cos( ( ))

c

c

c

t

u t A g t t

u t A t h t

ω

ω ω

ω

+Φ

= + ∆ +Φ

= + ⋅Φ

u(t)

Amplitudna modulacija

• Spreminjamo amplitudo nosilnega signala, funkcija f(t)

f(t) f(t) f(t)

Frekvenčna modulacija

• Spreminjamo frekvenco nosilnega signala,

funkcija g(t) pri znani frekvenčni deviaciji

∆ω

Če se amplituda informacijskega signala spreminja največ za vrednost ±∆U, se frekvenca moduliranega signala spreminja največ za vrednost ωc ± ∆ω (na primer: ∆ω = 6 kHz x 2π).

+∆Ug(t)

-∆U

Pasovna širina

• Podelitev frekvenčnega pasu dovoljuje uporabo spektra zgolj v določenem območju

�

�

Za posamezne modulacije rabimo…

• ceneni kakovostni digitalni * sprejemnik

*za velike hitrosti prenosa podatkov; primerjava AM in ΦM kaže, da na enaki pasovni širini, ΦM prenaša več podatkov kot AM

pri AM vplivamo napri AM vplivamo na pri FM vplivamo napri FM vplivamo na pri pri ΦΦΦΦΦΦΦΦ M vplivamo naM vplivamo na

Razmerje signal / šum (SNR)

• Ali bo naprava signal (signal merjene veličine, informacijski signal) lahko rekonstruirala ali ne?• Moč (oddanega) signala, občutljivost sprejemnika • Moč toplotnega šuma elektronskih naprav in okolice

– a) radradijski sistemijski sistem,

– b) radarradar (signal se na razdalji R od oddajnikove antene odbija od prevodne površine k sprejemniku)

• razmerje signal/šum med drugim odvisno od frekvence, oddaljenosti, slabljenja

kTo .. močnostna gostota frekvenčnega spektra šuma [W/Hz]B .. efektivna pasovna širina (-3dB) [Hz]Fn .. šumno število [ ]PT .. oddajna moč v konici [W]GT, GR .. dobitka anten oddajnika in sprejemnika [ ]λ .. valovna dolžina [m]L .. skupno slabljenje [ ]R .. oddaljenost antene od odbojne površine [m]σ .. velikost odbojne površine [m2]

2

2

0

4 4T T Rsignal

šum n

P G GP R LR

P kT BF

λ σπ π

=

2

0

4T T Rsignal

šum n

P G GP R

P kT BF

λπ

=

Friis, 1946

radar

ska

enač

ba

Slabljenje vzdolž poti razširjanja

• Ko se signal v obliki elektromagnetnega vala razširja v prostor ali ko se sprememba napetosti razširja po kablu z oddaljevanjem od izvora, se njegova moč zaradi same razdalje zmanjšuje.

• Ker pa je sredstvo, skozi katerega se signal razširja, realno, nastajajo izgube, ki jih povzema izraz slabljenje

• Če je sredstvo linearno, je slabljenje sorazmerno razdalji do izvora oz. dolžini kabla do oddajnika

Pna koncu .. moč signala na koncu obravnavane poti [W]Pna začetku .. moč signala ob izvoru [W]

L .. slabljenje [dB]

10log na koncu

na začetku

PL

P

=

Sklepi

• Zapomnimo si – spekter elektromagnetnih valovanj (emv)– moč izvorov em sevanj je omejena s SAR– razlogi za modulacijo – razmerje signal/šum– slabljenje

Jutri Andrej Štern!9:00 v 203 Telematika. 11:00 v P2 Sodobne brezžične komunikacije.