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 0

00 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 = ( E2)/

– efektivna vrednost električne poljske jakosti E – tkivo: specifična prevodnost in specifična

gostota (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 absorpcijo v telesu, ki je določena s stopnjo specifične absorpcije (SAR). Koliko moči absorbira biološka snov (W/kg). SAR se povpreči na 6 minut.

• Za frekvence med 400 in 2000 MHz - meji SAR za okolja:

0,4W/kg delovno 0,08W/kg bivalno

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

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

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 Δω

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

+ΔUg(t)

-ΔU

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 M kaže, da na enaki pasovni širini, M prenaša več podatkov kot AM

pri AM vplivamo napri AM vplivamo na pri FM vplivamo napri FM vplivamo na pri pri 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) radijski sistemradijski 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 LRP kT BF

2

0

4T T Rsignal

šum n

P G GP RP kT BF

Fri

is,

19

46

rad

ars

ka

en

ačb

a

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.