9 Radiokommunikasjon

1. 9 Radiokommunikasjon Radiobølgjer • Radiobølgjer er elektromagnetiske svingingar og utbreiing av elektromagnetisk energi. • Radiobølgjer breier seg like godt i vakuum som i luft. • Etter som radiobølgjene breier seg utover i rommet, minkar dei i styrke, og effekten blir svakare. • Når vi skal sende og ta mot radiobølgjer, må vi nytte antenner.

2. Radiokommunikasjon Figur 9.1 Radiokommunikasjon .

3. Radiobølgjer Korleis radiobølgjer blir til • Rundt ein elektrisk straumførande leiar utviklar det seg eit elektromagnetisk felt. • I tillegg blir det skapt eit elektrostatisk felt. • Styrken på det elektromagnetiske feltet står i forhold til straumstyrken i leiaren. • Når feltet endrar seg som følgje av straumendring i leiaren, blir det skapt ei elektromagnetisk bølgje. • Rundt leiarar som fører vekselstraum, endrar feltet seg kontinuerleg, og det blir generert ei elektromagnetisk bølgje. • Ei elektromagnetisk bølgje breier seg fordi det vekselvis blir generert eit elektrisk og eit magnetisk felt. • Dei to felta ligg 90 i forhold til kvarandre.

4. 90 Elektrisk bølgje Magnetisk bølgje Figur 9.2 Utbreiing av ei elektromagnetisk bølgje i fritt rom. Radiobølgje

5. V H F V L F L F M F H F U H F S H F E H F Synleg lys Ultra- fiolett lys X-strålar Gamma- strålar Sonar Infraraudt lys Kosmiske strålar Radiobølgjer 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 Frekvens (Hz) Bølgjelengd (meter) 1 10-2 106 103 10-3 10-6 10-9 Figur 9.3 Det elektromagnetiske frekvensspekteret. Frekvensfordeling og bølgjelengd • Radiobølgjer er elektromagnetiske bølgjer og er ein del av det elektromagnetiske frekvensspekteret. • Elektromagnetiske svingingar frå 104 Hz til noko over 1010 Hz (10 GHz) blir rekna som radiobølgjer.

6. Inndeling etter frekvens Etter internasjonale avtalar blir radiobølgjer grupperte etter frekvens: 3-30 kHz VLF "Very Low Frequency" 30-300kHz LF "Low Frequency" 300-3000 kHz MF "Medium Frequency" 3-30 MHz HF "High Frequency" 30-300 MHz VHF "Very High Frequency" 300-3000 MHz UHF "Ultra High Frequency" 3-30 GHz SHF "Super High Frequency" 30-300 GHz EHF "Extremely High Frequency"

7. c  =  λ Figur 9.4 Elektromagnetisk bølgje med bølgjelengd lik . Bølgjelengd og frekvens Forholdet mellom bølgjelengd og frekvens er gitt av c = lysfart, 300 x 10 6 m/s (nøyaktig 299 792 458 m/s i vakuum)

8. Bølgjelengdområde Tabell 9.1 Bølgjelengdområde og tilhøyrande frekvensar. Internasjonalt har ITU ansvar for å tildele frekvensområde. I Noreg skjer det ved Post- og teletilsynet (PT). All radiokommunikasjon er elles underlagd EKOM-lova. Klikk på denne linken: EKOM-loven http://www.lovdata.no/

9. Medium b 2 1 1 Medium a Bryting, avbøying og refleksjon Radiobølgjer er elektromagnetiske svingingar av same natur som dei elektromagnetiske bølgjene i lys. Mange av dei same vurderingane som vi gjer for lys, kan difor brukast for radiobølgjer. Dess høgare frekvens, dess rettare er denne samanlikninga. Det kan det vere viktig å vere klar over når vi skal plassere antenner på sendar- og mottakarsida. Kor mykje av bølgja som blir reflektert eller passerer igjennom desse laga, er avhengig av frekvensen og innfallsvinkelen på radiobølgja. Ettersom det normalt er flytande overgangar mellom dei atmosfæriske laga, blir radiobølgjene avbøygde i staden for å bli direkte brotne, samtidig som nokre strålar passerer, medan andre blir reflekterte. • Figur 9.5 Bryting og refleksjon av radiobølgjer.

10. Sendar Mottakar Figur 9.6 Direkte stråling. Utbreiing av radiobølgjer • At radiobølgjer blir brotne, avbøygde og reflekterte gjer at det nødvendigvis ikkje alltid treng vere fri sikt mellom ein sendar og ein mottakar. • Vi kan ha direkte stråling og reflektert stråling. • Lågfrekvente radiobølgjer har evne til å forplante seg langs jordoverflata og kunne følgje variasjonar i landskapet. Det blir kalla jordbølgjer, men dei har relativt kort rekkjevidd. • Refleksjonar i atmosfæren og ionosfæren kan utnyttast for radiobølgjer i MF- og HF-området.

11. Jordoverflata Ionosfæren Mottakar Sendar • Figur 9.7 Utbreiing av radiobølgjer som følgje av ionosfæriske refleksjonar og avbøyingar. Ionosfæriske refleksjonar Ionosfæren ligg i ein avstand frå 80 til 640 kilometer over jordoverflata. Han er inndelt i fleire lag. På grunn av solstråling og kosmisk stråling blir lufta ionisert. I dei ioniserte laga blir radiobølgjene avbøygde og reflekterte. Når bølgjene igjen treffer jord- eller havoverflata, kan dei på nytt bli reflekterte mot ionosfæren (fleirhoppsforplanting). Bølgjer over 30-40 Mhz blir praktisk talt ikkje ionosfærisk reflekterte og går vidare gjennom ionosfæren og ut i verdsrommet.

12. Overflatebunden refleksjon • Radiobølgjer med lågare frekvens kan bli reflekterte i temperatur- og fuktsjikt i den nedre delen av atmosfæren og vidare i jordoverflata. Det blir kalla overflatebunden refleksjon. • Lågfrekvente radiobølgjer har til ein viss grad evne til å dreie rundt hindringar i landskapet og kan difor fangast opp bak ein åsrygg eller bygning. • Dess høgare frekvensen er, dess dårlegare blir denne eigenskapen.

13. Bølgjefront 2 Bølgjefront 1 r2 r1 Kjelde Figur 9.8 Radiobølgjene lagar bølgjefrontar. Demping og absorpsjon • Ei bølgje som breier seg i fritt rom, lagar ein bølgjefront på same måten som ei bølgje i vatn. • På same måten som bølgjene i vatnet minkar radiobølgjene i styrke. • Ei kjelde som strålar ut like mykje energi i alle retningar i rommet, blir kalla ei isotropisk kjelde.

14. P0 p = [dBW/m2] 4 r 2 Effekttettleik/feltintensitet Effekttettleik (Power Flux Density, forkorta PWD): P0= utgangseffekt, r= avstand frå kjelde I staden for effekttettleik er det også vanleg å operere med feltintensitet, som er eit mål for intensiteten til det elektriske feltet. I praksis er effekttettleik og feltintensitet det same.

15. 2 p1 ( r2 ) r2 P0/4 r12 • = 20 log G = 10 log = 10 log = 10 log p2 r1 P0/4 r22 r1 2 r1 G = 20 log = 20 log 2 = 6 dB r1 r2 r1 kjelde Demping av radiobølgje P0 = utgangseffekt.r1og r2er distansane som dei to bølgjefrontane har lagt bak seg. Ved r2= 2 r1 får vi: Ei dobling av radiobølgjedistansen gir ei demping på 6 dB (ideell vurdering).

16. Støypåverknad av radiobølgjer Typar av støy: • støy som kjem av interferens med andre radiobølgjer • atmosfærisk støy • støy som kjem frå elektronisk og elektrisk utstyr

17. Radiosendar Figur 9.9 Radiosendar, blokkskjema.

18. Radiosendar Lågfrekvensforsterkar • Har til oppgåve å forsterke lydsignalet. • Inneheld bandpassfilter som filtrerer bort lågaste og høgaste frekvensar i lydsignalet for å avgrense bandbreidda i det overførte signalet. • Inneheld ein avgrensar som skal avgrense signalet og hindre for kraftig LF-signal til modulatoren. HF-oscillator • Genererer høgfrekvenssignalet (berebølgja). • Kan vere ein krystallstyrt oscillator eller ein mikroprosessorstyrt frekvenssyntetisator. Modulator • Skal modulere LF-signalet inn på den høgfrekvente berebølgja. • Ved SSB blir det eine sidebandet filtrert bort her. Høgfrekvensforsterkar • Skal forsterke det modulerte HF-signalet til nødvendig utgangseffekt for å sende ut radiobølgja via antenna. Utgangssteg • Har til oppgåve å tilpasse HF-signalet til impedansen i antenna. • Her sit også eit lågpassfilter som fjernar eventuelle uønskte overharmoniske frekvensar til HF-signala.

19. Radiomottakar • Radiomottakaren skal fange opp radiobølgjene via antenna og ”skilje ut” frekvensen for ønskt kanal og gjenskape LF-signalet. • Dei første radiomottakarane var rettmottakarar, medan dei fleste radiomottakarane i dag arbeider etter superheterodynprinsippet. • Superheterodynmottakaren er meir stabil enn ein rettmottakar. • Rettmottakaren er enklare oppbygd.

20. Inngangs-krins Høgfrekvens-forsterkar Demodu-lator Lågfrekvens-forsterkar fS Figur 9.10 Blokkskjema rettmottakar. Rettmottakar I ein rettmottakar blir alle frekvensar som antenna kan fange opp, mottekne. Ei ulempe er at det kan vere vanskeleg å skilje ut ønskt kanal eksakt.

21. Rettmottakar Inngangskrinsen • Skal sørgje for impedanstilpassing mellom antenne og HF-forsterkar. • Inneheld • avstemmingskrins for den radiofrekvensen som mottakaren er avstemt for • filter som skal fjerne uønskte frekvensar i HF-signalet Høgfrekvensforsterkaren • Skal forsterke det svake radiosignalet som blir generert i antenna. Demodulatoren • Skal demodulere det modulerte HF-signalet. • Skal gjenskape LF-signalet. Lågfrekvensforsterkaren • Skal forsterke LF-signalet. • Inneheld eit LF bandpassfilter som fjernar lågfrekvente og høgfrekvente tonar. Effektforsterkaren • Skal forsterke LF-signalet og føre det vidare til ein høgtalar.

22. Superheterodynmottakar • Radiofrekvensen som blir motteken, blir endra til ein fast frekvens, uavhengig av berebølgjefrekvensen til sendaren. • Blir kalla mellomfrekvensen. • Ved AM-modulasjon er mellomfrekvensen 455 kHz. • For det ordinære FM-bandet er mellomfrekvensen 10,7 MHz. • For andre typar radiomottakarar kan mellomfrekvensen ha andre verdiar. • Ein eigen oscillator i mottakaren genererer sjølve mellomfrekvensen.

23. Inngangs-krins Blande- steg Mellomfrekvens-forsterkar Demodu-lator Lågfrekvens-forsterkar fm finn fo G Figur 9.11 Blokkskjema superheterodyn-mottakar. Superheterodynmottakar

24. Superheterodynmottakar Inngangskrinsen • Har same funksjon som hjå rettmottakaren. • Verkar som eit bandpassfilter og avstemming for den radiofrekvensen vi ønskjer å ta mot. Blandesteg • Blanding av innfrekvensen frå antenna med oscillatorfrekvensen. • Oscillatorfrekvensen blir justert inn slik at mellomfrekvensen alltid får same verdi: fm = fo – finn Mellomfrekvensforsterkaren • Forsterkar mellomfrekvensen. • Evna hjå radiomottakaren til å skilje ut radiofrekvensen er svært avhengig av kvaliteten på mellomfrekvensforsterkaren. Dei to siste blokkene, demodulator og LF-forsterkar, har same funksjon som i rettmottakaren.

25. Kommunikasjonssystem Døme på trådlause kommunikasjonssystem: • Kringkasting for radio • analog kringkasting • DAB • Kringkasting for fjernsyn • analogt bakkenett • digitalt bakkenett • satellittfjernsyn • Mobiltelefonnett • GSM • UMTS • Radiolinjesystem

26. Relé-stasjon Terminerings-stasjon Terminerings-stasjon Figur 9.12 Radiolinjesystem Radiolinjer • Nyttar parabolantenner og radiobølgjer i SHF-området (mikrobølgjer over 3 GHz). • Punkt-til-punkt-system. • Fri siktlinje mellom sendar og mottakar. • Endepunkta blir kalla termineringsstasjonar. • Reléstasjonar når avstanden blir for stor (vidareformidlar, frekvensomformar og forsterkar).

27. Satellittkommunikasjon • Kan reknast som eit radiolinjesystem der stasjonar er plasserte på satellittar ute i verdsrommet. • Nyttar parabolantenner. • Ein satellitt kan dekkje store delar av jordoverflata. • Eigne frekvensar for opplink og nedlink. • Blir nytta i • tele- og datakommunikasjon • radio- og fjernsynskringkasting • navigasjonssystem og sivil og militær overvaking • vêr- og miljøobservasjonar

28. opplink nedlink Satellittkommunikasjon Figur 9.13 Ein satellitt har ein frekvens for opplink og ein for nedlink. Ein satellitt er ei eining som følgjer ein sirkelforma eller ellipseforma bane rundt jordkloden på same måten som månen.

29. Satellitt 12.800 km 36.000 km Figur 9.15 Geostasjonær satellitt. Geostasjonære satellittar • Satellittar som står i eit fast punkt i forhold til jordoverflata, blir kalla geostasjonære satellittar. • Dekkjer ein tredel av jordoverflata. • I ein bane med ein avstand på ca. 36 000 kilometer (meir nøyaktig 35 786 kilometer) over ekvator følgjer satellitten rotasjonsfarten til jorda. • Beltet i denne avstanden blir kalla clarkebeltet. • Blir nytta i fjernsyns-, radio- og datakommunikasjon.

30. Lågbanesatellitt 500-2000 km Geostasjonær satellitt 35786 km Mellombanesatellitt 8000-20 000 km Figur 9.14 Satellittypar og baneavstandar til jorda. Satellittbanar Satellittbanar Meir om satellittbanar finn du på denne linken: http://www.satellitter.no/

31. Andre satellittsystem • Lågbanesatellittar (Low Earth Orbit, LEO) • Mellombanesatellittar (Medium Earth Orbit, MEO) Blir brukte til overvaking og reléstasjonar for datakommunikasjon, mobiltelefon og navigasjonssystem.

32. Satellittkommunikasjon • Jordstasjonar på bakken kommuniserer med satellittane via parabolantenner. • Signala blir sende gjennom ionosfæren til mottakarantenna på satellitten, forsterka og sende attende til jorda. • Satellittane er utstyrte med ein eller fleire transponderar. • Ein transponder er ein kombinert mottakar og sendar. • Transponderen tek mot radiosignala, forsterkar dei, endrar frekvens og sender dei attende. • Eigne frekvensar for opplink og nedlink (hindrar at signala påverkar kvarandre). • Frekvensband i området frå 3,5 GHz til 14,5 GHz. • Får straum via solcellepanel.

33. Thor Eutelsat Eutelsat F4 Telecom 2A Sirius Hot Bird Intelsat 705 Astra Intelsat 803 0º 15º Vest 15º Øst Orion 30º Vest 30º Øst 45º Øst 45º Vest Aktuelle satellittar Figur 9.16 Ein del aktuelle satellittar og korleis dei er plasserte over ekvator. Meir info om satellittar finn du på denne linken: Satellittar http://www.sarepta.org/

34. Frekvenssyntetisatorar og faselåste sløyfer Frekvenssyntetisator • Blir nytta for å stille inn rett kanalfrekvens i ein radiosendar eller radiomottakar. • Bygd opp rundt ei faselåst sløyfe, PLL ( "Phase Locked Loop"). Faselåst sløyfe, PLL • Omfattar blokkene • fasedetektor • lågpassfilter (sløyfefilter) • VCO • Sørgjer for å halde utgangsfrekvensen låst til inngangsfrekvensen ved hjelp av VCO. • Ei faselåst sløyfe kan ha tre ulike tilstandar: • faselås • innfangingstilstand • frittsvingande

35. Faselåst sløyfe, PLL Figur 9.17 Faselåst sløyfe.

36. Fasedetektor Figur 9.18. EKSKLUSIV ELLER som fasedetektor.

37. VCO Figur 9.19 VCO.

38. Frekvenssyntetisatorar • Blir nytta der vi er avhengige av å stille inn fleire ulike kanalfrekvensar med fast frekvensavstand (kanalavstand). • Kanalavstand: fR = fX/D. • Talet på kanalar er avhengig av delingstalet N på frekvensdelaren (alltid eit heiltal). Figur 9.20 Frekvenssyntetisator.

39. Kanalfrekvensen på frekvenssyntetisatoren • Innstilt kanalfrekvens er avhengig av den verdien N er innstilt på. • Endrar vi delingstalet, endrar kanalfrekvensen seg innanfor dei frekvensane som er tilgjengelege for sløyfa. • Høgaste og lågaste utgangsfrekvens er avhengige av høgaste og lågaste verdi på delingstalet N. • Verdien til frekvensen fN blir difor : fN = fo/N • Er i faselås når desse vilkåra er oppfylte: fR = fN = fo/N Eller fo = N • Fr • Når N = 1, er utgangsfrekvensen fo lik referansefrekvensenfR, som er lågaste utgangsfrekvens. • Høgaste utgangsfrekvens: f0 (max) = N (max) • fR

40. Auke av kanalfrekvensen Figur 9.21 Frekvenssyntetisator med frekvensblandar i tilbakekoplinga. Dersom vi koplar inn ein frekvensblandar i tilbakekoplinga, blir kanalavstanden redusert, og utgangsfrekvensen aukar. Blir nytta for å stille inn kanalfrekvensen i VHF-området.

41. Digital radio • Blir nytta i tradisjonell lydkringkasting, jordbundne nett og mobiltelefon. • Modulasjonsmetodar: ASK, FSK, PSK, QPSKM DAB • Analoge signal blir digitale ved hjelp av PCM. • Punktprøvefrekvens 32 eller 48 kHz. • Dei digitale signala blir komprimerte før dei blir sende som kodar.

42. DAB (Digital Audio Broadcasting) Fordelar: • Betre lydkvalitet. • Støyfritt mottak. • Betre frekvensutnytting. • Fleire kanalar på same frekvens. • Mogeleg å høyre eigne lokalsendingar over heile landet. • Mogeleg å overføre data, tekst og grafikk. • Dataoverføring opnar for tekst på display med opplysning om motteken kanal. • Mogeleg med interaktivitet, som nedlasting av program. • Mogeleg å kryptere sendingar. • Mogeleg med betalingstilknyting av kanalar.

43. DAB, funksjon og utstyr • DAB krev eigne mottakarar etter eigen standard. • Fleire kanalar blir sende på same frekvens ved å rette radiokanalane inn i frekvensblokker. • Datastraumane frå dei ulike kanalane blir blanda saman i ein multipleksar til ein stor datastraum. • Den samla datastraumen, kalla ensemble, blir send inn i ein COFDM-modulator (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing). • COFDM-modulatoren gjer signalet om til ei frekvensblokk med frekvensbreidd 1,5 MHz. • Kvar sendar i eit nett har ein eigen COFDM-modulator. • Nett der fleire kanalar sender på same frekvens i heile dekningsområdet, blir kalla einfrekvensnett eller SFN (Single Freqency Network). • Frekvensane som blir nytta, ligg i VHF-området. • Komprimeringsmetoden er MPEG (Moving Picture Experts Group) Layer II (same som er nytta i satellittfjernsyn og DVD, ein ISO/IEC-standard for å komprimere data for multimedia).

44. DAB-system Kanal 1 Kanal 2 Kanal 3 Multi-pleksar Ensemble Frekvens-blokk Kanal 4 Kanal 5 Kanal 6 Kanal 7 Kanal 8 Figur 9.22 DAB-system til å overføre fleire kanalar på same frekvens.

45. Digitalt bakkenett for fjernsyn Når du klikkar på desse linkane, får du informasjon om det digitale bakkenettet for fjernsyn: BAKKENETT http://no.wikipedia.org NTV http://www.ntv.no/