9 Radiokommunikasjon

1. 9 Radiokommunikasjon Radiobølger • Radiobølger er elektromagnetiske svingninger og utbredelse av elektromagnetisk energi. • Radiobølger utbrer seg like godt i vakuum som i luft. • Etter som radiobølgene brer seg utover i rommet, vil de avta i styrke og effekten svekkes. • Både for sending og mottak av radiobølger må vi benytte antenner.

2. Radiokommunikasjon Figur 9.1 Radiokommunikasjon

3. Radiobølger Hvordan radiobølger oppstår • Rundt en elektrisk strømførende leder danner det seg et elektromagnetisk felt. • I tillegg dannes et elektrostatisk felt. • Styrken på det elektromagnetiske feltet står i forhold til strømstyrken i lederen. • Når feltet forandrer seg som følge av strømendring i lederen, oppstår en elektromagnetisk bølge. • Rundt ledere som fører vekselstrøm vil feltet forandre seg kontinuerlig, og det genereres en elektromagnetisk bølge. • En elektromagnetisk bølge brer seg ved at det vekselvis genereres et elektrisk og et magnetisk felt. • De to feltene vil bli liggende 90 i forhold til hverandre.

4. 90 Elektrisk bølge Magnetisk bølge Figur 9.2 Utbredelse av elektromagnetisk bølge i fritt rom. Radiobølge

5. V H F V L F L F M F H F U H F S H F E H F Synlig lys Ultra- fiolett lys X-stråler Gamma- stråler Sonar Infrarødt lys Kosmiske stråler Radiobølger 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 Frekvens (Hz) Bølgelengde (meter) 1 10-2 106 103 10-3 10-6 10-9 Figur 9.3 Det elektromagnetiske frekvensspekteret. Frekvensfordeling og bølgelengde • Radiobølger er elektromagnetiske bølger og utgjør en del av det elektromagnetiske frekvensspekter. • Elektromagnetiske svingninger fra 104 Hz til noe over 1010 Hz (10 GHz) regnes som radiobølger.

6. Inndeling etter frekvens Etter internasjonale overenskomster grupperes radiobølger 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 bølge med bølgelengde lik .. Bølgelengde og frekvens Forholdet mellom bølgelengde og frekvens er gitt ved: c = lysets hastighet, 300 x 10 6 m/s (nøyaktig 299.792.458 m/s i vakuum)

8. Bølgelengdeområder Tabell 9.1 Bølgelengdeområder og tilhørende frekvenser. Internasjonalt har ITU ansvar for å tildele frekvensområder. I Norge ved Post- og teletilsynet (PT). All radiokommunikasjon er for øvrig underlagt EKOM-loven. Klikk på denne linken: EKOM-loven http://www.lovdata.no/

9. Medium b 2 1 1 Medium a Brytning, avbøyning og refleksjon Radiobølger er elektromagnetiske svingninger av samme natur som de elektromagnetiske bølgene i lys. Mange av de samme betraktningene som gjøres for lys, kan derfor brukes for radiobølger. Jo høyere frekvens, desto riktigere vil denne sammenligningen være. Dette kan være viktig å være klar over ved plassering av antenner på sender- og mottakerside. Hvor mye av bølgen som reflekteres eller passerer igjennom disse lagene, vil avhenge av radiobølgens frekvens og innfallsvinkel. Siden det normalt er flytende overganger mellom de atmosfæriske lagene, vil radiobølgene avbøyes i stedet for direkte brytning, samtidig som noen stråler passerer mens andre reflekteres. • Figur 9.5 Brytning og refleksjon av radiobølger.

10. sender mottaker Figur 9.6 Direkte stråling. Utbredelse av radiobølger • At radiobølger brytes, avbøyes og reflekteres betyr at det nødvendigvis ikke alltid trenger være fri sikt mellom en sender og mottaker. • Vi kan ha direkte stråling og reflektert stråling. • Lavfrekvente radiobølger har evne til å forplante seg langs jordoverflaten og kunne følge variasjoner i landskapet. Dette kalles jordbølger, men har relativt kort rekkevidde. • Refleksjoner i atmosfæren og ionosfæren kan utnyttes for radiobølger i MF- og HF-området.

11. Jordens overflate ionosfæren mottaker sender • Figur 9.7 Utbredelse av radiobølger som følge av ionosfæriske refleksjoner og avbøyninger. Ionosfæriske refleksjoner Ionosfærens avstand fra jordoverflaten er 80 til 640 km. Den er inndelt i flere lag. På grunn av solstråling og kosmisk stråling, blir luften ionisert. I de ioniserte lagene vil radiobølgene bli avbøyet og reflektert. Når bølgene igjen treffer jord- eller havoverflaten, kan de på nytt bli reflektert mot ionosfæren (flerhoppsforplantning). Bølger over 30-40 Mhz vil praktisk talt ikke bli ionosfærisk reflektert og vil fortsette gjennom ionosfæren ut i verdensrommet.

12. Overflatebundet refleksjon • Radiobølger med lavere frekvens kan bli reflektert i temperatur- og fuktighetssjikt i den nedre del av atmosfæren og videre i jordoverflaten. Kalles overflatebundet refleksjon. • Lavfrekvente radiobølger har til en viss grad evne til å dreie rundt hindringer i landskapet, og vil derfor kunne fanges opp bak en åsrygg eller bygning. • Jo høyere frekvens, desto dårligere blir denne egenskapen.

13. Bølgefront 2 Bølgefront 1 r2 r1 Kilde Figur 9.8 Radiobølgene vil danne bølgefronter. Dempning og absorpsjon • En bølge som brer seg i fritt rom, danner en bølgefront på samme måte som en bølge i vann. • På samme måte som bølgene i vannet vil radiobølgene avta i styrke. • En kilde som stråler ut like mye energi i alle retninger i rommet, kalles en isotropisk kilde.

14. P0 p = [dBW/m2] 4 r 2 Effekttetthet/feltintensitet Effekttetthet (Power Flux Density , fork. PWD): P0= utgangseffekt, r= avstand fra kilde I stedet for effekttetthet, er det også vanlig å operere med feltintensitet, som er et mål for intensiteten til det elektriske feltet. I praksis er effekttetthet og feltintensitet det samme.

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 Kilde Dempning av radiobølge P0 = utgangseffekt.r1og r2er distansene som de to bølgefrontene har tilbakelagt. Ved r2= 2 r1, vil vi få: En dobling av radiobølgens distanse vil gi en dempning på 6 dB (ideell betraktning).

16. Støypåvirkning av radiobølger Typer støy: • støy som skyldes interferens med andre radiobølger • atmosfærisk støy • støy som kommer fra elektronisk og elektrisk utstyr

17. Radiosender Figur 9.9 Radiosender, blokkskjema.

18. Radiosender Lavfrekvensforsterker • Har til oppgave å forsterke lydsignalet. • Inneholder båndpass-filtre som filtrerer bort laveste og høyeste frekvenser i lydsignalet for å begrense båndbredden i det overførte signalet. • Inneholder en begrenser som skal begrense signalet og forhindre for kraftig LF-signal til modulatoren. HF-oscillator • Genererer høyfrekvenssignalet (bærebølgen). • Kan være en krystallstyrt oscillator eller mikroprosessorstyrt frekvenssyntetisator. Modulator • Skal modulere LF-signalet inn på den høyfrekvente bærebølgen. • Ved SSB filtreres det ene sidebåndet bort her. Høyfrekvens-forsterker • Skal forsterke det modulerte HF-signalet til nødvendig utgangseffekt for utsending av radiobølgen via antennen. Utgangstrinn • Har til oppgave å tilpasse HF-signalet til impedansen i antennen. • Her sitter også et lavpassfilter som fjerner eventuelle uønskede overharmoniske frekvenser til HF-signalene.

19. Radiomottaker • Radiomottakeren skal fange opp radiobølgene via antennen og skille ut frekvensen for ønsket kanal og gjenskape LF-signalet. • Mens de første radiomottakerne var rettmottakere, arbeider de fleste radiomottakere i dag etter superheterodynprinsippet. • Superheterodynmottakeren er mer stabil enn en rettmottaker. • Rettmottakeren er enklere i oppbygning.

20. Inngangs-krets Høyfrekvens-forsterker Demodu-lator Lavfrekvens-forsterker fS Figur 9.10 Blokkskjema rett-mottaker. Rettmottaker I en rettmottaker mottas alle frekvenser som antennen kan fange opp. En ulempe er at det kan være vanskelig å eksakt skille ut ønsket kanal.

21. Rettmottaker Inngangskretsen • Skal sørge for impedanstilpasning mellom antenne og HF-forsterker. • Inneholder: • avstemningskrets for den radiofrekvensen som mottakeren er avstemt for • filtre som skal fjerne uønskede frekvenser i HF-signalet Høyfrekvens-forsterkeren • Skal forsterke opp det svake radiosignalet som blir generert i antennen. Demodulatoren • Skal demodulere det modulerte HF-signalet. • Skal gjenskape LF-signalet. Lavfrekvens-forsterkeren • Skal forsterke LF-signalet. • Inneholder et LF båndpassfilter som fjerner lavfrekvente og høyfrekvente toner. Effektforsterkeren • Skal forsterke LF-signalet og føre det videre til en høyttaler.

22. Superheterodynmottaker • Radiofrekvensen som mottas gjøres til en fast frekvens, uavhengig av senderens bærebølgefrekvens. • Kalles mellomfrekvensen. • Ved AM-modulasjon er mellomfrekvensen 455 kHz. • For det ordinære FM-båndet er mellomfrekvensen 10,7 MHz. • For andre typer radiomottakere kan mellomfrekvensen ha andre verdier. • En egen oscillator i mottakeren genererer selve mellomfrekvensen.

23. Inngangs-krets Blande- trinn Mellomfrekvens-forsterker Demodu-lator Lavfrekvens-forsterker fm finn fo G Figur 9.11 Blokkskjema superheterodyn-mottaker. Superheterodynmottaker

24. Superheterodynmottaker Inngangskresten • Har samme funksjon som for rettmottakeren. • Virker som et båndpassfilter og avstemning for den radiofrekvensen vi ønsker å motta. Blandetrinn • Blanding av innfrekvensen fra antennen med oscillatorfrekvensen. • Oscillatorfrekvensen justeres inn slik at mellomfrekvensen alltid får samme verdi: fm = fo – finn Mellomfrekvensforsterkeren • Forsterker opp mellomfrekvensen. • Radiomottakerens evne til å skille ut radiofrekvensen er svært avhengig av mellomfrekvensforsterkerens kvalitet. De to siste blokkene, demodulator og LF-forsterker, har samme funksjon som i rettmottakeren.

25. Kommunikasjonssystemer Eksempler på trådløse kommunikasjonssystemer: • Kringkasting for radio • Analog kringkasting • DAB • Kringkasting for TV • Analogt bakkenett • Digitalt bakkenett • Satellitt-TV • Mobiltelefonnett • GSM • UMTS • Radiolinjesystemer

26. Rele-stasjon Terminerings-stasjon Terminerings-stasjon Figur 9.12 Radiolinjesystem Radiolinjer • Benytter parabolantenner og radiobølger i SHF-området (over 3 GHz, mikrobølger) • Punkt-til-punkt system. • Fri siktlinje mellom sender og mottaker. • Endepunktene kalles termineringsstasjon. • Relestasjoner når avstanden blir for stor (videreformidler, frekvensomformer og forsterker).

27. Satellittkommunikasjon • Kan betraktes som et radiolinjesystem der stasjoner er plassert på satellitter ute i verdensrommet. • Benytter parabolantenner. • En satellitt kan dekke store deler av jordoverflaten. • Egne frekvenser for opplink og nedlink. • Benyttes i: • tele- og datakommunikasjon • radio- og TV-kringkasting • i navigasjonssystemer og sivil og militær overvåkning • vær- og miljøobservasjoner

28. opplink nedlink Satellittkommunikasjon Figur 9.13 En satellitt har en frekvens for opplink og en for nedlink. En satellitt er en enhet som følger en sirkelformet eller ellipseformet bane rundt jordkloden på samme måte som månen.

29. satellitt 12.800 km 36.000 km Figur 9.15 Geostasjonær satellitt. Geostasjonære satellitter • Satellitter som står i et fast punkt i forhold til jordens overflate kalles geostasjonære satellitter. • Dekker 1/3 av jordens overflate. • I en bane med en avstand ca. 36 000 km (mer nøyaktig 35 786 km) over ekvator vil den følge jordens rotasjonenshastighet. • Beltet i denne avstanden kalles Clarke-beltet. • Benyttes i TV-, radio- og datakommunikasjon.

30. Lavbane satellitt 500-2000 km Geostasjonær 35786 km Mellombane satellitt 8000-20 000 km Figur 9.14 Satellitt-typer og baneavstander til jorden. Satellittbaner Satellittbaner Mer om satellittbaner finner du på denne linken: http://www.satellitter.no/

31. Andre satellittsystemer • Lavbanesatellitter (Low Earth Orbit, LEO) • Mellombanesatellitter (Medium Earth Orbit, MEO) Brukes til overvåkning og relestasjoner for datakommunikasjon, mobiltelefon og navigasjonssystemer.

32. Satellittkommunikasjon • Jordstasjoner på bakken kommuniserer med satellittene via parabolantenner. • Signalene sendes gjennom ionosfæren til satellittens mottakerantenne, forsterkes opp og sendes tilbake til jorden. • Er utstyrt med en eller flere transpondere. • En transponder er en kombinert mottaker og sender. • Transponderen mottar radiosignalene, forsterker dem, endrer frekvens og sender dem tilbake. • Egne frekvenser for opplink og nedlink (forhindrer at signalene påvirker hverandre). • Frekvensbånd i området fra 3,5 GHz til 14,5 GHz. • Får strøm 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 satellitter Figur 9.16 En del aktuelle satellitter og deres plassering over ekvator. Mer info om satellitter finner du på denne linken: Satellitter http://www.sarepta.org/

34. Frekvenssyntetisatorer og faselåste sløyfer Frekvenssyntetisator • Benyttes for innstilling av riktig kanalfrekvens i en radiosender eller radiomottaker. • Bygget opp rundt en faselåst sløyfe, PLL (Phase Locked Loop). Faselåst sløyfe, PLL • Består av blokkene: • fasedetektor • lavpassfilter (sløyfefilter) • VCO • Sørger for å holde utgangsfrekvensen låst til inngangsfrekvensen ved hjelp av VCO. • En faselåst sløyfe kan innta tre forskjellige tilstander: • faselås • innfangingstilstand • frittsvingende

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. Frekvenssyntetisatorer • Benyttes der vi er avhengig av å stille inn flere forskjellige kanalfrekvenser med fast frekvensavstand (kanalavstand). • Kanalavstand: fR = fX / D. • Antall kanaler bestemt av frekvensdelerens delingstall N (alltid et heltall). Figur 9.20 Frekvenssyntetisator.

39. Frekvenssyntetisatorens kanalfrekvens • Innstilt kanalfrekvens avhengig av hvilken verdi N er innstilt på. • Endres delingstallet, endres kanalfrekvens innenfor de frekvenser som er tilgjengelig for sløyfen. • Høyeste og laveste utgangsfrekvens bestemt av høyeste og laveste verdi av delingstallet N. • Verdien til frekvensen fN vil derfor bli: fN = fo / N • Er i faselås når følgende betingelse er oppfylt: fR = fN = fo / N Eller fo = N • Fr • Når N = 1, vil utgangsfrekvensen fo være lik referansefrekvensenfRsom vilvære laveste utgangsfrekvens. • Høyeste utgangsfrekvens: f0 (max) = N (max) • fR

40. Økning av kanalfrekvens Figur 9.21 Frekvenssyntetisator med frekvensblander i tilbakekoblingen. Ved å koble inn en frekvensblander i tilbakekoplingen vil kanalavstanden reduseres og utgangsfrekvensen økes. Benyttes for innstilling av kanalfrekvens i VHF-området.

41. Digital radio • Benyttes i tradisjonell lydkringkasting, jordbundne nett og mobiltelefon. • Modulasjonsmetoder: ASK, FSK, PSK, QPSKM. DAB • Analoge signaler gjøres digitale ved hjelp av PCM. • Punktprøvefrekvens 32 eller 48 kHz. • De digitale signalene komprimeres før de sendes som koder.

42. DAB (Digital Audio Broadcasting) Fordeler: • Forbedret lydkvalitet. • Gir støyfritt mottak. • Gir bedre frekvensutnyttelse. • Flere kanaler på samme frekvens. • Mulighet for å høre egne lokalsendinger over hele landet. • Gir mulighet for overføring av data, tekst og grafikk. • Dataoverføring gir mulighet for tekst på display med angivelse av mottatt kanal. • Gir mulighet for interaktivitet som nedlasting av programmer. • Gir mulighet for kryptering av sendinger. • Gir mulighet for betalingstilknytning av kanaler.

43. DAB, funksjon og utstyr • DAB krever egne mottakere etter egen standard. • Flere kanaler sendes på samme frekvens ved å innrette radiokanalene i frekvensblokker. • Datastrømmene fra de forskjellige kanalene blandes sammen i en multiplekser til en stor datastrøm. • Den samlede datastrømmen, såkalt ensemble, sendes inn i en COFDM-modulator (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing). • COFDM-modulatoren gjør signalet om til en frekvensblokk med frekvensbredde 1,5 MHz. • Hver sender i et nett har en egen COFDM-modulator. • Nett der flere kanaler sender på samme frekvens i hele dekningsområdet, kalles enfrekvensnett eller SFN (Single Freqency Network). • Frekvensene som benyttes ligger i VHF-området. • Komprimeringsmetode er MPEG (Moving Picture Experts Group) Layer II (samme som benyttes i satellitt-TV og DVD og er en ISO/IEC standard for komprimering av data for multimedia).

44. DAB-system Kanal 1 Kanal 2 Kanal 3 Multi-plekser Ensemble Frekvens-blokk Kanal 4 Kanal 5 Kanal 6 Kanal 7 Kanal 8 Figur 9.22 DAB-system for overføring av flere kanaler på samme frekvens.

45. Digitalt bakkenett for TV Ved å klikke på disse linkene får du informasjon om det digitale bakkenettet for TV: BAKKENETT http://no.wikipedia.org NTV http://www.ntv.no/