A rádió kommunikáció zikája a Földön és környezetében. Balogh András Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar

Átírás

1 A rádió kommunikáció zikája a Földön és környezetében Balogh András Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar

2 Tartalomjegyzék 1. Bevezetés 2 2. Modulációkról röviden Amplitúdó moduláció Fázis és frekvencia moduláció Bonyolultabb modulációk Hullámok terjedése a Földön Az ionoszféra Direkt módus Felületi módus Ionoszferikus terjedés Hullám gyengülés M holdas kommunikáció Geostacionárius pálya Molniya pálya Alacsony Föld körüli pályák Közepes Föld körüli pályák

3 1. Bevezetés A rádió kommunikáció célja, hogy valamilyen analóg vagy digitális jelet két távoli készülék között továbbítsunk rádióhullámok segítségével. Ennek el nye a történetileg korábbi kábeles adatközléshez képest (szikra távíró), hogy sokkal kisebb az energia disszipációja a leveg nek, mint a vezetéknek, hátránya az, hogy az energia minden irányban szétoszlik a térben, ezért jóval nagyobb teljesítmény adókat kell építeni. A kódolatlan információhoz bárki hozzáférhet, ami felhasználástól függ en el ny, vagy hátrány. A rádió a tömegmédia egyik els eszköze volt a sajtó után, azonban ha nem nyilvános kommunikációt akarunk folytatni, azt egyrészt lehallgathatják, másrészt meg is zavarhatják, ha ugyanazon a létezik egy engedély köteles frekvencia tartomány, ebben keskeny frekvencia szeleteket osztanak ki az igényl számára, amihez utána kizárólagos joga van az igényl nek, így törvényileg zavartalanul használhatja a sávot. 2. Modulációkról röviden A moduláció lényege, hogy nem közvetlenül a továbbítani kívánt jelet sugározzuk ki a térbe, hanem egy viv (szinusz) hullámot formázunk a jellel el re meghatározott módon. A vev tudja, hogyan történt a formázás, ezért rekonstruálni, demodulálni tudja a jelet. Ennek legnagyobb el nye a fent említett sávkiosztás, különböz viv frekvenciájú hullámok nem okoznak zavart egymás demodulálásában. Általában igaz, hogy a viv hullámnak sokkal nagyobb frekvenciájúnak kell lennie a jel frekvenciájánál, különben a jel nem lesz rekonstruálható 2.1. Amplitúdó moduláció Amplitúdó moduláció esetén a szinusz hullám amplitúdójában tároljuk a továbbítani kívánt információt, a jel tulajdonképpen a hullám burkoló görbéje lesz. Ha egy A 0 amplitúdójú ω 0 körfrekvenciájú szinusz hullámra visszük fel a továbbítani kívánt S(t) (signal) jelünket, az F (t) modulált hullámformát a következ egyenlet adja. F (t) = (S(t) + A 0 )) sin(ω 0 t) (1) Jelfeldolgozási el tanulmányainból tudjuk, hogy ami id térben szorzatként áll el, annak a Fourier-spektruma a két jel spektrumának konvolúciójaként számolható. Egy amplitúdó modulált hullám spektruma a viv frekvencia körüli csúcsként jelenik meg, aminek a szélessége a továbbítandó jel frekvencia limitje lesz. Ez alapján ki lehet osztani a rádióhullám sávokat, minden sávnak olyan szélesnek kell lennie, hogy beleférjen a továbbítandó jel sávszélessége. Az amplitúdó modulált jel könnyen zajossá válik, a leveg egyenetlenségein véletlenszer en disszipálódik az energia, ez torzítja a jelalakot. Az A 0 paraméternek technikai okai vannak, a jel felismerhet bb lesz, ha értéke nem 0. A 0 és S(t) viszonyából egy modulációs index h deniálható h = max(s(t)) A 0 (2) módon, általában százalékban megadva az értéket. Többnyire 100%-nál kisebb modulációt alkalmaznak. 2

4 1. ábra. Különböz ménység amplitúdó modulációk. A továbbítandó jel a burkolóba van kódolva, ebben az egyszer esetben egy szinusz hullámmal modulált jelet látunk. 3

5 2.2. Fázis és frekvencia moduláció Habár mérnöki megoldásokban a két moduláció eltér egymástól, zikailag azonosak. A módszer célja, hogy a disszipációból származó zajt minimalizálja úgy, hogy az amplitúdója a jelnek tetsz leges legyen, ehelyett a hullám fázisába teszik az információt. A modulált hullám a következ alakban néz ki fázis és frekvencia modulált esetben. F P M (t) = A 0 sin(ω 0 t + S(t)) (3) F F M (t) = A 0 sin((ω 0 + S(t))t) (4) Fizikailag ezek azonosak, látható, hogy a frekvencia modulált jel Φ(t) = S(t) t helyettesítéssel éppen egy fázis modulált hullámként írható fel Φ(t) jellel. 2. ábra. Egy digitális jel amplitúdó, frekvencia és fázis modulálása. FM és PM esetén az amplitúdóban nincs információ, ezért érzéketlenebb a légköri viszonyokra. A fázismoduláció egy zajküszöbnél er sebb hullámok esetén jóval nagyobb jel-zaj aránnyal képes továbbítani, ezért kedveltebb modulálási eljárás az AM-nél. 4

6 2.3. Bonyolultabb modulációk A sávszélesség maximális kihasználtsága, valamint a zaj minimalizálása érdekében ezeknél összetettebb modulációs eljárásokat is kitaláltak, azonban ez mérnöki kihívás, nem zikai. 3. Hullámok terjedése a Földön A rádióhullámok viselkedését a Maxwell egyenletek írják le. Vákuumban nagyon egyszer hullámegyenletekké lehet ket alakítani, közegben a egyszer hullámterjedésnél bonyolultabb jelenségek is kialakulhatnak. A Föld környezetében három különböz közeg befolyásolja a hullámterjedést: a talaj, ami ionokkal és elektrolitokkal van tele, emiatt vezet nek tekinthet, a leveg, amit egyszer en egy komplex törésmutatóval (csillapítás és eektív fénysebesség) tudunk leírni, valamint az ionoszféra, ami egy híg plazma. Attól függ en, hogy melyik közegek vesznek részt a terjedésben, különböz terjedési módusok alakulnak ki. Ezeknek a terjedési módusoknak az er ssége er sen frekvencia függ. A légkör legfontosabb tulajdonsága az abszorpciója, ami er sen frekvencia függ, és a közel 0 elnyelést l a mm-es levágási hosszig tud változni. Így tehát egy olyan frekvencia tartományt kell találni a kommunikációra, ahol a közel 0 eset érvényes. Ez éppen a rádióhullám tartomány. 3. ábra. A légkörb l rbe való hullámterjedés opacitási spektruma, ami a csillagászat és m holdas kommunikáció számára alapvet fontosságú. Alacsony frekvencián az ionoszféra plazmája jó visszaver, az áteresztése közel 0. Felszínr l felszínre való rádiózás esetén azonban nem állja a rádió hullámok útját az ionoszféra, ebben az esetben ott is alacsony az opacitás. 5

7 3.1. Az ionoszféra Az ionoszféra szerkezetének feltárása fontos a Föld körüli rádióhullám terjedés ismeretéhez. Az ionoszféra három elkülöníthet rétegb l áll, a D, E és F rétegekb l, amelyek egymás fölött helyezkednek el (4. ábra). Legalul helyezkedik el a D réteg 60 km és 90 km magasság között, amit a Nap ionizáló sugárzása hoz létre. Ezért csak a nappali oldalon van jelen, alkonyatkor rekombinálódik a plazma atomos szerkezetté. Fölötte az E és F rétegek elég ritkák hozzá, hogy ne történjen meg a rekombináció. Plazma állapotában a D rétegnek nagy frekvenciás rádiófrekvencián (HF) magas abszorpciója van. Az E réteg 90 km és 150 km magasság között fekszik. Az E réteg a hosszabb rekombinációs id, valamint az F rétegen átjutó kozmikus eredet ionizáló sugárzások miatt éjjel is jelen van. Általánosságban 10 MHz-ig jó visszaver réteg, szporadikus események alkalmával - amikor nagy energiás záporok miatt magasabb ionizáció fokú felh k alakulnak ki MHz-ig is vissza tud verni, azonban ezek a szóródások nem koherensek a véletlenszer felh alakok és elhelyezkedések miatt. A legfels réteg az F réteg 150 km és 500 km közötti magasságban, így az a rádióhullám, ami ezen átjut, kijut a világ rbe. Ezt a réteget a nagy energiás kozmikus sugárzás ionizálja (F2 réteg), a napsugárzás egy alsó réteget létrehoz, ezt nevezik F2 rétegnek. 4. ábra. Az ionoszfára szerkezete éjjel és nappal. A napsugárzás hozza létre a D és F1 réteget. Az E és F2 rétegeket a kozmikus sugárzás hozza létre, illetve a kis s r ség miatt lesz magas az ionizáció foka. 6

8 3.2. Direkt módus A direkt módus a legegyszer bb, az antennából a leveg n keresztül kiinduló hullámok egyenes vonalban terjednek, akárcsak a vákuumban. A direkt módus a horizontig jut el, amit saját szemünkkel látunk az adó antennától, odáig jut el a jel, angolul ezért 'line of sight' (a látás vonala) terjedésnek is hívják. A hatótávolságát R horizont egyszer en ki lehet számolni sík terepen, felhasználva, hogy a Föld sugara jóval nagyobb az antenna magasságánál h antenna. Ezt az alábbi ábra jól illusztrálja. R horizont [km] = 3.57 h antenna [m] (5) 5. ábra. A direkt módus hatótávolsága tengeri kommunikációval illusztrálva. Ha a vev antenna is magas, a két antenna horizont távolságának összege a hatótáv. A hatótávolságát a troposzféra nedvességén való szóródás, illetve a nedvesség elektromos vezetése a horizont mögé tudja növelni (troposzferikus szórás és vezetés) Felületi módus A felületi módus a hullámterjedésnek az a formája, amikor a rádióhullám csatolódik a Föld felszínéhez, ezért földhullámnak is elnevezték (groundwave). Ennek az oka a leveg -talaj határon található óriási törésmutató gradiens. Ez torzítja a hullámfrontokat, a talajhoz közel a front normálisának lesz egy talaj felé mutató komponense (6. ábra). A hullámfront alja a Föld görbülete mentén fog haladni, a teteje direkt módusként egyenesen. A talaj er sen disszipálja a felületi módus energiáját, ez limitálja a módus hatótávolságát Ionoszferikus terjedés Az ionoszféra plazmája a plazma frekvencia alatt ideális fémnek tekinthet, tökéletes visszaver déssel. Az ionoszféra sima rétegei (E és F) ezért jó tükörnek tekinthet k, amikr l visszaver dnek a rádióhullámok, ezért 7

9 6. ábra. A felületi módus a Föld görbületét követi, ezáltal a horizont mögé juthat. éghullámnak is elnevezték (Skywave). Mivel a talaj is elég jó vezet, többszörös visszaver dések történhetnek a talaj és az ionoszféra között, ezzel az egész Földet körbejáró rádióhullámokat lehet létrehozni. Magyarok által kedvelt példa erre, hogy a Kossuth rádiót Ausztráliában is lehetett fogni. A visszaver d hullámok a földön interferencia mintázatot fognak kialakítani, ezért habár a hatótáv nagy, mégsem lehet mindenütt fogni a rádió adást. Lesznek olyan pontok a Földön, ahol éppen kioltásban érkeznek a hullámok, itt nem lesz fogható az adás. A D rétegr l is visszaver dik a rádióhullám, azonban ennek az abszorpciója is nagy, így nappal mégis limitált lesz a nagy távolságú kommunikáció, különösképpen AM moduláció esetén. A talajt és az ionoszférát párhuzamos tükrökként lehet elképzelni, ezek hosszú hullámú rádió adásokra hullámvezet ként viselkednek, ami egy újabb hullámterjedési módust enged meg. Az alábbi táblázatban összefoglaltam, hogy melyik frekvencia tartomány melyik terjedési módust tudja elérni Hullám gyengülés Terjedésük során a hullámok energiát veszítenek, ami limitálja a hatótávolságukat: amikor a jel-zaj arány túl kicsi, akkor már nem lesz kivehet a jel. A hullámterjedésben résztvev mindhárom közeg disszipálja az energiát, így minden egyéb hatás nélkül is gyengülne a jel. Emellett azonban a földön és leveg ben lev tárgyakról szóródik a hullám, ami nem csak a jelet gyengíti, de még zajt is generál. Ilyen tárgyak lehetnek es cseppek, villámok ionizációs nyoma, meteorok, sarki fények, a troposzféra nedvessége, repül gépek, 8

10 7. ábra. Az ionoszferikus módus a plazma és a talaj között ver dve akár körbejárhatja a Földet, azonban nem mindenhol lesz fogható. 8. ábra. Hosszú hullámú rádióhullámokat megvezeti a két párhuzamos tükör. Itt nincsenek vakfoltok a Földön. vasbeton épületek, hidak, stb. 9

11 1. táblázat. A módusok frekvencia függése Sáv jele Sáv neve Frekvencia Hullámhossz Módusok VLF Very Low Frequency 3-30 khz km Hullámvezet LF Low Frequency khz 10-1 km Hullámvezet, Földhullám MF Medium Frequency khz m Földhullám, Éghullám HF High Frequency 3-30 MHz m Éghullám VHF Very High Frequency MHz 10-1 m Éghullám, Direkt módus, trop. vez. UHF Ultra High Frequency GHz mm Direkt módus, trop.vez. SHF Super High Frequency 3-30 GHz mm Direkt módus EHF Extremely High Frequency GHz 10-1 mm Direkt módus abszorpcióval 4. M holdas kommunikáció A m holdas kommunikáció mára elengedhetetlen része a távközlésnek. M holdakon keresztül teremtenek telefon kapcsolatot izolált vagy ritkán lakott területekkel, sugároznak TV adást, részt vesznek az internetben, mozilmeket továbbítanak a szerz dött vetít termekbe, stb. A m holdas kommunikáció legnagyobb kihívása a m holdak megfelel pályára állítása, és a földi antennákkal a megfelel követésük Geostacionárius pálya A geostacionárius pályák km magasan vannak az Egyenlít fölött. Ezek keringési ideje és tengelye pont egyezik a Föld forgási idejével és tengelyével, ezért a Földr l álló testeknek látszanak (9. ábra). El nyük, hogy a földi antennáknak nincs szükségük követésre, így bárki, aki kell pontossággal egyszer beállítja az antennáját, fogja az adást. Ideális TV közvetítésre, hiszen számos ember hozzáfér a felhasználói oldal egyszer sége miatt. Hátránya, hogy a pályára állítás költsége nagy és nagy teljesítmény antennát kell rá felszerelni a távolság miatt, valamint a sarkokhoz közel rossz a vétel, mert vastag légrétegen kell átjutnia a rádió jelnek Molniya pálya A Molniya pálya szovjet találmány, amivel helyettesíteni akarták a geostacionárius m holdakat a sarkok környékén. Számukra a vétel már nem volt jó, ezért olyan pályára állítottak m holdakat, amelyek látszólagos elmozdulása hosszú id re elég kicsi volt, hogy ne kelljen követni a m holdat. Ezért az egyenlít vel nagy szöget (kb. 60 ) bezáró, er sen elliptikus pályára állították a m holdakat, kb km maximális távolsággal. Földtávolban csak lassan mozog a Földhöz képest, és a 2. Kepler törvény miatt itt tartózkodik legtovább, ekkor jól használható. A 12 órás keringési idejének elég nagy részét itt tölti, hogy 24 órás lefedettséget pár m holddal létre lehessen hozni Alacsony Föld körüli pályák Az alacsony Föld körüli pályák a geostacionárius pályák teljes ellentétei. A m holdakat a légkör határa fölé helyezik el, 90 perces keringési id vel. A fellövésük olcsó, kis teljesítmény antennákat kell rájuk tenni, azonban a Földr l csak rövid ideig láthatóak, kis területet fednek le. Ezért többnyire klaszterekben használják ket: közeli pályára állítanak több m holdat, adott pontba az jelet úgy sugározzák le, hogy mindig az aktuálisan jól vehet m hold kommunikál a földi antannával. Ezzel a munkamegosztással elég kis veszteségi eséllyel továbbíthatóak információk. Általában nem folytonos üzemmódban használják ket, ami azt jelenti, hogy az egyik pontban feltöltik a klaszterre az információt, a klaszter ez után inaktív, és akkor adja le az információt, amikor a cél fölé ér. 10

12 9. ábra. A geostacionárius m holdak látszólag állnak, míg az állócsillagok elmozdulnak, ahogy a Föld forog Közepes Föld körüli pályák A közepes Föld körüli pályák átmenetet képeznek a geostacionárius és az alacsony pályák között. A magasságtól függ, mennyi ideig látható, milyen er s antenna kell rá, mennyibe kerül a fellövése. Ezeket többnyire egyéni üzemben alkalmazzák, vagyis követés szükséges a kommunikációhoz. Ez alól kivételt tesz 11

13 10. ábra. A Molniya m hold pályája. Az egynelít vel nagy szöget zár be, és er sen elliptikus. a GPS m hold rendszer, itt ugyanis a vev készülékben nincsen követ berendezés. Megtéveszt, hogy a GPS m holdak hálózatot alkotnak, ezért klaszteres m ködés eknek gondolhatók, azonban minden m hold önállóan továbbítja a céhoz az információját, ebben az értelemben ezek egyéni üzem m holdak. 12

14 11. ábra. A Molniya pálya levetítése a felszínre. A kis hurkokban tölti a legtöbb id t, ekkor nem kell hozzá követés. 12. ábra. A m hold pályák Föld felszínt l való távolsága. Viszonyítási pontnak a Hold távolsága is szerepel. 13