Podręcznik

Strona:	SEZAM - System Edukacyjnych Zasobów Akademickich i Multimedialnych
Kurs:	Telekomunikacja mikrofalowa
Książka:	Podręcznik

Wydrukowane przez użytkownika:	Gość
Data:	poniedziałek, 20 maja 2024, 13:39

1. Wiadomości wstępne

Co to jest system transmisyjny

Na rys.1.1 pokazano ideowy układ blokowy systemu do transmisji danych. Trzy składniki systemu grają w nim główne role:

nadajnik,
medium transmisyjne,
odbiornik.

Rys.1.1. Układ ideowy mikrofalowego systemu transmisji danych.

Medium transmisyjne może być dobrane w różny sposób. Może nim być współosiowy kabel koncentryczny (częste rozwiązanie w systemach telewizji kablowych), może być wolna przestrzeń i propagacja od anteny do anteny. Tak tworzy się radiolinia, której pierwowzorem były systemy transmisji radiowej.
Aby transmisja informacji (ciąg impulsów, bądź sygnał analogowy) miała miejsce posługujemy się falą nośną, na którą nakładamy informację w procesie modulacji. Proces propagacji zmodulowanej fali nośnej połączony jest ze znacznym osłabieniem sygnału. W odbiorniku sygnał zostaje wzmocniony do odpowiedniego poziomu, po czy fala nośna zostaje usunięta w procesie demodulacji.

1.1. Transmisja radiowa

Po pierwszej transmisji radiowej dokonanej przez Marconiego w roku 1895 rozpoczął się szybki rozwój radiowych technik transmisyjnych z wykorzystaniem fal długich, średnich, krótkich, a następnie ultrakrótkich. Poddano analizie proces pobudzania fali elektromagnetycznej przez antenę.

Rys.7.2. Układ ideowy radiolinii z nadajnikiem i odbiornikiem.

Antena jest urządzeniem, które przekształca falę elektromagnetyczną w prowadnicy falowej w falę płaską rozchodzącą się w przestrzeni. Rozkład pola elektromagnetycznego w pobliżu anteny może mieć rozmaity charakter, w zależności od konfiguracji powierzchni metalowych. W miarę oddalania od anteny fala nabiera charakteru fali kulistej, a dalszej odległości fali płaskiej, co z dużym uproszczeniem pokazano na rys.7.2.
Transmisja fali jest stosunkowo prosta, jeśli obie anteny, nadawcza i odbiorcza „widzą się” wzajemnie (ang. line-on-sight).

Rys.7.3. Transmisja sygnału między nadajnikiem i odbiornikiem. A) Propagacja w dukcie między ziemią i jonosferą.
B) Propagacja w warunkach ugięcia fali.
C) Propagacja line-on-sight.

Taką sytuację ilustruje rys.7.3C. Na rys.7.3B transmisja jest możliwa mimo braku bezpośredniej widoczności dzięki dobrze znanemu w optyce zjawisku ugięcia fali elektromagnetycznej. Najbardziej złożony problem transmisji pokazano na rys.7.3A. Fala elektromagnetyczna dociera do odbiornika dzięki wielokrotnym odbiciom od jonosfery i od ziemi. Jonosfera, warstwa rozrzedzonej atmosfery z wieloma zjonizowanymi cząsteczkami jest w stanie odbić falę EM o określonych długościach. Dzięki temu fale o długościach kilkudziesięciu metrów wysyłane przez anteny na półkuli północnej docierają do odbiorników na półkuli południowej. Wszystkie wymienione efekty występują łącznie, niekiedy ułatwiając transmisję, niekiedy komplikując proces transmisji.

1.2. Tłumienie atmosfery

Jest oczywiste, że w miarę oddalania się od anteny natężenie pola EM maleje. Gdy transmisja ma miejsce w atmosferze dodatkowym czynnikiem osłabianie fali EM jest pochłanie jej energii przez atmosferę. Pokazuje to rys.1.4.

Rys.1.4. Tłumienie sygnałów mikrofalowych w atmosferze na różnych wysokościach.

Tłumienie fali EM jest w zakresie dużych długości fali jest niewielkie. W miarę wzrostu częstotliwości rośnie osiągając kolejne maksima. Maksima występują dla częstotliwości fali, przy których następuje pobudzenie cząstek kolejno: H₂O, O₂, znowu H₂O i znowu O₂, itd. Dla częstotliwości około 200 GHz tłumienie jest o trzy rzędy wielkości większe, niż dla 6 GHz.
Na omawianym wykresie nie uwzględniono dodatkowego tłumienia w warunkach silnego zamglenia, opadów deszczu, a szczególności deszczu ze śniegiem, w których to warunkach tłumienie rośnie wielokrotnie.

2. Anteny

Anteny tworzą połączenie w wolnej przestrzeni dla fali propagowanej w prowadnicy falowej (falowody, kable współosiowe) dostarczonej przez nadajnik i odebranej przez odbiornik.
Celem anteny nadawczej jest sprawna przemiana prądów i mocy fali sygnału mikrofalowego w obwodzie wzmacniacza, albo w prowadnicy w moc fali propagowanej w wolnej przestrzeni.
Antena odbiorcza pobiera energię fali z przestrzeni i kieruje ją do prowadnicy w celu dalszej obróbki, wzmocnienia, mieszania, itp..
Anteny systemów satelitarnych, łączy radiowych wypromieniowują falę w postaci wąskiej wiązki (pencil beam).
W zakresie częstotliwości mikrofalowych wiązkę taką tworzą np. reflektor paraboliczny oświetlony przez rożek promieniujący.
Anteny telekomunikacji ruchomej, komórkowej, sieci radiowych i telewizyjnych wypromieniowują wiązkę dookólną (np. antena dipolowa).
Antena jest elementem odwracalnym, jej właściwości nadawania - wypromieniowania fali są identyczne jak odbioru.

2.1. Obszary pola wokół anteny

Pole EM wypromieniowane przez antenę zmienia charakterystykę, konfigurację ze wzrostem odległości od anteny. W bezpośredniej bliskości anteny znajduje się obszar indukcji, pole EM związane jest równaniami Maxwella z prądem wzbudzającym, płynącym w antenie.
Kolejno strefą jest pole bliskie, zwane strefą Fresnela. Fala w tej strefie jest falą kulistą, amplituda i faza natężenia pola zależy od kwadratu odległości od różnych części anteny.

Rys.2.5. Strefy wokół anteny

Rys.2.6. Charakterystyka promieniowania anteny dookólnej.

Najdalszym jest obszar pola dalekiego, zwanego strefą Fraunhofera. W tym obszarze fala ma charakter fali płaskiej, amplituda pola elektrycznego i magnetycznego maleją liniowo z odległością.

2.2. Charakterystyka promieniowania anteny

Kierunkowe właściwości anteny opisuje charakterystyka promieniowania. Określa ona przestrzenny rozkład promieniowanej energii. Charakterystyka promieniowania definiowana jest jako rozkład gęstości mocy promieniowania $F(\theta ,\phi )$ na powierzchni kuli o środku pokrywającym się ze środkiem anteny.

$F(\theta ,\phi )=r^{2}\left | \vec{E}(\theta ,\phi )\mathrm{x} \vec{H}(\theta ,\phi )\right |=r^2{S}(\theta ,\phi );$

(2-1)

W zależności powyższej $\vec{E}$ i $\vec{H}$ są natężeniami pól elektrycznego i magnetycznego w strefie dalekiej, malejącymi jak 1/r a ${S}(\theta ,\phi )$ jest wektorem Pointing’a.
Charakterystyki promieniowania podawane są w rozmaity sposób. Może to być układ prostokątny jak na rys.2.7, bądź w układzie biegunowym, jak na rys.2.8.

Rys.2.7. Charakterystyka promieniowania w układzie prostokątnym.

Rys.2.8. Charakterystyka promieniowania w układzie biegunowym.

W niektórych przypadkach charakterystyki anten prezentowane są w układzie trójwymiarowym. Dodajmy do tego, że wartości $F(\theta ,\phi )$ anten mogą być prezentowana w mierze liniowej – rys.2.8, lub w mierze logarytmicznej – rys.2.7.

2.3. Wzmocnienie i kierunkowość anteny

Charakterystyki promieniowania obrazowane są często oddzielnie dla pól E i H, pozwalają określić wiązkę główną i wstęgi boczne. Określane są także takie parametry, jak:

szerokość wiązki głównej jako kąt, dla którego F_max wiązki głównej zmniejsza się o 3dB,
wzmocnienie G określające zdolność anteny do koncentracji energii w wybranym kierunku,
kierunkowość D jako stosunek maksymalnej gęstości mocy promieniowania do średniej gęstości mocy promieniowania.
Kierunkowość wyrażona jest następującą zależnością:

$D=\frac{4\pi F_{max}}{P_{wyprom.}}=\frac{4\pi F_{max}}{\int_{\phi =0}^{2\pi }\int_{\theta =0}^{\pi }F(\theta ,\phi )\sin\theta \mathrm{d}\theta \mathrm{d}\phi };$

(1-2)

Kierunkowość D jest jednoznacznie określona przez charakterystykę promieniowania anteny. Kierunkowość podawana jest w decybelach.
Antena wypromieniowuje mniej mocy, niż pobiera, opisuje to sprawność anteny $\eta$ , jako stosunek mocy wypromieniowanej przez antenę P_r do mocy doprowadzonej do anteny P_T.

$G=\eta D;$

(1-3)

Średnia gęstość mocy promieniowania jest równa całkowitej mocy wypromieniowanej podzielonej przez pełny kąt bryłowy.

2.4. Przykłady konstrukcji i charakterystyk

W okresie ostatnich 100, od eksperymentu Marconiego opracowano i zastosowano bardzo wiele ciekawych konstrukcji anten. Opiszemy krótko niektóre z nich.
Anteny przewodowe należą do najprostszych, używanych już przez Marconi’ego i rozwiniętych przez Hertz’a. Najprostszą konstrukcją jest antena dipolowa, pokazana na rys.2.9A.
Antena monopolowa montowana jest na płaszczyźnie uziemionej, bądź na ziemi w przypadku anten radiowych na fale długie, średnia i krótkie. Anteny monopolowe stosowane są powszechnie w telefonach komórkowych. Anteny tego typu promieniują dookólnie.

Rys.2.9. Antena dipolowa. A).Przykład charakterystyki anteny dipolowej.
B) Dipol złożony pętlowy.

Anteny przewodowe stosowane są chętnie w zakresie fal radiowych od fal długich do krótkich, a także w zakresie fal ultrakrótkich. Są to anteny łatwe i tanie w wykonaniu.
Ciekawą konstrukcję anteny Yagi-Uda (nazwiska japońskich konstruktorów) pokazano na rys.2.10. Pręty metalowe o odpowiednio dobranej długości i w odpowiednich odstępach znacznie poprawiają kierunkowość anteny dipolowej.

Rys.2.10. Konstrukcja anteny Yagi-Uda.

Antena helikalna jest otwarciem linii współosiowej do półprzestrzeni, ze specyficznym, spiralnym zakończeniem przewodu wewnętrznego. Antena tego rodzaju ma już charakterystykę kierunkową – rys.2.11.

Rys.2.11. Antena helikalna i jej charakterystyka.

Rogi i tuby promieniujące są kolejną rodziną anten związanych z techniką falowodową. Są one naturalnym zakończeniem otwartego do półprzestrzeni falowodu. Anteny tego typu są szerokopasmowe, pracują w całym pasmie falowodu. Ponadto charakteryzują się dobrą kierunkowością. Ich prostą strukturę pokazano na rys.2.12.

Rys.2.12. Przykłady anten tubowych. A) Antena tubowa jako zakończenie falowodu prostokątnego. B) Antenatubowa jako zakończenie falowodu cylindrycznego.

Rozwój technologii układów planarnych postawił problem konstrukcji anten planarnych. Na rys.2.13 pokazano antenę zbudowaną w oparciu o linię mikropaskową. Element taki jest prostym obwodem rezonansowym. Pole elektromagnetyczne zostaje wypromieniowane do półprzestrzeni i efekt promieniowania jest właściwie decydującym źródłem strat.
Charakterystyka przedstawionej na ry.2.13 anteny jest bardzo selektywna. Aby ja poszerzyć zwiększa się liczbę elementów promieniujących do 4, 8 lub 16. Charakterystyki anteny znacznie poprawiają się, istotnie rośnie kierunkowość anteny i poszerza się pasmo pracy.

Rys.2.13. Przykłady anteny planarnej, wykorzystującej linię mikropaskową.

Anteny z reflektorami parabolicznymi, są oświetlone przez antenę małego rozmiaru, np. tubową – rys.2.12. Rozmiary reflektora są różne, od kilku metrów do 100 metrów (anteny stosowane w radioastronomii). Anteny tego typu mają bardzo duże wzmocnienie i kierunkowość. Stosowane są chętnie w systemach radiolokacyjnych i satelitarnych.

Rys.2.14. Antena tubowa oświetla antenę z reflektorem parabolicznym.

Szyki antenowe, to szereg elementów promieniujących zasilanych z tego samego źródła sygnału mikrofalowego. Kierunek propagacji zależy od różnicy faz między kolejnymi elementami. Gdy faza sygnałów dochodzących do elementów promieniujących jest taka sama, to wiązka wypadkowa wypromieniowana przez szyk jest prostopadła do linii szyku. Gdy faza sygnałów dochodzących do elementów promieniujących jest zmieniana z jednakowym krokiem od elementu do elementu, to wiązka zmienia kierunek propagacji. Kierunek ten może być zmieniany odpowiednim sterowaniem przesuwnikami fazy. Ponieważ sterowanie przesuwnikami fazy odbywa się elektronicznie, to w rezultacie otrzymuje się antenę o wiązce kierowanej elektronicznie.

Rys.2.15. Szyk antenowy o regulowanym kierunku promieniowania.

Należy jeszcze dodać, że anteny tego typu mają znakomite charakterystyki promieniowania.

3. Radiolinia

Przesłanie informacji drogą radiową odbywa się w układzie, którego schemat pokazano na rys.3.16. Podstawowe elementy systemu to nadajnik i odbiornik, wyposażone w anteny, między którymi sygnał przesyłany jest w wolnej przestrzeni (atmosfera Ziemi, przestrzeń między satelitami).
Celem transmisji radiowej jest przesłanie informacji. Informacją może być muzyka, obraz, sygnał analogowy albo cyfrowy, a także wiele informacji przesyłanych równocześnie. Do przesyłania sygnału wykorzystywana jest fala nośna o częstotliwościach bardzo różnych, od fal radiowych długich do fal milimetrowych.
Fala nośna zostaje zmodulowana informacją, rodzaje modulacji opisano w jednej z poprzednich lekcji. Po odpowiednim wzmocnieniu zmodulowana nośna kierowana jest do anteny.

Rys.3.16. Ideowy, uproszczony schemat blokowy łącza radiowego do transmisji informacji.

Antena odbiornika odbiera niewielką część wypromieniowanej przez nadajnik mocy. Sygnał odebrany zostaje przed dalszą obróbką wzmocniony i poddany procesowi demodulacji, w którym nośna zostaje usunięta i informacja odzyskana.

3.1. Równanie transmisji mocy

W pokazanej na rys.3.16 strukturze łącza radiowego nadajnik wysyła moc P_N anteną o wzmocnieniu G_N. Gęstość mocy w miarę oddalania zmienia się jak 1/R². Gęstość mocy S w odległości R:

$S[\mathrm{W/m^{2}}]=\frac{P_NG_N}{4\pi R^2};$

(3-4)

Moc P_O odbierana przez odbiornik:

$P_O=SA_{ef};$

(3-5)

Tutaj A_efjest skuteczną powierzchnią anteny odbiorczej. Można ją zapisać wykorzystując parametr wzmocnienia anteny odbiorczej:

$A_{ef}=\frac{\lambda ^{2}G_O}{4\pi };$

(3-6)

Dochodzimy łatwo do równania transmisji mocy:

$P_O=P_N\frac{G_NG_O\lambda ^2}{(4\pi R)^{2}};$

(3-7)

Jest oczywistym, że moc odbierana jest zależna od mocy wypromieniowanej przez nadajnik. Zależy ona też od wzmocnień G_N i G_O obu anten. Moc odbierana maleje jak 1/R². Jednakże iloczyn $G_NG_O\lambda ^2$ nie maleje ze wzrostem częstotliwości jak 1/f², gdyż wzrastają wzmocnienia.

Rys.3.17. Porównanie tłumienia dla transmisji sygnału w wolnej przestrzeni i linią transmisyjną.

Równanie transmisji mocy pozwala porównać tłumienie sygnału przy transmisji w wolnej przestrzeni i linią transmisyjną. Okazuje się, że transmisja w wolnej przestrzeni jest zdecydowanie korzystna na duże odległości, np. transmisja satelitarna, międzysatelitarna. Przy odległościach kilometrów – setek kilometrów najlepsze rezultaty osiąga się przy użyciu światłowodu, o najmniejszym znanym tłumieniu.

3.2. Nadajnik i Odbiornik

Opiszemy teraz nieco dokładniej układ i funkcje nadajnika. Dobrze odseparowany od obciążenia lokalny oscylator LO wytwarza sygnał sinusoidalny o niewielkim poziomie mocy (poniżej 1 W). Sygnał ten skierowany jest do układu modulatora – rys.3.18.

Rys.3.18. Schemat ideowy nadajnika radiolinii.

Do modulatora kierowany jest także sygnał niosący informację. W niektórych przypadkach, gdy wykorzystujemy modulację częstotliwości, sygnał z informacją kierowany jest do oscylatora aby modulować jego częstotliwość. Jednak najczęściej układ modulatora – kombinacja sprzęgaczy i diod Schotky’ego - umieszczony jest poza oscylatorem.
Sygnał wyjściowy modulatora jest zwykle filtrowany. Do dalszej obróbki wybierane są rozmaite wstęgi, niekiedy z nośną, niekiedy bez nośnej.
Poziom mocy sygnału zmodulowanego jest zwykle niewielki i przed dotarciem do anteny sygnał jest silnie wzmacniany. Poziom mocy kierowanej do anteny jest rozmaity. W przypadku nadajników telewizyjnych sięga 100 kW, w przypadku telefonów komórkowych, z których prawie wszyscy korzystamy, może sięgać 1 W.
Schemat ideowy odbiornika radiolinii pokazuje rys.3.19. Moc sygnału odebranego przez antenę odbiornika jest zwykle niewielka. Jest ona wzmacniana przez specjalnie konstruowane wzmacniacze niskoszumne.

Rys.3.19. Schemat ideowy odbiornika radiolinii.

Sygnał po wzmocnieniu podany jest zwykle do mieszacza diodowego, wraz z sinusoidalnym sygnałem lokalnego oscylatora, w celu obniżenia częstotliwości. Po odpowiedniej filtracji sygnał o częstotliwości pośredniej f_IF jest kolejny raz wzmacniany i poddany detekcji. Proces przemiany częstotliwości może być kilkakrotnie powtarzany.

3.3. Multipleksja

Łączem radiowym przesyłamy zwykle wiele informacji, rozmów, kanałów telewizyjnych, często z różnymi typami modulacji. Proces łączenia rozmaitych fal nośnych przed ich skierowaniem do anteny nazywamy multipleksacją – rys.3.20. Każda z informacji moduluje jedną falę nośną. Sygnały sumujemy, wzmacniamy i transmitujemy do anteny.

Rys.3.20. Łącze radiowe z wieloma nośnymi do jednoczesnego przesyłania wielu informacji.

Po stronie odbiornika wzmacniamy i rozdzielamy. Proces ten, realizowany zresztą w rozmaity sposób, nazywamy demultipleksacją. Znanym układem realizującym proces demultipleksacji jest odbiornik radiowy. Do anteny odbiornika radiowego docierają z przestrzeni sygnały setek stacji radiowych, na rozmaitych częstotliwościach, w rozmaitych pasmach, rozmaicie modulowanych. Odpowiedni system wzmacniania i filtrowania zapewnia nam skuteczny i selektywny odbiór wybranej stacji, z wytłumieniem niepożądanych sygnałów innych stacji.

4. Radar

Radar (ang. Radio Detection and Raging) powstał w Wielkiej Brytanii i zapisał swoje wspaniałe karty w słynnej Bitwie o Anglię. Radar jest znaczącym zastosowaniem techniki mikrofalowej.
To prawda, że zastosowania wojskowe były paliwem napędowym rozwoju tych urządzeń. Jednakże bardzo szybko radar znalazł swoje zastosowania cywilne, bardzo różnorodne. Dość powiedzieć, że radary meteorologiczne wykrywają obszary chmur grożących silnymi deszczami, a inne wędrujące skupiska szarańczy.
Zasada działania radaru oparta jest o wykorzystanie zjawiska echa. Sygnał mikrofalowy wypromieniowany przez antenę nadawczą dociera do obiektu – rys.4.21. Część mocy odbija się i wraca do anteny odbiorczej (zwykle jedna antena pełni obie funkcje). Analiza powracającego sygnału pozwala określić parametry śledzonego obiektu, np. jego odległość od anteny, prędkość, wysokość nad poziomem ziemi, itp..
Jednym z najważniejszych parametrów radaru jest jego zasięg. Wyprowadzimy teraz podstawowe równanie – równanie zasięgu radaru.

Rys.4.21. Zasada działania radaru, monostatycznego, gdy nadajnik i odbiornik korzystają z tej samej anteny i bistatycznego, gdy anteny nadawcza i odbiorcza są rozdzielone.

Moc P_N nadajnika daje w sąsiedztwie obiektu gęstość mocy S_N równą:

$S_N=\frac{P_NG}{4\pi R^{2}};$

(4-8)

Obiekt, o przekroju czynnym $\sigma$ , odbija w stronę odbiornika część mocy:

$P_{odbita}=\sigma S_N;$

(4-9)

Moc powracająca maleje jak 1/4 $\pi$ R², moc P_O odebrana przez odbiornik równa jest zatem:

$P_O=\frac{P_NG^2\lambda ^{2}\sigma }{(4\pi)^{2} R^4};$

(4-10)

Przyjmując, że najmniejsza moc detekowalna przez odbiornik wynosi P_O=P_MIN, można napisać równanie maksymalnego zasięgu R_MAX radaru:

$R_{MAX}=\sqrt[4]{\frac{P_NG^2\lambda ^{2}\sigma }{(4\pi)^{2} P_{MIN}}};$

(4-11)

Zasięg radaru zależy od wielu czynników, z których najważniejsze to moc wypromieniowanego impulsu P_N, wzmocnienie anteny G, długość fali $\lambda$ i czułość odbiornika P_MIN. Tajemniczym parametrem jest przekrój czynny $\sigma$ . Duże, metalowe obiekty, takie jak samoloty pasażerskie posiadają duży przekrój czynny, ptaki wędrowne wielokrotnie mniejszy.

4.1. Radar impulsowy

Radar impulsowy jest wspaniałym urządzeniem o ogromnej użyteczności. Trudno sobie wyobrazić możliwość kierowania ruchem samolotów, startami i lądowaniami bez radaru, urządzenia, które z wielką dokładnością wykrywa i kontroluje położenia samolotów w przestrzeni. Na zdjęciu obok zdjęcie radaru na fale milimetrowe. Radar dla wojska, ale jawnie reklamowany przez producenta.
Zasada działania radaru impulsowego wykorzystuje zjawisko echa – rys.4.22. Silny, krótki (0,1...1 $\mu$ s) impuls o mocy kilka MW zostaje wypromieniowany w kierunku celu.
W czasie transmisji impulsu przełącznik N/O nadawanie-odbiór ustawiony jest na „nadawanie”. Następnie przełącznik przestawia się z N na O „odbiór” i nasłuchuje echa. Mała część mocy odbitej od obiektu wraca po czasie $\tau$ =2l/c, pomiar czasu (1 $\mu$ s=150m) daje odległość obiektu, od którego odbiła się fala. Kierunkowość anteny i jej położenie pozwala określić kierunek, w którym znajduje się obiekt, gdyż w tym kierunku wypromieniowano impuls i z tego kierunku odebrano echo. Antena radaru obraca się powoli, a wiązka wraz z nią, w każdej sekundzie wysyła wiele impulsów.

Rys.4.22. Radar impulsowy.
A) Schemat ideowy radaru.
B) Impulsy nadawane (czerwone): czas repetycji T i impuls odebrany (zielony) po czasie $\tau$ .

Zasięgi radarów impulsowych rzadko przekraczają granicę 500 km, choć w specjalnych wydaniach radarów „pozahoryzontalnych” przekraczają kilka tysięcy kilometrów.

4.2. Radar Doppler’owski

Efekt zmiany częstotliwości fali w zależności od prędkości poruszających się obiektów wytwarzających i odbierających falę, oraz od prędkości ośrodka, w którym fala się rozchodzi został okryty przez Dopplera i nazwany jego nazwiskiem.
W opisywanym przypadku radaru, śledzony obiekt zostaje „oświetlony” sygnałem o częstotliwości f_C wysłanym z anteny – rys.4.23. Obiekt ten przesuwa się w stronę anteny z prędkością v. Część mocy padającej odbija się i wraca do anteny. Sygnał odbity zmienia swoją częstotliwość o f_D, (to jest właśnie efekt Doppler’a).
Częstotliwość sygnału odbitego jest większa lub mniejsza o f_D, w zależności od tego, czy obiekt się zbliża, czy też oddala. Fakt ten można z łatwością wykryć.

Rys.4.23. Schemat ideowy radaru wykorzystującego efekt Doppler’a do pomiaru prędkości.

Schemat ideowy radaru dopplerowskiego pokazano na rys.4.23. Radary doplerowskie pracują z falą ciągłą. Stosowane są chętnie przez policje drogowe. Ich zasięg jest wtedy niewielki, poniżej 100 metrów, wypromieniowane moce mniejsze od 100 mW. Radary dopplerowskie umieszczane np. na helikopterach, oświetlają powierzchnię ziemi mierząc odległość od niej i prędkość poruszania się względem niej. Moce nadawania są wtedy większe, rzędu kilku watów.

4.3. Zasady i klasyfikacja

Powszechnie przyjmujemy, że podstawy radiokomunikacji, albo komunikacji bezprzewodowej stworzyli:

Maxwell publikując system równań opisujących zachowanie się i propagacje pola elektromagnetycznego,
Hertz potwierdzając eksperymentami właściwości fali elektromagnetycznej,
Marconi dokonując w 1895 roku pierwszej radiowej transmisji.

Od czasu eksperymentu Marconiego systemy radiokomunikacyjne ogromnie rozwinęły się i zajmują ważne miejsce w ogólnoświatowym systemie telekomunikacyjnym.
Podamy teraz prostą klasyfikację systemów radiokomunikacyjnych używając nazewnictwa angielskiego, które powinno być Czytelnikowi zrozumiałe.

Systemy point-to-point wykorzystują jeden nadajnik i jeden odbiornik, często jest to transmisja w jedną stronę.
Systemy point-to-multipoint wykorzystują centralny nadajnik i wielką liczbę odbiorników. Tak pracują systemy radiowe AM I FM, systemy telewizyjne.
Systemy multipoint-to-multipoint pozwalają na jednoczesne połączenie wielu użytkowników. Systemy te wykorzystują sieci stacji bazowych. Przykładami są systemy telefonii komórkowej, czy też lokalne sieci bezprzewodowe.

Inny dobrze znany i oczywisty podział dotyczy kierunku transmisji informacji:

Systemy simplex pozwalają na komunikację tylko w jedną stronę, od nadajnika do odbiornika (systemy transmisji radiowej i telewizyjnej).
Systemy half-duplex pozwalają na komunikację w obu kierunkach, ale nie jednocześnie (wczesne systemy komunikacji ruchomej).
Systemy full-duplex pozwalają na jednoczesną transmisję informacji w obie strony (telefonia komórkowa)

Systemy telekomunikacyjne rozwijają się pod stały ciśnieniem potrzeb zapewnienia jednoczesnej transmisji coraz to większej liczby informacji. Dla systemów radiokomunikacji wykorzystującej transmisję fal elektromagnetycznych w wolnej przestrzeni oznaczało to konieczność wykorzystywania pasm coraz to krótszych fal, mikrofal, fal milimetrowych i submilimetrowych. Rozwój techniki kosmicznej umożliwił wyniesienie systemów radiokomunikacyjnych daleko nad powierzchnie Ziemi i globalizację transmisji. Zapoznajmy się z niektórymi elementami tej niezwykłej techniki.

4.4. Ewolucja systemów satelitarnych

W latach 60. rozpoczęła się era telekomunikacji satelitarnej. Trudno dociec, który satelita jako pierwszy zaczął pełnić funkcje transmisji danych, gdyż być może był to satelita tajny, przygotowany do pełnienia funkcji wojskowych.
Wypunktujemy teraz krótko najważniejsze kierunki rozwoju systemów radiokomunikacji satelitarnej. Pierwsze systemy wymagały budowy dużych stacji naziemnych, o średnicach anten przekraczających 30 metrów. Moce nadajników satelitarnych były niewielkie, a współczynnik szumów odbiorników był stosunkowo duży. W kolejnych dekadach rosły rozmiary i waga satelitów, a malały rozmiary stacji naziemnych, co pokazano w Tabeli 5.1. Obecnie instalowane systemy pozwalają na użycie ruchomych niewielkich systemów naziemnych, a oczekuje się, że wkrótce będą to systemy osobiste.
Tabela 5.1: Ewolucja wagi i wymiarów elementów systemów satelitarnych.

Na przestrzeni 40 lat systemy odbiorcze i nadawcze wykorzystywane przez satelity komunikacyjne uległy zasadniczej, a nawet wielokrotnej zmianie. Pierwsze generacje satelitów wykorzystywały lampy próżniowe z falą bieżącą jako nadawcze o mocy kilkuset watów, gdyż ówczesne tranzystory nie pozwalały na uzyskanie takiej mocy. Dokonała się więc w pierwszej kolejności tranzystoryzacja systemów satelitarnych. W kolejnych generacjach użyto mikrofalowe układy scalone, co zredukowało wymiary i wagę urządzeń. Nie szło to w parze ze zmniejszeniem wagi i wymiarów satelity, gdyż wzrost wagi wywołany jest dążeniem do zwiększenia mocy nadajników satelity, a wzrost wymiarów wynika ze zwiększenia wydajności baterii słonecznych drogą powiększenia powierzchni absorbujących promieniowanie słoneczne.
Kolejne systemy satelitarne wykorzystują coraz wyższe częstotliwości. Pierwsze z nich wykorzystywały pasmo L (1...2GHz), a system Olympus pracuje na częstotliwościach 30/20 GHz typowych dla pasma K. Planowane są kolejne systemy, które wykorzystają pasmo fal milimetrowych.

5. Satelita na orbicie

Aby satelitę umieścić na orbicie należy posłużyć się rakietą. Bez rakiet nośnych nie powstały by systemy satelitarne. O rakietach nośnych wynoszących satelity na orbity okołoziemskie napisano wiele i ciągle o nowych osiągnięciach i porażkach pisze prasa.
Jeśli przygotowujemy satelitę do misji komunikacyjnej, to należy ustalić na jakiej orbicie zostanie on umieszczony. Popatrzmy najpierw gdzie go można umieścić. Na rys.5.24 pokazano klasyfikację orbit.
Najniżej, między 500 a 1.500 km, położone są orbity LEO – Low Earth Orbit. Oddalając się od Ziemi wchodzimy w tzw. pas Van Allena rozciągający się między 2.000 a 6.000 km. W pasie tym występują m.in. protony, cząsteczki pochodzące z promieniowania kosmicznego. Z tego powodu nie umieszcza się w tym pasie satelitów.
Kolejny pas między 6.000 a 12.000 km służy satelitom na orbitach MEO – Medium Earth Orbit. Kolejny pas promieniowania rozciąga się między 15.000 a 30.000 km i dlatego nie umieszcza się w nim obiektów.
Interesujący wymiar ma orbita zwana geostacjonarną GEO – Geostationary Earth Orbit, odpowiadająca wysokości ok. 36.000 km. Satelita umieszczony na tej wysokości w płaszczyźnie równika obraca się z prędkością kątową Ziemi i dlatego znajduje się zawsze nad tym samym punktem globu. Orbita geostacjonarna wykorzystywana jest chętnie przez satelity transmitujące programy telewizyjne.

Rys.6.24. Klasyfikacja orbity, na których umieszcza się satelity radiokomunikacyjne.

Oddzielnie należy wymienić orbity HEO – Highly Elliptical Orbit. Orbity te stosowane są do celów specjalnych. Wykorzystano je m.in. w systemie Mołnia, przygotowanym jeszcze przez dawny ZSRR do celów transmisji programów telewizyjnych.

Rys.6.25. Dwa podstawowe sposoby wykorzystania satelity radiokomunikacyjnego.A) Satelita pośredniczy między użytkownikami. B) Satelity tworzą system telekomunikacyjny, z który łączą się użytkownicy.

Mechanika ruchu na orbicie jest powszechnie znana. Siła grawitacji Ziemi jest wykorzystywana jako siła dośrodkowa zakrzywiająca tor satelity. Ruch na orbicie odbywa się zgodnie ze znanymi 3 prawami Keplera. O tym, czy orbita jest kołowa, czy eliptyczna decydują warunki początkowe, a dokładniej mówiąc wektor prędkości początkowej, nadanej satelicie przez silniki ostatniego członu rakiety nośnej.
Większość satelitów pełni role pośrednika między użytkownikami, co pokazano na rys.6.25A. Przykładem mogą być satelity retransmitujące programy telewizyjne z antenami kierującymi promieniowanie na wybrane fragmenty powierzchni globu. Systemy mogą zawierać kilka satelitów, między którymi jednakże nie prowadzi się transmisji sygnałów. Przykładem takiego systemu jest INMARSAT. Wreszcie układ wielu satelitów tworzy system telekomunikacyjny, o wymiarze globalnym. Takim systemem jest IRYDIUM.
Na przestrzeni ostatnich 4 dekad umieszczono na orbitach wiele satelitów i całych systemów komunikacyjnych. Wiele z nich zakończyło swoje zadanie i tworzy teraz złom kosmiczny. Wiele zostało sprowadzonych na Ziemię.

Tabela 6.2: Parametry wybranych satelitarnych systemów komunikacyjnych.

W Tabeli 6.2 zestawiono niektóre parametry wybranych 3 telekomunikacyjnych systemów satelitarnych, każdy charakterystyczny w swojej klasie. Najciekawszym z nich jest IRYDIUM, system 68 satelitów umieszczonych na orbitach LEO. Ten wspaniale zaprojektowany i przemyślany system poniósł kompletną klęskę na rynku telekomunikacyjnym, gdyż funkcje, do pełnienia których był projektowany przejęła znacznie tańsza telefonia komórkowa.
Jednak niepowodzenie systemu IRYDIUM nie oznacza końca dużych systemów satelitarnych. Projektowane są kolejne systemy: Odyssey i Globalstar. Pierwszy z nich będzie obsługiwany przez 12 satelitów na orbitach MEO 10 354 km. W drugim systemie zaplanowano 48 satelitów na orbitach LEO 1400 km.
Satelitarne systemy telekomunikacyjne są wspaniałym tworem inżynierii, prawie doskonałe, o wielkiej użyteczności. Oczywiście technika mikrofalowa spełniła przy ich projektowaniu i tworzeniu wielką rolę. Oddajmy jednak honor konstruktorom rakiet i silników rakietowych. Ich wspaniałe osiągnięcia otworzyły drogę do planowania systemów, które stały się teraz codziennością. Bez nich jesteśmy skazani na skonstruowanie procy zdolnej do umieszczenia satelity na orbicie, a to nie wydaje się możliwe.

6. Satelitarne systemy nawigacji

System określania położenia obiektu na globie ziemskim w oparciu o pomiary położenia tego obiektu w stosunku do kilku satelitów nazywany jest nawigacyjnym systemem satelitarnym, często systemem GPS od ang. Global Positioning System. Istotą systemu jest układ dobranej liczby satelitów krążących na wysokich orbitach wyposażonych w układy nadawczo-odbiorcze pracujące w pasmach mikrofalowych. Pierwotnym wzorcem system jest precyzyjny pomiar czasu oparty na wzorcach atomowych oraz znana prędkość rozchodzenia się światła. Satelity komunikują się z naziemnymi stacjami o znanej lokalizacji. Tym sposobem położenie satelitów jest znane w każdym momencie. Obserwator wysyła i otrzymuje informacje od kilku satelitów znajdujących się w obszarze obserwacji i na tej podstawie drogą obliczeń ustala swoje położenia.

Na rys.7.26 pokazano sposób ustalenia pozycji obserwatora przez zmierzenie odległości od dwu satelitów. Problem jest dwuwymiarowy, gdyż położenia satelitów i obserwatora jednoznacznie wyznaczają płaszczyznę.

Rys.7.26. Dwie podstawowe konfiguracje odbiornika O poszukującego swojego położenia w stosunku satelitów; problem dwuwymiarowy.

Jak widać okręgi przecinają się w 2 punktach, z których jeden leży na powierzchni Ziemi. Aby zwiększyć dokładność pomiaru obserwator wyznacza odległości od 4 satelitów i jego położenie zostaje wyznaczone jako wspólny punkt 4. sfer.
Jak obliczyć odległość obserwatora od satelity i prędkość poruszania się satelity względem niego? W wielkim skrócie procedura pomiarowa jest następująca:

Satelita wysyła wiadomość o swojej pozycji w czasie t₁.
Obserwator odbiera informację w czasie t₂.
Odległość między nimi obliczana jest jako(t₂-t₁)c, gdzie c jest prędkością światła.
Takie same procedury ustalają odległość obserwatora od innych satelitów.
Teraz w oparciu o zależności trygonometryczne określane jest położenie obserwatora.
Prędkość satelity względem obserwatora może być wyznaczona w oparciu o pomiar doplerowskiego przesunięcia częstotliwości.
Można także dokonać kolejnego pomiaru odległości, która zmieni się o $\Delta$ s po czasie $\Delta$ t, a wtedy prędkość obliczona zostaje ze wzoru: $\Delta$ s/ $\Delta$ t.

Oto w największym skrócie zasada pomiaru położenia obserwatora, którym może być samochód, samolot, czy też statek na morzu.

6.1. Systemy GPS i GLONASS

Obecnie pracują dwa systemy lokalizacji położenia obiektów.
System GPS został zbudowany przez Departament Obrony USA dla celów wojskowych. Z biegiem lat został udostępniony do celów cywilnych. System oferuje możliwość pomiaru położenia, prędkości i czasu w oparciu o dane z 4 obserwowanych satelitów i obliczenia w przestrzeni trójwymiarowej.
System GLONASS został zbudowany w przez dawny ZSRR w podobny sposób i do podobnych celów. Satelity są identyfikowane przez pomiar ich częstotliwości nośnej.
W Tabeli 7.3 zestawiono wybrane parametry obu systemów.
Tabela 7.3. Zestawienie parametrów 2 światowych systemów pomiaru położenia.

Oba systemy są obecnie intensywnie wykorzystywane. Dostępne są odbiorniki umożliwiające korzystanie z obu systemów.

6.2. System Galileo

Unia Europejska zapoczątkowała program budowy europejskiego satelitarnego systemu nawigacyjnego do określania położenia i prędkości naziemnych obiektów. System ten nazwano Galileo. System ma służyć celom handlowym i cywilnym.
W systemie Galileo zaplanowano użycie 30 satelitów, 27 operacyjnych i 3 aktywne nadmiarowe w rezerwie. Dokładność wyznaczenia położenia obiektu jest większa niż kilka metrów. Satelity umieszczone zostaną na 3 orbitach MEO w odległości 23616 km nad Ziemią.

Rys.7.27. Rozmieszczenie satelitów systemu Galileo na orbitach.

System Galileo został szczegółowo zaprojektowany ale prace nad konstrukcją satelitów i stacji naziemnych trwały długo. Umieszczenie satelitów na orbitach, uruchomienie systemu i oddanie do użytku przewidziane wcześniej na lata 2006/07 opóźniło się o 10 lat.