BAZA ZNANJA

Kurs: - Informacione i internet tehnologije

Modul: Tehnologije bežičnih i mobilnih komunikacija

Autor: Goran Radić, dipl.ing

Naziv jedinice: Osnove bežičnih komunikacija

Primena elektromagnetskog spektra u komunikacijama

Prenos signala bežičnim putem zasniva se na korišćenju elektromagnetskih talasa (EMT) iz elektromagnetskog spektra, odnosno najčešće radio-talasa, a u manjem obimu infracrvenih (takozvanih IC) talasa, i svetlosnih talasa.

Žične i bežične komunikacije

Prenos signala sa EMT se razlikuje od prenosa signala žičnim vezama (kablovima). Javlja se poseban skup problema, koji zahteva odgovarajuća rešenja.

Podela elektromagnetskog spektra

Podela elektromagnetskog spektra prikazana je na slici, gde se mogu uočiti oblasti primene pojedinih delova elektromagnetskog spektra, zavisno od talasne dužine elektromagnetnog talasa. Sinusna kriva čija se gustina oscilacija povećava sa desna na levo ilustrativno ukazuje na povećanje frekvencije, odnosno smanjenje talasne dužine čije su vrednosti prikazane na liniji iznad sinusne krive.

Radio talasi

Na sledećoj slici su ilustrativno prikazane oblasti primene jednog dela elektromagnetskog spektra koji pripada oblasti radio talasa.
 

Frekventna područja i talasne dužine

U prikazanoj tabeli je data podela elektromagnetskog spektra, sa oznakama pojedinih frekventnih područja i pripadajućim frekventnim opsegom odnosno opsegom talasnih duzina.

Opsezi i podopsezi

Pojedini opsezi se dele i na podopsege. U sledećoj tabeli koju vidimo, prikazani su frekventni opsezi odnosno podopsezi koji su najćešće u upotrebi.

Značenje oznaka u tabeli:

• ISM – Industrial, Scientific and Medical (industrija, nauka, medicina),
• HF – High Frequency (visoke frekvencije),
• VHF – Very High Frequency (vrlo visoke frekvencije),
• UHF – Ultra High Frequency (ultra visoke frekvencije),
• SHF – Super High Frequency (3-30 GHz) (super visoke frekvencije),
• EHF – Extremely High Frequency (30-300 GHz) (ekstremno visoke frekvencije).

Elektromagnetski talasi (EMT)

Šta su zaista elektromagnetski talasi? Elektromagnetski talasi su elektromagnetska polja, koja predstavljaju promenjivo električno i magnetsko polje, koje ima osobinu da kada je jednom stvoreno, može postojati i nezavisno od izvora koji su ih prvobitno obrazovali. Elektromagnetski talasi mogu postojati, dakle, i u vakumu, bez prisustva nekih električnih opterećenja ili struja, a mogu se kanalisati u strukturama od provodnika ili dielektrika, u kom slučaju su vezani za struje i opterećenja duž tih struktura. Takve strukture se nazivaju vodovi: dvožični, koaksijalni, trakasti, a mogu biti i metalne cevi (bez drugog provodnika) koje se nazivaju talasovodi.

Zračenje EMT i antene

Za formiranje slobodnih EMT, tj. talasa koji se ne kanališu nekim vodećim strukturama, koriste se posebni uređaji, tzv. emisione (predajne) antene. Proces formiranja EMT naziva se zračenje EMT. Iz EMT se može posredstvom struktura, (uređaja) koji se nazivaju prijemne antene, deo energije (zajedno sa informacijom koju emitovani talas nosi u sebi) izvući iz talasa. Taj deo energije, obično se naziva signal, koji se zatim pojačava da bi se, daljom obradom, iz njega mogla izdvojiti informacija koju sadrži i da bi se mogla predstaviti korisniku.

Dimenzije i oblik antena

Antena je, dakle, uređaj koji emituje/prima elektromagnetne talase. Dimenzije i oblik antena zavise od talasne dužine EMT koji treba da emituju odnosno primaju i od toga da li treba da emituju odnosno primaju iz dela prostora ili iz svih pravaca u prostoru istovremeno. Što je talasna dužina EMT manja (frekvencija veća), antene mogu biti manjih dimenzija.

Usmerene i neusmerene antene

S obzirom na to da li emituju odnosno primaju iz dela prostora ili iz svih pravaca u prostoru istovremeno, antene mogu biti: neusmerene iil usmerene. Ako antene emituju odnosno primaju EMT iz svih pravaca prostora podjednako, nazivaju se neusmerene ili omnidirekcionalne. Takve antene ne postoje. Realne antene obično imaju neusmereno emitovanje u jednoj ravni. Ako antene emituju (primaju) više u jedan deo prostora, nego u ostale, nazivaju se usmerene antene.

Vrste antena

Zavisno od namene i radne frekvencije, antene mogu biti oblika: komadića provodne žice; dipola (engl.Dipole), tj. dva komadića žice sa izvodima u sredini; mreže provodnika, kao što je jagi antena (engl. Yagi); levka (engl. Horn); odsečka paraboloida (tanjirasta, engl. Dish); fazirane rešetke, koje mogu biti: niz zračećih elemenata u liniji ili ravni, pri čemu elementi mogu biti pasivni ili aktivni, a oblici ovih antena mogu biti različiti, obično su ravne.

Na slici su prikazani oblici nekih napred spomenutih tipova antena.

Dijagram zračenja antene

Prostor koji prekrivaju signalom pri zračenju ili prijemu definiše se dijagramom zračenja koji predstavlja zavisnost jačine EMT koji zrači ili prima antena od pravca u prostoru. Prema tome dijagram zračenja antene ima prostorni oblik, a prikazuje se, obično, presekom u odgovarajućoj ravni. Na prikazanoj slici vidimo oblik preseka dijagrama zračenja dipol antene u ravni u kojoj leži dipol, sa osnovnim podacima.

Prostiranje EMT

Zavisno od frekvencije (talasne dužine) EMT se različito ponašaju kada, pri svom prostiranju, kroz atmosferu, naiđu na prepreke kao što su objekti od čvrstog materijala. Zavisno od frekvencije EMT i vrste prepreke, EMT mogu:

•  zaobići prepreku,
•  proći kroz prepreku ili
•  biti reflektovani (odbijeni).

Za talase koji se pri nailasku na prepreku reflektuju, mora postojati optička vidljivost između predajne i prijemne antene (ne sme biti prepreka). Na primer za infracrvene (IC) talase i telo čoveka predstavlja prepreku za njihovo prostiranje.

Uticaj atmosfere na prostiranje EMT

U slobodnom prostoru, EMT se prostiru brzinom svetlosti: 300 000 km/s. Kroz slobodan prostor EMT, vrlo visokih učestanosti, se prostiru pravolinijski. Atmosfera može uticati na njihovo:

• slabljenje (srazmerno kvadratu pređenog rastojanja),
• zakrivljavanje u toku prostiranja, što se naziva refrakcija, zbog čega se zavisno od ugla prostiranja, može desiti da EMT prođe kroz jonosferu ili bude odbijen od jonosfere, što se vidi na prikazanoj slici.

Reflektovanje radio talasa

Reflektovanje radio talasa od objekata u prostoru, posebno višestruka refleksija (Multipath), predstavlja poseban problem u gradskim sredinama jer primljeni signal na prijemu može jako da varira u vremenu i prostoru pri kretanju prijemne antene, na primer, pri kretanju mobilnog korisnika. Prijemna antena od istog izvora zračenja (predajne antene) prima ne samo jedan već više signala (direktni - crveni na slici, i reflektovane, jedan ili više – ljubičasti na slici) koji se međusobno sabiraju ili oduzimaju, manje ili više, zavisno od razlike u putevima koje su pri prostiranju prošli.

Refrakcija

Refrakcija (prelamanje, savijanje) EMT se opisuje Snelovim zakonom prikazanim na slici, a zavisi od indeksa refrakcije n, koji obično opada sa visinom u odnosu na površinu Zemlje. Dakle atmosfera se može zamisliti kao niz slojeva čiji se indeks refrakcije ne razlikuje. U svakom sloju dolazi do prelamanja EMT i na taj način do zakrivljavanja putanje, pa se EMT ne prostire pravolinijski.

Zbog  refrakcije odnosno zakrivljenja putanje EMT, moguće je prostiranje EMT i iza tzv. optičkog horizonta. Za standardnu atmosferu radio horizont je 1,33 puta veći od optičkog horizonta. Postoje i anomalije pri prostiranju (koje se ređe pojavljuju i koje nećemo detaljnije opisivati, premda za određene primene mogu biti značajne).

Difrakcija

Predstavlja rasipanje talasa na uglovima objekta, zbog čega je delimično moguć prijem signala i iza objekta koji predstavlja prepreku za prostiranje EMT.

Modulacija i demodulacija

Proces unošenja informacije (podatka) u EMT naziva se modulacija, a obrnuti proces, tj. proces izdvajanja informacije (podatka) iz elektromagnetskog talasa naziva se demodulacija (ili detekcija).

Očigledno da su, za bežični prenos, potrebne antene na predajnoj i prijemnoj strani, a takođe i modulator na predajnoj i demodulator (u radiotehnici se naziva i detektor) na  prijemnoj strani, kao što je slučaj u radio difuziji ili televiziji (TV). U ovom slučaju se prenos EMT odvija u jednom pravcu. Ako se radi o mreži, gde dva učesnika ili računara treba da komuniciraju međusobno, očigledno da na oba kraja mora da postoji i modulator i demodulator. Naravno mora da postoji i antena, pri čemu ista antena može da se koristi i za slanja (predaju) i za prijem signala. U nekim slučajevima to mogu biti i odvojene antene.

Pojačanje

Pre emitovanja (zračenja) EMT, potrebno je da signal, koji se dovodi do antene, ima odgovarajuću snagu, a pri prijemu, s obzirom da signal može biti veoma slab, potrebno ga je dovesti na odgovarajući nivo radi dalje obrade. U oba slučaja obavlja se pojačanje signala po naponu ili snazi.  Pojačanje, kao neimenovan broj, definiše se kao odnos dve veličine iste vrste, relacijama prikazanim na ekranu:

• napona

  
• struje    

  
• snage   

  

  
   

Bel (B)

Osim kao neimenovan broj (broj bez dimenzije), pojačanje se može izraziti u jedinicama koje se nazivaju Bel, a u praksi mnogo češće u manjim jedinicama koje se nazivaju decibel. Pojačanje snage, koje se izražava u belima (B) definiše se sledećom relacijom:

Decibel (dB)

Pojačanje u decibelima (dB) definiše se sledećim relacijama:

•  snage u dB
  

  

   
•  napona u dB
   

  

Treba uočiti da u krajnjoj relaciji za pojačanje napona izraženog u dB, ispred logaritma stoji 20, a ne 10 kao kod pojačanja snage. Iz prethodnih relacija se vidi razlog, a i da to važi samo ako je ulazna i izlazna otpornost ista. U sledećoj tabeli su dati podaci za neke vrednosti pojačanja izražene u dB.

dBm, dBW

Pojačanje obično predstavlja relativni odnos (na primer, bilo koje dve snage). Međutim, može biti izraženo i kao apsolutni odnos, u odnosu na neku referentnu snagu, čija vrednost se smatra za 0 dB. Tako oznaka dBm znači da je pojačanje izraženo u odnosu na snagu 1 mW, a dBW u odnosu na snagu 1 W.

Uticaj otpornosti

Referentna snaga se definiše u odnosu na odgovarajuću otpornost R. To je u telekomunikacijama 600 Ω (oma). Ako stvarna otpornost nije 600 Ω, onda za istu snagu, napon neće biti isti pa je potrebno obaviti preračunavanje napona. Kako je veza snage, otpornosti i napona data relacijom P=U2/R, odatle se lako izračuna napon, ako je poznata snaga i otpornost.