PegaxEducationWiki
You are here: start » old_courses » langatontietoliikenne » signaalieneteneminen

Table of Contents

View page as slide show

Langaton Tietoliikenne

Langaton siirtotie

  • Signaalin kulkemaa polkua lähettimeltä vastaanottimelle ei ole määritetty (vrt kuparikaapeli)
  • Lähetin sysää liikkeelle energiaa sähkmagneettisena säteilynä.
  • Vastaanotin havaitsee lähetetyn energian
  • Energia voidaan lähettää ympärisäteilevästi (omni directional) tai suunnata se tiettyyn suuntaa.
    • Antennien avulla voidaan lähetystä ja vastaanottoa vahvistaa ja suunnata

Käytettävät taajuudet karkea jako

  • Radiotaajuudet 30 MHz - 1 GHz
    • Ympärisäteileviin ratkaisuihin (broadcast)
    • Hyvä etenemiskyky, mutta matalahko tiedonsiirtonopeus
    • Esim. Digitan @450-verkko (450 MHz), GSM 900
  • Mikroaallot (1 - 40 GHz)
    • käytetään suunnaattuihin point-to-point yhteyksiin
    • Kohtuullinen etenemiskyky, kohtuullinen tiedonsiirtonopeus
    • Esim. satelliittiyhteydet, WLAN, Bluetooth, GSM 1800
  • Infrapuna taajuusalue (n.300GHz - 200THz)
    • Paikalliset suunnatut point-to-point yhteydet
    • Huono etenemiskyky, korkea tiedonsiirtonopeus
    • Lyhyen kantaman järjestelmät

Ground wave propagation

  • (maan) pinta-aalto eteneminen
  • radioaalto seuraa maan pinta
  • alle 2 MHz taajuuden radioaallot
  • esim. pitkä ja keskipiptkä aaltoinen AM radio

Sky wave propagation

  • Ionosfääriaalto / avaruusaalto eteneminen (Taajuudet 2-30Mhz)
  • Ionosfääri
    • Ilmakehän kerros, ulottuu noin 60 km:stä 100 km:iin
    • Ionosfäärissä on Auringon ultavioletti- ja hiukkassäteilyn ionisoimaa plasmaa eli vapaita elektroneita ja ioneja
    • Radioaalto ei läpäise ionosfääriä tietyn rajataajuuden (n. 30 MHz ) alapuolella ja näin ollen se vain heijastuu siitä
  • Radioaallon heijastuessa takaisin maanpinnasta voidaan kommunikoida maapallon toisellekin puolelle.
  • Heijastuminen johtuu aaltojen taittumisesta (refraction)
  • Amatööriradiot hyödyntävät.

Line of sight propagation

  • Näköyhteys eteneminen
  • Lähetin ja vastaanotin näköetäisyydellä toisistaan
  • Taajuudet 30MHz →
  • Yli 30MHz signaalit eivät heijastu ionosfääristä → voidaan käyttää satelliitti kommunikointiin
  • Kurssilla käsiteltävien tekniikoiden etenemismalli

Optinen ja radio näköyhteys

  • Maan kaarevuus asettaa ehdottoman maksimin näköyhteydelle maan pinnalla kommunikoitaessa
  • Optiselle näköyhteydelle jossa antenni on korkeudella h vaoidaan laskea maksimi näköyhteys d kilometreinä
    • \Huge d=3.57\sqrt{h} h = metreinä, d kilometreinä
    • Johdettu laskemalla suorakulmaisen kolmion sivujen suhteet
      \Huge r^2 + d^2 = (r+h)^2 , jossa r= maapallonsäde
  • Radioaaltojen taittumisen johdosta on naköyhteys radiolle hieman pidempi.
    • Ilmakehässä maata lähentyessä taitekerroin pienenee l. lähempänä maata radio aallot kulkevat hieman hitaammin.
    • Radioaallot taipuvat maata kohti.
    • Ottamalla taipuminen huomioon voidaan radioaalto lähettää korkeammalla kulmalla.
  • Maksimi etäisyyttä laskettä hyödynnetään muutoskerrointa K, jonka arvona voidaan käyttää 4/3.
    \Huge d=3.57\sqrt{Kh}
  • Mikäli vastaanotin ja lähetin ovat molemmat irti maanpinnasta lasketaan niiden korkeus yhteen.
    \Huge d=3.57*(\sqrt{Kh_{1}}+\sqrt{Kh_{2}})

Esimerkki

  • Toinen antenni 100 m korkeudella ja toinen maanpinnassa

\Huge d=3.57*\sqrt{\frac{4}{3}*100}\simeq41km

  • Nostetaan toinen antenni 10 m korkeuteen ja yritetään 41km
    \Huge 41km=3.57*(\sqrt{\frac{4}{3}*h_{1}}+\sqrt{\frac{4}{3}*10})=3.57*\sqrt{\frac{4}{3}*h_{1}}+3.57*\sqrt{13.3}\Rightarrow

\Huge\sqrt{\frac{4}{3}*h_{1}}=\frac{41}{3.57}-\sqrt{13.3}\simeq7.84\Rightarrow h_{1}\simeq46.2m

  • Toista antennia 10 metriä nostamalla voidaan toista antennia laskea 50 metriä alespäin.

Signaalin voimakkuus

  • Signaalin voimakkuus vaimenee exponentiaalisesti siirtotiellä edetessään.
  • Vaimeneminen (Loss,L) tai vahvistuminen (Gain,G) esitetään desibeleinä ja lasketaan kaavalla
    \Huge L_{dB}=10\log_{10}\frac{P_{in}}{P_{out}}\, tai\, G_{dB}=10\log_{10}\frac{P_{out}}{P_{in}}
  • L ja G kuvaavat suhteellista muutosta signaalin voimakkuudessa
  • Desibelejä voidaan käyttää myös kertomaan muutosta jännitteessä
    \Huge P=\frac{V^{2}}{R}\Rightarrow L_{dB}=10\log_{10}\frac{\frac{V_{in}^{2}}{R}}{\frac{V_{out}^{2}}{R}}=20\log_{10}\frac{V_{in}}{V_{out}}
  • Langattomien tekniikoiden lähetysteho ilmaistaan yleensä muutoksena referenssi arvoon, joko Wattiin (dBW) tai milliwattiin (dBm)
    \Huge Power_{dBm}=10\log_{10}\frac{Power_{mW}}{1_{mW}}
  • Esimerkiksi luokan yksi Bluetooth laitteen lähetystehon ilmoitetaan olevan 20 dBm
    \Huge 20_{dBm}=10\log_{10}\frac{Power_{mW}}{1_{mW}}\Rightarrow2_{dBm}=\log_{10}\frac{Power_{mW}}{1_{mW}}\Rightarrow \\ Power_{mW}=10_{mW}^{2}=100mW
  • Eli: \Huge 30dBm=0dBW\Rightarrow0dBm=-30dBW

Antenni

  • Radiosignaalit lähetetään ja vastaanotetaan antennin avulla
  • Antenni on Sähköinen johdin tai johdinjärjestelmä
    • Lähetys: Säteilee elektromagneettista säteilyä eli energiaa ilmaan
    • Vastaanotto: Kerää elektromagneettista säteilyä eli energiaa ilmasta
  • Kaksisuuntainen kommunikointi
    • Samaa antennia voidaan käyttää sekä lähettämiseen että vastaanottoon
    • Vastaanottoon ja lähetykseen vaadittavat ominaisuudet antennilta ovat lähes samat

Säteilykuviot

  • Säteilykuvio = Radiation pattern
  • Graafinen kuvaus antennin säteily ominaisuuksista
    • Kuvataan yleensä kaksiulotteisena sieppauspintana (cross section)
  • Säteilykeilan leveys (Beam width or half-power beam width)
    • Kulma jonka sisällä säteen voimakkuus on vähintään puolet kohde suunnan voimakkuudesta.
  • Vastaanotto kuvio (Reception pattern)
    • Vastaanottavan antennin säteilykuviota vastaava kuvio
  • Erityyppisten antennien säteilykuvioita löytyy mm. edellisvuoden luentokalvoista (sivut 28-37).

Antennityypit

  • Isotrooppinen antenni
    • Idealisoitu malli
    • Säteilyn voimakkuus on tasainen joka suuntaan
  • Dipoli antennit
    • Hertzin antenni (Half-wave dipole antenna)
    • Marconin antenni (Quarter-wave vertical antenna)
  • Paraboli antenni (parabolic reflective antenna)
    • Yhden suuntaisia säteitä lähes ilman dispersiota

Antennin suuntaus

  • Suuntaavuutensa perusteella antennit jaetaan ympärisäteileviin ja suuntaaviin
    • Ympärisäteilevät antennit säteilevät 360 asteen sektorissa ympäriinsä
    • Suuntaavalla antennilla on tietty suuntakuvio, joka muodostuu pää-, taka-, ja sivukeiloista
  • Aallonpituuteen nähden pienikokoiset antennit ovat yleensä vahvistukseltaan heikkoja
  • Kun antennin kokoa kasvatetaan useamman aallonpituuden kerrannaiseksi, kasvaa myös sen vahvistus
  • Jos tiedetään, mistä päin signaalit lähetetään, vastaanotossa on hyvä käyttää suunta-antennia
    • Koska ilmassa on sekä suoraan lähetysaseman suunnasta että muualta heijastuneita radioaaltoja, suuntaava antenni kykenee erottelemaan nämä heijastuneet signaalit pois
    • Esim. TV-lähetysten vastaanottoon tehdyt antennit ovat rakenteeltaan yleensä ns. yagi- antenneja, jotka muodostuvat syöttöelementistä (dipoli), sen edessä olevista suuntaajaelementeistä sekä takana olevista heijastinelementeistä
  • Elementit voivat olla myös X-mallisia tai kolmion mallisia

Antennin vahvistus (antenna gain)

  • Suunnatuille antenneille
    • Tehon ulostulo tiettyyn suuntaan verrattuna isotrooppisen antennin ulostuloon (monta kertaa suurempi kuin isotrooppisella antennilla)
      • voidaan myös ilmaista desibeleinä: 30dBi = 30dB gain = 30 dB:n vahvistus (1000kertainen) isotrooppiseen antenniin verrattuna kyseisessä suunnassa
    • Teho on pois muista suunnista.
  • Sieppauspinta (Antennin tehopinta, Effective area)
    • Antennin muodosta riippuva suhteellinen osuus antennin koosta joka vaikuttaa lähetykseen vahvistamiseen.
    • Yksikkönä neliömetri.
    • Esim. parabolinen antenni 0.56 A

\Huge G=\frac{4\pi A_{e}}{\lambda^{2}}=\frac{4\pi f^{2}A_{e}}{c^{2}}, G = Gain \Huge A_{e}= Sieppauspinta, f = kantotaajuus, \Huge \lambda= kantoaallonpituus, c=valonnopeus

Desibeleinä: \Huge G_{dB}=10\log_{10}\frac{G_{antenna}}{G_{isotropic}}=10\log_{10}\frac{G_{antenna}}{1} dB

Esimerkki paraboliantennilla

  • Paraboliantenni jonka halkaisija 2m toimintataajuus 12GHz, laske sieppauspinta sekä vahvistus

\Huge A=\pi r^{2}=\pi(\frac{2m}{2})^{2}=\pi\Rightarrow A_{e}=0.56*\pi
\Huge G=\frac{4\pi*(12*10^{9})^{2}*0.56\pi} {(3*10^{8})^{2}}=2.24*\pi^{2}*1600=35372

\Huge G_{dB}=10\log_{10}\frac{35372}{1}=45.48\, dB

  • Vahvistus siis yli 35tuhatta kertainen eli ~45 dB

Signaalin heikkeneminen

  • Yleinen vaimeneminen ja vaimenemisen aiheuttama vääristyminen (Attenuation and attenuation distortion)
  • Vapaan tilan vaimeneminen (Free space loss)
  • Ilmakehään imeytyminen (Atmospheric absorption)
  • Signaalin kulkeminen montaa eri tietä ja sen aiheuttamat häiriöt
  • Taittuminen
  • Erilaiset häiriöt kuten kohina (Noise)

Vaimeneminen (attenuation /path loss)

  • Signaali heikkenee sen kulkiessa siirtotiellä (amplitudi pienenee)
  • Ohjatulla siirtotiellä (kaapeli) lasku on logaritmistä ja voidaan ilmoittaa desibeleinä etäisyyden suhteen.
  • Ohjaamattomalla siirtotiellä on useampia tekijöitä
    • Vaimeneminen riippuu käytetyn siirtotien ominaisuuksista sekä taajuudesta
      • Korkeammilla taajuuksilla vaimeneminen on suurempaa kuin matalilla taajuuksilla.
    • Vaimenemiserojen johdosta, usean taajuudeen käyttäminen signaalin siirrossa aiheuttaa vääristymiä.
  • Vastaanotettavan signaalin täytyy olla tarpeeksi voimakas, jotta vastaanotin tunnistaa sen.
    • Signaalin pitää olla selkeästi vahvempi kuin kohinan virheiden välttämiseksi
  • Vaimenemisen johdosta signaalia tulee vahvistaa (vahvistimilla tai toistimilla) tietyin välimatkoin
    • Korkeampia taajuuksia voidaan vahvistaa enemmän, jotta vastaanottaessa signaalin kaikki taajuudet ovat yhtä voimakkaita.
  • Liian voimakas signaali voi aiheuttaa vääristymiä vastaanottimessa.
    • Useat vastaanottimet eri etäisyyksillä voivat olla ongelmallisia.

Vapaantilan vaimeneminen

  • Signaalin vaimeneminen ilmassa kun mitään esteitä ei ole.
  • Edetessään signaali hajaantuu laajemmalle ja laajemmalle alueelle
    • Energia pistettä kohden on pienempi.
  • Suurin vaimenemisen aiheuttaja satelliitti kommunikoinnissa
  • Ilmoitetaan joko lähetetyn ja vastaanotetun tehon suhteena tai desibeleinä

Vapaantilan vaimeneminen

\Huge\frac{P_{t}}{P_{r}}=\frac{(4\pi d)^{2}}{\lambda^{2}}=\frac{(4\pi fd)^{2}}{c^{2}}
\Huge P_{t}= Lähetysteho, \Huge P_{r}= Vastaanottoteho, d= Antennien välinen etäisyys

  • Häviö desibeleinä
    • \Huge L_{db}=10\log(\frac{P_{t}}{P_{r}})=20\log(\frac{4\pi d}{\lambda})=-20\log(\lambda)+20\log(d)+21,98dB
    • \Huge L_{db}=20\log(\frac{4\pi fd}{c})=-169,54dB+20\log(f)+20\log(d)+21,98dB \\ =20\log(f)+20\log(d)-147,56dB

Antenni ja vapaantilan vaimeneminen

  • Antennien vahvistus (Gain otettava huomioon)

\Huge\frac{P_{t}}{P_{r}}=\frac{(4\pi d)^{2}}{G_{r}G_{t}\lambda^{2}}=\frac{(\lambda d)^{2}}{A_{r}A_{t}}=\frac{(cd)^{2}}{f^{2}A_{r}A_{t}}
G = Antennin vahvistus (\Huge G=\frac{4\pi A_{t}}{\lambda^{2}}),A= Antennin sieppauspinta

  • Häviö desibeleinä
    \Huge L_{db}=20\log(\lambda)+20\log(d)-10\log(A_{r}A_{T})

\Huge L_{db}=-20\log(f)-10\log(A_{r}A_{T})+20\log(d)+169,54dB

Atmospheric absorption

Ympäristöön imeytyminen

  • Vesihöyry
    • Vaikutus vahvimmilaan 22GHz alueella
    • Alle 15 GHz vaikutus selvästi pienempää
  • Happi
    • Huippu 60 GHz alueella
    • 30 GHz vaikutus selvästi pienempää
  • Vaihtuvat tekijät (vesi/lumi sade, sumu)
    • Aiheuttavat signaalien hajaantumista
    • Matalammilla taajuuksilla vaikutus pienempi

Katso: Atmospheric absorption

Signaalin taittuminen

  • Signaali taittuu kulkiessaan eri ilmakerrosten läpi
  • Signaalin etenemisnopeus kasvaa mitä korkeammalle mennään
    • Ilma ohenee
    • signaali taittuu alaspäin
  • Lämpötila vaihtelee korkeuden mukaan
  • Kosteusprosentti, pilvet jne.

Esteiden vaikutus

  • Heijastus (Reflection, R)
    • Signaali osuu pintaan joka on suuri suhteessa signaalin aallonpituuteen
    • Tulo- ja heijastuskulma ovat yhtä suuret. aallonpituus ja etenemisnopeus säilyvät
  • Taipuminen (Diffraktio, D)
    • Tapahtuu kun signaali osuu aallonpituuttaan suuremman kohteen reunaan
  • Hajaantuminen (Scattering, S)
    • Tapahtuu kun signaali osuu kohteeseen jonka kokoluokka on signaalin aallonpituus tai sitä pienempi. Esim epätasainen pinta.

Fresnel Zone

  • Ensimmäinen Fresnel Zone voidaan laskea tietylle pisteelle lähettimen ja vastaanottimen välillä kaavalla:

\Huge R=\sqrt{\frac{\lambda SD}{S+D}} \\ R_{m}=17.3\sqrt{\frac{1}{f_{GHz}}\frac{S_{km}D_{km}}{S_{km}+D_{km}}}
jossa R= Fresnel zonen ympyrän säde tietyssä pisteessä.
S ja D ovat pisteen etäisyydet lähettimestä ja vastaanottimesta.

  • 0.6* ensimmäinen FZ alueen ollessa tyhjä esteistä on line-of-sight yhteys häiriötön esteiden puolesta.
    • Esimerkiksi maa ei aiheuta häiritseviä heijasteita, mikäli antennien välinen suoralinja on kokoajan korkeammalla kuin 0.6*FZ

Monitie-eteneminen

  • Signaali saapuu kohteeseen useaa reittiä pitkin
    • Koska signaali lähetetään useaan suuntaan voi sama signaali heijastumisen johdosta saapua vastaanottimelle useaa eri reittiä ja eri aikaan
    • Erilaiset esteet aiheuttavat signaalin hajautumista
  • Joskus ei ole edes suoraa reittiä vaan vahvin signaalikin tulee haijastuman kautta.
  • Monitie-eteneminen aiheuttaa myös häiriötä signaalissa.

Häipyminen (fading)

  • Vastaanottajan liikkeestä johtuva signaalitason häipyminen (fading)
  • Erityyppiset häipymiset
    • Nopea häipyminen (Fast fading ) /Hidas häipyminen (Slow fading )
    • Flat fading / Selective fading

kanavan häipymismallit

  • Kommunikoinnissa käytetyn kanavan häiriöt ja häipymät oletetaan usein jonkin jakauman/mallin mukaisiksi
    • AWGN additive white Gaussian noise
      • Thermal noise
    • Rayleigh
    • Rician

Nopea/Hidas häipymä

  • Nopea häipymä
    • Signaalin voimakkuus vaihtelee voimakkaasti puolen aallonpituuden säteellä vastaanottimesta
    • Signaalin amplitudi voi vaihdella jopa 20-30 dB
  • Hidas häipymä
    • Viestimen liikkuessa Ympäristön ja maaston vaihtuessa signaalin voimakkuus muuttuu hitaasti

Flat/selective fading

  • Flat fading
    • Signaalin kaikki taajuudet vaimenevat samassa suhteessa
  • Selective fading
    • Signaalin eri komponentit vaimenevat eri suhteessa
    • Käytetään mikäli vaimeneminen koskee vain osaa signaalin taajuuskaistasta

Rayleigh häipymä

  • Rayleigh häipymä saadaan mikäli
    • signaali saapuu vastaanottimeen monia eri reittejä
    • signaalilla ei ole yhtä dominoivaa polkua (näköyhteys)
  • Rayleigh edustaa ns. pahinta mahdollista tapausta
  • Soveltuu hyvin ulkotiloihin
  • Nopea häipymä voi kuitenkin olla Rayleighiakin suurempi.

Rician häipymä

  • Rician häipymä saadaan mikäli signaali saapuu vastaanottimeen monia eri reittejä
  • signaalilla on myös yksi dominoiva polku (näköyhteys)
  • Soveltuu hyvin sisätiloihin

Kanavan häipymätyypin määrittely

\Huge K=\frac{paapolun\, voimakkuus}{Hajapolkujen\, voimakkuus}

  • Jos K = ∞ →AWGN , eli ainoastaan kohina vaikuttaa signaaliin
  • Jos K = 0 →Rayleigh
  • muuten Rician arvolla K
Driven by DokuWiki Recent changes RSS feed
Last modified: 2013/07/01 14:42