Telekomunikacja – dziedzina nauki i techniki oraz działalności ludzkiej dotycząca przykazywania wiadomości za pomocą sygnałów. Rodzaje: porozumiewawcza – dwukierunkowe przekazywanie wiadomości (np. telefoniczna); rozsiewcza – jednokierunkowe przekazywanie wiadomości (np. poprzez radiostacje nadawcze: radiofonia, telewizja); zbiorcza – jednokierunkowe zbieranie wiadomości z wielu punktów do jednego centrum odbiorczego; satelitarna – realizacja przy użyciu satelitów telekomunikacyjnych.
Telekomunikacja globalna: emisja programów AM, FM, TV, telewizja kablowa, telex (telafax), urządzenia zdalnego sterowania, usługi typu „paging”, usługi nawigacyjne i określania lokalizacji, systemy telemetryczne, radioastronomia, systemy nadzoru i obserwacji, usług nagłaśniania (programy muzyczne), przesyłania tekstów i grafiki (linią telefoniczną lub „na” programie TV), telefonia (przewodowa, komórkowa), radiotelefony, łączność radiowa, radar, sonar, łączność krótkofalowa (amatorska), radio CB – służby lokalne, przesyłanie danych cyfrowych (sieci komputerowe, internet itp.)
Podział fal radiowych
Fala – zjawisko fizyczne polegające na rozchodzeniu się w przestrzeni zaburzenia, któremu towarzyszy przenoszenie energii, a nie materii.
Ze względu na okresowość wyróżniamy: fale nieokresowe – pojedynczy impuls o dowolnym kształcie, trwający dowolnie długo, fale okresowe – impuls powtarzający się w niezmienionej postaci co pewien ustalony czas. Szczególne znaczenie posiadają fale harmonicznie (sinusoidalne, monochromatyczne) opisane funkcją trygonometryczną.
Ze względu na naturę wyróżniamy: fale sprężyste (mechaniczne) – rozchodzą się tylko w ośrodkach sprężystych (np. fale akustyczne, fale na powierzchni wody, fale w wężu gumowym). Polegają na drganiach cząstek ośrodka wokół punktu równowagi; fale elektromagnetyczne – rozchodzą się w ośrodkach materialnych i w próżni (np. fale radiowe, świetlne).
Fale mechaniczne (sprężyste) związane są z dwoma procesami: z transportem energii przez ośrodek od cząstki do cząstki; z ruchem drgającym (harmonicznym) poszczególnych cząstek dokoła ich położeń równowagi.
Promień fali – kierunek rozchodzenia się fali (zaburzenia).
Powierzchnia falowa – zbiór punktów ośrodka, w których fala (zaburzenie) ma tą samą fazę drgań danej chwili.
Czoło fali – najdalej odsunięta powierzchnia falowa od źródła. Promienie fali są prostopadłe do powierzchni falowych.
a) w zależności od liczby wymiarów przestrzeni: trójwymiarowe – np. fale rozchodzące się w powietrzu, w otoczeniu drgającej kuli; dwuwymiarowe – np. fala rozchodząca się w postaci okręgów na przestrzeni wody; jednowymiarowe – np. fala rozchodząca się wzdłuż cienkiego węża gumowego
b) w zależności od kształtu czoła fali: kuliste, elipsoidalne, koliste, eliptyczne, płaskie, punktowe
c) w zależności od kierunku ruchu drgającego cząsteczek ośrodka: fale poprzeczne – kierunek ruchu drgającego cząsteczek ośrodka jest prostopadły do kierunku ruchu fali (zaburzenia); fale podłużne (fale ciśnień) – kierunek ruchu drgającego cząsteczek jest równoległy do kierunku ruchu fali (zaburzeń)
Dla fal mechanicznych (sprężystych) prędkość: w ciałach stałych > w cieczach > w gazach; w próżni=0!
Dla fal elektromagnetycznych prędkość: w próżni > w gazach > w cieczach > w ciałach stałych
Ugięcie fali – jest to odchylenie od prostoliniowego rozchodzenia się fali w ośrodku jednorodnym przy przechodzeniu przez wąskie szczeliny (otwory) lub na krawędziach ciał. Im fala dłuższa tym łatwiej ulega ugięciu.
Gdy V1>V2 to promień załamuje się do normalnej, gdy V1<V2 to promień załamuje się od normalnej.
Zjawisko interferencji fal (nakładania się fal) – szczególny przypadek superpozycji dwóch fal harmonicznych o tej samej częstotliwości i amplitudzie, będących w tej samej fazie drgań lub różniących się o stałą różnicę faz, nie zmieniającą się w czasie. Fale takie nazywają się spójnymi lub koherentnymi.
Fala stojąca – powstaje w wyniku nakładania się dwóch fal sinusoidalnych o tych samych amplitudach i częstotliwościach, biegnących w przeciwnych kierunkach, np. fala padająca i fala odbita.
Polaryzacja fal mechanicznych – polega na sprowadzaniu drgań fali poprzecznej do jednej płaszczyzny (tzw. polaryzacja liniowa) za pomocą urządzenia zwanego polaryzatorem.
Strumień energii fali – ilość energii przenoszonej przez falę w jednostce czasu (moc fali).
Natężenie fali (gęstość strumienia energii fali) – ilość energii przenoszona przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu.
Gęstość energii fali – ilość energii przypadająca na jednostkę objętości ośrodka, w której rozchodzi się fala.
Fale dźwiękowe (fale akustyczne, fale głosowe) – zwane w skrócie dźwiękami, są to fale mechaniczne podłużne (fale ciśnień) o częstotliwości od 16 do 20000 Hz.
Infradźwięki – fale mechaniczne podłużne poniżej 16 Hz.
Ultradźwięki – fale mechaniczne podłużne powyżej 20000 Hz.
Fale dźwiękowe (dźwięki) dzielimy na:
a) tony, czyli dźwięki proste – jest to fala harmoniczna o ściśle określonej częstotliwości, np. dźwięk wydawany przez kamerton
b) dźwięki złożone – powstają wtedy, gdy źródło, prócz fali podstawowej (ton podstawowy) o najmniejszej częstotliwości, wysyła fale harmoniczne (tony dodatkowe, wyższe tony harmoniczne) o częstotliwości będących całkowitymi wielokrotnościami fali podstawowej.
c) szmery – nie wykazują stałego okresu drgań, składają się z fal o różnej częstotliwości
d) huki – jest to krótkotrwałe i silne wrażenie akustyczne nie wykazujące stałego okresu drgań, składa się z fal o różnej częstotliwości.
a) wysokość – jest wprost proporcjonalna do częstotliwości. Dźwięk wysoki – duża częstotliwość, dźwięk niski – mała częstotliwość. O wysokości dźwięku złożonego decyduje częstotliwość tonu podstawowego
b) natężenie – jest wprost proporcjonalne do A2.
c) barwa dźwięku – decyduje liczba tonów harmonicznych i stosunek ich natężeń. Dźwięk prosty ma kształt sinusoidy. Dźwiękom złożonym odpowiadają krzywe o różnych kształtach o przebiegu okresowym, ale nie sinusoidalnym. Zgodnie z twierdzeniem Fouriera takie drgania złożone można rozłożyć na szereg drgań harmonicznych.
Próg słyszalności – dla danej częstotliwości, jest to najmniejsza wartość natężenia przy której ucho zaczyna słyszeć. Najniższy próg słyszalności jest dla 3 kHz.
Próg bólu – dla danej częstotliwości, jest to najmniejsza wartość natężenia, przy której ucho zaczyna odczuwać ból.
Zakres skali decybeli w obszarze słyszalności od 0 do 120 dB.
Dźwiękowe fale stojące – jest to szczególny przypadek interferencji, gdy spełniony jest warunek równych częstotliwości i amplitud, nakładających się fal, rozchodzących się w przeciwnych kierunkach. Najłatwiej jest osiągnąć te warunki podczas interferencji fali padającej i fali odbitej. Węzeł fali stojące tworzy się przy odbiciu od ośrodka bardziej bezwładnego, bardziej gęstego, strzałka zaś przy odbiciu od mniej bezwładnego (gęstego).
Zjawisko Dopplera – zmiana częstotliwości dźwięku odbieranego w stosunku do częstotliwości dźwięku nadawanego. Występuje w przypadku ruchu źródła, ruchu obserwatora lub też obu naraz względem ośrodka, w którym rozchodzi się fala głosowa. Zjawisko to występuje we wszystkich falach mechanicznych i elektromagnetycznych.
Ultradźwięki – fala mechaniczna podłużna o f>20kHz.
Metody wytwarzania ultradźwięków:
a) mechaniczna – (piszczałki, syreny),
b) piezoelektryczna – niektóre kryształy (np. kwarcu) podczas rozciągania lub ściskania płytek, odpowiednio z tych ciał wyciętych, powodują pojawienie się ładunków elektrycznych na powierzchniach tych płytek. Zjawisko to jest odwracalne. Jeżeli płytkę kwarcową umieścimy szybko zmiennym polu elektrycznych (między dwiema płytkami kondensatora), wtedy otrzymujemy szybko po sobie następujące wydłużenia i skracania płytki, która jest źródłem ultradźwięków.
c) magnetostrykcyjna – zmiana rozmiarów ferromagnetyka towarzysząca zmianom pola magnetycznego. Sztabka ferromagnetyka umieszczana wewnątrz zwojnicy, przez którą płynie prąd zmienny, drga rozszerzając się i kurcząc z częstotliwością równą podwojonej częstotliwości zmian prądu, stając się źródłem ultradźwięków.
Drgania elektromagnetyczne – okresowe przemiany energii pola elektrycznego w energie pola magnetycznego i odwrotnie. Drgania te można wzbudzić w obwodzie elektrycznym zawierającym pojemność C i indukcyjność L.
Okres drgań elektromagnetycznych – skończony czas T cyklu przemiany energii elektrycznej w magnetyczną i odwrotnie.
Fale elektromagnetyczne (promieniowane elektromagnetyczne) – są to rozchodzące się w przestrzeni zaburzenia w postaci zmiennych w czasie wirowym pól elektrycznych i magnetycznych, prostopadłych wzajemnie do siebie i do kierunku ich rozchodzenia.
Parametrami charakteryzującymi falę elektromagnetyczną są: długość (λ), częstotliwość, prędkość (c), okres (T).
Fale elektromagnetyczne wykazują dualizm korpuskularno-falowy. Za naturą falową przemawiają zjawiska: ugięcia, interferencji, polaryzacji.
Zjawiska, w których fale elektromagnetyczne wykazują naturę kwantową (korpuskularną): zjawisko pochłaniania (zjawisko fotoelektryczne), zjawisko rozpraszania (zjawisko Comptona), zjawisko tworzenia się par (zjawisko kreacji), zjawisko emisji i absorpcji.
Obwód drgający otwarty sprowadzony do prostego przewodnika, stanowi najprostszą antenę, zwaną oscylujjącym dipolem elektrycznym lub anteną półfalową. Drgania wielkiej częstotliwości doprowadza się do anteny z generatora drgań.
Możliwe też są anteny ćwierćfalowe wzdłuż której układa się ćwierć fali stojącej, przy czym na górnym końcu anteny występuje strzałka ładunku (napięcia) i węzeł prądu, na dolnym zaś, uziemionym, węzeł ładunku (napięcia) i strzałka prądu.
Obwód drgający zamknięty o stałych skupionych wysyła fale elektromagnetyczne o niewielkiej mocy. Pole elektryczne jest w nim zawarte, praktycznie biorąc, tylko między płytami kondensatora.
Obwód drgający otwarty o stałych skupionych otrzymuje się przez rozsunięcie płyt kondensatora. Powoduje to nie tylko zwiększenie zasięgu pola elektrycznego i zwiększenie mocy emitowanych fal elektromagnetycznych, wpływa również na zmniejszenie okresu drgań poprzez zmniejszenie pojemności kondensatora.
Koder źródła, czyli przetwornik służy do przetwarzania informacji źródłowej (dźwiękowej, świetlnej) do postaci elektrycznej. Ta elektryczna postać informacji stanowiąca wiadomość jest nazywana sygnałem informacyjnym lub sygnałem w paśmie podstawowym.
Dekoder źródła, czyli przetwornik przekształca elektryczny sygnał informacyjny na inną postać energii, celem odtworzenia informacji źródłowej. Do szeroko stosowanych przetworników należą: kamera telewizyjna i kineskop, mikrofon i głośnik.
Nadajnik służy do przekształcania sygnału informacyjnego do postaci akceptowanej przez kanał.
Kanał jest to droga lub łącze występujące między nadajnikiem a odbiornikiem. Kanał może być typu metalicznego, optycznego lub radiowego.
Sygnał z czasem dyskretnym (sygnały dyskretne, cyfrowe) – występują w przypadku systemów przetwarzania danych oraz systemów z próbkowaniem, np. cyfrowe sygnały mowy i sygnały związane z cyfrowym przetwarzaniem obrazu.
Sygnał z czasem ciągły – sygnał elektryczny, który jest analogowy lub inaczej analogiczny w stosunku do sygnały oryginalnego np. do sygnału mowy.
Sygnały analogowe mogą przyjmować nieskończenie wiele wartości dowolnie mało różniących się od siebie, innymi słowy, zbiór wartości sygnału analogowego jest nieprzeliczalny.
Sygnał impulsowy jest to sygnał o dużej amplitudzie trwającej bardzo krótko. Impulsy mogą być dodatnie lub ujemne, pojedyncze lub grupowe, powtarzające się okresowo lub nieokresowo.
Cyfrowe przetwarzanie sygnałów, będące procesem cyfryzacji sygnałów umożliwia ich dalsze przetwarzanie za pomocą komputerów i innych urządzeń mikroprocesorowych z użyciem metod numerycznych.
Pasmo podstawowe określa zakres częstotliwości sygnału oryginalnego, jaki został dostarczony przez źródło informacji.
Każdy sygnał okresowo ciągły w czasie ma widmo dyskretne tzn. jego widmo obejmuje przeliczalny zbiór częstotliwości.
Modulacja – proces, w którym pewien parametr fali nośnej (sygnał modulowany) zmieniany jest zgodnie z falą modelującą. Najczęściej stosowanym typem fali nośnej jest sygnał sinusoidalny wielkiej częstotliwości.
Fala modelująca o małej częstotliwości stanowi sygnał informacyjny.
Fala zmodulowana sygnał będący wynikiem modulacji.
Modulacja amplitudy (AM) – polega na przekształceniu sygnału modulowanego o stałej częstotliwości w taki sposób, że amplituda otrzymanego sygnału zmodulowanego jest proporcjonalna do wartości sygnału modulującego.
Modulacja częstotliwości (FM) – amplituda sygnału zmodulowanego jest stała, jego częstotliwość zaś zmienia się proporcjonalnie do wartości sygnału modulującego.
Modulacja fazy (PM) – faza sygnału zmodulowanego zmienia się proporcjonalnie do wartości sygnału modulującego.
Modulację stosuje się bo: istnieje szereg trudności w propagacji fal elektromagnetycznych przy częstotliwościach poniżej 20kHZ, w celu wypromieniowania i odbioru fal elektromagnetycznych, wszystkie dźwięki zawierają się w zakresie 20Hz – 20kHz, były za duży tłom w „eterze”, przetworzenie sygnału o niskiej częstotliwości na sygnały o dostatecznie wysokich częstotliwościach, aby można je było przesłać na częstotliwościach radiowych.
Trzy zmodyfikowane postacie modulacji amplitudy:
a) modulacja dwuwstęgowa ze stłumioną falą nośną (DSB-SC), w której fala wysyłana składa się tylko z górnej i dolnej wstęgi bocznej. Moc oszczędzana jest ze względu na brak fali nośnej, lecz pasmo pozostaje nie zmienione (dwukrotnie większe od pasma sygnału informacyjnego)
b) modulacja z częściowo stłumioną wstęgą boczną (VBS), w której jedna wstęga boczna przesyłana jest prawie całkowicie, a druga jedynie w postaci śladowej. Wymagane pasmo jest więc nieco tylko większe od pasma podstawowego, o pasmo wstęgi częściowo stłumionej. Ten rodzaj modulacji dobrze nadaje się do przesyłania sygnałów szerokopasmowych, takich jak sygnały telewizyjne.
c) modulacja jednowstęgowa (SSB), w której fala zmodulowana zawiera jedynie górną lub dolną wstęgę boczną. Główna zasada modulacji SSB polega na przesunięciu widma sygnału modulującego na nowe miejsce w dziedzinie częstotliwości. Modulacja jednowstęgowa jest szczególnie przydatna do przesyłania mowy. Jest to optymalna forma modulacji, przy której wymagana jest minimalna moc przesyłania i minimalna szerokość pasma; jej podstawową wadą jest duży koszt i złożoność systemu.
Szum – niepożądane wprowadzanie energii przeszkadzającej w prawidłowym otrzymywaniu i odtwarzaniu przenoszonego sygnału np.: trzaski w odbiorniku radiowym, śnieżenie w odbiorniku TV, błędy w danych cyfrowych.
Zakłócenia – np. atmosferyczne, promieniowanie słoneczne, kosmiczne, przemysłowe.
Szumy wewnętrzne:
a) szumy termiczne (cieplne) Pth=kTΔf. Na rezystorze występuje napięcie wywołane bezładnym ruchem elektronów.
b) szum śrutowy – związany z dyskretną postacią ładunków elektrycznych i chaotycznymi procesami ich generacji i rekombinacji, co powoduje zmiany w czasie liczby nośników ładunku.
c) szumy modulacyjne (typu 1/f) – występujące w szczególności w przyrządach półprzewodnikowych, charakteryzują się tym, że ich gęstość widmowa jest odwrotnie proporcjonalna do 1/f. Szumy te dominują w zakresie niskich częstotliwości
Stosunek sygnał-szum (S/N) – stosunek mocy sygnału użytecznego do mocy szumów.
Współczynnik szumów F – stosunek wartości parametru S/N na wejściu do S/N na wyjściu. Sygnał na wyjściu jest zawsze bardziej zaszumiony niż na wejściu, zatem F>1, jeżeli układ nie wnosi szumów F=1 (0dB).
Temperatura szumów – szumy w znacznej mierze zależą od temperatury stąd inną metodą opisu poziomu szumów jest podawanie tzw. temperatury szumów wyrażonej wzorem: Tsz=290(F-1), gdzie F-współczynnik szumów (wartość względna), Tsz-temperatura szumów w kelwinach.
Obliczanie współczynnika szumów F: określenie mocy sygnału wejściowego, określenie mocy szumów na wyjściu, obliczenie S/N na wejściu, określenie mocy sygnału wyjściowego, przyjęcie, że jest dana moc wyjściowa szumów, określenie S/N na wyjściu, obliczenie współczynnika szumów F.
Modulacja kąta – jest systemem modulacji harmonicznej, która polega na zmianie kąta fali nośnej, gdzie przez kąt fali nośnej rozumie się argument funkcji sinusoidalnej (lub cosinusoidalnej). Dla funkcji opisanej wzorem u=Ucos(ωNt+φ)=UNcos(2πfNt+φ).
Modulacja fazy – można przyjąć najprostszą postać sygnału modulującego, tzn. pojedynczy sygnał sinusoidalny. φ(t)=Umcosωmt=Umcos2πfmt.
Dewiacja fazy ΔΘ jest to maksymalna różnica między chwilową wartością kąta fali zmodulowanej, a wartością kąta fali niezmodulowanej (fali nośnej) wynosi ΔΘ=kpUm.
Modulacja częstotliwości – zakładając, że fala modulująca jest sygnałem sinusoidalnym można przyjąć, że częstotliwość chwilowa wyraża się wzorami: ω(t)=ωN+Δωcosωmt=ωN+2πkfUmcosωmt lub f(t)=fN+Δfcosfmt=fN+kfUmcos2πfmt.
Dewiacja częstotliwości – jest to maksymalne odchylenie częstotliwości chwilowej sygnału FM od częstotliwości nośnej ωN (fN).
W przypadku modulacji częstotliwości chwilowe odchylenie częstotliwości jest proporcjonalne do wartości chwilowej fali modulującej (Umcosωmt). W przypadku modulacji fazy chwilowe odchylenie częstotliwości jest proporcjonalne do wartości pochodnej fali modulującej względem czasu (Umcosωmt)’= -ωmUmsinωmt.
Wzór Carsona – wzór do obliczania szerokości pasma transmisyjnego sygnału FM zmodulowanego pojedynczym sygnałem sinusoidalnym o częstotliwości fm ma postać: B≈2Δf+2fm=2Δf(1+1/M).
Linia transmisyjna i kanał telekomunikacyjny są łącznikiem między nadajnikiem a odbiornikiem.
Kanały transmisyjne: telefoniczne, ruchome kanały łączności radiowej, kanały satelitarne, radiowe, telewizyjne
Współczynnik fali stojącej. W warunkach niedopasowania powstają fale stojące, ale amplitudy są mniejsze, a napięcie w żadnym miejscu nie przechodzi przez zero. Część energii jest oddawana do odbiornika (obciążenia), zaś część powraca do źródła. Współczynnik fali stojące WFS określony jest jako stosunek maksymalnej wartości prądu do jego minimalnej wartości, lub stosunek maksymalnej wartości napięcia do jego minimalnej wartości: WFS=Imx/Imin=Umx/Umin. Dla warunków zwarcia, lub rozwarcia współczynnik ten jest równy nieskończoność. Przypadek ZL=ZO – w przypadku dopasowania obciążenia do linii – fala stojąca nie powstaje. Zarówno prąd, jak i napięcie mają stałą wartość wzdłuż całej linii. Wtedy współczynnik fali stojące wynosi jeden. Współczynnik fali stojące można określić znając impedancję charakterystyczną linii transmisyjnej oraz impedancję obciążenia: WFS= ZL/ZO, jeżeli ZL>ZO oraz WFS= ZO/ZL, jeżeli ZL<ZO
Współczynnik odbicia jest stosunkiem napięcia fali odbitej Ur do napięcia fali padające Ui. WO=Ur/Ui. Współczynnik odbicia określa jaka część energii zostaje odbita w stosunku do energii doprowadzanej: WO=0 dla przypadku dostosowania, WO=1 la przypadku zwarcia lub rozwarcia, WO=0,5 oznacza, że połowa energii została odbita. Współczynnik odbicia może być zdefiniowany w zależności od maksimów i minimów fali stojącej: WO=(Umax-Umin)/(Umax+Umin). Stąd współczynnik fali stojące można uzależnić od współczynnika odbicia: WFS=Umax/Umin=1+WO/1-WO. W zależności od impedancji charakterystycznej roaz impedancji obciążenia współczynnik odbicia można wyrazić w postaci WO=ZL-ZO/ZL+ZO.
Współczynnik prędkości sygnału. Prędkość sygnału w liniach jest mniejsza od prędkości sygnałów w wolnej przestrzeni. Współczynnik prędkości F jest definiowany jako stosunek prędkości sygnału vL w liniach transmisyjnych do prędkości sygnału vS w wolnej przestrzeni: F=vL/vC. VC-prędkość propagacji fal świetlnych i radiowych w wolnej przestrzeni (300000km/s), vL-prędkość fal radiowych w liniach transmisyjnych: dla linii koncentrycznych F=0,6 dp 0,7; dla linii napowietrznych F=0,8.
pio1281trek