Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Telekommunikációs rendszerek Elméleti összefoglaló előadás anyag Készítette: Dr Taszner István Miskolci Egyetem Villamosmérnöki Intézet Automatizálási.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Telekommunikációs rendszerek Elméleti összefoglaló előadás anyag Készítette: Dr Taszner István Miskolci Egyetem Villamosmérnöki Intézet Automatizálási."— Előadás másolata:

1

2 Telekommunikációs rendszerek Elméleti összefoglaló előadás anyag Készítette: Dr Taszner István Miskolci Egyetem Villamosmérnöki Intézet Automatizálási Tanszék 2000

3

4 Alapsávi jelek jellemzői  A híradástechnikában általában valamilyen u(t) feszültség-idő függvényé alakított információ átvitelével foglalkozunk Az u(t) jel szokásos osztályozása: 1.Értékkészlet és értelmezési tartomány szerint: Értékkészlet Időtartomány FolytonosDiszkrét FolytonosAnalóg jel DiszkrétDigitális jel Telekommunikációs Rendszerek 3 Alapsávi jelek, Modulációs rendszerek

5 2. Sztochasztikus és determinisztikus jelek:  Sztochasztikus jelek:  hasonló tulajdonságokkal rendelkező függvények serege,  az egyes elemek véletlenszerűen fordulnak elő,  vizsgálatuk a valószínűség számítás eszközeivel lehetséges.  A híradástechnikában rendszerint ilyen jeleket kell átvinnünk.  Determinisztikus jelek:  ismert tulajdonságú jelek,  berendezések vizsgálatára használjuk, következtetni lehet a rendszer jellemzőire az ilyen mérések alapján. Telekommunikációs Rendszerek 4 Alapsávi jelek, Modulációs rendszerek

6 Telekommunikációs Rendszerek 5 Alapsávi jelek, Modulációs rendszerek A jelek spektrális felbontása  lineáris, időinvariáns rendszerek vizsgálatánál célszerű  a ki- és bemenő jeleket a Fourier-sorfejtés, illetve transzformáció segítségével harmónikus jelek összegére bontjuk  ez a felbontás teszi lehetővé a rendszerek determinisztikus (szinuszos) jelekkel való vizsgálatát  a folytonos idejű jelek Fourier-transzformáltja:

7 Tipikus alapsávi jelek  alapsávi jel a hírközlő csatorna bemenetére kapcsolt jel  emberi, vagy zenei hang: teljes sávszélessége 20Hz-20KHz, gyenge minőségű zenei csatorna 200Hz-4,5KHz, telefon 300Hz-3,4KHz; zenei hang digitalizálásához 44,1kHz mintavételi frekvencia és 16bit-es kvantálás (kb. 700Kbps), telefon hanghoz 8KHz-es mintavétel és 8 bit-es (64Kbps) kvantálás szükséges  Tv kép PAL szabvány szerint kb. 0-6Mhz-es teljes sávszélességet igényel, a digitalizálás kb. 12MHz mintavételi frekvencia mellett minimum 8bites mintákkal lehetséges (96Mbps), digitális képátvitelhez rendszerint veszteséges tömörítő eljárásokat alkalmaznak, így a nézhető Tv kép már 1,5Mbps-mal átvihető Telekommunikációs Rendszerek 6 Alapsávi jelek, Modulációs rendszerek

8  digitális jelfolyam adott jelzési sebesség és jelalak mellett Legyakrabban használt jelalakok (bináris rendszerekben) Telekommunikációs Rendszerek 7 Alapsávi jelek, Modulációs rendszerek 0T 0 1 NRZ 0T 0 1 RZ 0T AMI

9 Átviteli csatornák jellemzése 1. Analóg csatornák  lineáris torzítások: amplitúdó változás és késleltetés megadása: H(f) frekvenciafüggő átviteli függvénnyel Kimenő jel spektruma=H(f)·Bemenő jel spektruma  nemlináris torzítás  zaj  additív zaj  a zaj, mint sztochasztikus folyamat jellemezhető  jel-zaj viszony Telekommunikációs Rendszerek 8 Alapsávi jelek, Modulációs rendszerek

10 2. Digitális csatornák  be- és kimenő jelek: N elemű szimbólumkészletek  jelzési sebesség: időegység alatt átvihető szimbólumok száma (v jel, Baud)  adatátviteli sebesség:  hibavalószínűség: Telekommunikációs Rendszerek 9 Alapsávi jelek, Modulációs rendszerek

11 Modulációs eljárások  A modulációs eljárások célja az alapsávi jel jellemzőinek megváltoztatása az átviteli csatornához illeszkedő jellegűre (elfoglalt frekvenciasáv helye, szélessége, stb.) Technikailag megvalósítható, invertálható matematikai függvények szerinti eljárásokat igyekszünk használni. Általános blokkvázlat: Telekommunikációs Rendszerek 10 Alapsávi jelek, Modulációs rendszerek ForrásModulátorCsatornaDemodulátorNyelő zaj S m (t) moduláló jel S(t) modulált adójel n(t) additív zaj r(t)vett zajos jel s d (t) demodulált jel

12 1.Analóg modulációs eljárások  A modulátor kimenetén megjelenő jel általános esetben:  Amplitúdó moduláció: az információt az a(t) hordozza,  =konstans  Szinuszos moduláló jel esetén a modulált jel időfüggvénye és spektruma Telekommunikációs Rendszerek 11 Alapsávi jelek, Modulációs rendszerek frekvencia S(f) -f v -f m -f v -f v +f m f v -f m fvfv f v +f m AM-DSB

13  Szögmodulációk: az információt a  hordozza, a(t) =konstans  Fázismoduláció:  Frekvenciamoduláció: Telekommunikációs Rendszerek 12 Alapsávi jelek, Modulációs rendszerek

14 2. Digitális modulációs rendszerek  diszkrét amplitúdó- és fázis állapotok  az elfoglalt sávszélesség, a berendezés bonyolultsága és a jelteljesítmény átváltható egymás között  tipikus ábrázolás a fazor-diagrammal: Telekommunikációs Rendszerek 13 Alapsávi jelek, Modulációs rendszerek Q I

15 On-Off-Keying Telekommunikációs Rendszerek 14 Alapsávi jelek, Modulációs rendszerek I Q

16 Binary-Phase-Shift-Keying Telekommunikációs Rendszerek 15 Alapsávi jelek, Modulációs rendszerek I Q

17 QPSK/QAM Telekommunikációs Rendszerek 16 Alapsávi jelek, Modulációs rendszerek I Q

18 Csatornák megosztása 1. FDM (Frequency Division Multiplexing)  nagyobb sávszélességű analóg csatornát több, frekvenciában egymás mellé rendezett jel tölt ki  pl. AM-SSB jeleket (a moduláló jel egy telefoncsatorna) helyezünk egymás mellé frekvenciában eltolva, FDM-nek tekinthető a CATV rendszerekben egymás mellett elhelyezkedő Tv csatornák összessége is  2. TDM (Time Division Multiplexing)  nagyobb sebességű digitális csatornán több digitális forrás jelét viszzük át, az egyes források jeleit időben váltogatva rakjuk egymás után  térben különböző helyeken elhelyezkedő források esetén is alkalmazható a csatornák megosztása Telekommunikációs Rendszerek 17 Alapsávi jelek, Modulációs rendszerek fff 1db telefon csatorna 300Hz3,4KHz AM-SSB mod. tf csat. f i f i +300Hzf i +3,4KHzf i f i+1 f i+n

19 3. FDMA/TDMA (Frequency/Time division Multiple Acces)  FDMA az egyes eszközök más-más frekvencián kapcsolódnak egy központi egységhez  TDMA az egyes források a számukra kijelölt vagy véletlenszerűen kiválasztott időrésben adják le az információjukat (ha van mit) 4. CDMA ( Code Division Multiple Acces)  Direct sequence spread spectrum, a 0 és 1 biteknek L hosszúságú kódszó felel meg. (L=16-64) Alkalmasan választott kódszavak esetén több párhuzamos kommunikáció is folyhat ugyanabban a frekvenciasávban. (ld. rádiós LAN)  Frequency hopping spread spectrum, a 0 és 1 biteknek megfelelő kódsorozat szerint változik az adó frekvenciája (GSM frekvencia hopping)  a CDMA nemcsak többszörös hozzáférést biztosít, de zavarvédettséget és titkosítást is ad Telekommunikációs Rendszerek 18 Alapsávi jelek, Modulációs rendszerek

20 Maxwell-egyenletek  az elektromos és mágneses jelenségek leírásához axiómaként szolgálnak  egyszerűbb fizikai törvények segítik a megértésüket, nem levezetés!  Gerjesztési törvény (zárt áramkörre)  nyitott áramkör esetén (pl. kondenzátor lemezei között a fenti formula nem egyértelmű, ki kell egészíteni Telekommunikációs Rendszerek 19 Maxwell-egyenletek, Elektromágneses hullámok

21  Faraday indukció törvénye Telekommunikációs Rendszerek 20 Maxwell-egyenletek, Elektromágneses hullámok

22  Az I. és II. Maxwell-egyenlet értelmezése vákuumban  További Maxwell-egyenletek Telekommunikációs Rendszerek 21 Maxwell-egyenletek, Elektromágneses hullámok A II. egyenletből nyerhető, felhasználva, hogy divrotE=0  Az elektromos töltéssűrűség

23  Az alábbi összefüggések nem általános érvényűek számos gyakorlati esetben jól alkalmazhatóak   0 a vákuum dielektromos állandója (8,855·10-12 As/Vm),  r a relatív permeabilitás   0 a vákuum mágneses permeabilitása (1,2566·10-6 Vs/Am),  r a relatív permeabilitás   a vezetőképesség A/Vm-ben, E i a külső (idegen) térerősség Telekommunikációs Rendszerek 22 Maxwell-egyenletek, Elektromágneses hullámok

24 Elektromágneses hullámok  Homogén, ideális dielektrikummal kitöltött áram és töltésmentes térben a Maxwell-egyenletek: ebből a hulámmegyenletek:  egyik lehetséges megoldásuk az  körfrekvenciájú, szinuszos, x irányban haladó, lineárisan polarizált síkhullám, melynek polarizációs síkja az x-y sík Telekommunikációs Rendszerek 23 Maxwell-egyenletek, Elektromágneses hullámok ahol

25  X-Y síkban polarizált elektromágneses hullám  hasonló módon kaphatunk z-x síkban polarizált hullámot, illetve z-x és y-x síkban polarizált hullámok eredőjeként elliptikusan polarizált hullámot Telekommunikációs Rendszerek 24 Maxwell-egyenletek, Elektromágneses hullámok

26 Tápvonalak elmélete A távvezeték  mérete a hullámhosszal összemérhető, vagy annak sokszorosa,  két egymással párhuzamos vezetőből áll,  a vezetőknek véges ellenállásuk és induktivitásuk van, a vezetők között kapacitás és átvezetés van,  a vezetők árama, a vezetők közötti feszültség, a z koordináta és t idő függvénye  az egyik vezető árama a z helyen i(z,t), a másiké -i(z,t). A két vezető közötti feszültség u(z,t),  az áram és a feszültség időfüggését a távvezetékre kapcsolt gerjesztés időbeli változása szabja meg. Telekommunikációs Rendszerek 25 Tápvonalak típusai, jellemzői

27  Tipikus távvezetékek Telekommunikációs Rendszerek 26 Tápvonalak típusai, jellemzői

28 A Távíró egyenletek megoldása  A távvezeték feszültségeinek és áramainak összefüggését a távíró egyenletek adják: R,L,G,C hosszegysége eső mennyiségek! Telekommunikációs Rendszerek 27 Tápvonalak típusai, jellemzői vagy szinuszos gerjesztéssel

29  szinuszos gerjesztés esetén vizsgáljuk a távvezetéket,  ismertnek tekintjük az R,L,G,C hosszegységre vonatkozó jellemzőket,  a távíró egyenleteket z szerint differenciálva, az első egyenletből I-t a másodikból U-t kiküszöbölve:   a komplex terjedési tényező,  a csillapítási tényező,  a fázistényező Telekommunikációs Rendszerek 28 Tápvonalak típusai, jellemzői *

30  A * egyenlet megoldása szinuszos gerjesztés esetén:  Z 0 a távvezeték hullámimpedanciája,  U + és U - a z tengely pozitív, illetve negatív irányában terjedő hullámok komplex amplitúdóit jelölik,  ha R=0 és G=0  csillapítatlanul terjedő hullámokat kapunk  ideális távvezeték, melynek jellemzői a kövektezők: Telekommunikációs Rendszerek 29 Tápvonalak típusai, jellemzői

31 Néhány ideális távvezeték hullámimpedanciája  Lecher vezeték  Koaxiális vezeték  Mikroszalag vonal Telekommunikációs Rendszerek 30 Tápvonalak típusai, jellemzői

32  Aszimmetrikus lecher vezeték  Szalagvonal Telekommunikációs Rendszerek 31 Tápvonalak típusai, jellemzői

33 A tápvonal, mint áramköri elem vizsgálata  a tápvonalat rendszerint az alábbi elrendezésben vizsgáljuk  a Z L lezárásnál a feszültségek és az áramok a következők Telekommunikációs Rendszerek 32 Tápvonalak típusai, jellemzői Feszültség reflexiós tényező

34  keressük a reflexiós tényező értékét tetszőleges l helyen  A bemenő impedancia tetszőleges l távolságra a lezárástól Telekommunikációs Rendszerek 33 Tápvonalak típusai, jellemzői

35 Ideális tápvonal különböző lezárásokkal  Z L =Z 0 illesztett lezárás  A tápvonal mentén tetszőleges l helyen a bemenő impedancia értéke állandó Z L, a reflexiós tényező=0 Telekommunikációs Rendszerek 34 Tápvonalak típusai, jellemzői

36  Z L =0 rövidrezárt ideális távvezeték Telekommunikációs Rendszerek 35 Tápvonalak típusai, jellemzői a feszültség azhelyeken nulla, az helyeken pedig maximális az időtől függetlenül  állóhullámok

37  Rövidrezárt ideális távvezeték állóhullámképe  a rövidrezárt távvezeték árama hasonló megfontolások alapján  a rövidrezárt távvezeték bemenő impedanciája  a bemenő impedancia tetszőleges képzetes értéket fölvehet, míg a valós része nulla (az érték függ a frekvenciától!) Telekommunikációs Rendszerek 36 Tápvonalak típusai, jellemzői Ez is állóhullám!

38  Z L = szakadással lezárt ideális távvezeték  a szakadással lezárt tápvonalon is állóhullámok alakulnak ki  az áram a korábban felírthoz hasonlóan adható meg  a bemenő impedancia Telekommunikációs Rendszerek 37 Tápvonalak típusai, jellemzői

39  Z L =tetszőleges  az impedancia a távvezeték mentén  /2 szerint periodikus Telekommunikációs Rendszerek 38 Tápvonalak típusai, jellemzői

40 Tápvonalak néhány további jellemzője  tetszőleges lezárás mellett a távvezetéken állóhullámok alakulnak ki,  a feszültség maximumok és minimumok értéke:  ezek aránya az állóhullámarány  U max és U min egyszerű eszközökkel mérhető és ebből a reflexió tényező abszolút értéke számítható Telekommunikációs Rendszerek 39 Tápvonalak típusai, jellemzői

41  Impedancia diagramm, Smith-féle poláris diagram  a normalizált impedancia  a Smith-diagramban az R'=konstans és X'=konstans értékekenk körök felelnek meg,  megkereshető a Z' L lezáráshoz tartozó pont, (egy vektort kapunk a középpont és a kiválasztott pont között)  az ábra kerületén jelölt l/  értékkel elforgatva a vektort leolvashatjuk a normalizált impedanciát az l helyen Telekommunikációs Rendszerek 40 Tápvonalak típusai, jellemzői

42  Smith-diagram Telekommunikációs Rendszerek 41 Tápvonalak típusai, jellemzői

43 CSŐTÁPVONALAK  Ideális vezető fémfallal határolt hullámvezető,  keresztmetszete egyszeresen összefüggő,  lineáris, homogén, izotróp, veszteségmentes közeg tölti ki ( ,  ),  az elektromágneses energia a cső hossztengelye irányában terjed,  az elektromágneses tér energiája transzverzális elektromos (TE mn ) és transzverzális mágneses módusokban (TM mn ) terjed,  az egyes módusok helyettesíthetők egy távvezetékkel  helyettesítő távvezeték specifikus impedanciája és terjedési tényezője a geometriából és a kitöltő anyag jellemzőiből meghatározható. Telekommunikációs Rendszerek 42 Tápvonalak típusai, jellemzői

44  a helyettesítő távvezetékek jellemzői a k m,n sajátértékek segítségével számíthatók  négyszögletes csőtápvonal sajátértékei:  körkeresztmetszetű csőtápvonal sajátértékei: Telekommunikációs Rendszerek 43 Tápvonalak típusai, jellemzői

45  az egyes módusok (a helyettesítő távvezetékek) jellemzői   lehet  tiszta képzetes  csillapítatlanul terjedő hullám  tiszta valós  csillapodó hullám (levágási tartomány)  A két tartomány határa a határhullámhossz:  0 >  c  levágási tartomány  0 <  c  terjedési tartomány  0 a szabadtéri hullámhossz Telekommunikációs Rendszerek 44 Tápvonalak típusai, jellemzői

46  csőtápvonalon adott módusban terjedő hullám hullámhossza a csőhullámhossz  a levágási tartományban a csillapítás 1 Neper=8,68 dB Telekommunikációs Rendszerek 45 Tápvonalak típusai, jellemzői

47 Csőtápvonalak módusai  Az egyes módusokhoz különböző határhullámhosszak tartoznak,  általában csak a legnagyobb határhullámhosszú módust használjuk (alapmódus),  az üzemi hullámhossz felső határa az alapmódus határhullámhossza, alsó határa a következő magasabb módus határhullámhossza.  Kör keresztmetszetű csőtápvonal határhullámhosszai: Telekommunikációs Rendszerek 46 Tápvonalak típusai, jellemzői MódusHatárhullámhossz TE 11 1,71D TM 01 1,31D TE 21 1,03D TE 01 és TM 11 0,82D

48  az egyes módusokhoz tartozó erővonalképek  az alapmódus a TE 11, de frekvencia növekedésével csökkenő csillapítása miatt a TE 01 módust is használják Telekommunikációs Rendszerek 47 Tápvonalak típusai, jellemzői

49 Négyszögletes csőtápvonal határhullámhosszai:  a határhullámhosszak az a és b méretektől függnek  példaképpen egy a=58, b=29 mm méretű négyszögletes csőtápvonal határhullámhosszai  a TE 10 módus határhullámhossza 2a, a TE 20 módusé a így az üzemi hullámhossz tartomány elvileg 2a>  0 >a  a TE 01 módus határhullámhossza 2b, így szükséges, hogy  0 >2b legyen Telekommunikációs Rendszerek 48 Tápvonalak típusai, jellemzői MódusHatárhullámhossz TE ,0 mm TM 11 51,9 mm TE 11 51,9 mm TM 21 41,0 mm

50  Az egyes módusok erővonalképe Telekommunikációs Rendszerek 49 Tápvonalak típusai, jellemzői

51 Csőtápvonalak jellemzői  a csőtápvonalakat keresztmetszetük (kör, négyszög, elliptikus,...) és jellemző méreteik szerint csoportosítva szabványokba foglalták (IEC)  négyszögletes csőtápvonalak R R2600 (R=rectangular) néhány adata Telekommunikációs Rendszerek 50 Tápvonalak típusai, jellemzői IEC JELFr. sáv GHza mmb mmCsillapí tás dB/m Határ fr.GHz Max. telj. KW R3 0,32-0,49584,2292,10,0010,257- R40 3,22-4,9058,1729,10,032, R120 9,84-15,019,059,520,147, R ,8640,4313,8173,5-

52  kör keresztmetszetű csőtápvonalak C4-C890 (C=circular) néhány adata Telekommunikációs Rendszerek 51 Tápvonalak típusai, jellemzői IEC JELTE 11 határfrekvencia GHz TE 01 határfrekvencia GHz D mmCsillapítás dB/m TE 11 C3,30,27 0,56647,90,0009 C40 3,387,0351,990,03 C120 10,020,917,470,15 C ,61532,38830,1

53  a csőtápvonalban elhelyezett fémes vezető vagy dielektromos "akadályok", diszkontinuitások helyettesítőképe  központosan elhelyezett induktív bot  központosan elhelyezett kapacitív bot  egyoldalas kapacitív írisz Telekommunikációs Rendszerek 52 Tápvonalak típusai, jellemzői

54 Tápvonalszakaszokkal megvalósított eszközök  Impedancia transzformátor  Teljesítmény osztó (Wilkinson hibrid) Telekommunikációs Rendszerek 53 Tápvonalak típusai, jellemzői

55  Iránycsatoló  Üregrezonátor  Mindkét végén ideális vezető fallal lezárt csőtápvonal szakasz, melyben a méretei által meghatározott rezonancia alakulhat ki. pl. az a,b alapélű l magasságú hasáb rezonáns hullámhossza  Változtatható méretű üregrezonátor frekvenciamérésre alkalmas Telekommunikációs Rendszerek 54 Tápvonalak típusai, jellemzői

56 Nonreciprok eszközök  az EM hullám előmágnesezett vagy mágneses térbe helyezett ferriteken halad át   nem tekinthető skalár állandónak, tenzor mennyiség lesz  Cirkulátor  Izolátor Telekommunikációs Rendszerek 55 Tápvonalak típusai, jellemzői GenerátorIzolátorTerhelés 0 csillapítás Végtelen csillapítás

57 Speciális eszközök  Koax-csőtápvonal átmenet  Hasított mérővonal Telekommunikációs Rendszerek 56 Tápvonalak típusai, jellemzői egyszerű botantennávallépcsős átmenettel

58 Lezáró impedancia meghatározása  a tápvonal mentén azfeszültség amplitúdó mérhető (négyzetes detekció)  Z L =0 lezárás mellett meghatározható az állóhullámok nullhelyeinek pozíciója és ebből a  g csőhullámhossz  Z L lezárás mellett mérhető a VSWR és ebből  L abszolútértéke, valamint a minimumhelyek  eltolódása  Z L értéke meghatározható számítással, vagy Smith-diagramon szerkesztéssel Telekommunikációs Rendszerek 57 Tápvonalak típusai, jellemzői Umax Umin Z L lezárás Rövidzár 

59 Antennákkal kapcsolatos alapfogalmak Az antenna  elektromágneses hullámok kisugárzására és vételére szolgáló eszköz,  átalakító a tápvonalon vezetett és a szabadtérben terjedő hullámok között,  lehet adóantenna (vezetett-  kisugárzott hullám) és vevőantenna (beeső-  vezetett hullám),  sugárzása és vételi érzékenysége a tér különböző irányaiban eltérő  irányított  térbeli szűrő,  az irányítottság jellemzésére az iránykarakterisztika szolgál,  csak adott polarizációjú EM hullámok kisugárzására és vételére alkalmas  polarizációs iránykarakterisztika, keresztpolarizációs elnyomás,  adás és vétel irányban jellemzői azonosak  rendszerint adóantennával számolunk,  sugárzását mindig a távoltérben vizsgáljuk. Telekommunikációs Rendszerek 58 Antennák és hullámterjedés

60 Az iránykarakterisztika  az antenna távolterében a sugárzás egy az origóból kiinduló gömbhullámmal írható le  a teljesítménysűrűség Watt/m 2 -ben, figyelembevéve, hogy a szabadtér hullámimpedanciája 120 .  az antenna normalizált teljesítmény-iránykarakterisztikája  az antenna feszültség-iránykarakterisztikája  ábrázolása gömbi koordinátarendszerben Telekommunikációs Rendszerek 59 Antennák és hullámterjedés z x y E H

61 Az antenna iránykarakterisztikája  A gömbi koordinátarendszerben ábrázolt iránykarakterisztika szemléletes, de túl bonyolult,  az iránykarakterisztika z-tengelyen átmenő metszeteit használjuk  iránydiagramok,  lineáris polarizáció esetén pl. a -hoz tartozó metszet az E-síkú iránydiagram, a -hoz tartozó metszet a H-síkú iránydiagram  Az antenna fősugárzási irányában az iránykarakterisztika értéke egységnyi,  a fősugárzási irányt veszi körül a főnyaláb,  további lokális maximumok a melléknyalábok,  a nyalábok között nullirányok találhatók,  a fősugárzási iránnyal ellentétes irányban ( + / - 90°-180°) találhatók a hátsó nyalábok,  Általában -t logaritmikus léptékben (dB-ben) ábrázoljuk Telekommunikációs Rendszerek 60 Antennák és hullámterjedés

62  az antenna előre-hátra viszonya a főnyaláb és a hátsó nyalábok aránya,  esetenként elég a főnyaláb -3dB-es vagy -10dB-es pontjai távolságának megadása,  irányélességi szög,  a főnyaláb melletti nullirányok távolsága a főnyaláb kúpszöge  a melléknyalábok főnyalábhoz viszonyított szintje a melléknyaláb-elnyomás (rendszerint az első melléknyalábra adják meg),  megadható az antenna iránykarakterisztikája az antenna által sugárzott saját- és a vele ortogonális, keresztpolarizációra is (co-pol., x-pol.),  a fősugárzási irányban az antenna fő- és keresztpolarizációs érzékenységének aránya a keresztpolarizációs elnyomás. Telekommunikációs Rendszerek 61 Antennák és hullámterjedés

63  A mérendő antenna az árnyékolt mérőszobában egy forgatható tornyon helyezkedik el,  a méréshez szükséges nagyfrekvenciás jelet egy nagyfrekvenciás generátor (HP 8340 szintézer) állítja elő,  a nagyfrekvenciás jel a mérendő antennára és egy iránycsatolón keresztül referenciaként a mérővevő bemenetére kerül,  a vevőantenna ismert paraméterekkel rendelkező kettős polarizációjú, széles sávú kúpos vagy egyszeres polarizációjú piramidális tölcsér lehet,  a vevőantenna jelét a mérővevő dolgozza fel és adja meg a referenciajelhez viszonyított értékét  a teljes rendszert és az antenna forgató berendezést egy számítógép vezérli. A vezérlőszoftver segítségével végrehajtható a kalibráció, a nyereség és iránykarakterisztika mérése, valamint a mért eredmények megjelenítése és tárolása.  Meghatározható az antenna iránykarakterisztikája nyeresége, keresztpolarizációs elnyomása és ezek frekvenciafüggése. Telekommunikációs Rendszerek 62 Antennák és hullámterjedés

64 Az iránykarakterisztika mérése Telekommunikációs Rendszerek 63 Antennák és hullámterjedés

65 Tipikus antenna iránykarakterisztikák (nyalábformák)  Izotróp iránykarakterisztika  a tér minden irányában azonosan sugároz  referenciaként használatos  gyakorlatban nem megvalósítható  Körsugárzó  műsorszóró rendszerekben használatos  a föld felszínen elhelyezkedő vevőket  kiszolgálja, felfelé nem sugároz Telekommunikációs Rendszerek 64 Antennák és hullámterjedés

66  Tűnyaláb  pont-pont összeköttetésekben használatos  Legyezőnyaláb  egyik síkban keskeny, másikban széles nyaláb  rádiólokátorokban használatos  mozgatható antennával a célpont keresésére és követésére alkalmas Telekommunikációs Rendszerek 65 Antennák és hullámterjedés

67 Irányhatás és nyereség  az iránykarakterisztika megadja, hogy a főirányhoz képest az antenna más irányokba hogyan sugároz, de nem jellemzi az antenna hatékonyságát a főirányban  az antenna irányhatása és nyeresége jellemzi az antenna sugárzását a főirányban  Irányhatás  az antenna által a főirányban kisugárzott teljesítménysűrűség és a feltételezett azonos teljesítményt kisugárzó izotróp antenna teljesítménysűrűségének hányadosa az irányhatás  az irányhatás csak az iránykarakterisztikától függ Telekommunikációs Rendszerek 66 Antennák és hullámterjedés

68  a gyakorlatban inkább csak közelítő formulákat használnak az  A ekvivalens antennanyaláb bevezetésével   A rendszerint közelíthető a főnyaláb 3 dB-es kontúrja által elfoglalt térszögtartománnyal  pl. egy mindkét síkban élesen irányított, tűnyalábot létrehozó antenna irányhatása Telekommunikációs Rendszerek 67 Antennák és hullámterjedés

69  Nyereség  az antenna által a főirányban kisugárzott teljesítménysűrűség és az azonos bemenő teljesítményű izotróp antenna teljesítménysűrűségének hányadosa az antenna nyeresége  a nyereség figyelembe veszi az antenna belső veszteségeit is  a nyereség mindig kisebb, mint az irányhatás  adóantennák esetén minimális veszteségre kell törekedni, G  D  vevőantennák esetén az irányítottság általában fontosabb ezért ezeknél nagyobb veszteség is megengedhető Telekommunikációs Rendszerek 68 Antennák és hullámterjedés

70  Apertúra hatásfok  Az antennák egy csoportja az úgynevezett apertúra antennák fontos jellemzője a hatásos felület, melynek definíciója  P v az antennából kivehető maximális hatásos teljesítmény, S a beeső teljesítménysűrűség  Az apertúra antennák A fizikai és A h hatásos felületének aránya az apertúra hatásfok  az apertúra hatásfok tipikus értéke 0,5-0,8  a nyereség és a hatásos felület kapcsolata Telekommunikációs Rendszerek 69 Antennák és hullámterjedés

71 Antenna típusok 1. Huzalantennák  Egyszerű alakú, állandó keresztmetszetű vezetőből kialakított antennák  Hosszméretük a hullámhosszal összemérhető  A keresztmetszet a hosszméretnél és a hullámhossznál jóval kisebb  Nyereségük korlátozott, még összetett antennarendszerek esetében sem haladja meg a 15dB-t  Tervezésük összetett matematikai módszerekkel lehetséges Telekommunikációs Rendszerek 70 Antennák és hullámterjedés Egyenes dipól Monopol Hajlított dipól

72 2. Apertúra antennák  működésük az elektromágneses hullámok és a fény lényegi azonosságán alapul, hasonló az optikai reflektorokhoz  apertúra antennákat a mikrohullámú frekvenciasávban alkalmaznak  főbb típusai a tölcsérantennák, a paraboloid-reflektorok és a mikrosztrip antennák  Tölcsérantennák a) kör keresztmetszetű csőtápvonalból kialakított kúpos tölcsér  körösen polarizált, vagy kettős lineárisan polarizált hullámok átvitelére alkalmas,  leggyakrabban műholdvevő antennák primersugárzójaként alkalmazzák b) és c) H-, illetve E-síkú szektoriális tölcsérek  a H-, illetve az E-vonalakat nyújtják meg  piramidális tölcsérek egyszerre E- és H-síkban is kiszélesednek  lineárisan polarizált jelek kisugárzására és vételére alkalmasak  különféle mikrohullámú mérésekben mérőantennaként alkalmazzák Telekommunikációs Rendszerek 71 Antennák és hullámterjedés

73  Parabola antennák  a tölcsérantennák kis sugárzó felülete (apertúrája) kis irányítottságot és kis nyereséget biztosít  a tölcsérantennákat az optikai reflektorokhoz hasonló paraboloid reflektorral kombinálva használják  a primersugárzó a paraboloid fókuszában helyezkedik el  a parabola geometriai tulajdonságainak megfelelően a primersugárzóból kiinduló gömbhullám síkhullámként hagyja el az apertúrát  egyszerűen megvalósítható, olcsó, nagynyereségű antenna állítható így elő Telekommunikációs Rendszerek 72 Antennák és hullámterjedés

74  Mikrosztrip antennák  megvalósításuk azonos a mikrosztrip tápvonalakéval  több azonos sugárzóelemet elhelyezve egymás mellet nagyobb nyereségű antenna állítható elő  általában gondot okoz az elemeket összekötő tápvonalhálózat vesztesége  gyakran minden egyes sugárzó elem mellé külön erősítő egységet építenek be Telekommunikációs Rendszerek 73 Antennák és hullámterjedés

75 Hullámterjedés  a rádióhírközlő rendszerekben az adó és a vevő közötti kapcsolatot az adóantenna által a szabad térbe sugárzott, majd a vevőantennákkal vett elektromágneses hullámok biztosítják  a hullámterjedési vizsgálatok célja az adó kimenő teljesítménye és a vevő bemenetére jutó teljesítmény arányának meghatározása  Szabadtéri hullámterjedés  első közelítésként a két antenna akadálytalanul "látja" egymást, szabad térben helyezkednek el  a két egymástól R távolságba lévő antenna főiránya egymás felé irányul  közöttük polarizáció illesztés van  az üzemi hullámhossz  Telekommunikációs Rendszerek 74 Antennák és hullámterjedés

76 Telekommunikációs Rendszerek 75 Antennák és hullámterjedés szakaszcsillapítás definíciója  a 0 a szabadtéri csillapítás, mely független az antennák jellemzőitől  kiszámítására a gyakorlati formula a következő

77  a gyakorlatban az antennák közötti tér nem tekinthető ideálisnak, a légkör, a Föld felszíne, az éghajlati és időjárási jellemzők, a tereptárgyak, az építmények befolyásolják a hullámterjedést. Ezek a hatások a szakaszcsillapítás számításánál különböző modellekkel figyelembe vehetők  Alapvető hullámterjedési módok és jelenségek Telekommunikációs Rendszerek 76 Antennák és hullámterjedés

78 Refrakció  a levegő törésmutatója >1 és a magasság növekedésével csökken  az EM hullámok elhajlanak a Föld felé  a gyakorlatban a valósnál nagyobb földsugárral számolunk az elhajlás figyelembevételére (kb. 4/3-szor nagyobb sugárral) Talajreflexió  az EM síkhullám  r relatív dielektromos állandójú,  vezetőképességű felületről verődik vissza  5° alatti beesési szög esetén a reflexiós tényező -1  nagyobb beesési szögeknél •a horizontálisan polarizált hullámokra a reflexiós tényező alig változik •a vertikálisan polarizált hullámokra a reflexiós tényező abszolút értékének minimuma van az u.n. Brewster-szögnél Telekommunikációs Rendszerek 77 Antennák és hullámterjedés

79 Kétutas terjedés  URH és mikrohullámú összekötetésekre jellemző  a vevőantennára közvetlenül és a talajról reflektálva is eljut az adó jele  URH rendszerekben, ha az adó és a vevő távolsága elég nagy a szakaszcsillapítás a következő formában írható  kisebb adó vevő távolság esetén r és h T ·h R  -hoz viszonyított arányától függ a csillapítás  Mikrohullámú rendszerekben a frekvencia és a geometria paramétek (távolság, antennák magassága) függvényében csillapítás minimumok és maximumok alakulnak ki  fading Telekommunikációs Rendszerek 78 Antennák és hullámterjedés hThT hRhR r

80 Diffrakció  a két antenna közötti térben akadály van, a vevőantenna "árnyékba" kerül  a Huygens-elv szerint az akadálynál másodlagos hullámforrásokkal kell számolni Felületi hullámú terjedés  a vezető földfelület és a levegő határán alakul ki  kis antennamagasság esetén jellemző néhány KHz-től néhány MHz-ig terjedő sávban, a szakaszcsillapítás a távolság negyedik hatványával arányos  vertikális polarizáció esetén kedvezőbbek a terjedési viszonyok  előnye, hogy a felszínt követve látóhatáron túlra is működik Troposzférikus terjedés  a levegő törésmutatójában fellépő díszkontinuitások szóródást okoznak  két messze látóhatáron túl elhelyezett nagynyereségű antenna között biztosít kapcsolatot  néhány 100MHz-től 10GHz-ig használható, működés véletlenszerű Ionoszférikus terjedés  a hullámok a légkör Km magasan elhelyezkedő rétegéről, az ionoszféráról verődnek vissza  az ionoszféra állapota és így a terjedés is erősen függ a napsugárzás intenzitásától Telekommunikációs Rendszerek 79 Antennák és hullámterjedés

81 Mikrohullámú aktív eszközök és áramkörök A mikrohullámú aktív áramkörök csoportosítása  Az alkalmazott eszközök szerint  elektroncsövek  triódák, tetródák, pentódák  speciális mikrohullámú elektroncsövek - magnetron - klisztron - reflexklisztron - haladóhullámú cső  félvezető eszközök  diódák - tűs dióda - Schottky dióda - Gunn-dióda - varaktor - p-i-n dióda  tranzisztorok - bipoláris tranzisztor - térvezérlésű tranzisztor Telekommunikációs Rendszerek 80 Mikrohullámú aktív áramkörök

82  Feladatuk szerint  Erősítők  kisjelű erősítők  teljesítmény erősítők  speciális szempontok szerint optimalizált erősítők (kiszajú erősítő)  nagyfrekvenciás rezgés előállítására szolgáló eszközök  oszcillátorok  egyéb nagyfrekvenciás áramkörök (részben passzív eszközökkel)  detektorok  keverők  frekvencia többszörözők  parametrikus erősítők  elektronikusan vezérelt csillapítók, kapcsolók Telekommunikációs Rendszerek 81 Mikrohullámú aktív áramkörök

83 Néhány tipikus eszköz  Elektroncsövek alapvető jellemzői és felépítése  működésük a termikus elektronemisszión és az elektromos tér és az elektronok kölcsönhatásán alapul  a megfelelően magas hőmérsékletre hevített fémből (katód) elektronok lépnek ki  a katód mellett a vákuumtérben elhelyezett másik elektródára, az anódra kapcsolt feszültség függvényében jutnak el az elektronok az anódra  az anódfeszültség-anódáram karakterisztikából látható, hogy az eszközön pozitív anódfeszültség esetén folyhat áram, míg negatív anódfeszültség esetén nem  egyenirányító Telekommunikációs Rendszerek 82 Mikrohullámú aktív áramkörök

84  az anód és a katód között elhelyezett harmadik elektródára, a rácsra kapcsolt rendszerint negatív feszültséggel az anódáram szabályozható  a rácsba a negatív feszültség miatt nem csapódnak elektronok, így a rácsáram  0, a trióda anódárama a rácsfeszültséggel gyakorlatilag teljesítmény nélkül vezérelhető  erősítő  a triódák mellett további rácsokat is tartalmazó tetródák és pentódák léteznek. A segéd és fékező rácsok javítják a csövek erősítési jellemzőit.  a belső kapacitások és az elektronok nagy futási ideje erősen korlátozzák az ilyen jellegű elektroncsövek nagyfrekvenciás alkalmazását  az elérhető maximális frekvencia 1 GHz alatt marad  különösen nagy teljesítményű adóberendezésekben néhány száz MHz- ig ma is számos elektroncsövet alkalmaznak Telekommunikációs Rendszerek 83 Mikrohullámú aktív áramkörök

85 Speciális mikrohullámú elektroncsövek  Haladóhullámú cső Elvi működés  a kV nagyságrendű feszültséggel gyorsított elektronok sebessége a fénysebesség tizedrésze körül van  a spirális vonalán fénysebességgel terjedő hullám látszólagos sebessége a spirális tengelye mentén beállítható úgy, hogy azonos legyen az elektronok sebességével  az elektronok a spirálison haladó hullám pillanatnyi fázisának megfelelően felgyorsulnak vagy lelassulnak  a homogén elektronnyaláb csomósodik  a csomósodott elektronnyaláb nagyobb elektromágneses hullámot hoz létre a spirálison, a nagyobb hullám pedig erősebb csomósodást okoz  erősítés Telekommunikációs Rendszerek 84 Mikrohullámú aktív áramkörök

86 Gyakorlati jellemzők  az izzó katódból kilépő elektronokat 1,5kV körüli feszültséggel gyorsítjuk, az elektronáram néhány mA  az elektronnyaláb a néhány 10cm hosszú spirálison végighaladva a gyűjtőelektródára jut  a csőtápvonalon érkező felerősítendő hullámok a spirális elejére csatolódnak  a felerősített hullámok a spirális túlsó végén egy másik csőtápvonalba csatolódnak  a HH cső előnye a nagy erősítés mellett (  30dB) a kivételesen nagy sávszélesség  mikrohullámú erősítőeszközként alkalmazzák, elsősorban végerősítőkben, műholdak fedélzetén, földi mikrohullámú hírközlő- berendezésekben Telekommunikációs Rendszerek 85 Mikrohullámú aktív áramkörök

87  Magnetron Elvi működés  a katódból kilépő elektronok az elektromos és a mágneses tér együttes hatására epiciklois pályán mozognak  a rezgő üregek nyílásához "szerencsés" fázisban érkező elektron energiát ad át a térnek, az energiaátadás miatt lassuló elektronra ható mágneses eltérítő erő lecsökken, így ez az elektron az elektromos tér hatására az anódba csapódik  a rossz fázisban érkező elektron energiát vesz fel a térből, felgyorsul, megnő a rá ható mágneses eltérítő erő és visszakényszeríti a katódba  a közelítőleg kedvező fázisban lévő elektronokat a fázisfókuszálás segíti a legkedvezőbb energiaátadást biztosító fázisba kerülni Telekommunikációs Rendszerek 86 Mikrohullámú aktív áramkörök

88 Gyakorlati jellemzők  a magnetron a rezgő üregek mérete által meghatározott közel állandó frekvencián működik, frekvencia pontossága nem nagy, nehezen hangolható vagy frekvenciamodulálható  nagy anódfeszültség és anódáram mellett rendszerint impulzus üzemben működik, az impulzus teljesítmény több MW is lehet, folytonos üzemben a nagy disszipáció miatt nem használják  az impulzusüzemű rádiólokátorok alapvető építőeleme  ipari és háztartási mikrohullámú melegítő és szárító rendszerekben elterjedten alkalmazzák  távközlési rendszerekben nem használják Telekommunikációs Rendszerek 87 Mikrohullámú aktív áramkörök

89  Klisztron, Reflexklisztron Elvi működés  a klisztron a sebességmoduláció elvén működik  az U 0 egyenfeszültség hatására a katódból egyenletes sűrűségű és sebességű elektronnyaláb lép ki  a bal oldali rezonáns üregbe vezetett kis teljesítményű mikrohullámú jel hatására az elektronok sebessége megváltozik (sebességmodulálódik) a mikrohullámú rezgés pillanatnyi fázisának megfelelően  a két rezonáns üreg között haladva a felgyorsított elektronok "utolérik" a lelassult társaikat, a homogén elektronnyalábból elektroncsomók és elektronban szegényebb részek képződnek  a csomósodott elektronnyaláb a betápláltnál jóval nagyobb teljesítményű mikrohullámú rezgést hoz létre a második rezonáns üregben Telekommunikációs Rendszerek 88 Mikrohullámú aktív áramkörök Klisztron Reflex klisztron

90 Gyakorlati jellemzők  klisztron nagyfrekvenciás erősítő és oszcillátor eszköz  a gyakorlatban a ki- és a bemeneti rezonátorok között néhány további hangolt rezonátor is található, amelyek a sebességmoduláció hatékonyságát fokozzák  többüreges klisztronokat alkalmaznak a Tv IV-V sávú ( MHz) adóberendezésekben  kimenő teljesítményük néhányszor 10 KW, erősítésük dB, nyalábáramuk A, nyalábfeszültségük KV  ellentétben a haladóhullámú csővel (TWT) keskeny frekvenciasávban működnek Telekommunikációs Rendszerek 89 Mikrohullámú aktív áramkörök

91 Mikrohullámú félvezetőeszközök  a mikrohullámú integrált áramkörök (MIC's) alapvető építőelemei  az áramkörtervező kezébe egyre fejlettebb céleszközök kerülnek (erősítő chip, kiegyenlített keverő, stb.), a MIC tervező feladata az ilyen elemek kiválasztása és az őket összekapcsoló mikrosztrip tápvonalhálózat megtervezése  a mikrohullámú félvezetők alapanyaga Si, GaAS, és esetenként InP  a nagyfrekvenciás félvezetőeszközök leírására hasonló fizikai modelleket használnak, mint a kisebb frekvenciás eszközöknél, de mások az optimalizálás szempontjai és esetenként olyan jelenségeket használnak ki amelyek kisebb frekvencián nem lépnek fel Telekommunikációs Rendszerek 90 Mikrohullámú aktív áramkörök

92 Diódák  Tűs dióda  a dióda a fém-félvezető átmenetnél alakul ki ( a wolfram-tű hegyénél )  a kis érintkezési felület miatt kicsi a dióda kapacitása  nagyon sérülékeny, rosszul tűri a túlzott elektromos és mechanikus igénybevételt  általában koaxiális tokozásban készül, jelentősége egyre csökken  Schottky-dióda  Si vagy GaAs hordozón alakítják ki, modern félvezető-gyártási technológiával  a fém-félvezető átmenet a gyengén adalékolt félvezető és a nikkel réteg között alakul ki  Elsősorban mikrohullámú keverőkben és detektorokban alkalmazzák Telekommunikációs Rendszerek 91 Mikrohullámú aktív áramkörök Tűs dióda Schottky-dióda

93  Varaktor  pn-átmenetű dióda, melynek záróirányú kapacitása feszültségfüggő (minden általános dióda ilyen, de a varaktort kifejezetten erre az alkalmazásra optimalizálják)  záróirányú előfeszítés esetén a feszültség és a pn-átmenet adalékprofilja függvényében változik a dióda kapacitása  a helyettesítőképben szereplő L S és R S határozza meg, hogy a varaktor milyen frekvenciatartományban alkalmazható  elsősorban feszültségvezérelt oszcillátorok hangolására, frekvenciasokszorozásra és parametrikus erősítőkben alkalmazzák Telekommunikációs Rendszerek 92 Mikrohullámú aktív áramkörök

94  PIN-dióda  speciális háromrétegű dióda, melyben a p és n rétegeket között egy közel adalékolatlan (intrinsic) réteg helyezkedik el  a PIN-diódán átfolyó nyitóirányú egyenáram hatására tértöltés halmozódik fel  nagyobb frekvencián a töltéstárolás már nem lép fel, de az i rétegben tárolt töltés mennyiségétől függ a réteg ellenállása  PIN-dióda a nagyfrekvenciás jelre nézve feszültségvezérelt lineáris ellenállásként működik  alkalmazási területei: kapcsolók, változtatható csillapítók, stb. Telekommunikációs Rendszerek 93 Mikrohullámú aktív áramkörök

95  Gunn-dióda  nem tartalmaz pn- vagy fém-félvezető átmenetet  nem dióda  tömbeffektusú eszköz  GaAs sávszerkezetében két vezetési sáv található, az alacsonyabb energiájú sávban az elektronok mozgékonysága nagyobb, míg a magasabb energiájú sávban kisebb  az eszközre kapcsolt feszültség (térerősség) növelésével egyre több elektron kerül a magasabb energiájú sávba, így a kisebb mozgékonyság miatt az áram csökken  negatív ellenállás  oszcillátorként és erősítőként használható  a Gunn-diódás oszcillátor legfőbb előnye az egyszerű, olcsó felépítése  frekvenciája, stabilitása és fáziszaja elsősorban az eszközt befogadó üregrezonátor méretétől és jóságától függ Telekommunikációs Rendszerek 94 Mikrohullámú aktív áramkörök Felépítés Feszültség-áram karakterisztika Egyszerű oszcillátor felépítése

96 Tranzisztorok  a tranzisztorok egyre szélesebb körben elterjednek a mikrohullámú tartományban is  a gyakorlatban távközlési célokra használt mikrohullámú frekvenciatartományban (<15 GHz) szinte teljesen kiszorították az elektroncsöveket és az egyéb speciális félvezetőeszközöket  a réteg- és a térvezérlésű tranzisztorok egyaránt megtalálhatók a mikrohullámú alkalmazásokban  nagyfrekvenciás tranzisztorok fizikai működési elve megegyezik kisebb frekvencián működő elődeikével, de számos másodlagos hatást kell figyelembe venni Telekommunikációs Rendszerek 95 Mikrohullámú aktív áramkörök

97  Mikrohullámú rétegtranzisztorok (bipoláris tranzisztorok)  szerkezeti változtatások a hagyományos tranzisztorokhoz képest  a bázisban az elektronok futási idejét csökkentik a megfelelő adalékprofil kialakításával  a méretek csökkentésével csökkennek a szórt reaktanciák és az elérhető teljesítmény is  az interdigitális szerkezet csökkenti a futási idő és a telítési problémákat  a tranzisztorok mérése és jellemzése többnyire a szórási mátrix (S paraméterek) segítségével történik  S mátrix elemei a mikrohullámú tartományban jól mérhetőek, velük az áramkörök jól tervezhetők Telekommunikációs Rendszerek 96 Mikrohullámú aktív áramkörök npn bipoláris tranzisztor metszete Interdigitális mikrohullámú bipoláris tranzisztor

98 A termikus zaj  Alapfogalmak  a híradástechnikában használt eszközeink elektromos jeleihez vagy az általuk keltett és vett elektromágneses hullámokhoz a természetes és mesterséges források által termelt zaj adódik  a zaj mindig rontja a rendszer átviteli jellemzőit  legnagyobb jelentőségű az ún. termikus zaj  a töltött részecskék hőmozgásából adódik  a természetes és mesterséges környezetben is megtalálható  teljesítmény-sűrűsége a frekvencia függvényében Planck nyomán  s(f) a zaj teljesítmény-sűrűsége, h a Planck állandó, k a Boltzmann állandó, f a vizsgált frekvencia, t a hőmérséklet  a közelítés (a Taylor-sor első két tagjából) a szokásos rádiófrekvenciás sávban igaz, (30GHz-ig)  a termikus zaj az optikai sávban (  200THz) elhanyagolható Telekommunikációs Rendszerek 97 A zaj jellemzése az átviteli rendszerekben

99  A félvezetőkben fellépő egyéb zajok  sörétzaj  az áramkörben folyó áram statisztikus ingadozása okozza, a töltéshordozók valamilyen potenciál rétegen történő véletlenszerű áthaladása miatt  árameloszlási zaj  áramok elágazásánál vagy összeadódásánál lép fel, szintén statisztikus jellegű  generációs-rekombinációs zaj,  a lyuk-elektron párok véletlenszerű keletkezése ill. rekombinálódása okozza  villódzási (flicker-zaj)  egyéb természetes zajok  atmoszférikus zajok  kozmikus zajok  mesterséges zajok  intermodulációs zaj  interferencia zaj  tápfeszültség zaj  Vizsgálatainkban ezeket a jelenségeket is a termikus zajhoz hasonlóan kezeljük. Telekommunikációs Rendszerek 98 A zaj jellemzése az átviteli rendszerekben

100  A termikus zaj statisztikus jellemzése  a termikus zaj töltött részecskék hőmozgása, vagyis igen sok véletlen jelenség együttes hatására alakul ki  a zajfeszültség u(t) időfüggvénye nem ismert  a termikus zajfeszültség az x(t) Gauss eloszlású valószínűségi változóval modellezhető, függetlenül az egyes részfolyamatok jellegétől  a Gauss eloszlású folyamat jellemezhető várható értékével és szórásnégyzetével  a termikus zajt leíró folyamat várható értéke, vagyis egyenáramú komponense nulla, míg szórásnégyzete az egységnyi ellenálláson leadott zajteljesítmény  a Gauss eloszlású valószínűségi változó sűrűségfüggvénye x a valószínűségi változó, a változó szórása, m a várható értéke Telekommunikációs Rendszerek 99 A zaj jellemzése az átviteli rendszerekben

101  Az additív zaj  az átviteli rendszer kimenetén megjelenik a hasznos jel, a bemenetre kapcsolt zajból származó kimeneti zaj és a rendszer saját zaja  a hasznos jel és a különböző zajfeszültségek összeadódnak  additív zaj  a termikus zaj számottevő zavart kis jeleket feldolgozó egységekben okoz pl. vevőkészülékek bemenete, előerősítők, antennák stb., mivel ilyenkor a zaj összemérhető a hasznos jellel  a jelhez adódott zajt utólag nehéz, bizonyos esetekben lehetetlen eltávolítani  a számítások során rendszerint az s normalizált feszültséggel számolunk, így a teljesítmény a normalizált feszültség négyzete  adott frekvenciasávban, ahol a rendszer frekvenciafüggése elhanyagolható a kimenő teljesítmény ahol G a teljesítményerősítés, P zaj eszköz által termelt zaj teljesítménye Telekommunikációs Rendszerek 100 A zaj jellemzése az átviteli rendszerekben

102  Effektív zajhőmérséklet, Zajtényező  a berendezés által nyújtott szolgáltatás minőségét a kimeneten megjelenő S/N jel-zaj viszony jellemzi  a kimeneten egységnyi sávszélességben megjelenő jelteljesítmény P jelki mindig kifejezhető a bemenetre kapcsolt generátorból egységnyi sávszélességben kivehető teljesítmény P g kivehető és a berendezés G tr transzducer teljesítmény erősítésének szorzataként  P jelki specifikált kimeneti frekvencián a működési feltételeknek megfelelő kimeneti lezárásra jutó teljesítmény  P gkivehető a kimeneti frekvenciának megfelelő frekvencián a generátorból kivehető maximális teljesítmény Telekommunikációs Rendszerek 101 A zaj jellemzése az átviteli rendszerekben

103  a kimeneten egy adott frekvencián egységnyi sávszélességben megjelenő zajteljesítmény (P zajki ) felírható következő formában  P zajbe a bemeneti lezárásból származó zaj, a bemeneti lezárás T zajhőmérsékletével adható meg  P zaj a berendezés által termelt zaj, mely felírható a T e effektív bemeneti zajhőmérséklettel  a kimeneti zajteljesítmény az alábbi formában írható:  a T e effektív bemeneti zajhőmérsékletet értelmezése:  a zajos lineáris kétkapu jellemezhető a T e effektív bemeneti zajhőmérséklettel Telekommunikációs Rendszerek 102 A zaj jellemzése az átviteli rendszerekben

104  a zajos lineáris kétkapu zaj szempontból a zajtényezővel is jellemezhető  zajtényezőt rendszerint dB-ben adják meg F dB =10lg(F)  a zajtényező a lineáris zajos kétkapu kimenetén egy meghatározott frekvencián egységnyi sávszélességben T 0 zajhőmérsékletű bemeneti lezárás esetén megjelenő zajteljesítmény és a T o zajhőmérsékletű bemeneti lezárással rendelkező, a zajos kétkapuval azonos tulajdonságú zajmentes kétkapu kimenetén, ugyanazon kimeneti frekvencián, egységnyi sávszélességben megjelenő zajteljesítmény hányadosa  a zajtényező és az effektív bemeneti zajhőmérséklet közötti kapcsolat Telekommunikációs Rendszerek 103 A zaj jellemzése az átviteli rendszerekben T=T 0 =293K a szabványos referens zajhőmérséklet

105  P zajki és G tr is frekvenciafüggő, így a zajtényező is frekvenciafüggő  az eddig definiált egyetlen frekvencián értelmezett zajtényezőt szokás pontszerű zajtényezőnek nevezni  az átlagos zajtényező definíciója: Telekommunikációs Rendszerek 104 A zaj jellemzése az átviteli rendszerekben G tr f f0f0 G tr0 BzBz G tr0 =G tr (f 0 )

106  Kaszkádba kapcsolt fokozatok eredő zajtényezője  Felhasználva a összefüggést kapjuk az eredő zajtényezőt megadó Friis formulát  ha az első fokozat G 1 erősítése nagy az eredő zajtényezőt F 1 adja Telekommunikációs Rendszerek 105 A zaj jellemzése az átviteli rendszerekben n elemre általánosítva

107  Vizsgáljuk egy T hőmérsékletű L<1 csillapítású () csillapító tag hatását a zaj jellemzőkre  belátható, hogy a T 0 hőmérsékletű generátorral meghajtott csillapító kimenetén a zajhőmérséklet, a csillapító zajtényezője pedig  A Friis formula alapján egy F zajtényezőjű eszköz és az elé kapcsolt G att =L, F att =1/L zajtényezőjű csillapító eredő zajtényezője F/L, vagyis Telekommunikációs Rendszerek 106 A zaj jellemzése az átviteli rendszerekben T=T 0 esetén F att =1/L L dB F dB

108  Antennák zajhőmérséklete  a veszteségmentes antenna zajt nem hoz létre  az antenna kapocspárján mérhető zaj fizikai oka az antenna sugárzási terében lévő zajforrások által kisugárzott zaj  antennától különböző irányban elhelyezkedő zajforrások hőmérséklete különböző, ezek súlyozott átlaga a következőképpen számítható:  a hullámterjedés közegében lejátszódó elektromos jelenségek járulékos zajnövekedést okoznak  a Föld felszínén elhelyezkedő antenna zajhőmérsékletét a következő összetevők alakítják ki:  kozmikus háttérzaj: 2,78 K, fizikai eredete ismeretlen  galaktikus zaj: saját galaxisunk rádiósugárzása  troposzférikus zaj : a légkör által okozott rádiózaj  a földfelszín által okozott zaj  közeli égitestek által okozott zaj (Nap, Hold)  az antenna veszteségei miatt keletkező zaj  földi mikrohullámú antenna esetén 300°K körüli értékkel, míg egy műholdas vevőegység antennája esetén csak kb. 5-20°K-es értékkel számolhatunk Telekommunikációs Rendszerek 107 A zaj jellemzése az átviteli rendszerekben

109 Rádiórendszerek jel-zaj viszonya  Adott egy T a zajhőmérsékletű antenna és a hozzá kapcsolódó vevőegység  meg kell határoznunk a vevő kimenetén kialakuló jel-zaj viszonyt ismert P v vett teljesítmény mellett  az antennát az F v, zajtényezőjű vevő bemenetével egy L csillapítású T hőmérsékletű kábel köti össze, a rendszerben B z zajsávszélességgel számolunk  az antenna által vett zajt, a kábel által hozzáadott zajt és a vevő zaját a vevő bemenetére vonatkoztatva összegezzük a T E eredő zajhőmérsékletben. Telekommunikációs Rendszerek 108 A zaj jellemzése az átviteli rendszerekben Ez a vevő már zajmentes, így a bemenetre számított jel-zaj viszony a kimenetre is érvényes

110 Vége az elméleti bevezetőnek Telekommunikációs Rendszerek


Letölteni ppt "Telekommunikációs rendszerek Elméleti összefoglaló előadás anyag Készítette: Dr Taszner István Miskolci Egyetem Villamosmérnöki Intézet Automatizálási."

Hasonló előadás


Google Hirdetések