عنـوان :
کاربرد ماهوراه ( انتشار امواج ) و ارتباط با سکو های دریایی
ج
استاد راهنما :
جناب آقای مهندس صاحب علم
دانشجو :
نادر مدکی
تابستان 87
انتشار امواج ماوراء افق
کلیات
مقدمه
این فصل اختصاص به انتشار امواج ماوراء افق با استفاده ا لایه تروپوسفر در ارتفاعات چندین کیلومتری سطح زمین دارد. بطوریکه در فصول قبل بیان شد افق رادیویی یک فرستنده که آنتن آن در ارتفاع ht از سطح زمین قرار دارد با فرض آنکه از کلیه ارتفاعات مسیر صرفنظر و فقط انحنای سطح زمین مدنظر باشد از رابطه زیر تبعیت می نماید.
که بعنوان مثال برای شرایط هوای استاندارد 33/1=K و ارتفاع 30 متری آنتن این فاصله به حدود 6/22 کیلومتر بالغ می گردد. برای آنکه بتوان امواج را مستقیماً و بدون نیاز به ایستگاههای واسط به فواصلی دورتر از افق رادیویی ارسال داشت از تکنیکهای خاص می بایست بهره گرفت که یکی از مهمترین آنها با کارآئی مناسب بهره گیری از ارتباطات تروپواسکاتر می باشد که در این فصل به توضیحاتی در خصوص آن پرداخته می شود.
روش های ارتباطات ماوراء افق
روش های ارسال و دریافت امواج رادیویی با استفاده از هاپ های بلند و از طریق ارتباطات رادیویی ماورای افق عبارتند از:
ارتباطات HF و MF
در این روش از شکست و بازتاب برای ارسال امواج تا فواصل هزاران کیلومتر استفاده می شود. پهنای باند متوسط مجاز ارسال در حد یک یا دو کانال تلفنی است. محدودیت اساسی دیگری که برای استفاده از زیر باندهای این طیف وجود دارد وابستگی اینگونه ارتباطات به ساعت شبانه روز و شلوغی آن می باشد. این روش بویژه قبل از مطرح شدن ارتباطات ماهواره ای بطور وسیعی استفاده می گردید.
اسکاتر یونسفری
این روش از اسکاترینگ امواج رادیویی در لایه یونسفر (یک پدیده مشابه تروپواسکاتر) بهره می برد و در فرکانس های VHF تا MHz 100 می تواند هاپ هائی تا چندین هزار کیلومتر را تشکیل دهد.
پهنای باند متوسط در این روش خیلی محدود است، به طوریکه فقط امکان ارسال چند کانال تلفنی وجود دارد. همچنین محدودیت های ناشی از محوشدگی سبب شده است که از این روش بندرت استفاده شود.
ترکش های شهابی
در این روش از انعکاسات حاصل از دنباله های یونیزه شده شهابها که همیشه در لایه های بالای اتمسفر وجود دارند بهره گیری می شود. به خاطر فیزیک پدیده، پیوستگی ارسال تامین نگردیده و امواج باید در قالب ترکشها ارسال شوند. این پدیده در حال مطالعه است و در حال حاضر مورد استفاده قرار نمی گیرد.
تروپواسکاتر
این روش که موضوع این مطالب را تشکیل می دهد، ارسال تا بیش از صد کانال تلفنی را با هاپ هائی تا صدها کیلومتر امکان پذیر می نماید. این فن آوری در برخی مواقع راه حل مناسبی برای شبکه های محلی با هاپ های طولانی قلمداد می گردد.
دیفرکشن (پراش)
این تکنیک، ارسال تعداد زیادی کانال تلفنی را تا فواصل کوتاهی فراتر از افق ممکن می سازد. این پدیده در ارتباطات سیار و در باندهای UHF/VHF مورد استفاده
می باشد .
ماهواره ها
مناسب ترین روش برای هاپ های خیلی طولانی (مثلاً ارتباطات بین قاره ای) است، اما جایگزینی شبکه های ماورای افق با آن بعضاً به خاطر هزینه و عدم ظرفیت کافی مقرون به صرفه نیست.
جایگاه فعلی ارتباطات تروپواسکاتر
با وجود اینکه امروزه ارتباطات مایکروویو و ماهواره در سطح وسیعی گسترش یافته، ارتباطات تروپواسکاتر هنوز در جهان دارای اهمیت هستند. بطور مثال طول یک هاپ در لینک های تروپو از لینک های ارتباطات مایکروویو بلندتر است و به Km 600~500 می رسد که خود دلیل خوبی برای اهمیت این نوع ارتباط می باشد.
ظرفیت و کیفیت ارتباطات تروپو نسبت به ارتباطات MF/HF در وضعیت بهتری قرار دارد، بطوریکه سیستم های تروپو قادرند بیش از 60 کانال صوتی دیجیتال یا بیش از 300 کانال صحبت آنالوگ و یا کانال تلویزیون تک رنگ را انتقال دهند (مسائل فنی برای ارسال کانال تلویزیون رنگی نیز مورد بررسی قرار گرفته است)
بعلت باریک بودن اشعه رادیویی در ارتباط تروپو، امنیت، بقا و قابلیت ضد پارازیت (اغتشاش) در مقایسه با مخابرات ماهواره در سطح بالاتری قرار دارد. برای لینک های ارتباطی با مجموع طول مساوی، هزینه اولیه و هزینه نگهداری آن در مقایسه با ارتباطات مایکروویو کمتر است. حتی در مقایسه با خطوط اجاره ای ماهواره هزینه هر کانال صوتی وقتی که گستره ارتباط تروپو کمتر از 400 کیلومتر باشد بمراتب پایین تر است. از طرفی تعداد دستگاههای مورد نیاز برای ارتباط تروپو از ارتباط مایکروویو با فاصله زیاد کمتر است، بنابراین پرسنل کمتر لازم بوده و امنیت سایت ها به راحتی تامین می شود.
پهنای باند در ارتباط تروپو حدود صد برابر پهنای باند در ارتباط دنباله شهابی است. امنیت ارتباطات تروپواسکاتری نسبت به ارتباطات ماهواره ای و نیز شبکه های تلفن عمومی متفاوت می باشد. بنابراین ارتباطات تروپو بعنوان یک وسیله ارتباطی کارآمد و مطمئن در برخی نواحی از قبیل بیابان، باتلاق، جنگل، جزایر و نواحی پرجمعیت دوردست و پراکنده می تواند پیشنهاد شود.
ارتباطات تروپو همچنین به عنوان یک روش ارتباطی قابل رقابت برای ایجاد لینک های ارتباطی در میدان های نفتی دور از ساحل می تواند مطرح شود. در انتشار تروپواسکاتری لکه های خورشیدی، طوفان های مغناطیسی و انفجارهای هسته ای اثری ندارند، از این رو برای ارتباطات نظامی در جنگ های هسته ای مناسب هستند.
تجهیزات تروپو قادرند اطلاعات تلفن دیجیتال، تلکس، فاکس و تصویر را انتقال دهند و نیز می توان آنها را در سنجش از راه دور، اندازه گیری از راه دور، تلویزیون تک رنگ و انتقال دیتا (با تغییرات در تجهیزات) بکار گرفت.
مشخصات و کاربردهای اصلی
مشخصات اصلی
مشخصه های اصلی سیستم های ترواسکاتر را می توان در موارد زیر خلاصه نمود:
* مسیرهای طولانی تا چند صد کیلومتر
* تضعیف مسیر خیلی بالا
* توان تشعشعی زیاد در فرکانس های رادیویی مربوطه
* آنتن های با گین بالا (سهمیگون های بزرگ)
* گیرنده های کم نویز و خیلی حساس
* محدوده فرکانسی MHz 5000 – 200
* مدولاسیون فرکانس
* ظرفیت ترافیک بیش از 120 کانال تلفنی
* پهنای باند محدود
* بهره گیری از روش تنوع فاصله آنتن1 جهت بهبود کیفیت دریافت امواج رادیویی
کاربردهای اصلی
بلحاظ کاربردی، داشتن هاپهای بلند را بعنوان جالبترین مشخصه ارتباطات تروپواسکاتر می توان نام برد. این هاپهای بلند نیازی به تکرار کننده های واسطه نداشته و مسافتهائی بزرگتر از لینک های مایکروویو با دید مستقیم رادیویی را تامین می نمایند. این خاصیت بویژه در مواردی که بلحاظ مسائل طبیعی مشکلاتی از نظر ارتباطی وجود دارد همچون موارد زیر مفید است:
* ارتباط بین ایستگاهها در بیابان یا جنگل
* ارتباط یک جزیره دوردست با خشکی و یا جزیره دیگر
* شبکه های نظامی که بایستی از امکان خرابکاری در ایستگاههای تکرارکننده مصون بمانند.
* ارتباط یک سکوی نفتی دوردست در دریا با دفاتر و کارخانه ها در ساحل
سیستم های تروپواسکاتر قادرند سرویس های تلفنی، فاکس، تصویر، سنجش از راه دور2 و تلویزیون تک رنگ را تامین کنند و با بهره گیری از تجهیزات اصلاح خطا برای تبادل دیتا مورد استفاده قرار گیرند. این سیستم ها جهت برقراری لینک های محرمانه با اهداف خاص مانند ترانک های ارتباطی نظامی با ظرفیت کم و یا متوسط در لینک های تروپوی تاکتیکی کاربرد داشته و علاوه بر آن با شبکه های سرویس دیجیتالی مجتمع، ISDN3 سازگار شده و بعنوان یک وسیله ارتباط بین دو نقطه در سیستم های دفاع هوائی خودکار بکار می روند.
مزایای سیستم های تروپواسکاتر
مهمترین فواید سیستم های ترواسکاتر بصورت زیر خلاصه می شوند:
1. امکان ارتباط در مسیر طولانی بطوریکه هر هاپ می تواند طولی به اندازه صدها کیلومتر یعنی حدود ده برابر طول یک هاپ ارتباط دید مستقیم معمولی داشته باشد.
2. امکان طراحی ساده برای سطوح ناهموار، چرا که تنها نکته مهم در طراحی سیستم تروپواسکاتر، انتخاب سایت ها بگونه ای است که در آنها آنتن ها تا حد امکان بصورت افقی یا کمی متمایل به طرف پایین جهت گیری شوند پس نوع و چگونگی عوارض زمین دخالت کمی در طراحی سیستم دارند.
3. پوشش نواحی بسیار وسیع، که با چند هاپ قابل تامین است.
4. عدم نیاز به تکرار کننده به دلیل بلندی طول هاپ
5. کاهش تعداد ایستگاهها و استفاده بهینه از طیف فرکانسی به دلیل افزایش طول هاپ
6. کاهش مشکلات ناشی از تعمیر و نگهداری به دلیل کاهش تعداد ایستگاهها
7. افزایش ضریب ایمنی یک سیستم به دلیل کاهش تعداد ایستگاهها
8. سیستم تروپواسکاتر روشی مناسب برای ارتباط سکوهای نفتی دور از ساحل با نرخ ارسال 2 تا 8 مگابیت در ثانیه و برای فواصل 100 تا500 کیلومتر محسوب می گردد.
9. به دلیل کاهش تعداد تکرارکننده و به دنبال آن ساختمان ها، جاده ها، تجهیزات تغذیه الکتریکی، لوازم یدکی، دستگاههای اندازه گیری و پرسنل نگهداری، هزینه ها کاهش می یابند.
10. مصونیت بالا، در برابر قطع شدن مسیر موج4 ، به دلیل استفاده از آنتن هائی با پهنای اشعه5 بسیار باریک
11. انتشار تروپوسفریک بعلت مصونیت نسبی در مقابل اثرات منفی لکه های خورشیدی6 ، طوفان های مغناطیسی7 و انفجارهای هسته ای8 برای ارتباطات نظامی در جنگ های هسته ای مناسب هستند.
12. هزینه زیاد برای ایجاد یک سیستم رادیویی تروپواسکاتری در مقایسه با فواید این نوع سیستم ها می تواند قابل چشم پوشی باشد.
انتشار امواج تروپوسفر
تروپوسفر پایین ترین لایه اتمسفر است که در آن معمولاً با افزایش ارتفاع، دما کاهش می یابد. گسترش این ناحیه از سطح زمین تا ارتفاع 9 کیلومتر در قطب های زمین و 17 کیلومتر در استوا می باشد. در تروپوسفر تغییرات دما، فشار و رطوبت مثل ابر و باران بر انتشار امواج رادیویی از یک نقطه به نقطه دیگر تاثیر می گذارد.
یونیزاسیون گازهای اتمسفر در داخل تروپوسفر قابل چشم پوشی است ولی در ارتفاع 60 تا 1000 کیلومتری وجود این یون ها کاملاً محسوس است. این لایه ها ناحیه یونسفر را تشکیل می دهند که تاثیر قابل توجهی روی امواج رادیویی در فرکانسهای زیر 40 مگاهرتز می گذارد. در فرکانسهای بالای 40 مگاهرتز مسائل زیر مطرح می باشند:
* پراکنده شدن امواج رادیویی بعلت نوسانات ضریب شکست متمرکز در یک مکان در تروپوسفر
* بازتاب بعلت تغییرات ضریب شکست در لایه های افقی
* داکتینگ بعلت گرادیان های منفی بزرگ در ضریب شکست
تمام این مکانیزم ها می توانند انرژی را به ماورای افق منتقل نمایند و منجر به تداخل بین یک مسیر رادیویی و مسیر دیگر بشوند. بازتاب، بیشتر، فرکانس های بین 30 تا 1000 مگاهرتز را تحت تاثیر قرار می دهد و پدیده داکتینگ، بیشتر در فرکانس های بالای 1000 مگاهرتز اتفاق می افتد. خوشبختانه اتفاق اخیر خیلی به ندرت روی زمین رخ می دهد و غالباً داکت ها در بالای دریاها وجود دارند.
بعلاوه تغییرات در ضریب شکست متناسب با ارتفاع سبب خم شدن امواج رادیویی مخصوصاً در وسعت افق رادیویی ماورای افق اپتیکی می شود. این پدیده در زوایای عمودی کوچک برای تمام فرکانس ها می تواند مهم باشد.
انتشار رادیویی، جدای از اثرات ضریب شکست، در فرکانس های بالای 3 گیگاهرتز در حضور باران های سنگین ممکن است شدیداً تحت تاثیر واقع شود، و در 15 گیگاهرتز و بالاتر تضعیف امواج به سبب اکسیژن و بخار آب در هوا اهمیت پیدا می کند. بعلاوه تضعیف بوسیله باران و گازهای اتمسفر موجب انتشار یک نویز حرارتی معادل خواهد شد.
علاوه بر موارد فوق اثرات زمین غالباً از اهمیت قابل توجهی برخوردار بوده و در فرکانس های بیشتر از 30 مگاهرتز حضور تپه ها و شکل آنها اثرات مهمی روی میزان انرژی میدان انتشار یافته در ماورای افق دارد. در فرکانس های بالاتر ساختمان ها و دیگر موانع اثرات قابل ملاحظه ای، بواسطه پراش و پراکندگی9 و مکانیزم های بازتاب مستقیم، زمانیکه طول موج در مقایسه با ابعاد مانع کوچک باشد، بجای می گذارند.
هندسه مسیر امواج تروپواسکاتر
مقدمه
هندسه مسیر تروپواسکاتر نقش مهمی را در محاسبات طراحی بازی می کند و شامل پارامترهای مورد نیاز برای پیش بینی افت و اعوجاج مسیر می باشد. تعریف پارامترهای هندسی و فرمول اصلی مربوط به این پارامترها در این بخش مطرح خواهد شد. ابتدا به اطلاعات پایه و اساسی پرداخته و سپس به تعریف پارامترها و نیز برخی روابط اضافی اشاره می گردد.
پروفیل مسیر امواج
مسیر ارتباطی تروپواسکاتر را می توان با یک نمودار موسوم به پروفیل مسیر نشان داد. این نوع نمودارها مشابه پروفیل لینک های رادیویی می باشد که در شکل نشان داده شده است. معمولاً این چنین نمودارها با استفاده از مقیاس عمودی تعمیم یافته رسم می شوند و منحنی طوری اصلاح می شود تا یک شعاع الکترومغناطیسی که در حالت عادی باید به سمت زمین خم شود را بتوان با یک خط راست نمایش داد.
مسیر مواج تروپوسفری در نمودار پروفیل 33/1=K
بنابراین یک شعاع موثر با نماد R´e برای زمین تعریف می گردد که به رابطه R´e= KRe به شعاع واقعی زمین (بمقدار 6370 Km) و K بستگی دارد. مقدار K به ضریب شکست اتمسفر وابسته بوده و دارای مقدار استاندارد 33/1 می باشد. در بیشتر مواقع عملی بمنظور محاسبات طراحی مقدار K کمتر از مقدار استاندارد در نظر گرفته می شود.
پروفیل های رادیویی معمولاً برای 33/1 =K و همچنین نسبت مشخص واحدهای طولی افقی به عمودی کشیده می شوند. به هر حال کشیدن پروفیل کامل و دقیق برای مسیر تروپواسکاتر لازم نیست بلکه کافیست که فاصله و ارتفاع افق ها (یا زاویه عمودی افق ها) تعیین شوند. این اطلاعات از نقشه ها یا اندازه گیری های انجام شده در سایت ها بدست می آیند.
گاهی اوقات محاسبات با استفاده از مقدار دقیق K به جای مقدار استاندارد آن با توجه به شرایط آب و هوا و موقعیت جغرافیائی مسیر امواج انجام می گیرد. معمولاً فقط پروفیل های مسیر، برای جمع آوری پارامترهای مربوطه و نیز انجام محاسبات مورد استفاده قرار می گیرند.
پروفیل نمونه مسیر امواج تروپواسکاتر
یک پروفیل مسیر تروپواسکاتر نمونه که اشعه آنتن ها را نیز نشان می دهد در شکل نمایش داده شده است. علاوه بر این با توجه به شکل زیر می بایستی خصوصیات زیر مورد توجه قرار گیرند:
الف: زاویه ارتفاع مثبت
ب: زاویه ارتفاع منفی
زاویه ارتفاع (عمودی) شعاع ارسالی
* آنتن ها به سمت افق (یا به بیان صحیح تر افق رادیویی به خاطر تغییر در انحنای زمین که افق متفاوتی را می تواند بدهد) جهت گیری می شوند. افق رادیویی از سایت ها با یک زاویه عمودی10 یا زاویه پرواز11 دیده می شود که می تواند منفی، صفر و یا مثبت باشد. پرتو به سمت افق رادیویی اغلب در نوشته ها با محور آنتن اشتباه می شود. حالت واقعی در موارد عملی چیزی است که در شکل زیر آمده و نشان می دهد که اشعه dB 3 تا اندازه ای بوسیله افق مسدود شده است. بنابراین یک پهنای اشعه مسیر12 باید در محاسبات بحساب آید.
* اشعه dB 3 آنتن ها (نصف قدرت محور اصلی) و بعبارت دیگر اشعه مسیر در شکل زیر همدیگر را در حجم مشترک13 VFUE قطع می کنند.
پهنای اشعه مسیر آنتن
* یک ناحیه تاریک بین دو افق وجود دارد.
* پرتوهای یک آنتن به سمت دیگر مانند AFB و AEB دارای طول های مختلف هستند و این مسئله باعث تاخیرهای ارسال مختلف از مسیرهای متفاوت و در نتیجه اعوجاج سیگنال خواهد بود.
مطالعه پارامترهای پروفیل از مشخصات هندسی صرف شروع می شود. تعدادی از پارامترها اساسی هستند و از آغاز باید شناخته شوند ولی بعضی دیگر مشتق شده از این پارامترهای اساسی می باشند. فاکتورهای دیگر مانند پهنای اشعه آنتن ها، مسیرهای چندگانه و غیره در مرحله بعد ملاحظه می شوند.
پارامترهای هندسی
اطلاعات پایه
پارامترهای زیر که بعنوان اطلاعات پایه مطرح می گردند بایستی پیش از محاسبه مسیر تعریف شوند:
* طول مسیر d
* ارتفاع های 1h و 2h از سطح دریا مربوط به دو سایت ارسال و دریافت و بعبارت دقیق تر ارتفاع مراکز دو آنتن از سطح دریا
* ارتفاع های 1h´ و 2h´ مربوط به دو افق از سطح دریا (این پارامترها موقعیکه افق دریا باشد در نظر گرفته نمی شوند.)
* فواصل 1d و 2d از هر سایت تا افق مربوطه اش (موقعیکه افق دریاست این پارامترها از طریق محاسبه بدست می آیند.)
* فاکتور تصحیح ضریب شکست هوا (K) برای شعاع زمین Re (مقدار استاندارد Re برابر 6370 کیلومتر و برای K برابر 33/1 است).
سایر پارامترهای هندسی مسیر را می توان از روی این پارامترها محاسبه نمود. در بعضی موارد زاویه عمودی افق بجای ارتفاع و فاصله تا افق می تواند استفاده شود.
مقادیر متداول مربوط به محدوده طول مسیر از 100 تا 500 کیلومتر می باشند. ارتفاع سایت های ارسال و دریافت و افق ها از سطح دریا ممکن است به چند صد متر برسد. فاصله از یک سایت تا افق رادیویی ذیربط معمولاً محدوده ای از چند کیلومتر تا دهها کیلومتر را در بر می گیرد.
پارامترهای زاویه ای14
معمولاً زاویه هائی که در ارتباطات تروپوسفری استفاده می شوند به قدری کوچکند که در فرمول ها می توان مقادیر آنها برحسب رادیان را بجای سینوس و یا تانژانت آنها جایگزین نمود بدون اینکه خطای محسوسی ایجاد شود. با توجه به شکل شماره (10. 5) پارامترهای زاویه ای مفید به قرار زیر هستند:
* طول زاویه ای 0θ که بصورت زیر تعریف می شود:
بعنوان مثال برای یک مسیر 500 کیلومتری طول زاویه ای 0θ، بازای 33/1=K برابر (3.4˚) 59 mard می شود.
* زوایای عمودی 1θ و 2θ مربوط به دو افق نسبت به صفحه افقی در هر سایت به کمک روابط زیر داده می شود:
موقعیکه 0=1h´=2h´ یعنی افق روی سطح دریا و یا معادل آنست، داریم:
شکل اجزاء هندسه مسیر
فواصل:
AM: ارتفاع آنتن 1 (1h) از سطح دریا MQ: فاصله 1d از افق ایستگاه A
BN: ارتفاع آنتن 2 (2h) از سطح دریا NS: فاصله 2d از افق ایستگاه B
EG: ارتفاع نقطه برخورد پرتوها (h0) از سطح دریا CN=CG=CM : شعاع موثر (a) زمین
EH: ارتفاع نقطه برخورد پرتوها (h) از وتر AB AD: خط افقی از سایت A
PQ: ارتفاع مانع افق A () از سطح دریا BD: خط افقی از سایت B
RS: ارتفاع مانع افق B () از سطح دریا MG: فاصله نقطه برخورد پرتوها از سایت A
AB: طول مسیر (d) برابر با کمان MN NG : فاصله نقطه برخورد پرتوها از سایت B
زوایا (برای تمامی زاویه های کوچک: ):
: طول زاویه ای
: زاویه انحراف مسیر ارسال و دریافت
: زاویه عمودی افق در سایت A (مثبت است چون بالاتر از AD است)
: زاویه عمودی افق در سایت B (منفی است چون پایین تر از BD است)
: زاویه عمودی نسبت به وتر AB در سایت A
: زاویه عمودی نسبت به وتر AB در سایت B
نسبت ها:
: فاکتور تقارن مسیر می باشد. (اگر در اینصورت )
این زاویه ها در منطقه نیز می توانند اندازه گیری شوند، اما موقعیکه افق دریاست این کار مصلحت نیست. زیرا خطای حاصل از شکست بصورت غیر قابل قبولی ممکن است بزرگ باشد.
زاویه عمودی افق در سایت های A و B (یعنی زوایای 1θ و 2θ) عملاً در محدوده º7/1- تا º2+ معادل mrad 30- تا mrad 35+ قرار دارند. بعنوان مثال زاویه عمودی افق نوک کوهی با ارتفاع 3000 متر در فاصله 60 کیلومتری از دریا معادل mrad 27- (º52/1-) می باشد. توضیح اینکه زاویه عمودی اپتیکی و رادیویی افق کمی متفاوت هستند.
زوایای α و β بین پرتو افق رادیویی و وتر متصل به دو سایت با رابطه زیر نشان داده می شوند:
* زوایای اسکاتر15 یا فاصله زاویه ای θ، بعنوان زاویه بین دو پرتو افق بصورت زیر نشان داده می شود:
زوایای اسکاتر از چند میلی رادیان تا mrad 80 (º6/4) معتبرند اما در عمل معمولاً از mrad 35 (º2)تجاوز نمی کنند.
* فاکتور تقارن16 با نماد s مقداری کوچکتر از واحد بوده و بصورت زیر تعریف می شود:
پارامترهای طولی17
پارامترهای طولی که در محاسبات مربوط به تروپواسکاتر مفید هستند عبارتند از:
* افق راداری مرکز آنتن هر یک از ایستگاهها که با روابط زیر تعیین می شوند:
* طول های r0 و s0 پرتوهای افق از سایت ها تا محل تقاطع شان عبارتند از:
* ارتفاع نقطه تقاطع پرتوهای افق از سطح دریا که با h0 نشان داده می شود که با روابط زیر تعیین می گردد:
این مقدار همچنین ارتفاع تقریبی قاعده حجم مشترک را مشخص می نماید و از صدها متر تا هزاران متر تغییر می کند.
* اختلاف d∆ بین طول مسیر پرتوهای افق با فاصله بین دو سایت از رابطه زیر محاسبه می شود:
* ارتفاع h مربوط به محل تقاطع پرتوهای افق از وتر واصل دو سایت از رابطه زیر محاسبه می گردد:
* تفاوت d1,2∆ بین طول مسیرهای AFB و AEB در شکل شماره (10. 2) برای ω=HBW1=HBW2 یعنی تفاوت بین طولانی ترین و کوتاه ترین مسیر در امتداد اشعه آنتن ها می شود:
این اختلاف از حدود m 10 تا m 200 تغییر می کند.
پارامترهای هندسی آنتن ها18
پهنای اشعه آنتن HBW19 یا بصورت پهنای اشعه dB 3 یا بصورت پهنای اشعه مسیر، بسته بمورد خاص تعریف می شود. پهنای اشعه dB 3 برای یک آنتن سهموی با تقریب مناسب برحسب درجه از رابطه زیر محاسبه می شود:
که در آن λ طول موج (برحسب متر)، D قطر منعکس کننده سهموی (برحسب متر) و ƒ فرکانس کار (برحسب مگاهرتز) هستند. پهنای اشعه از چند درجه (مثلاً º8 برای آنتن های کوچک در محدوده فرکانس پایین تر) تا کسری از یک درجه (مثلاً º8/0 برای آنتن های بزرگ در محدوده فرکانس های بالاتر) تغییر می کند.
محاسبه شعاع موثر زمین
شعاع موثر زمین از رابطه زیر محاسبه می شود:
که در آن Re شعاع واقعی زمین (Km 6370) و k فاکتور تصحیح است، که مقدار استاندارد 33/1 برای مایکروویو و مقدار 18/1 را برای نور داراست.
قدرت سیگنال دریافتی
عبارت نهائی و تقریبی جهت محاسبه قدرت سیگنال دریافتی در یک ارتباط تروپواسکاتری با توجه به آنچه در کتب تخصصی از جمله کتاب آنتن و انتشار امواج دکتر کالین آمده از رابطه زیر بدست می آید:
در رابطه فوق هر یک از پارامترها بشرح زیر می باشند:
Pr , Pt: قدرت سیگنال های ارسالی و دریافتی برحسب وات
k0: عدد موج
Gr , Gt: بهره آنتن های فرستنده و گیرنده نسبت به آنتن ایزوتروپیک
Cn: ضریب ساختار برای نوسانات ضریب شکست
d: فاصله فرستنده و گیرنده برحسب متر
θ: زاویه انحراف مسیر ارسال و دریافت به واحد دلخواه
2θ1/2: زاویه اشعه نصف قدرت (dB3) آنتنهای فرستنده و گیرنده برحسب رادیان
با توجه باینکه در فواصل طولانی تر حجم اسکاتر کننده در ارتفاع بالاتر از سطح زمین قرار دارد لذا مقدار کوچکتر خواهد بود و در توان سیگنال دریافتی کاهش بیشتری ناشی از افزایش فاصله d وجود خواهد داشت. برای مشخص نمودن اثرات ارتفاع از سطح زمین در مقدار ضریب ساختار معمولاً رابطه زیر بکار می رود:
در رابطه اخیر h0=3200m و h ارتفاع نقطه از سطح زمین می باشد. با اعمال رابطه در رابطه فوق خواهیم داشت:
در نتیجه انتظار می رود نرخ کاهش قدرت متوسط با نسبتی بیش از d6.3 رابطه معکوس داشته باشد. در مثال زیر کاربردی از مقادیر نمونه پارامترهائی که مورد بحث قرار گرفتند آشکار خواهد شد.
مقادیر افت اندازه گیری شده و افت محاسبه شده از معادله برای دو مقدار مختلف Cn در طول 512 کیلومتر در جدول آمده است:
این آزمایش به وضوح همخوانی نتایج تئوری با نتایج عملی را نشان می دهد.
به هر حال نبودن دانش کافی درباره ثابت ساختار Cn سبب می شود که پیش بینی های تئوری حداقل به اندازه dB 10± با مقادیر واقعی اختلاف داشته باشند.
بولینگتون براساس مدارک تجربی، کاهشی به اندازه dB 18 در قدرت میدان دریافتی، بازای دو برابر شدن فاصله در محدوده 80 تا 480 کیلومتر را پیش بینی نموده است. این به معنی وابستگی توان دریافتی به فاصله با نسبت d-6 است در حالیکه تئوری بدست آمده در بالا یک وابستگی به معکوس فاصله با توانی بزرگتر از 3/6 را نشان می دهد.
تقسیم بندی مناطق جهان
بمنظور برآورد دقیق تر از تلفات امواج رادیویی در ارتباطات تروپواسکاتر بلحاظ جغرافیائی و آب و هوائی مطابق شکل جهان به 9 منطقه بشرح زیر تقسیم بندی
می گردد.
تقسیم بندی مناطق جهان
مناطق استوائی20
این مناطق در محدوده 10 درجه عرض شمالی تا 10 درجه عرض جنوبی واقع شده و آب و هوای آن با تغییرات ملایم، درجه حرارت های زیاد، باران های شدید متناوب و رطوبت دائمی همراه است. میزان متوسط سالیانه عدد شکست هوا در سطح زمین 360=Ns واحد و تغییرات سالیانه آن در محدوده 0 تا 30 واحد می باشد.
مناطق گرمسیری بری21
این مناطق در محدوده 10 تا 20 درجه عرض جغرافیائی قرار داشته و آب و هوای آنها با زمستان های خشک و تابستان های بارانی مشخص می گردد. در این مناطق انتشار امواج رادیویی با تغییرات قابل توجه روزانه و سالیانه همراه بوده و دارای حداقل تلفات در فصول بارانی می باشد. در این منطقه در سرزمین های خشک داکت های رادیویی برای مدت زمان طولانی از سال وجود دارد. مقدار متوسط Ns حدود 320 واحد و در طول سال دارای تغییراتی برابر 60 تا 100 واحد می باشد.
مناطق گرمسیری بحری22
این مناطق مشابه ردیف قبل در محدوده 10 تا 20 درجه عرض جغرافیائی قرار داشته و اغلب در سرزمین هائی با ارتفاع کم و مجاور دریا قرار دارند. این مناطق شدیداً تحت تاثیر بادهای موسمی هستند که در تابستان از سمت دریا به خشکی وزیده و مقدار قابل توجهی رطوبت دریا را به خشکی منتقل می نمایند. علیرغم اینکه تلفات امواج رادیویی در ابتدا و انتهای فصل بادهای موسمی پایین است، در اواسط آن جو زمین تا ارتفاعات زیاد بطور یکنواختی مرطوب بوده و میزان تلفات رادیویی با وجود Ns بالا بطور قابل توجهی افزایش می یابد. مقدار متوسط سالیانه Ns حدود 370 واحد و دامنه تغییرات آن 30 تا 60 واحد می باشد.
مناطق صحرائی23
این مناطق بخش های خشکی زمین واقع در محدوده 20 تا 30 درجه عرض جغرافیائی را شامل است. در سراسر سال شرایط خشک و لم یزرع حاکم بوده و تغییرات روزانه و فصلی درجه حرارت، زیاد می باشد. این شرایط برای انتشار امواج تروپواسکاتر بویژه در فصل تابستان بسیار نامساعد محسوب می گردد. مقدار متوسط سالیانه عدد شکست در سطح زمین، یعنی Ns، حدود 280 واحد و دامنه تغییرات ماهیانه آن حدود 20 تا 80 واحد می باشد.
مناطق مدیترانه ای24
این مناطق در بخش های شمالی / جنوبی مناطق صحرائی و در محدوده 30 تا 40 درجه عرض جغرافیائی و مجاور دریاها واقع می باشند. آب و هوای این منطقه دارای درجه حرارت نسبتاً بالا که در مجاورت دریاها کاهش یافته و تابستان های آن تقریباً بدون باران می باشد (مشابه آب و هوای ایران) انتشار امواج رادیویی بویژه در بالای دریاها دارای تغییرات زیادی بوده و داکت های رادیویی اغلب در تابستان تشکیل
می گردد.
مناطق معتدل بری25
این مناطق محدوده 30 تا 60 درجه عرض های جغرافیائی را در نیمکره های شمالی و جنوبی تشکیل می دهند. آب و هوای این مناطق معتدل و تغییرات شرایط انتشار امواج در آنها قابل توجه است. بخش های غربی این مناطق تحت تاثیر عمیق اقیانوسها قرار داشته بطوریکه تغییرات درجه حرارت ملایم بوده و باران در هر زمان سال محتمل می باشد. در بخش های شرقی منطقه تغییرات درجه حرارت بیشتر بوده و باران در فصل زمستان کاهش می یابد. شرایط انتشار امواج رادیویی در تابستان مطلوب و تغییرات سالیانه آنها نسبتاً زیاد است، مقدار متوسط سالیانه Ns برابر 320 واحد با تغییرات متوسط ماهیانه 20 تا 40 واحد همراه است.
مناطق معتدل بحری – بخش خشکی26
این مناطق نیز در محدوده 30 تا 60 درجه عرض جغرافیائی قرار داشته و بادهای غالب رطوبت دریائی را به مناطق خشکی منتقل می نمایند. از جمله مناطق عمده آن بخشهای شمالی اروپا و آمریکا و سواحل شمال غربی آفریقا می باشد. مقدار متوسط سالیانه Ns برابر 320 واحد با تغییرات سالیانه نسبتاً کم بمیزان 20 تا 30 واحد
می باشد.
مناطق معتدل بحری – بخش دریائی27
این مناطق نیز در محدوده 30 تا 60 درجه عرض های جغرافیائی قرار داشته و شامل مناطق ساحلی و بالای دریاها می باشد. تشکیل داکت های رادیویی در این مناطق برای درصدهای زمانی کم متداول است.
مناطق قطبی28
این مناطق سرزمین های بیشتر از 60 درجه عرض جغرافیائی تا قطب ها را در 2 نیمکره شمالی و جنوبی در بردارد. آب و هوای منطقه با درجه حرارت پایین و نیز نزولات جوی آن کم می باشد.
محاسبات تلفات امواج تروپواسکاتر
مقدمه
برای طراحی لینک های تروپواسکاتر نیاز به روش تخمین صحیح در خصوص چگونگی انتشار امواج رادیویی در این نوع ارتباطات می باشد. مولفه های اصلی در این مورد می بایستی شناسائی و روابط آنها مشخص گردند. علاوه بر این ضرورت دارد نتایج حاصله یا تجربیات و آزمایشات انجام شده دارای تطابق مطلوبی باشند. سیگنال های دریافتی در لینک های تروپواسکاتر دارای 2 نوع تغییرات زیر هستند:
* تغییرات آرام که مربوط به تغییرات ضریب شکست جو زمین بوده و با توابع توزیع میانه ساعتی قابل بیان هستند. این توابع بصورت نرمال لگاریتمی با انحراف معیار 4 تا 8 دسیبل می باشند که مقدار آنها تابعی از شرایط اقلیمی و آب و هوا می باشد.
* تغییرات سریع ناشی از حرکت بی نظمی های با مقیاس کوچک با توزیع تقریباً رایلی که مدت زمان عمل آنها کم و حدود 5 دقیقه می باشد.
با توجه باینکه فرکانس کانال رادیویی در لینک های تروپواسکاتری در محدوده 200 تا 5000 مگاهرتز قرار دارد لذا تلفات مربوط به انواع نزولات جوی و نیز گازها و بخارات و مه و ابر و غیره ناچیز بوده و عمده تلفات علاوه بر افت فضای آزاد شامل مواردی است که در بخش آتی عنوان خواهند شد.
تلفات انتشار امواج
برای محاسبه تلفات انتشار امواج بین فرستنده و گیرنده مطابق شکل شماره (10. 7)، یک روش کاربردی مناسب و ساده از طرف ITU-R در توصیه شماره P. 617 پیشنهاد گردیده که بطور دقیق بصورت زیر می باشد:
نمودار مربوط به محاسبه تلفات انتشار
گام 1: از میان 9 منطقه تقسیم بندی شده مناسبترین آنها برای لینک های مورد نظر انتخاب می گردد.
گام 2:با استفاده از جول شماره (10. 3) و متناظر با منطقه انتخابی در گام اول پارامترهای زیر انتخاب می شوند:
* پارامتر M مربوط به ساختار آب و هوائی
* پارامتر γ مربوط به ساختار جوی
مقادیر پارامترهای M و γ برای مناطق مختلف زمین
گام 3: زاویه θ را طبق رابطه زیر محاسبه نمائید:
tθ و rθ زوایای قائم امواج ارسالی و دریافتی برحسب میلی رادیان (mrad) بوده و cθ برحسب میلی رادیان طبق رابطه زیر محاسبه می گردد:
در رابطه اخیر هر یک از پارامترها و واحد آنها بشرح زیر می باشد:
d: فاصله مسیر امواج رادیویی بر حسب Km
Re: شعاع زمین برحسب کیلومتر (Km6370)
k: فاکتور K مربوط به ضریب شکست زمین که مقدار آن برابر 33/1 می باشد مگر آنکه مقدار دقیقتری اندازه گیری شده باشد.
گام 4: فاکتور وابستگی تلفات انتقال به ارتفاع حجم مشترک تروپوسفر از رابطه زیر محاسبه می گردد:
در روابط فوق θ فاصله زاویه ای برحسب mrad و γ پارامتر ساختار جو زمین است که از جدول انتخاب می گردد.
گام 5: فاکتور تبدیل Y(q) را برای درصدهای زمانی غیر از 50% می توان از رابطه زیر بدست آورد:
در رابطه فوق Y(90) فاکتور تبدیل بازاء 90% = q می باشد که برای آب و هوای هر منطقه طبق روابط زیر مشخص می گردد.
* برای مناطق 2، 6 و 7 برحسب dB ، رابطه:
* برای منطقه 8 برحسب dB ، رابطه:
* برای مناطق 1 ، 3 و 4 طبق شکل شماره (10. 8) که در آن ds برابر تفاضل فاصله مسیر و مجموع افق های رادیویی آنتن های فرستنده و گیرنده بوده و تقریباً با رابطه زیر مشخص می گردد:
ضریب Y(90) برای مناطق 1، 3 و 4
در روابط فوق ƒ برحسب مگاهرتز و ارتفاع h طبق فرمول (10 – 31) بدست آمده و برحسب کیلومتر می باشد. همچنین ضریب C(q) برای درصدهای زمانی q طبق جدول بدست می آید.
مقادیر C(q)
گام 6: تلفات کوپلاژ آنتن های فرستنده و گیرنده با محیط طبق رابطه زیر محاسبه
می شود:
گام 7: مقدار متوسط سالیانه تلفات انتقال برای درصدهای کمتر از q% از رابطه زیر محاسبه می شود:
یادآوری می گردد اعتبار روابط فوق در محدوده فرکانسی 200 تا 5000 مگاهرتز
می باشند.
تلفات در دشوارترین ماه
آنچه در بخش قبلی محاسبه شد مربوط به مقدار میانگین میانه های سالیانه تلفات انتقال برای درصدهای زمانی بیش از 50 درصد بود. برای آنکه مقدار میانگین این تلفات برای دشوارترین ماه29 محاسبه شود می بایستی به طریق زیر عمل گردد:
گام 1: ابتدا میانگین میانه های سالیانه تلفات انتقال برای درصد زمانی مورد نظر با روش پیشنهادی محاسبه می گردد.
گام 2: با استفاده از نمودارهای مندرج در شکل مقدار تلفات اضافی مربوط به ((دشوارترین ماه)) نسبت به میانگین سالیانه تلفات با توجه به شرایط جغرافیائی و آب و هوائی مکان مورد نظر تعیین می شود.
گام 3: مقدار مشخص شده در گام 2 به مقدار میانگین محاسبه شده در گام اول اضافه می شود که نتیجه میانگین مقدار میانه تلفات انتقال در ((دشوارترین ماه)) خواهد بود.
انتشار امواج پخش همگانی
کلیات
مقدمه
اتحادیه بین المللی ارتباطات راه دور در مجموعه مقررات رادیویی، سرویس های مربوط به پخش همگانی را " یک سرویس ارتباط رادیویی برای ارسال سیگنال بمنظور دریافت مستقیم توسط همگان " تعریف نموده که می تواند شامل پخش صدا، تصویر و یا هر نوع پخش دیگری باشد.
همچنین از طرف اتحادیه یادشده جهت برنامه ریزی، طراحی و احداث مراکز فرستنده رادیویی و تلویزیونی، باندهای فرکانسی مناسب اختصاص یافته است. نظر به اهمیت سرویس پخش همگانی در این فصل انتشار امواج رادیویی آن مورد بررسی قرار می گیرد. بطور کلی امواج پخش همگانی در 3 بخش اصلی زیر تقسیم بندی می شوند:
* پخش همگانی در باند فرکانسی کمتر از 30 مگاهرتز (LF/MF/HF)
* پخش همگانی در باند فرکانسی 30 تا 3000 مگاهرتز (VHF/UHF)
* پخش همگانی در باند فرکانسی بیش از 3 گیگاهرتز (SHF/EHF)
با توجه به اهمیت و استفاده وسیع از باندهای VHF/UHF در این فصل تاکید عمده بر این باند می باشد. یادآوری می نماید که در خصوص انتشار امواج باندهای فرکانس کمتر از MHz 30 و یا باند ماهواره ای بصورت گذرا اشاره ای به آنها خواهد شد. همچنین بخش رادیویی اتحادیه بین المللی ارتباطات راه دور در سری BS30 در خصوص پخش همگانی صوتی و در سری BT31 توصیه هائی در خصوص پخش همگانی تصویری در باندهای مختلف ارائه نموده که بسیار جامع و کامل
می باشند.
ویژگی های سرویسهای پخش همگانی
برخی از موارد اصلی و عمده در خصوص پخش همگانی عبارتند از:
* در این سرویس، ارتباطات یکطرفه از سوی مراکز فرستنده و استودیوهای پخش همگانی بطرف هزاران و یا میلیونها مخاطب می باشد.
* شرایط جوی، اقلیمی و محیطی مراکز فرستنده با پایانه های گیرنده بویژه در انواع ماهواره ای و ماوراء افق آن تفاوت های زیادی دارند.
* عموماً تجهیزات و آنتن های مراکز فرستنده بسیار مجهز با کیفیت مطلوب و دارای بخشهای مضاعف هستند در حالیکه تجهیزات و آنتن های پایانه دریافت حتی الامکان ساده و با قیمت اقتصادی می باشند.
* بعلت یکطرفه بودن ارتباطات، مسائل مربوط به طراحی شبکه و فرکانس محدود به بخش فرستنده بوده و ایستگاههای گیرنده تابع آنها می باشند.
* با توجه به اهمیت و تاثیرات مهم سرویسهای پخش همگانی لذا تلاشهای زیادی از سوی دولت ها، مجامع بین المللی، منطقه ای و خصوصی برای بهبود و توسعه آنها در ابعاد گوناگون از جمله موارد زیر بعمل می آید:
* مناطق تحت پوشش
*تنوع سرویسها
*کیفیت سرویسها
* نظر به ابعاد سیاسی، نظامی، اجتماعی، فرهنگی و اقتصادی پخش همگانی، برخی اوقات از طرف دولتها و یا گروههای مختلف تدابیری جهت ایجاد پارازیت و اختلال در سیگنالهای مراکز فرستنده بعمل می آید.
شبکه های پخش همگانی
انواع شبکه های پخش همگانی با استفاده از امواج رادیویی را می توان بصورت زیر تقسیم بندی نمود:
♦ پخش همگانی با طول موج بیشتر از 10 متر
این امواج که تحت عنوان امواج متوسط MW32 و امواج کوتاه SW33 شهرت دارند در باندهای فرکانس LF، MF و HF قرار داشته و همانگونه که در شکل نشان داده شده است، از آنها بیشتر برای کانال های صوتی و کاربردهای محلی و ماوراء افق و پوشش های دوردست استفاده می گردد.
♦ پخش همگانی در باند محلی
این امواج عمدتاً در باندهای VHF / UHF و بازه فرکانسی 30 تا 3000 مگاهرتز را پوشش می دهند. این باند برای پخش سرویسهای رادیو FM34 ، تلویزیون آنالوگ و نیز سیستم های صوتی دیجیتال DAB35 و سیستم های دیجیتال تصویری DTT36 اختصاص دارد. همانگونه که در شکل نمایش داده شده است، این باند در محدوده های شهری و اطراف آنها و در نهایت با استفاده از زیر ساختهای ارتباطی برای پوششهای استانی و ملی استفاده می گردد.
♦ پخش همگانی ماهواره ای
از امواج ماهواره ای در باندهای Ku و Ka برای پخش سرویسهای تصویری و صوتی دیجیتال استفاده می گردد. این سرویس که عمدتاً بوسیله ماهواره های GEO37 در مدار استوائی و در ارتفاع 36000 کیلومتری سطح زمین مورد استفاده قرار می گیرد، می تواند دارای پوشش جهانی، منطقه ای، ملی و یا محلی باشد.
پخش همگانی محلی (باند VHF/UHF)
پخش همگانی ماهواره ای (باند SHF/EHF)
باندهای فرکانس
همانگونه که قبلاً اشاره شد سرویسهای پخش همگانی از دیدگاه فرکانسی در 3 دسته عمده تقسیم بندی گردیدند. در بخشهای ذیل باندهای اختصاص یافته به هر یک از آنها معرفی می شوند. یادآوری می گردد با توجه به گسترش نیازهای رادیویی و پیشرفت های حاصل در این صنعت و بهره گیری از فن آوریهای جدید تغییراتی متناسب با این درخواست ها در زمانهای لازم انجام می پذیرد.
باند فرکانس تا MHz 30
امواج رادیویی در باندهای فرکانسی LF در بازه 30 تا 300 کیلوهرتز، MF در بازه 300 تا 3000 کیلوهرتز و HF در بازه 3 تا 30 مگاهرتز عمدتاً برای سرویسهای صوتی با پهنای باند کم استفاده می شوند. با توجه به چگونگی انتشار امواج یادشده، از آنها بصورت امواج زمینی در فواصل نزدیک و بصورت امواج یونسفری برای فواصل دور و ماوراء افق رادیویی استفاده می گردد.
در جدول باندهای اختصاص یافته به این سرویس براساس ماده 5 مقررات رادیویی ITU برای نواحی 3 گانه جهان مشخص شده است.
باند فرکانس VHF/UHF
امواج رادیویی در باندهای VHF/UHF که بازه فرکانسی 30 تا 3000 مگاهرتز را شامل است برای پخش همگانی صوتی و تصویری با پهنای باند مورد نیاز بکار میروند. هر دو نوع فن آوری آنالوگ و دیجیتال در آن کاربرد داشته و بصورت امواج زمینی برای پوششهای محلی بکار می روند. امواج این باند عمدتاً بصورت دید مستقیم رادیویی LOS38 و برخی اوقات نیز با استفاده از پدیده پراش بصورت دید غیرمستقیم رادیویی NLOS39 می باشند. در هر صورت این سرویس در فواصل محدود شهرها و حومه آنها تا شعاع دهها کیلومتر قابل استفاده هستند.
باندهای فرکانس تا MHz 30 برای پخش همگانی
در جدول باندهای اختصاص یافته به این سرویس براساس ماده 5 مقررات رادیویی ITU برای نواحی سه گانه جهان مشخص شده است.
باندهای فرکانس VHF/UHF برای پخش همگانی
پخش همگانی محلی در این باند دارای زیر باندهائی می باشد که در شکل نمایش داده شده است.
زیرباندهای پخش همگانی محلی
باند فرکانس ماهواره ای
امواج ماهواره ای برای پخش همگانی مستقیم DTH40 در شرایط فعلی عمدتاً در باندهای Ku و Ka ماهواره ای مورد استفاده بوده و امکان دارد با توجه به پیشرفتهای صنعت مخابرات و گسترش سرویسها در آینده باندهای بالاتری نیز بصورت وسیع باین امر اختصاص یابد.
باندهای فرکانس ماهواره ای / پخش همگانی
از این باند برای پخش سیگنالهای صوتی و تصویری استفاده گردیده و براساس ماده 5 مقررات رادیویی ITU باندهای اختصاص یافته به آن در جدول ارائه شده است.
پخش همگانی در باند LF/MF/HF
از باند فرکانس کمتر از 30 مگاهرتز در مراحل اولیه پخش همگانی جهت ارسال سیگنالهای صوتی آنالوگ بهره گرفته شده که همچنان نیز ادامه دارد. امروزه با توجه به موارد ذیل کاربرد این باندها محدودتر شده است:
* ارتقاء کیفیت دریافت امواج رادیویی
* افزایش ضریب اطمینان
* دریافت سیگنالها با BER کمتر در سرویسهای دیجیتال و SNR بیشتر در سرویسهای آنالوگ
* رهائی از مشکلات انتشار امواج
* تامین پوشش بهتر و مطمئن تر
پدیده های مربوط به انتشار امواج پخش همگانی در باندهای LF/MF/HF شامل بازه فرکانسی KHz 30 تا MHz 30 بوده و در فصول قبلی کتاب ارائه شده است.
پدیده های عام
موارد عام انتشار امواج یونسفری شامل بخشهای زیر عنوان گردیده است:
* انتشار قائم و مایل در لایه یونسفر
* فرکانس کار بهینه
* ارتباط فواصل طولانی
* فرکانس روز و شب
* مدهای انتشاری و تاخیر زمانی آنها
* اثرات خورشید و میدان مغناطیسی زمین
همچنین ضرایب مربوط به لایه یونسفر شامل ضرایب اصلی، عدد لکه های خورشیدی و ضریب Ф ارائه شده اند.
پدیده های خاص
پدیده های خاص مربوط به انتشار امواج رادیویی در باندهای LF/MF/HF نیز در بخش (5. 2) فصل پنجم در خصوص امواج سطحی مشتمل بر مشخصات الکتریکی، قدرت دریافتی گیرنده، امواج با پولاریزاسیونهای قائم / افقی و نمودارهای ITU-R مطرح شده اند. موارد زیر در خصوص انتشار امواج یونسفری باند MF/HF ارائه شده است:
* فرکانس عبور از لایه های E و F
* مدهای انتشاری
* زاویه ارتفاع امواج
* شدت میدان امواج و توان دریافتی
* نسبت سیگنال به نویز
* حداقل فرکانس قابل استفاده
* انتشار در باند MF و تغییرات دامنه سیگنال دریافتی و تاخیر زمانی در مسیرهای چندگانه
پخش همگانی ماهواره ای
مزایای پخش ماهواره ای
سیستم ماهواره های پخش همگانی BSS41 بعد از آنکه ماهواره ها توانایی خود را در ارائه سرویسهای مخابراتی به اثبات رساندند، بدلایل متعدد مورد توجه دولت ها و سازمان های خصوصی جهت پخش برنامه های رادیویی و تلویزیونی قرار گرفتند. دلایل عمده استفاده از ماهواره ها در تامین اینگونه نیازها در موارد زیر خلاصه
می گردد:
* غلبه بر دشواری های مربوط به تامین شرایط دید رادیویی در ارتباطات زمینی
* غلبه بر مشکلات انتشار امواج لایه های یونسفر و تروپوسفر در ارتباطات باندهای VHF , HF , MF و UHF
* تامین پوشش خوب و مطلوب در مناطق وسیعی از کره زمین
* کیفیت بسیار مطلوب و ضریب اطمینان بالا
* پیشرفت های فن آوری دیجیتال و فشرده سازی سگینال ها
این ارتباطات که عمدتاً بوسیله ماهواره های مدار GEO تامین می گردند، امروزه گسترش زیادی یافته بطوریکه اکثر کشورها و یا بنگاههای خبری و یا خصوصی با استفاده از آنها هزاران کانال مختلف را در اقصی نقاط کره زمین پخش می نمایند.
کاربردها
پخش برنامه های رادیو و تلویزیون با استفاده از ماهواره ها در شرایط امروزی بر فن آوری های دیجیتال و فشرده سازی استوار بوده و می توان هر کانال را صرفاً با بهره گیری از ظرفیت بخشی از یک ترانسپوندر پخش نموده و مخاطبین زیادی را در مناطق وسیعی تحت پوشش قرار داد.
بنابراین به کمک یک ترانسپوندر می توان دهها برنامه تلویزیونی را با کیفیت SDTV42 و یا حتی HDTV43 پخش نمود.
همانگونه که در شکل نشان داده شده کاربرد ماهواره ها در پخش سیگنال های رادیو و تلویزیون به دو صورت اصلی زیر انجام می پذیرد:
* پخش مستقیم با عنوان اختصاری DBS44 که گاهی اوقات به آن DTH نیز اطلاق می گردد. در این نوع پخش گیرنده های خانگی و یا سیستم CATV45 مستقیماً امواج مربوطه را از ماهواره دریافت و به گیرنده های رادیو و یا تلویزیون انتقال می دهند.
* پخش غیرمستقیم که در آن ابتدا برنامه ها از ایستگاه تولید مرکزی به ایستگاههای پخش فرعی منتقل و سپس بوسیله فرستنده های کم قدرت و برخی اوقات پرقدرت رادیویی و در باندهای فرکانسی مورد نظر بصورت محلی پخش می گردند .
شبکه ماهواره ای پخش رادیو و تلویزیون
پارامترهای فنی
در این قسمت برخی از پارامترهای فنی مربوط به سیستم های پخش همگانی ماهواره ای به اختصار مطرح و برای کسب اطلاعات بیشتر به کتب تخصصی و پایگاههای اینترنتی ویژه اینگونه سرویس ها ارجاع داده می شود.
♦ نرخ بیت کانال های تلویزیونی
در تلویزیون های دیجیتال، بدون استفاده از فشرده سازی، میزان نرخ بیت مورد نیاز متناسب با تعداد نقاط تصویری46 می باشد که در جدول برای الگوهای HDTV و SDTV براساس استاندارد ATSC47 ارائه شده است.
نرخ بیت کانال های مختلف تلویزیونی
بطوریکه ملاحظه می گردد با توجه به تعداد نقاط تصویری و تعداد تصاویر کامل در ثانیه میزان نرخ بیت مورد نیاز از 118 تا 995 مگا بیت در ثانیه خواهد بود. با فرض نرخ بیت Mb/s 200 برای تلویزیونهای معمولی نتیجه می گردد که برای ارسال یک کانال تلویزیونی چه ظرفیت بزرگی از بخش فضائی می بایستی اختصاص یابد. بهمین علت در نسل های اولیه ماهواره های اینتلست تعداد کانال های تلویزیونی معدودی قابل مبادله بوده اند.
در دهه های اخیر در فن آوری های دیجیتال امکان فشرده سازی براساس استانداردهای MPEG48 فراهم شد و بدینوسیله میزان نرخ بیت مورد نیاز برای کانالهای تلویزیون های رنگی استاندارد به شرح زیر به شدت کاهش یافت:
* برای کانال سینمائی با میزان حرکات کم معادل Mb/s 4
* برای کانال های نمایش با میزان حرکات متوسط معادل Mb/s 5
* برای کانال های ورزشی با میزان حرکات سریع معادل Mb/s 15~ 6
بدین ترتیب با یک ترانسپوندری که قابلیت انتقال سیگنال هائی با نرخ بیت Mb/s 45 را دارا باشد می توان تعداد قابل توجهی کانال تلویزیونی دیجیتال فشرده را پخش نمود.
♦ ظرفیت ترانسپوندر
رابطه پهنای باند با نرخ بیت مورد لزوم در ارتباطات ماهواره ای طبق رابطه زیر بیان می شود:
در رابطه فوق B/R نرخ بیت برحسب Mb/s و B/W پهنای باند برحسب MHz، ρ فاکتور Rolloff ، FEC49 میزان نرخ اصلاح خطا و m با رابطه زیر به سطوح مدولاسیون (M) ارتباط دارد.
♦ اصلاح خطا
بعلت فشرده سازی زیاد در سیگنالهای تلویزیونی دیجیتال، میزان تکرار اطلاعات ارسالی بسیار کم بوده و بهمین علت خطای بیتی اثرات بمراتب بیشتری را نسبت به سیگنالهای غیرفشرده خواهد داشت.
با توجه به مقدمه فوق از روش های اصلاح خطا FEC با نرخ های 5/0 ، 75/0 و 875/0 در مبادله سیگنال های فشرده استفاده می گردد. برای دستیابی به BER مناسب لازم است که مقدار Eb/N0 بیشتر از dB 6 باشد در غیر اینصورت میزان خطا به شدت افزایش یافته و کیفیت کاهش و حتی به حد غیر قابل قبولی تنزل خواهد یافت.
♦ قدرت ارسال ترانسپوندر
ماهواره های DBS از نظر قدرت ارسالی به 3 دسته زیر تقسیم بندی می شوند:
* ترانسپوندر پرقدرت بامیزان ارسال موثر در محدوده dBW60 ~dBW51
* ترانسپوندر با قدرت متوسط با میزان ارسال موثر در محدوده dBW48 ~ dBW40
* ترانسپوندر کم قدرت با میزان ارسال موثر در محدوده dBW37~ dBW33
♦ باندهای فرکانس و پولاریزاسیون
معمولاً ماهواره های DBS در باند فرکانسی Ku عمل می نمایند. در آینده در صورت بهره برداری از آنتن های کوچکتر می توان از باندهای فرکانسی بالاتر نیز بهره جست. همانطوریکه در جدول شماره (11. 5) منعکس گردیده در پهنای باند 500 مگاهرتزی هریک از باندهای یاد شده و با احتساب 3 مگاهرتز بعنوان باند محافظ می توان به راحتی 16 عدد ترانسپوندر 24 مگاهرتزی و با بهره گیری از پولاریزاسیونهای مختلف، مانند پولاریزاسیون دایره ای راستگرد RHCP50 و دایره ای چپگرد LHCP51، 32 عدد ترانسپوندر 24 مگاهرتزی را جهت پخش همگانی اختصاص داد.
♦ پایانه TVRO
پایانه های دریافت ماهواره ای تلویزیونی موسوم به TVRO52 که جهت دریافت مستقیم از ماهواره های DBS بکار می روند و از دو قسمت اصلی برون نصب ODU53 و درون نصب IDU54 تشکیل می یابد.
قسمت برون نصب از آنتن پارابولیک، گیرنده، انتخاب پولاریزاسیون و تقویت کننده کم نویز LNB تشکیل می یابد که ورودی RF در باند Ku را پس از دریافت به سیگنالهای IF تبدیل و به قسمت درون نصب منتقل می نماید. تجهیزات درون نصب نیز از تیونر، دمدولاتور، FEC، دی مالتی پلکسر، تجهیزات کنترل و بخش های صوت و تصویر تشکیل می یابد.
انتشار امواج ماهواره ای
با توجه باینکه در این فصل انتشار امواج ماهواره ای مربوط به پخش همگانی مدنظر نمی باشد، بنابراین به ارائه کلیات و راهنمائی جهت کسب اطلاعات تکمیلی اکتفا خواهد شد.
پدیده های عام
در فصل نهم کتاب، انتشار امواج ماهواره ای بطور عام و برخی از موارد اختصاصی مربوط به پخش همگانی ارائه گردیده است که می توان آنها را در سه دسته کلی تلفات آسمان صاف، تروپوسفری و یونسفری تقسیم بندی نمود. بطور کلی عوامل عمده موثر در میزان این پدیده ها عبارتند از:
* مدار ماهواره و نوع آن
* باند فرکانس مورد استفاده
* نوع ارتباطات مانند ثابت و سیار
* نوع سرویس مانند صوت و تصویر
* تحولات و تغییرات جوی
* فعالیت های آسمانی
♦ تلفات آسمان صاف
اثرات آسمان صاف شامل موارد زیر می باشد:
* افت فضای آزاد
* کاهش بهره آنتن بر اثر تغییرات در کوپلاژ امواج با آن
* افت پخش اشعه رادیویی
♦ اثرات تروپوسفری
اثرات لایه تروپوسفری روی امواج ماهواره ای عبارتند از:
* تضعیف باران و سایر نزولات جوی
* تضعیف ناشی از گازها و بخارات
* تضعیف ابر و مه
* تضعیف غبارات و گرد و خاک
* اثرات ناشی از تغییرات سریع ضریب شکست هوا
* تغییر پولاریزاسیون امواج
♦ اثرات یونسفری
اثرات لایه یونسفر روی امواج ماهواره ای عبارتند از:
* چرخش پولاریزاسیون موسوم به چرخش فاراده
* تاخیر زمانی سیگنال کاریر
* تغییر جهت ظاهری سیگنال ورودی
* اثر داپلر
* پراکندگی و یا اعوجاج در سرعت گروهی
* تغییرات ناگهانی در ترکیب لایه یونسفر
پدیده های خاص
پدیده های خاص انتشار امواج مربوط به سیستم های پخش ماهواره ای طی توصیه شماره ITU-R, P. 679 عنوان گردیده است. از جمله موارد عمده ایکه در این توصیه به آنها پرداخته شده در سه دسته پدیده های تروپوسفری، یونسفری و محیطی به شرح زیر می باشند:
♦ پدیده های تروپوسفری
اثر لایه تروپوسفر بر امواج ماهواره ای در سرویسهای پخش همگانی عبارتند از:
* تلفات ناشی از گازها و بخارات موجود در جو زمین
* تلفات ناشی از ابر، مه و سایر جاذبها
* تلفات باران و رابطه آن در بدترین شرایط با آمارهای میانگین
* محوشدگی های زمانی از جمله روزانه و سالیانه
* محوشدگی ناگهانی
* دیپولاریزاسیون امواج بر اثر ذرات آب دار از جمله باران و کریستال های یخ
♦ پدیده های یونسفری
اثر لایه یونسفر بر امواج ماهواره ای در سرویسهای پخش همگانی که اکثراً با توان دوم فرکانس رابطه معکوس دارند فهرست وار عبارتند از:
* چرخش فاراده
* تاخیر مربوط به انتشار امواج
* شکست امواج در لایه یونسفر
* تغییرات مربوط به زاویه ورود / خروج امواج از آنتن
* تلفات مربوط به جاذبها در لایه یونسفر
* پراکندگی امواج
* تغییرات ناگهانی
♦ پدیده های محیطی پایانه های زمینی
به دلیل پوشش وسیع فرستنده های ماهواره ای پخش همگانی، شرایط اقلیمی و جوی متفاوتی در محل پایانه های زمینی وجود دارند که همگی برای تجزیه و تحلیل چگونگی دریافت آنها می بایستی مدنظر واقع شوند. علاوه براین پدیده های برونی، اصولاً بعلت استقرار پایانه های TVRO در شرایط خاص و نیز تعدد آنها شرایط ویژه حاکم از جمله موارد زیر مورد بررسی و توجه می باشند:
* پدیده های انتشار امواج در محوطه های سرپوشیده
* تلفات برخورد امواج با موانع محیط های شهری از جمله درختان، ساختمان و سازه های ویژه
* تلفات ناشی از بازتابها و ایجاد سایه های رادیویی مربوط به ساختمانها و سازه ها
پخش همگانی در باند VHF/UHF – پخش محلی
مقدمه
باندهای فرکانسی سیستمهای پخش همگانی محلی شامل سیستمهای زمینی در باندهای VHF/UHF می باشد. با توجه به جدول و شکل طیف مورد نظر مشتمل بر 3 زیر باند در محدوده VHF و 2 زیر باند در محدوده UHF پایین تا 1 گیگاهرتز و یک باند L است.
زیرباندهای یاد شده دارای تقسیم بندیهای ویژه ای براساس توافقات و تصمیمات بین المللی / منطقه ای می باشند. کشورهای عضو موظف به رعایت آنها بمنظور استفاده بهینه از طیف فرکانس و جلوگیری از تداخل رادیویی هستند. این تقسیم بندیها با توجه به انواع سرویسها و حجم نیازها تنظیم گردیده اند که جهت مدیریت فرکانس و اختصاص کانالهای مربوطه می بایستی مدنظر طراحان واقع شوند.
بخش رادیویی اتحادیه بین المللی ارتباطات راه دور درخصوص انتشار امواج شبکه های زمینی سیستم های پخش همگانی در باند VHF/UHF توصیه شماره ITU-R, P. 370 را برای اولین بار در سال 1951 ارائه نمود. این توصیه همراه با نسخه های تجدیدنظر شده آن سال ها مبنای طراحی شبکه پخش همگانی را در این باند تشکیل می داد.
با توجه به گسترش سیستم های دیجیتال و تحقیقات و آزمایشات انجام شده، اتحادیه موصوف در دهه حاضر توصیه شماره ITU-R,P. 1546 را بعنوان جایگزین توصیه قبلی در سال 2001 معرفی و در سال 2005 تجدیدنظر دوم آن را ارائه نمود که امروزه مبنای طراحی شبکه های پخش همگانی می باشد. نظر به اهمیت این توصیه، در بخش آتی بطور اختصار به توضیح آن پرداخته خواهد شد.
انتشار امواج پخش همگانی در باند VHF/UHF
محیط انتشار
در انتشار امواج مربوط به پخش همگانی، معمولاً ایستگاه فرستنده دارای موقعیت ثابت بوده ولی ایستگاه گیرنده می تواند در یکی از حالات اصلی زیر باشد:
* ثابت با آنتن برون نصب (محوطه های باز)
* ثابت با آنتن درون نصب (محوطه های سرپوشیده)
* سیار دستی و یا خودروئی
بنابراین در حالت کلی ملاک قراردادن محیط انتشار برای امواج رادیو سیار دشوارترین شرایط را در برخواهد داشت. بویژه این حالت مسائل پخش امواج در باند VHF/UHF را شامل می باشد.
امواج در پخش همگانی در این باند همانگونه که در شکل نمایش داده شده، عمدتاً از طریق مسیرهای چندگانه دریافت می گردند که شامل امواج دید مستقیم رادیویی و یا دریافت غیر مستقیم با استفاده از پدیده های مختلفی از جمله پراش، بازتاب از سطوح متعدد و پراکندگی امواج ناشی از انتشار تروپوسفری می باشند.
از مسائل مهم حاکم در پخش امواج همگانی، متحرک بودن گیرنده ها بویژه سرویس های صوتی مستقر در خودروها می باشد که در آنها پدیده داپلر و فرکانس مربوطه اثرات ویژه ای بخصوص در محدود نمودن سرعت اطلاعات و کیفیت سیگنال ها دارد.
با توجه به مراتب فوق و پیچیدگی های مربوطه بطور کلی طراحی و در نتیجه هزینه های مربوط به احداث یک شبکه پخش همگانی تا حد زیادی وابسته به مسائل انتشار امواج در مسیر فرستنده تا گیرنده های سیار، مستقر در محوطه های سرپوشیده و نیز دستگاههای ثابت برون نصب می باشد. این امر علاوه بر تاثیرپذیری از پدیده های عام، تابع وجود درختان، پوششهای گیاهی، مسیرهای چندگانه ناشی از بازتاب و پراکندگی و پراش از موانع و سایه های رادیویی بوده و میزان آنها نیز تابعی از موارد زیر می باشد:
* فرکانس کانال رادیویی
* ارتفاع آنتن گیرنده از سطح زمین
* شرایط محیطی گیرنده از نظر استقرار در محوطه های باز، روستائی، جنگلی، کوهستانی، حومه شهری و شهرهای متراکم و بزرگ
پدیدهای انتشار امواج
پدیده های عام
افت مسیر
افت مسیر امواج در فضای آزاد با استفاده از رابطه فریس بصورت زیر می باشد:
در رابطه فوق افت برحسب دسیبل، فرکانس ƒ برحسب مگاهرتز و فاصله d برحسب کیلومتر می باشد. افت مسیر برای امواج پخش همگانی زمینی در باند فرکانس VHF/UHF که بیشتر در محیط های شهری و حومه آنها می باشد بسیار فراتر از افت فضای آزاد می باشد. با توجه به تشابه محیط انتشار امواج پخش همگانی با امواج رادیو سیار بنابراین ضریب فاصله در اینجا خیلی بیشتر از 20 پیش بینی شده در فرمول فوق می باشد.
برای محاسبه افت مسیر، روشهای متعددی وجود دارند که می توان به فصل ششم مراجعه نمود. یکی از روشهای مناسب براساس توصیه ITU-R, P. 1549 می باشد که در بخش آتی ارائه شده است. در شکل مقدار افت مسیر برای امواج رادیو دیجیتال در باند III و مقایسه نسبی آن با مقادیر اندازه گیری شده و افت فضای آزاد ارائه شده است.
مقایسه افت مسیر با روش ITU-R
یکی دیگر از روشهای معروف برای محاسبه افت مسیر در ارتباطات سیار در باندهای VHF/UHF روابط هاتا می باشد. در شکل مقدار افت مسیر برای امواج رادیو دیجیتال در باند L براساس روش هاتا و مقادیر اندازه گیری شده ارائه شده است.
مقایسه افت مسیر با روش هاتا
بطور کلی فرمول (11. 3) را برای محیط های گوناگون می توان بصورت زیر تعمیم داد:
در رابطه فوق مقدار n به ضریب فاصله موسوم است که می تواند با توجه به شرایط محیط در محدوده 20 تا 45 باشد.
بازتاب امواج و نمودار تداخل
بطور کلی امواج رادیویی پس از برخورد به سطوح صاف و یا با تضاریس کم، بازتاب یافته و آنتن گیرنده مجموع برداری امواج اصلی و بازتاب را دریافت می نماید. در حالت ایده آل اگر زمین مسطح بین فرستنده و گیرنده با ضریب بازتاب 1- فرض شود، در اینصورت شدت میدان و یا توان دریافتی در هر منطقه تابعی از قدرت فرستنده، بهره موثر آنتن های فرستنده و گیرنده، طول مسیر و نیز فرکانس کانال رادیویی می باشد.
در شکل سطح سیگنال دریافتی برحسب فاصله بین فرستنده و گیرنده و با فرض ثابت بودن بقیه پارامترها ترسیم شده است. بطوریکه ملاحظه می شود شدت میدان دریافتی در برخی از نقاط به اندازه حداکثر dB 6 بیش از شدت میدان دریافتی سیگنال مستقیم می باشد. بالعکس در بین هر 2 مقدار حداکثر یک مقدار حداقل وجود دارد. بدین ترتیب نمودار تداخلی سطح سیگنال دریافتی دارای تغییرات متناوب می باشد.
در شکل ، سطح سیگنال دریافتی گیرنده برحسب ارتفاع آنتن گیرنده و ثابت بودن بقیه پارامترها از جمله فاصله فرستنده تا گیرنده نمایش داده شده است. در اینجا نیز شدت میدان (و یا توان) دریافتی نسبت به ارتفاع آنتن گیرنده حالت متناوب دارد.
تغییرات سطح سیگنال دریافتی برحسب طول مسیر
تغییرات سطح سیگنال دریافتی برحسب ارتفاع آنتن گیرنده
شرایط نزدیک بودن بحالت فوق الذکر آنستکه اولاً زمین بین فرستنده و گیرنده مسطح باشد و ثانیاً تضاریس آن نسبت به طول موج کانال رادیویی کم باشد. در عمل بدلیل مسطح نبودن زمین مسیر امواج و همچنین وجود تضاریس، موج اصلی پس از برخورد با سطح زمین علاوه بر مولفه بازتاب اسنل، در جهات مختلف پراکنده شده و این امواج نیز توسط گیرنده (متناسب با الگوی تشعشعی آنتن گیرنده) دریافت خواهد شد. دریافت امواج گوناگون یادشده باعث محدود شدن دامنه نوسانات سطح سیگنال دریافتی خواهد شد. معیار آنکه تضاریس زمین به اندازه d برای امواج رادیویی با طول موج λ قابل صرفنظر بوده و بتوان آن را مسطح فرض نمود آنستکه شرط ذیل تامین شود:
d / λ ≤ 0.1 ~ 0.2
با توجه به طول موج بیشتر امواج VHF نسبت به امواج UHF، بنابراین تضاریس زمین برای امواج باند VHF بطور نسبی کمتر بوده و زمین صاف تر خواهد بود. بعبارت دیگر زمینی که برای امواج UHF ناصاف است احتمال دارد برای امواج VHF صاف محسوب گردد..
تداخل امواج مسیرهای چندگانه
تداخل موج مستقیم با موج بازتاب در حالت ساده و پایه در قسمت قبل بررسی گردید. در حالت واقعی معمولاً در گیرنده امواج متعددی دریافت می گردند و مهمترین مولفه های آن بشرح زیر می باشد:
* موج اصلی
* امواج بازتاب
* امواج پراش
* امواج شکست
امواج یادشده که در مسیرهای گوناگون و با تاخیرهای زمانی متفاوت نسبت به سیگنال اصلی دریافت می شوند عمدتاً سبب تضعیف موج اصلی گردیده و در سیگنالهای پخش همگانی با پهنای باند زیاد می توانند اثرات محوشدگی انتخابی را نیز سبب گردند. در شکل نمونه ای از تغییرات دامنه شدت میدان دریافتی گیرنده در نتیجه تداخل امواج مسیرهای چندگانه نشان داده شده است.
تغییرات دامنه شدت میدان دریافتی گیرنده نسبت به حالت بدون تداخل
اثر داپـر
این پدیده ویژه ارتباطات سیار می باشد که عموماً ناشی از حرکت نسبی فرستنده و گیرنده و یا جابجائی درون کانال فیزیکی است. با توجه باینکه در پخش همگانی، معمولاً فرستنده ثابت است لذا برای حالاتی که گیرنده نیز ثابت باشد اثر داپلر صرفاً محدود به جابجائی های درون کانال فیزیکی خواهد بود که بصورت اتفاقی حادث شده و دامنه اثرات آنها کم می باشد.
تغییرات زمانی مربوط به این پدیده با سرعت گیرنده با نماد v و فرکانس رادیویی با نماد 0ƒ (و با طول موج λ ) و نیز زاویه α بین راستای حرکت و موج بستگی دارد. همانگونه که در فصول ششم و هشتم ثابت گردید با فرض همراستائی حرکت سیار و انتشار امواج رادیویی، حداکثر فرکانس داپلر طبق رابطه زیر حاصل می گردد.
در صورتیکه v برحسب کیلومتر در ساعت و 0ƒ برحسب مگاهرتز باشد، رابطه فوق بصورت زیر تبدیل می شود:
در حالت کلی نیز فرکانس داپلر dƒ طبق رابطه زیر محاسبه می گردد:
مقادیر نمونه از فرکانس داپلر برای باندهای III و V و L پخش همگانی در جدول ارائه شده است.
بطور کلی سیگنال ورودی در گیرنده از مجموعه تعداد زیادی امواج دید مستقیم، بازتاب، پراش و پراکنده شده تشکیل می یابد که در جهات مختلف توسط آنتن گیرنده دریافت می شوند بنابراین در خصوص اثر داپلر در عمل بجای یک فرکانس داپلر، طیف داپلر مطرح می باشد.
حداکثر فرکانس داپلر
مجموعه امواج یاد شده سبب نوساناتی در دامنه و فاز موج دریافتی می گردند و این موضوع بمعنی آنستکه سیگنال دریافتی بوسیله کانال فیزیکی بصورت دامنه و فاز مدوله شده است. در انتقال سیگنالهای با مدولاسیون فازی دیجیتال، در صورتیکه فاز کاریر در طول زمان Ts سریعاً تغییر نماید، نوسانات سریع فاز سبب ایجاد مشکلات جدی می گردد.
در اثر پدیده داپلر، دامنه و فاز بصورت اتفاقی نوسان می نماید که فرکانس آن در حد maxƒ می باشد و بنابراین برای ارسال مناسب سیگنال در سیستمهای دیجیتالی با مدت زمان سمبل معادل Ts شرط زیر برای این موضوع ضروری است.
محوطه های سرپوشیده
با توجه به استفاده گیرنده پخش همگانی در محوطه های سرپوشیده و بویژه استقرار آنتن های سیستمهای صوتی آنالوگ و دیجیتال در این محوطه ها، لذا ضرورت توجه به شرایط نفوذ امواج به داخل ساختمانها و سازه ها روشن می گردد. در فصل دوازدهم این مطلب مورد توجه قرار گرفته است.
برای سیستمهای رادیو دیجیتال در باند III،مقدار متوسط تلفات ورود امواج در طبقه همکف حدود 9 ~ 8 دسیبل با انحراف معیار 5/3 دسیبل می باشد. برای طبقات بالاتر این مقدار بطور نسبی کاهش می یابد. در باند L معادل با فرکانس 5/1 گیگاهرتز تلفات ورود به ساختمان حدود 6 تا 9 دسیبل با مقدار متوسط 5/7 دسیبل می باشد و این مقدار برای ساختمانهای بتونی تقویت شده حدود 19 ~ 18 دسیبل و برای ساختمانهای بتونی / فلزی همراه با پنجره های فلزی معادل 20 تا 30 دسیبل
می باشد.
اثر پهنای باند کانال
بطور کلی با افزایش پهنای باند کانالهای رادیویی و تلویزیونی، احتمال ایجاد اختلال در دریافت مناسب سیگنال بعلت اثرات نامطلوب مسیرهای چندگانه افزایش مییابد. بویژه این پدیده برای سیگنالهای با پهنای باند زیاد از حساسیت بیشتری برخوردار است.
تغییرات حاشیه اطمینان برحسب پهنای باند کانال رادیویی
در شکل افزایش حاشیه اطمینان برای مقابله با اثرات نامطلوب مسیرهای چندگانه در سیستم های پخش رادیو دیجیتال برای پهنای باند کانال از 100 کیلوهرتز تا 5 مگاهرتز نمایش داده شده است. بطوریکه ملاحظه می شود، حاشیه اطمینان لازم برای غلبه بر محوشدگی علاوه بر پهنای فرکانس کانال به درصد احتمال دریافت مناسب سیگنال نیز بستگی دارد. نکته قابل توجه در این نمودار آنست که بازاء هر یک از درصدهای احتمال دریافت میزان حاشیه اطمینان در ابتدا با افزایش باند فرکانس با نرخ قابل توجهی افزایش یافته ولی در حوالی پهنای باند 5/1 مگاهرتز افزایش آن تعدیل می گردد.
تخمین پوشش
معیار دریافت
نظر باینکه در شبکه های پخش همگانی تا حدود زیادی انتخاب نوع و ارتفاع آنتن و مشخصات گیرنده خارج از کنترل طراح می باشد لذا برای تخمین پوشش از سطح سیگنال رادیویی برحسب شدت میدان الکتریکی بهره گرفته می شود. بدین ترتیب مرز ناحیه پوشش بصورت کمینه (حداقل) قابل قبول سطح سیگنال تعریف می گردد که از طرف مجامع ذیربط مشخص می شود.
مقادیر پایه بستگی به باند فرکانس، نوع سرویس، کیفیت دریافت، ارتفاع آنتن گیرنده و درصدهای مکانی دارد. در جدول نمونه ای از مقادیر پایه برای برخی از سرویسها برای پوشش 50 درصد مکانی ارائه شده است.
شدت میدان الکتریکی پایه برای سرویس های پخش همگانی
برای درصدهای زمانی و مکانی متفاوت با مقدار میانه و با فرض توزیع نرمال لگاریتمی و مقدار انحراف معیار σ برای حداقل سطح سیگنال مورد لزوم تحت این شرایط می توان از رابطه زیر استفاده نمود:
در رابطه فوق هر یک از کمیات و واحد آنها عبارتند از:
Ereq: سطح سیگنال مورد نیاز با درصد مکانی q درصد برحسب dBμV/m
Em: سطح سیگنال پایه مورد نظر در 50 درصد مکان برحسب dBμV/m
σ: انحراف معیار برحسب dB (معمولاً dB 5/5)
حداقل سطح سیگنال
در جدول مقادیر پایه برای شدت میدان دریافتی در برخی از سرویسهای پخش همگانی ارائه شده است. بعنوان مثال برای کانالهای تلویزیونی در باند IV مقدار پایه برابر dB(μV/m) 64 می باشد که با بهره گیری از آنتن معمولی در پشت بام و تامین ارتفاع m 10= AGL می توان تصاویر مطلوبی را دریافت و نمایش داد.
برای تعیین حداقل شدت میدان قابل دریافت، می بایستی نسبت سیگنال به نویز رامشخص نمود که مقدار آن در خروجی تصویر یک گیرنده تلویزیون معمولی حداقل حدود 30 تا 33 دسیبل و برای تلویزیون های VSB55 حدود 38 تا 41 دسیبل
می باشد. با توجه به مقدمات یاد شده:
در رابطه اخیر Vr سطح ولتاژ دریافتی و Vn سطح ولتاژ نویز حرارتی در ورودی گیرنده می باشد که رابطه آن در سیستم لگاریتمی بصورت زیر می باشد:
در این رابطه هر یک از مولفه ها و واحد آنها بشرح زیر می باشند:
k: ثابت بولتزمن و برابر J/K 23-10×38/1
T0: درجه حرارت مبنا و برابر K 290
B: پهنای باند گیرنده برحسب اهم
R: امپدانس ورودی گیرنده برحسب اهم
F: عدد نویز گیرنده برحسب dB
از طرفی با توجه به رابطه نتیجه می شود:
همچنین رابطه شدت میدان الکتریکی دریافتی با ولتاژ ورودی گیرنده با آنتن ایزوتروپیک بصورت زیر می باشد:
و همین فرمول نسبت به آنتن نیم موج (دیپول) بصورت زیر در می آید:
در دو رابطه اخیر هر یک از مولفه ها و واحد آنها بشرح زیر می باشند:
Er: شدت میدان الکتریکی دریافتی برحسب dBμV/m
Vr: ولتاژ در دو سر گیرنده برحسب dBμV
L: تلفات فیدر برحسب dB
G: بهره آنتن گیرنده نسبت به آنتن ایزوتروپیک برحسب dB
Gd: بهره آنتن گیرنده نسبت به آنتن نیم موج (دیپول) برحسب dB
ƒ: فرکانس کانال رادیویی برحسب MHz
نواحی پوشش و تداخل
ناحیه پوشش هر فرستنده به مجموعه نقاطی اطلاق می گردد که سطح سیگنال امواج فرستنده در آن مساوی و یا بیشتر از مقدار پایه باشد. در حالت ایده آل همانگونه که در شکل نشان داده شده است این سطح شامل دایره ای با شعاع RC می باشد. شعاع پوشش، حداکثر فاصله ای می باشد که براساس موقعیت، ارتفاع و توان فرستنده و نیز شرایط انتشار امواج حاصل می گردد. در عمل بدلایل مختلف از جمله ساختار زمین، عدم تجانس پدیده های انتشار امواج در راستاهای مختلف و الگوی تشعشعی آنتن فرستنده ناحیه پوشش بصورت منحنی بسته غیر دایره ای می باشد.
نواحی پوشش و تداخل فرستنده رادیویی
در طراحی شبکه های پخش همگانی زمینی برای پوشش مناطق وسیع، نیاز به بهره گیری از فرستنده های متعدد با موقعیت های متفاوت می باشد. در خارج از ناحیه پوشش، امواج رادیویی در سطحی پایین تر از مقدار پایه دریافت گردیده ولی قابل آشکارسازی مناسب و با کیفیت نیستند. این امواج بصورت نویز و یا امواج تداخلی عمل می نمایند.
همانگونه که در شکل نشان داده شده ناحیه تداخل به مجموعه نقاطی اطلاق می شود که سطح امواج فرستنده در آن ضمن آنکه از مقدار پایه کمتر است لکن از حد معینی با نماد Ep بیشتر است. با توجه به شکل یادشده با فرض آنکه سیگنال دریافتی معادل Er باشد، 3 ناحیه اصلی یادشده زیر متمایز می شوند:
ناحیه پوشش
ناحیه تداخل
ناحیه پاک و آزاد
ناحیه تداخل تابعی از عوامل زیر می باشد:
* قدرت موثر ارسال فرستنده (EIRP)
* مشخصات گیرنده و آنتن آن
* موقعیت و مشخصات فرستنده و گیرنده
* ساختار زمین و شرایط انتشار امواج
* فرکانس کانال رادیویی و نوع سرویس
* ضریب حفاظت pα
ضریب حفاظت (pα) بنا به تعریف در سیستم لگاریتمی و با توجه به علامت گذاری های شکل برابر است با:
در رابطه فوق Eb و Ep به ترتیب برابر سطح سیگنال مطلوب و سطح سیگنال تداخل برحسب dBμV می باشند.
مقدار این ضریب بستگی به درجه تداخل داشته و از طرف مراجع ذیصلاح مشخص می گردد. درجات تداخل نیز طبق توصیه های ITU-R عبارتند از:
* درجه 5: تداخل قابل اغماض
* درجه 4: تداخل غیر آزاردهنده
* درجه 3: تداخل با اثرات کم
* درجه 2: تداخل آزاردهنده
* درجه 1: تداخل خیلی آزاردهنده
بدیهی است در هر سرویسی مقدار pα برای تداخل درجه 5 دارای بیشترین مقدار بوده و به تدریج با کاهش درجه سرویس مقدار آن نیز کاهش می یابد.
نکته مهم آنکه میزان pα تابعی از فاصله فرکانسی 2 کانال رادیویی با نماد ƒΔ می باشد. در شکل نمونه ای از وابستگی pα به ƒΔ نمایش داده شده است.
نمودار تغییرات ضریب حفاظتی کانالهای رادیویی
بطوریکه ملاحظه می شود، هنگامیکه 0= ƒΔ بوده یعنی از کانالهای مشابه استفاده می گردد تداخل از نوع هم کانال56 بوده و میزان pα حداکثر و برابر 60 دسیبل است در حالیکه بازاء MHz 8 < (ƒΔ) این ضریب به حداقل می رسد.
تلفات مسیر امواج
برای محاسبه تلفات مسیر امواج پخش همگانی، اتحادیه بین المللی ارتباطات راه دور سالها قبل طی توصیه شماره ITU-R, P. 370 ، اصول، روابط و نمودارهائی برای ارتباطات رادیوسیار در باند فرکانسی 30 تا 3000 مگاهرتز ارائه داده بود که نظر به تشابه ماهیت انتشار امواج پخش همگانی با آن مورد استفاده طراحان قرار می گرفت.
توصیه یاد شده اخیراً همراه با اصلاحاتی طی شماره ITU-R, P. 1546 تکمیل و نسخه جدید آن در سال 2001 و تجدید نظر دوم آن در سال 2005 میلادی ارائه شده است. با توجه به اهمیت این توصیه و کاربرد آن در محاسبه تلفات مسیر امواج پخش همگانی خلاصه ای از آن که در بخش (15. 5) فصل پانزدهم کتاب ((مبانی طراحی ارتباطات رادیویی)) ارائه شده در اینجا مطرح می گردد.
توصیه اخیر و بخصوص نمودارهای آن برای 3 باند زیر تهیه و ارائه شده است:
* باند VHF در بازه فرکانسی 30 تا 300 مگاهرتز با فرکانس مرجع 100 مگاهرتز که زیرباندهای I ، II و III پخش همگانی را پوشش می دهد.
* باند UHF پایین در بازه فرکانسی 300 تا 1000 مگاهرتز با فرکانس مرجع 600 مگاهرتز که زیرباندهای IV و V پخش همگانی را شامل است.
* باند UHF بالا در بازه فرکانسی 1000 تا 3000 مگاهرتز با فرکانس مرجع 2000 مگاهرتز که باند L پخش همگانی را پوشش می دهد.
با توجه به مشابهت روابط و بمنظور اختصار در این فصل صرفاً مجموعه نمودارهای 300 تا 1000 مگاهرتز ارائه گردیده و بنابراین مثالها عموماً برای این باند مطرح شده است.
نمودارها
در این توصیه ابتدا نمودارهائی طبق نمونه هائی مشابه اشکال (11. 15) تا (11. 22) برای شدت میدان الکتریکی حاصل از فرستنده ای با قدرت ارسالی موثر معادل 1 کیلووات (W1000= EIRP) و در محدوده های زیر ارائه شده است:
* بازه فرکانسی 300 تا 1000 مگاهرتز
* ارتفاع آنتن فرستنده از 10 تا 1200 متر
* درصدهای زمانی 1، 10 و 50
* فاصله از 1 تا 1000 کیلومتر
* ساختارهای نمونه مسیر از جمله زمین و دریا
نمودارهای یاد شده 8 سری نمودار را شامل است که نمودارهای باند 300 تا 1000 مگاهرتز طی اشکال جهت آشنائی و ارائه توضیحات لازم معرفی می گردند. در خصوص این نمودارها نکات حائز اهمیت عبارتند از:
* قدرت موثر فرستنده در جهت ارسال برابر 1000 وات
* فرکانس مبنا برابر 600 مگاهرتز
* ارتفاع آنتن فرستنده معادل 10، 20، 5/37، 75، 150، 300، 600 و 1200 متر
* 3 نمودار اول مربوط به مسیرهای خشکی با احتمال دریافت مکانی 50 درصد و احتمال زمانی به ترتیب 50، 10 و 1 درصد می باشند.
* 5 نمودار بعدی نیز مربوط به مسیرهای دریائی با احتمال دریافت مکانی 50 درصد و احتمال زمانی گوناگون می باشند.
نمودار شدت میدان دریافتی برحسب فاصله
نمودار شدن میدان دریافتی برحسب فاصله
نمودار شدت میدان دریافتی برحسب فاصله
نمودار شدت میدان دریافتی بر حسب فاصله
نمودار شدت میدان دریافتی بر حسب فاصله
نمودار شدت میدان دریافتی بر حسب فاصله
نمودار شدت میدان دریافتی بر حسب فاصله
نمودار شدت میدان دریافتی بر حسب فاصله
در قسمت های بعدی براساس روشهای عنوان شده در توصیه شماره Rec. P.1546 توضیحات مختصری ارائه می شود.
مبانی و اصول پایه
حداکثر میدان دریافتی
حداکثر مقدار میدان الکتریکی در هر نقطه که از محاسبات بدست می آید نبایستی از مقدار Emax، طبق تعریف زیر، بیشتر گردد:
برای مسیرهای خشکی
برای مسیرهای دریائی
در روابط فوق Efs میدان الکتریکی تحت شرایط فضای آزاد می باشد:
و مقدار Ese مولفه مربوط به انعکاس امواج از سطح دریا بوده و از رابطه زیر محاسبه می گردد:
در این رابطه d فاصله برحسب کیلومتر و t درصد زمانی (50 ≥ t ≥ 1) است. بطور اصولی هر گونه ضریب اصلاحی که در قسمتهای بعدی عنوان می گردد باید طوری محدود شود که مقدار میدان الکتریکی در فاصله d از مقادیر فوق تجاوز ننماید.
ارتفاع آنتن فرستنده
با توجه به شکل در توصیه شماره ITU-R, P.1546 ، سه نوع ارتفاع متفاوت بشرح زیر مورد نظر هستند:
نمودار ارتفاعات متفاوت نصب آنتن
ha: ارتفاع واقعی آنتن از زمین ایستگاه برحسب متر می باشد که در واقع ارتفاع دکل آنتن محسوب می گردد (مشروط به آنکه آنتن در بالای آن نصب شود)
heƒƒ: ارتفاع موثر آنتن برحسب متر می باشد که بصورت ارتفاع آنتن از سطح متوسط زمین تعریف می گردد. سطح متوسط زمین نیز برابر سطح متوسط در فاصله 3 تا 15 کیلومتری از ایستگاه فرستنده بطرف گیرنده محسوب می شود.
h1: ارتفاع آنتن برحسب متر می باشد که در نمودارها و روابط مد نظر بوده و به طریق ذیل محاسبه می گردد.
با توجه به تعاریف، روابط زیر برای تعیین ارتفاع آنتن فرستنده ملاک عمل خواهد بود.
در روابط فوق h1، ha و heff برحسب متر و d برحسب کیلومتر می باشد.
باز بودن مسیر امواج
در ارتباطات رادیوی، مسیری بدون مانع محسوب می گردد که در کلیه نقاط (با احتساب ضریب K و نیز برآمدگی طبیعی زمین) مسیر اصلی امواج با اندازه 60 تا 100 درصد شعاع اول فرنل از کلیه برآمدگیهای زمین بالاتر باشد. برای ارتباطات سیار در باند VHF و UHF با آنتن هائی به ارتفاع hr و ht برای مسیر بدون پستی و بلندی، ITU-R رابطه تقریبی زیر را ارائه نموده است:
در روابط فوق هر یک از پارامترها و واحد آنها بشرح زیر می باشند:
D0.6: حداکثر فاصله بین فرستنده و گیرنده برحسب کیلومتر (Km) که در آن مسیر امواج حداقل باندازه 6/0 شعاع اول فرنل بالاتر از زمین می باشد.
Dƒ: مولفه وابسته به فرکانس برحسب (Km)
Dh: افق رادیویی بین فرستنده و گیرنده برحسب کیلومتر (Km)
ƒ: فرکانس رادیویی برحسب مگاهرتز (MHz)
ht,hr: ارتفاع آنتن های فرستنده و گیرنده برحسب متر (m)
تعمیم روابط
همانگونه که در قسمتهای قبلی بیان شد، اتحادیه بین المللی ارتباطات راه دور نمودارهائی را برای تعیین مقدار شدت میدان الکتریکی برای فرستنده ای بقدرت موثر 1 کیلووات تهیه و ارائه نموده است. در این نمودارها، مولفه های زیر بصورت پارامتر می باشند:
* ارتفاع نصب آنتن فرستنده
* درصد زمانی
* فرکانس کانال رادیویی
علاوه بر موارد فوق جهت دقت عمل بیشتر، مولفه فاصله نیز برای مقادیر ویژه ای بطور دقیق و بصورت جدول محاسبه شده که می توان از آنها بهره گرفت. در صورتیکه شرایط مسئله طوری باشد که مولفه های فوق الذکر دقیقاً منطبق بر یکی از حالات مرجع باشد، از منحنی ذیربط استفاده گردیده و نهایتاً مقدار E و Lb تعیین می شوند. در صورتیکه مولفه یاد شده در مسائل خاص در محدوده های کلی قرار داشته و لکن متفاوت از مقادیر مرجع باشند می بایستی مقادیر متناسب با آنها تعیین و مورد استفاده واقع شوند. در این قسمت روابط مربوط به تعمیم این نمودارها ارائه شده و برای جزئیات بیشتر به توصیه ITU-R, Rec. P.1546 ارجاع داده می شود.
تعمیم ارتفاع آنتن
در صورتیکه آنتن در محدوده 10 تا 3000 متر بوده و لیکن دقیقاً برابر یکی از 8 مقدار معرفی شده در نمودارها نباشد. برای دقت عمل بیشتر می توان از رابطه زیر استفاده نمود:
(اگر h1> 1200 m)
hi= 600 m, (اگر h1> 1200 m)
نزدیکترین مقدار نقصانی hi= h1
(اگر h1> 1200 m) hs=1200 m,
(اگر h1> 1200 m) نزدیکترین مقدار اضافی hs= h1
شدت میدان الکتریکی مربوط به Ei = hi
شدت میدان الکتریکی مربوط به Es = hs
باید توجه داشت که روش ITU-R برای ارتفاعات بیش از 3000 متر اعتبار ندارند.
تعمیم فرکانس کانال RF
همانگونه که قبلاً نیز بیان شد، نمودارهای مرجع برای باندهای (30 تا 300)، (300 تا 1000) و (1000 تا 3000) مگاهرتز معتبر می باشند. در هر یک از دسته های فوق فرکانس مرجع نیز بشرح زیر می باشد:
* فرکانس 100 مگاهرتز برای باند 30 تا 300 مگاهرتز
* فرکانس 600 مگاهرتز برای باند 300 تا 1000 مگاهرتز
* فرکانس 2000 مگاهرتز برای باند 1000 تا 3000 مگاهرتز
حال در صورتیکه فرکانس کانال رادیو مورد نظر، مقداری واقع در محدوده 30 تا 3000 مگاهرتز و متفاوت با فرکانس های مرجع باشد، برای دقت عمل بیشتر در محاسبه E برحسب (V/mμ) dB لازم است روابط مورد نظر برای فرکانس دلخواه تعمیم داده شود که در اینصورت می توان از رابطه زیر استفاده نمود:
در رابطه فوق iƒ و sƒ به ترتیب فرکانس های مرجع نقصانی و اضافی و Ei و Es نیز به ترتیب شدت های میدان الکتریکی متناظر با iƒ و sƒ می باشند.
* مسیر دریائی
* فرکانس های کمتر از MHz 100
* کمتر بودن فاصله ارتباط از طول مسیر باز D0.6 (باز بودن مسیر به اندازه حداقل 6/0 شعاع اول فرنل)
می توان از رابطه زیر استفاده نمود و در غیر اینصورت، یعنی عدم وجود هر یک از شرایط سه گانه فوق، روش کلی می بایستی دنبال گردد.
اگر d ≤ dƒ
اگر d > dƒ
در روابط فوق:
Emax: حداکثر شدت میدان در فاصله مورد نظر
Edƒ: حداکثر شدت میدان در فاصله dƒ
d600: فاصله ای که برای آن بازاء فرکانس MHz 600 شرط باز بودن 6/0 شعاع اول فرنل، یعنی (10، h1، 600) D0.6، براساس محاسبات ردیف (11. 6. 2. 4) برقرار است.
dƒ: فاصله ای که برای آن بازاء فرکانس ƒ شرط باز بودن 6/0 شعاع اول فرنل، یعنی (10، h1، ƒ) D0.6، براساس محاسبات ردیف (11. 6. 2. 4) برقرار است.
Ed600: شدت میدان در فاصله d600 و بازاء فرکانس مورد نظر براساس رابطه
تعمیم درصد زمانی
همانگونه که در نمودارهای 8 گانه ITU-R مربوط به شدت میدان الکتریکی مشخص گردیده، این نمودارها مربوط به درصدهای زمانی 1، 10 و 50 درصد می باشند. برای تعمیم درصدهای زمانی می توان از رابطه زیر برحسب dB(μV/m) استفاده نمود:
در این رابطه هر یک از مولفه ها بشرح زیر می باشند:
t: درصد زمانی مورد نظر
ti: درصد زمانی مرجع نقصانی
ts: درصد زمانی مرجع اضافی
Ei: مقدار شدت میدان الکتریکی بازاء درصد زمانی ti
Es: مقدار شدت میدان الکتریکی بازاء درصد زمانی زمانی ts
توابع Q نیز، ضرایب مربوط به توزیع لگاریتمی هستند که هر یک بشرح زیر بوده و برای تعیین مقدار آنها می توان از جدول شماره (6. 1) ارائه شده در فصل ششم کتاب بهره گرفت.
مثال
در نظر است شدت میدان الکتریکی دریافتی و افت مسیر با احتمال دریافت حداقل دریافت حداقل 40% در دریای سرد و تحت شرایط زیر محاسبه گردد.
50% مکان ، m 10= h2 ، m 5/37 = h1 ، MHz 600 = f ، Km 20 = d
حل:
با استفاده از رابطه (11 – 36) نتیجه می گردد:
dB(μV/m) 7/70= (282/1) / (253/0) 5/71 + (0 – 282/1) / (253/0 – 282/1) 5/70= E
تعمیم فاصله
در نمودارها شدت میدان الکتریکی برحسب فاصله ترسیم شده است. با توجه باینکه محور فاصله بصورت لگاریتمی می باشد لذا هنگام استفاده از آن امکان خطا و کم دقتی وجود دارد. بمنظور افزایش دقت و نیز امکان برنامه ریزی کامپیوتری، مقادیر E برای 78 مقدار مشخص در فاصله 1000 کیلومتری از طرف ITU-R تعیین شده است. در اینصورت برای تعیین شدت میدان الکتریکی در فواصلی غیر از 78 مقدار تعیین شده بایستی از روابط مناسب استفاده گردد که در این مورد مقدار E برحسب dB (μV/m) عبارتست:
در رابطه فوق:
d: فاصله مورد نظر به کیلومتر
di: فاصله مرجع نقصانی
ds: فاصله مرجع اضافی
Ei: شدت میدان الکتریکی بازاء di
Es: شدت میدان الکتریکی بازاء ds
ضرایب اصلاح
بمنظور افزایش دقت محاسبات، لازم است ضرایب اصلاح ویژه ای در برخی از روابط لحاظ گردد. این ضرایب همانگونه که در توصیه ITU-R, Rec. P.1546 ارائه شده شامل موترد زیر می باشد:
* ارتفاع آنتن گیرنده
* مسیرهای درون شهری و حومه شهری
* زاویه ترخیص آنتن گیرنده
* درصدهای مکانی و زمانی
ارتفاع آنتن گیرنده
افزایش ارتفاع آنتن های فرستنده و گیرنده باعث کاهش تضعیف مسیر خواهد شد. از طرفی نمودارهای تهیه شده توسط ITU-R که یک سری از آنها در اشکال ارائه شدند، بازاء ارتفاع آنتن گیرنده برابر 10 متر (m 10= h2) تهیه شده اند. در عمل ارتفاع آنتن گیرنده می تواند بیشتر و یا کمتر از این مقدار باشد و لذا ضرورت دارد اثرات این موضوع از طریق اعمال ضرایب اصلاح جبران گردد.
مقدار شدت میدان الکتریکی در نمودارهای خشکی با توجه به آنتن گیرنده در ارتفاع مرجع R می باشد. این ارتفاع مربوط به زمین مجاور آنتن گیرنده بوده و حداقل برابر 10 متر می باشد. ارتفاع های مرجع برای آنتن های گیرنده بشرح زیر می باشند:
* 30 متر برای مناطق درون شهری فشرده
* 20 متر برای مناطق درون شهری
* 10 متر برای مناطق حومه شهر
* 10 متر برای مسیرهای دریائی
هنگامیکه آنتن گیرنده در مجاورت زمین قرار دارد می بایستی توجه خاصی به زاویه قائم امواج دریافتی با محاسبه ارتفاع تعدیل یافته کلاتر با نماد ´R بعمل آید که طبق رابطه زیر با ارتفاع فرستنده و طول مسیر متناسب است:
در این رابطه ´R و R و h1 برحسب متر و d برحسب کیلومتر می باشد. توضیح اینکه تحت شرایط زیر ´R تقریبا برابر R خواهد بود.
هنگامیکه پایانه دارای ارتفاعی غیر از ´R می باشد ضریب اصلاحی بشرح زیر اعمال می گردد:
برای محاسبه hα که در حالت ´R > h2 مقداری منفی و در حالت ´ R≤ h2 مقداری مثبت است از روابط کمکی زیر می بایستی استفاده نمود:
(درجه)
در خصوص روابط فوق لازم است به نکات زیر توجه نمود:
* هنگامیکه آنتن پایانه سیار در محیط های برون شهری و یا نواحی باز در مجاورت زمین قرار داشته باشد مقدار h α برای تمام مقادیر h2 با رابطه فوق مشخص می شود.
* هنگامیکه آنتن پایانه سیار در مجاورت دریا قرار داشته باشد و بازاء m 10 ≤ h2، مقدار h α براساس رابطه و با m 10 = ´R محاسبه می شود.
* هنگامیکه آنتن پایانه سیار در مجاورت دریا قرار داشته باشد و شرط m10 > h2 برقرار باشد بایستی از روش جایگزین مبتنی بر محاسبه طول مسیر باز برای 6/0 شعاع اول فرنل و روابط زیر استفاده نمود:
و
دررابطه فوق هر یک از کمیات بشرح زیر می باشند:
C10: ضریب اصلاح برای ارتفاع h2 در فاصله d10 با استفاده از رابطه m 10 = ´R
d10: فاصله ایکه در آن حداقل باز بودن مسیر به اندازه 6/0 شعاع اول فرنل بازاء m 10= h2 برقرار بوده و طبق رابطه برای (10، h1، ƒ) D0.6 محاسبه شده باشد.
dh2: فاصله ایکه در آن حداقل باز بودن مسیر به اندازه 6/0 شعاع اول فرنل بازاء ارتفاع h2 مورد نظر و طبق رابطه برای (h2، h1 و ƒ) D0.6 محاسبه شده باشد.
باید توجه داشت که روش ITU-R برای ارتفاع آنتن گیرنده کمتر از 1 متر در مسیرهای خشکی و 3 متر در مسیرهای دریائی اعتبار ندارد.
همانطوریکه ملاحظه می شود در حالت m 15= h2، بهره ای معادل dB 46/3 وجود خواهد داشت.
یادآوری می گردد ITU-R طی توصیه Rec. P.370 رابطه ساده ای برای محاسبه ضریب اصلاح ارتفاع آنتن گیرنده ارائه نموده که در محدوده 5/1 تا 40 متر دارای تقریب مناسبی بوده و عبارتست از:
ضریب C نیز برای نواحی مختلف در جدول مندرج است.
مقادیر ضریب C
مسیرهای درون و حومه شهر
برای مسیرهای با فاصله کمتر از 15 کیلومتر که شامل ساختمانهائی با ارتفاعات مشابه روی زمین صاف هستند، می بایستی ضریب اصلاحی بمنظور محاسبه کاهش شدت میدان الکتریکی دریافتی بعلت کلاتر ساختمان ها طبق رابطه زیر لحاظ گردد:
در رابطه فوق uα برحسب dB ، ha ارتفاع آنتن گیرنده از سطح زمین (یعنی ارتفاع دکل) و R مشخص کننده ارتفاع زمین مرجع گیرنده می باشد. توضیح اینکه این ضریب تنها تحت شرایط زیر اعمال می شود.
و و
زاویه ترخیص گیرنده
برای مسیرهای خشکی و یا هنگامیکه آنتن گیرنده در مسیرهای مرکب در خشکی واقع شده باشد با توجه به شکل برای گیرنده های سیار زاویه ترخیص مسیر57 با نماد tcaθ بصورت زیر تعریف می گردد:
" زاویه خط واصل بین گیرنده – فرستنده و خط واصل بین گیرنده و نقطه ای از مسیر تا فاصله 16 کیلومتری از آن با بیشترین قطر ظاهری زاویه ترخیص مسیر نامیده می شود."
زاویه ترخیص مسیر گیرنده
برای تعیین این زاویه طبق شکل نتیجه می شود:
درجه
در اینصورت ضریب اصلاح مربوط به زاویه ترخیص گیرنده عبارتست از:
تابع J مطابق رابطه تعریف شده و V و´V طبق روابط زیر محاسبه می شوند:
در روابط فوق h1s و h2s به ترتیب ارتفاع آنتن های فرستنده و گیرنده از سطح دریا برحسب متر و d فاصله مسیر برحسب کیلومتر، ƒ فرکانس کانال رادیویی برحسب مگاهرتز و cα برحسب دسیبل می باشد. مقدار cα برای مقادیر tcaθ در بازه 8/0- تا 40+ درجه معتبر بوده و برای زوایای کوچکتر از 8/0- درجه و زاوایای بزرگتر از 40+ درجه به ترتیب همان مقادیر مربوط به 8/0- و 40+ درجه ملاک عمل خواهد بود.
یادآوری می گردد که در نمودارهای مربوط به شدت میدان الکتریکی میزان افت مسیر مربوط به تضاریس ملایم می باشد و بهمین علت برای زوایای کوچک، cα برای همه فرکانس های مرجع حدود صفر خواهد بود. در شکل منحنی تغییرات cα برحسب زاویه ترخیص ارائه شده است.
نمودار ضریب اصلاح برحسب زاویه ترخیص
نمودار ضریب اصلاح برحسب زاویه ترخیص
درصد مکان و زمان
در فصل ششم در خصوص تغییرات مکانی و زمانی امواج رادیویی در ارتباطات سیار بحث گردید. امواج دریافتی توسط گیرنده های پخش همگانی بعلل گوناگون تابع تغییراتی هستند که با زمان و مکان گیرنده سیار بستگی دارد. برای آنکه بتوان اثرات این پدیده را در محاسبات طراحی منظور کرد ضرورت دارد انحراف معیار آنها را مشخص نمود. انحراف معیار تغییرات مکانی با رابطه زیر مشخص می شود:
در رابطه فوق مقدار ثابت K بشرح زیر انتخاب می گردد:
* برای سیستم های درون شهری 1/2= K
* برای سیستم های برون شهری 8/3= K
* برای سیستم های آنالوگ 1/5= K
حال با توجه باینکه نمودار و روابط ارائه شده و عموماً برای حالت میانه، یعنی 50 درصد مکان، بیان می شوند لذا برای اینکه حداقل در q% مکان بتوانیم امواج را بصورت مطلوب دریافت نمائیم می بایستی سیگنال دریافتی را به اندازه ای موسوم به حاشیه اطمینان بیش از مقدار متعارف (50% مکان) پیش بینی کرد، یعنی:
در رابطه فوق هر یک از کمیات بشرح زیر می باشند:
Qi: ضریب مربوط به تابع نرمال لگاریتمی طبق جدول
Lσ: انحراف معیار توزیع گوسی از مقدار میانه
برای انحراف معیار زمانی یعنی tσ در دریافت توسط گیرنده های سیار می توان از جدول (11. 9) استفاده نمود که در این حالت به علت همبستگی کم بین دو پدیده تغییرات زمانی و مکانی انحراف معیار کلی را می توان از رابطه زیر بدست آورد:
انحراف معیار تغییرات زمانی برحسب dB
منابع و ماخذ
اینترنت
1. A.A.R . Townsend , Digital Line of sight of sight Radio Links , 1988.
2. C.A . Balanis , Antenna Theory , 3 rd . Edition , 2005
3. Levanon , N., Radar Principles , Wiley July 1998.
4. Levanon , N & Mozeson, E , Radar signals , wiley , July 2004.
5. Maral , G . VSAT Networks , J/W 2nd Edition , 2003.
1. Antenna Space Diversity
2. Remote Sensing
3. Integrated Services Digital Network, ISDN
1. Interception
2. Beam Width
3. Sun Spots
4. Magnetic Storms
5. Nuclear Explosion
1. Scattering
1. Elevation
2. Take Off
3. Path Beam width
4. Common Volume
1. Angular Parameters
1. Scatter Angle
2. Symmetry Factor
3. Length Parameters
1. Geometrical Parameters Antennas
2. Half Beam Width, HBW
1. Equatorial
2. Continetal Sub-Tropical
3. Maritime Sub-Tropical
4. Desert
1. Mediterranean
2. Continental Temperate
3. Maritime Temperate, Overland
4. Maritime Temperate, Oversea
5. Polar
1. Worst Month
1. Broadcasting Service (Sound), BS
2. Broadcasting Service (TV), BT
1. Medium Wave, MW
2. Short Wave, SW
1. Frequency Modulation , FM
2. Digital Audio Broadcasting , DAB
3. Digital Terresterial TV , DTT
4. Geo-synchronous Earth Orbit , GEO
1. Line Of Sight , LOS
2. Non-Line Of Sight , NLOS
3. Direct To Home , DTH
1. Broadcasting Satellite System , BSS
1. Standard Definition TV , SDTV
2. High Definition TV , HDTV
3. Direct Broadcasting Satellite System , DBS
4. Community Antenna TV , CATV
5. Picture Element , Pixel
6. Advanced Television System Committee , ATSC
1. Motion Picture Experts Group , MPEG
2. Forward Error Correction , FEC
1. Right Hand Circular Polarization , RHCP
2. Left Hand Circular Polarization , LHCP
3. TV Receive Only, TVRO
4. Out Door Unit , ODU
5. In Door Unit , IDU
1. Vestigial Side Band , VSB
1. Co-channel Interference
1. Terrain Clearance Angle
—————
————————————————————
—————
————————————————————