Communicatietechnieken Deel 1 Hoofdstuk 1 Algemene begrippen

1.1 Voortplanting van EM-golven Leerplandoelstellingen: Algemeen blokschema van een draadloos communicatiesysteem toelichten. Verband frequentie en golflengte toelichten. Ontstaan van EM-golven toelichten. Voortplantingsrichting van EM-golven toelichten. Het verband tussen frequentie versus afstand toelichten

Blokschema van een draadloos communicatiesysteem HF-wisselstroom uit de zender > omgezet in een radiogolf > in de atmosfeer naar de ontvangstantenne > in een wisselstroom omgezet wordt. BRON CODERING ZENDER ONTVANGER DECODERING BESTEMMING Antenne

Verband tussen frequentie en golflengte voortplantingssnelheid van EM-golven is niet gelijk aan de voortplantingssnelheid van geluidsgolven. EM-golven hebben, in vacuüm, een voortplantingssnelheid die gelijk is aan de lichtsnelheid. Lichtsnelheid : 299780 km/sec

Verband tussen frequentie en golflengte De voortplantingssnelheid van geluidsgolven ligt enigszins anders: In lucht c = 343 m/s In water c = 1470 m/s In beton c = 1660 m/s In ijzer c = 5100 m/s Deze “geluidssnelheid” gaan we in de HF techniek echter zeer weinig gebruiken. Formule: λ = c/f λ: (lambda) golflente f : frequentie c : voortplantingssnelheid

Oefeningen …………………………… Opdracht 1 : Wat is dan de afstand in km die wordt uitgedrukt met de lengtemaat “1 lichtjaar”? …………………………… Opdracht 2 : (voortplanting in de lucht = lichtsnelheid) Golflengte van EM-golf van 100Hz :……… Golflengte van EM-golf van 100KHz :……… Golflengte van EM-golf van 100.9MHz (STUBRU) :……… Golflengte van EM-golf van 900MHz (GSM) :………

Oefeningen Opdracht 1 : Wat is dan de afstand in km die wordt uitgedrukt met de lengtemaat “1 lichtjaar”? 9 453 862 080 000 Km Opdracht 2 : (voortplanting in de lucht = lichtsnelheid) Golflengte van EM-golf van 100Hz :2997,8Km Golflengte van EM-golf van 100KHz :2,9978Km Golflengte van EM-golf van 100.9MHz (STUBRU) :2,97m Golflengte van EM-golf van 900MHz (GSM) :33cm

Bij lage frequenties EM veld bestaat uit: ELEKTRISCH VELD Verandert enkel i.f.v. de tijd MAGNETISCH VELD De spanning die je meet zal op hetzelfde moment, overal in de kabel gelijk zijn!

Bij hoge frequenties EM veld rond geleider (dipool) bestaat uit: Hoge frequentie = wanneer de lengte van de kabel in de grootte-orde van de golflengte van het signaal komt. EM veld rond geleider (dipool) bestaat uit: ELEKTRISCH VELD Afhankelijk van de plaats op de kabel MAGNETISCH VELD

EM veld rond dipool Voortplantingsrichting = loodrecht op dipool 2 velden bewegen zich dus van dipool weg = straling Uitgestraalde veld houdt zichzelf in stand

Polair diagram dipool Links : straling in verticale vlak Rechts : straling in horizontale vlak Meeste energie > loodrecht op dipool

Positionering van antennes Verticaal of horizontaal Zend en ontvangstantenne moeten gelijk gepositioneerd worden Zo ontstaat bij een verticaal gepositioneerde antenne, een verticaal gepolariseerde golf en staat dus het E-veld loodrecht op het aardoppervlak De manier waarop EM-golven zich voortplanten is voornamelijk afhankelijk van de frequentie. De laagste frequentie waarbij EM-golven opgewekt kunnen worden, is ongeveer 20 kHz (λ = 15km) en de hoogste circa 30 GHz (λ = 10mm).

Voortplantingsrichting EM-golven In homogeen medium plant de EM-golf zich rechtlijnig voort . De atmosfeer om ons heen is echter verre van homogeen

Voortplanting via atmosfeer De belangrijkste veranderingen van de voortplantingsrichting van de EM-golf wordt veroorzaakt door de ionosfeer. Ionosfeer is de bovenste laag van de atmosfeer die bestaat uit een zeer ijl gasmengsel dat door UV-stralen van de zon geïoniseerd wordt. Gas-ionen en vrije elektronen zijn elektrisch geleidend, waardoor ze in staat zijn onder bepaalde omstandigheden EM-golven af te buigen of te reflecteren. EM-golven die zich voortplanten via de atmosfeer noemen we ruimtegolven. Deze ruimtegolven reflecteren tegen de atmosfeer en bereiken na deze reflectie de ontvangstantenne.

Voortplanting via atmosfeer

Voortplanting via atmosfeer

Voortplanting via atmosfeer Ionisatiegraad ‘s nachts veel lager omdat de UV straling van de zon de ionisatie veroorzaakt Tussen de verschillende lagen is de ionisatiegraad veel lager De invloed van de geïoniseerde lagen op EM-golven is afhankelijk van de frequentie en de ionisatiegraad > 3 mogelijkheden: De golf wordt geabsorbeerd bij frequenties kleiner dan 2MHz De golf wordt gereflecteerd bij frequenties tussen 2 en 30MHz De golf wordt afgebogen en gaat vervolgens de interplanetaire ruimte in bij frequenties groter dan 30MHz.

D-laag Tussen 70 en 80 km ‘s nachts geheel afwezig De ionisatiegraad van deze laag is het kleinst omdat de meeste stralingsenergie reeds door de bovenliggende lagen geabsorbeerd is. Toch is de D-laag belangrijk voor radiocommunicatie, omdat EM-golven met een grote golflengte (LG- en MG-gebied) grotendeels in deze laag geabsorbeerd worden. Alleen signalen met een zeer grote golflengte (>10km) worden tegen de D-laag gereflecteerd en hebben hierdoor een zeer groot bereik. In 1923 is op deze manier een radioverbinding tussen Nederland en Indonesië tot stand gebracht met een zender die golven met een lengte van 17km opwekte!

E-laag Op 110 tot 120 km ligt de E-laag. Voornamelijk overdag aanwezig. De E-laag kan frequenties van 2 tot 3MHz reflecteren. Een belangrijk deel van de signalen wordt echter geabsorbeerd door de D-laag, zodat het belang van deze laag niet zo groot is. ’s Nachts reflecteert de E-laag door het wegvallen van de D-laag ook de lange- en middengolfsignalen, waardoor deze signalen ’s nachts een veel groter bereik hebben dan overdag.

F-laag Het belangrijkste voor de radiocommunicatie over grote afstanden is de F-laag overdag bestaat deze uit een F1-laag op 200 tot 220km en een F2-laag op 250 tot 380km. ’s Nachts gaat de F1-laag op in de F2-laag die dan, hoewel met verminderde ionisatiegraad, als enige belangrijke reflecterende laag overblijft. Reflectie in de F-lagen vindt plaats bij aanzienlijk hogere frequenties dan in de lager gelegen lagen. In de F-lagen treden hierdoor veel minder absorptieverliezen op dan in de D- en E-lagen. Zenders in de kortegolfgebied (6 – 30 MHz) hebben dankzij reflectie in de F-lagen een bereik dat de gehele aarde omspant. Denk bijvoorbeeld aan de wereldomroep. Naast het tijdstip van de dag wordt de ionisatiegraad van de verschillende lagen ook bepaald door het jaargetijde (stand van de zon) en de hoeveelheid UV-energie in de zonnestraling.

Oppervlaktegolven Oppervlaktegolven zijn golven met een frequentie kleiner dan 2MHz. Ze buigen met de aarde mee en hebben daardoor een bereik dat bepaald wordt door de verliezen in de troposfeer en het aardoppervlak. De bodemverliezen treden voornamelijk op in het E-veld van de golf, zodat deze golven verticaal gepolariseerd moeten worden. Het bereik is groter naarmate de frequentie lager is: enkele honderden km bij 2MHz tot vele duizenden km bij 150 kHz, de laagste frequentie die tegenwoordig gebruikt wordt.

Directe golven Directe golven zijn golven met een frequentie groter dan 30 MHz. Ze planten zich bijna rechtlijnig voort en hebben een bereik dat ca. 30% groter is dan de afstand tot de optische horizon. Het bereik is iets verder dan de horizon, doordat de golf door de troposfeer enigszins afgebogen wordt. De te overbruggen afstand wordt dus niet bepaald door de verliezen maar door de hoogte van de antennes. Voor radio en televisiezenders die in dit gebied werken heeft men gekozen voor een horizontale polarisatie omdat daarmee een betere afscherming van de omgevingsstoring (ontstekingsstoring van verbrandingsmotoren, elektrische schakelstoring, …) verkregen wordt. Hieruit blijkt ook het geringe bereik van de directe golven. Daarom staan er in Belgie, naast de hoofdzender nog verschillende steunzenders om de radio-ontvangst in het hele land te garanderen.

1.2 Indeling frequentiespectrum

1.2 Indeling frequentiespectrum

1.3 Informatiesignalen: geluid, beeld en data Samenstelling van sinusoïdale trillingen 20Hz - 20kHz Beeld Combinatie van digitale synchronisatiepulsen en analoge beeldinformatie. 0Hz - 5MHz Data Zuiver digitale impulsen Binaire informatie (slechts 2 mogelijke toestanden) 0Hz – 20GHz

Overdracht van energie Een centrale levert een spanning aan een verbruiker. Deze verbruiker trekt een stroom uit dit net en bekomt op deze wijze de nodige energie om te functioneren. (230V - 50 Hz) Een luidspreker zet de elektrische energie, geleverd door een audioversterker, om in een akoestisch vermogen. (20Hz – 20 kHz) Een antenne zet de elektrische energie, geleverd door een hoogfrequent-zender, om in elektromagnetische stralingsenergie. (30kHz – 300GHz)

Vergelijking van verschillende transmissiekanalen Via Koperkabel (twisted pair) Beperkte afstand Beperkte frequentie Via Coaxiale kabel Betere afscherming tegen storingen Grotere bandbreedte Via Glasvezelkabel Grotere afstand Geen invloed van elektrische storingen Zeer grote bandbreedte Draadloze transmissie Zeer grote afstand Redelijk storingsgevoelig Beperkte bandbreedte

Toelichting van de begrippen: bandbreedte signaalversterking signaaldemping signaalvervorming stoorsignalen storingsgevoeligheid

Bandbreedte Om dit te kunnen verduidelijken moeten we eerst even uitleggen dat datasignalen zijn opgebouwd uit ‘1-en’ en ‘0-en’ en het elektrische signaal er dus zal uitzien als een blokgolf. Blokgolven zijn opgebouwd uit een oneindige reeks sinusoidale signalen, harmonischen genaamd. Door gebruik te maken van een Fourrier-analyse kan een blokgolf worden opgesplitst in : Een gemiddelde waarde of DC-component. De grondgolf, een sinusoidaal signaal met dezelfde frequentie als het oorspronkelijke blokgolfsignaal. Een reeks harmonischen met frequenties welke de oneven veelvouden zijn van de grondgolf. (1 e harmonische = 3 x frequentie grondgolf)

Bandbreedte Telt men alle harmonischen op, dan bekomt men terug de oorspronkelijke grondgolf Een blokgolf wordt vooral getypeerd door zijn flanksteilheid. Deze steilheid heeft hij te danken aan de hogere harmonischen. Maar het zijn juist deze hogere harmonischen die door een niet-oneindige bandbreedte (welke zich gedraagt als een filter die hoge frequenties tegenhoudt) worden tegengehouden. Als een blokgolf niet meer is opgebouwd uit al zijn harmonischen, dan zullen zijn flanken in meer of mindere mate schuin lopen.

Bandbreedte Frequentie: 100kHz Frequentie: 500kHz Logische “1” nog wel te herkennen Logische “1” niet meer te herkennen

Bandbreedte De Bandbreedte bepaalt welke harmonischen nog wel en welke harmonischen niet meer worden doorgelaten en bepaalt dus rechtstreeks de flanksteilheid van de doorgelaten blokgolfinformatie. Het is nu afhankelijk van de frequentie van de blokgolf of de informatie in de doorgelaten blokgolf met beperkte flanksteilheid nog te herkennen is. Transmissiekabels hebben een karakteristieke bandbreedte (BB), dus de frequentie van de opéénvolgende informatiebits zal moeten aangepast worden aan deze BB.

Bandbreedte De capaciteit (C) van een transmissiekabel is het aantal bits dat per seconde met die specifieke transmissielijn kunnen getransporteerd worden. Dit wordt berekend met de Formule: C = 2 x BB Opgave: Een normaal menselijk gehoor neemt signalen waar tussen 20Hz en 20kHz. Een telefoonkabel laat echter frequenties door tussen 300Hz en 3400Hz. Bereken de maximale bitsnelheid die via een telefoonlijn kan getransporteerd worden. C telefoonlijn = 6200 bits per seconde

Signaalversterking De decibel (dB) laat toe de verhouding van 2 grootheden uit te drukken. Het uitgangssignaal wordt hierbij met het ingangssignaal vergeleken om zo tot de versterkingsfactor te komen. Bij een signaalversterking zal je een positieve dB-waarde uitkomen. LET WEL OP! De formule is verschillend voor de berekening met vermogens of met spanning en stroom. Vermogensversterking: Ap = (Puit/Pin)dB = 10 log (Puit/Pin) Als Pin gelijk is aan 1mW, dan spreekt men van dBm Spanningsversterking: Au = (Uuit/Uin)dB = 20 log (Uuit/Uin) Als Uin gelijk is aan 1mV, dan spreekt men van dBmV Stroomversterking: Ai = (Iuit/Iin)dB = 20 log (Iuit/Iin) Voor verdere info en bijkomende oefeningen, zie handboek Basiselektronica 3-4-5 (5e jaar EE), Blok 4, Werken met decibels

Signaaldemping Betekent dat het signaal niet versterkt, maar verzwakt wordt. De dB-waarde die je na berekening uitkomt zal een negatieve waarde zijn. Opdracht: Bewijs de uitspraak: “Om de versterking met 3dB te laten stijgen is er een verdubbeling in vermogen nodig” 10 log Ap = 3dB => Ap = 1.99

Signaalvervorming Het datasignaal, gekenmerkt door zijn bandbreedte wordt via het fysisch transmissiemedium overgedragen. Dit transmissiemedium oefent echter een negatieve invloed uit op het datasignaal. Zo wordt het datasignaal enerzijds verzwakt (Amplitudevervorming of amplitudedistortie) en anderzijds vertraagd (fasevervorming of fasedistortie). De samenstelling van alle vervormde harmonischen aan ontvangstzijde levert een datasignaal af dat afwijkt van het signaal aan zendzijde

Amplitudedistortie Uitgaande van het blokgolfsignaal in onderstaande figuur zal het medium de verschillende harmonischen op een verschillende manier verzwakken. De verzwakking is hierbij recht evenredig met de frequentie van de harmonische. Onderstaande figuur toont de ontvangst van de eerste, derde en vijfde harmonische nadat zij resp. 10%, 40% en 100% werden verzwakt door het medium. De samenstelling van de DC-componente en de verzwakte harmonische levert de vervormde signaalvorm op die voorgesteld is door een dikke lijn.

Fasedistortie Uitgaande van onderstaande figuur zal het medium elke harmonische bovendien ook nog op een verschillende manier vertragen. Dit geeft aanleiding tot de ontvangst van de eerste en derde harmonische die niet enkel verzwakt werden, maar bovendien een vertraging ondergingen van resp. 15° en 45°. Samen met de amplitudedistortie leidt de fasevervorming tot een signaalreconstructie die aanzienlijk begint af te wijken van het oorspronkelijke blokgolfsignaal

Stoorsignalen In/uitschakelen van grote inductieve belastingen veroorzaakt grote inductiespanningen, die de amplituden van de nuttige signalen nadelig kunnen beïnvloeden. Fading, waarbij een gereflecteerd signaal een fractie later toekomt dan het rechtstreeks ontvangen signaal en zo voor interferentie zorgt. Storingsgevoeligheid Bepaalde soorten transmissiemedia zijn meer of minder gevoelig voor bepaalde soorten storing. Deze storingsgevoeligheid hangt af van de afscherming, die deze kabel biedt.

1.4 Overdracht door modulatie Probleemstelling: Men wil geluidstrillingen (tonen) op een ver verwijderde plaats hoorbaar maken. oplossing: Men kan het geluid eerst omzetten naar elektrische signalen, deze versterken en ze tenslotte terug omzetten naar geluid. vb. microfoon -> versterker -> luidspreker. Het nadeel is dat men slechts een beperkte afstand kan overbruggen, ofwel door de beperkte draadlengte, ofwel door de te grote akoestische demping. Men zou dit kunnen verhelpen door draadloos te werken, dus met een antenne. Dit gaat echter ook niet, daar de frequenties zeer laag zijn (weinig trillingen per seconde) en daardoor het stralingsveld te klein blijft. Besluit: Grote afstanden overbruggen is enkel mogelijk indien de frequenties zeer hoog zijn, omdat er dan een kleinere demping is. De hoogfrequent trilling (HF) zal de toonfrequentie, of de laagfrequent trilling (LF) in zich moeten opnemen of "dragen", vandaar de benaming: "DRAAGGOLF".

Soorten modulatie: a) Amplitude - modulatie (AM): De frequentie van de draaggolf blijft constant, doch de amplitude verandert op het ritme van de LF-trilling. b) Frequentie - modulatie (FM): De frequentie van de draaggolf verandert op het ritme van de LF-trilling, doch de amplitude blijft constant. c) Fase - modulatie (PhM of PM): De frequentie van de draaggolf blijft nagenoeg constant, doch de fase (hoek) verandert op het ritme van de LF-trilling. De amplitude blijft ook constant. d) Puls - modulatie (PM): De draaggolf wordt onderbroken op het ritme van impulsen (digitaaltechnieken).

Samentellen van trillingen met verschillende frequentie. Naargelang de frequentie van beide signalen, krijgt men gans andere vormen. In regel bekomt men GEEN sinusvormige trilling meer. - De "omhullende" golfvorm is meestal wel sinusvormig. De omhullende is een denkbeeldige verbindingslijn tussen alle maxima of alle minima van het signaal. - Bij groot frequentieverschil lopen de omhullenden parallel (a). - Bij gering frequentieverschil lopen de omhullenden niet meer parallel (b, c). Het laatste beeld (c) komt uitgebreid aan bod in het onderdeel over zweving.

Vectorvoorstelling Samentellen van f1 = ½.f2, û1 = 2.û2. Zo is bv. voor tijdstip 1 de vector f1 over een hoek van 45° of 1/8 periode verdraaid. De vector f2 is in dezelfde tijd reeds over een hoek van 90° gedraaid (wegens de dubbele frequentie). Dit kan men zo verder uittekenen voor alle andere tijdstippen. (tijdstip 2 en volgende)

Zweving.

Zweving. - Dit doet zich voor wanneer beide frequenties bijna gelijk zijn aan mekaar. Men gebruikt dit verschijnsel bij het stemmen van een gitaar of piano. - Bij het gelijktijdig horen van twee tonen met gelijke sterkte, één van 9 Hz en één van 11 Hz, hoort ons oor de rekenkundig gemiddelde frequentie van 10 Hz, nl. (11 + 9) / 2 Hz, als toon, terwijl de geluidssterkte van de omhullende trilling verandert op het ritme van 2 Hz = 11 Hz - 9 Hz ofwel de verschilfrequentie.

Modulatie Een gemoduleerde trilling bestaat uit een draaggolf plus een informatiesignaal. Een amplitudemodulatie bestaat dus uit een draaggolf, waarvan de amplitude verandert op het ritme van de modulatie. Indien we nu de vorige figuur (zweving) vervolledigen, door er de draaggolf met dezelfde frequentie als de gemiddelde frequentie van de zweving bij te tellen, dan bekomt men amplitudemodulatie.

Modulatie In bovenstaande figuur hebben we een sinusvormige trilling van 90KHz samengeteld met één van 110KHz, Zo ontstaat een zwevingspatroon met een gemiddelde frequentie van 100KHz. Hierbij tellen we dus een draaggolf van 100KHz bij op, zodat we een AM-gemoduleerde draaggolf bekomen van 100KHz, gemoduleerd met een signaal van 10 KHz, in dit geval. http://projects.europace.be/stem/trillingen/java/samenstellen.html

1.4 Antennes Stralingsveld van een dipool

stralingsveld van een Yagi antenne

Polarisatie van Antennes: Een vertikaal opgestelde antenne is ‘verticaal ‘ gepolariseerd Een horizontaal opgestelde antenne is ‘horizontaal ‘ gepolariseerd Een ‘cross polarisation’ heeft zowel horizontaal als verticaal opgestelde componenten. Er bestaat ook een ‘circular polarisation’ Zend en ontvangstpolarisatie moeten dezelfde zijn, wil je enorme verliezen vermijden.

Impedantie van een antenne Technisch gesproken, mag je overall, in elk punt op de antenne de spanning delen door de stroom, dan zal je de impedantie van die specifieke antennen bekomen. Wet van Ohm Antenne impedantie van: ¼ golflengte antenne 36Ω ¼ golflengte antenne met met ¼ golflengte radialen 50Ω ½ golflengte dipool 75Ω ½ golflengte dichtgevouwen dipool 300Ω Dit verklaart ook waarom we coaxkabel hebben met karakteristieke impedanties van 50Ω, 75Ω en 300Ω. Bij gelijke impedantie is er namelijk een maximale vermogenoverdracht.

De ¼ golflengte verticale antenne Deze meest eenvoudige basis antenne heeft een lengte van ¼ van de golflengte en staat verticaal opgesteld. Dit is een typische CB antenne die zowel kan zenden als ontvangen. Voor dit soort antennes moet een kunstmatige ‘ground’ worden gecreëerd. Dikwijls wordt het metalen frame van de auto hiervoor gebruikt. De naar beneden gerichte radialen hebben ook een lengte van ¼ golflengte , maar staan onder 45° naar beneden gericht. Zij hebben echter als nut om een goede kunstmatige ‘ground’ te creëren. Dit leidt tot de lage impedantie van 50Ω.

De ¼ golflengte verticale antenne Een ¼ golflengte verticale antenne zou ook rechtstreeks op de grond kunnen worden geplaatst. De grond moet dan wel goede geleidende eigenschappen hebben. Verschillende AM-zendmasten zijn zo ook opgesteld. Een ¼ golflengte antenne voor een AM zender die op 810 KHz uitzendt, zou ongeveer 92 meter hoog moeten zijn. Dit wordt in de praktijk met 5% vermindert, wegens externe factoren (velocity factor). We komen dan uit op een antenne van 87.4 meter. Wanneer een ¼ golflengte antenne rechtgezet wordt en werkt t.o.v. een goede HF ‘ground’, dan zorgt de ‘aarde’ voor het spiegelbeeld van de ontbrekende helft van het signaal dat een ‘halve-golflente’ antenne eigenlijk had uitgestraald.

½ golflengte dipool antenne Als de ruimte het toelaat, dan geeft de ½ golflente dipool een mooi resultaat. Deze kan vertikaal gepositioneerd worden, maar wordt, voor praktische redenen veel vaker horizontaal gezet.

½ golflengte dipool antenne Deze antenne was gedimentioneerd voor frequenties van 30 Mhz. 2.375m x 4 = 9.5m. (300 000 Km/sec)/0.0095km = 31.578MHz 31.578MHz -5% (velocity factor) = 30 MHz Zoals bij alle antennes, spelen de hoogte t.o.v. de grond, nabijheid van gebouwen, bomen, hoogspanningslijnen e.d. een belangrijke rol. Hier zullen we echter mee moeten leven. Mensen stellen soms antennes op, op hun zolder, met gewone dunne koperdraad en halen hiermee hele bevredigende resultaten.

De gevouwen dipoolantenne De gevouwen dipoolantenne wordt enkel gebruikt als TV antenne. Deze heeft een impedantie van 300Ω. Een groot voordeel van deze gevouwen dipool is dat deze een brede bandbreedte heeft. Één gevouwen dipool kan meerdere TV kanalen ontvangen. Ze worden dikwijls gebruikt in combinatie met Yagi antennes.

De Yagi antenne Meer correct de Yagi-Uda antenne, is in 1930 door Japanese wetenschappers ontwikkeld. Deze bestaat uit een ½ golflengte dipool (soms gevouwen) een achterste reflector één of meerdere ‘directors’. Je haalt hierdoor veel betere resultaten.

Yagi antenne