10. Elektrická energie a přenos informací

Transkript

1 10. Elektrická energie a přenos informací Obsah: Historický přehled bezdrátového přenosu informací Šíření elektromagnetických vln Principy rádiového přenosu zvukových a obrazových informací 1

2 Elektromagnetické vlny Maxwellova teorie elektromagnetického pole Rovnice mají řešení, které popisuje elektromagnetickou vlnu Elektromagnetická teorie světla H.Hertz experimentálně potvrdil existenci elektromagnetických vln CO z toho plyne? V závislosti na vlnové délce se liší šíření elektromagnetické vlny V závislosti na kmitočtu se liší z hlediska kódování signálu Kódování signálu vyžaduje nutnou šířku pásma 2

3 Elektromagnetické vlny 3

4 10. Elektrická energie a přenos informací Šíření elektromagnetických vln VRSTVY D km, ve dne, odráží jen DV, kratší láme, silně tlumí E km, ve dne, odráží DV, SV, kratší asi do 3,5MHz tlumí, ještě kratší procházejí F km, ve dne silně ionizovaná, hlavní vliv na šíření KV, ve večerních hodinách šíření na velké vzdálenosti Kritická frekvence fc- maximální frekvence, která se při kolmém dopadu odrazí MUF- Maximal Usable Frequency MUF= fc/cos úhel dopadu na vrstvu LUF- Lowest Usable Frequency Frekvence, která je silně tlumená 4

5 Šíření elektromagnetických vln 500 km 50 km Prostorová vlna - šíří se dielektrikem - volným prostorem IONOSFERICKÁ TROPOSFERICKÁ Přízemní vlna SOMMERFELD- šíři se na rozhraní vodič dielektrikum = povrch Země VLNY DLOUHÉ Přízemní vlna, prostorová vlna na vzdálenosti přes 1000 km VLNY STŔEDNÍ Přízemní vlna, prostorová vlna přes 200 km, velký rozdíl den/noc VLNY KRÁTKÉ Přízemní vlna jen blízko, podstatná je ionosferická prostorová vlna VLNY VELMI KRÁTKÉ Troposferická vlna zejména v dosahu přímé viditelnosti 5

6 Šíření elektromagnetických vln Vlnové rozsahy Radiotelegraf 250 Hz Radiotelefon 2,4 khz, Radio DV,SV 9 khz, Radio FM 300 khz Televize po zemi 8 MHz, TV satelit 27 MHz Rozdělení pásem (šířka KANÁLU) DV khz, SV khz, KV pásma 3-30 MHz FM 87,5-108 MHz, TV 49,75-83,75 MHz, TV 175,25-229,75 MHz, TV SAT 11,7-12,5 GHz Mikrovlny (centimetrové vlny) GHz 6

7 Elektromagnetické vlny Existence elektromagnetických vln Heinrich Hertz 1886 A Ruhmkorffův induktor B jiskřiště C,C zatěžovací kapacity M rezonátor s malým jiskřištěm 7

8 RADIOVÁ TELEGRAFIE Vysílač- čtvrtvlnná anténa, jiskřiště, uzemnění Přijímač- čtvrtvlnná anténa, KOHERER, relé, dekoherer 8

9 RADIOVÝ PŘENOS Guglielo Marchese Marconi ( ) Italský vynálezce, podnikatelem a nositelem Nobelovy ceny za fyziku (1909) je považován za vynálezce radiového spojení. Během studií v Bologni se zajímal o výsledky pokusů Heinricha Hertze získává patent na bezdrátový telegraf. V roce 1897 zakládá telegrafní společnost a vysílá na vzdálenost 15 km. V roce 1898 provádí rádiové spojení z palub lodí a první sportovní reportáž provedl první transatlantické bezdrátové spojení. Byl autorem mnoha dalších vynálezů (magnetický detektor, duplexní radiotelegrafie, rotační jiskřiště, vodorovná směrová anténa tak dále). 9

10 RADIOVÝ PŘENOS A.S.Popov ( ) Ruský vědec, v roce 1894 sestrojil jiskrový vysilač (koherer) V březnu 1896 uskutečnil rádiové spojení mezi dvěma univerzitními budovami v St.Petrsburgu V roce 1899 provedl rádiové spojení na vzdálenost 30 mil V roce 1900 se pod jeho vedením uskutečnilo dvoustrané rádiové spojení mezi námořní lodí Admiral Apraskin a stanicí na ostrově Gogland

11 Základní uspořádání radiového přenosu Vysílací anténa Vysílač Přijímací anténa Přijímač Vedení Vedená vlna Prostorová vlna Vedení Vedená vlna Vysílač - generuje VF signál velkého výkonu do kterého je kódována informace Vysílací anténa - převádí vedenou vlnu na prostorovou Přijímací anténa převádí prostorovou vlnu na vedenou Přijímač - zesiluje, filtruje, dekóduje přijatý signál,

12 Elektronky vývoj - vakuum Langmuir - difuzní vývěva, skleněné zátavy, W katoda, řízení anodového proudu napětím mřížky (Lee de Forest, Robert von Lieben) Audion se zpětnou vazbou CW Trioda continuous wave CW vysílač Modulace nosné vlny - radiotelefonie, rozhlasové vysílání Amplitudová modulace

13 Antény ANTENA je reciproký systém, převádí elektrický výkon přiváděný po vedení na elektromagnetickou vlnu v prostoru a naopak Každá anténa musí mít určité technické parametry: Směrovost antény je schopnost antény vyzařovat elmag. vlny v požadovaném směru. Vyzařovací úhel antény je dán tzv. směrovým diagramem a záleží na vyzařovacím výkonu. Vstupní impedance antény Z [Ω] je to vlastní impedance, musí být reálná, bez imaginární složky. Vstupní impedance se nastavuje a proměřuje. Zisk antény udává, kolik má anténa ve směru příjmu podíl vyzářené energie a přijaté energie Efektivní délka antény je to taková délka, kterou prochází rovnoměrně rozložený vysílací (přijímací) proud.

14 Antény ANTENA může mít velmi rozmanité konstrukce, téměř každé těleso bude na některém kmitočtu fungovat jako anténa (přímé dipoly, antení soustavy) ANTENA Hertzova, Zeppelinova, Yagiho ANTENA podle účelu vysílací, přijímací, zaměřovací ANTENY pro DV,SV,KV - dlouhý vodič vhodné délky

15 Antény Nejstarší antény - dráty nesené drakem, balónem, věže, stožáry Hertz - používal jako anténu zkrácený dipól zatížený kapacitou. Marconi - čtvrtvlnný monopól, generátor VF výkonu je zapojen proti zemi. Prakticky pro kratší vlny se zemnící sítí ze čtvrtvlnných paprsků, malá vstupní impedance (40 W) Dlouhodrátová anténa LW - třeba půlvlnná, napájení na konci, má vysokou impedanci, (800 W)

16 Antény Vstupní impedance na svorkách generátoru, závisí na rozměrech, frekvenci Vyzařovací diagram závislost intenzity pole vyzářené vlny na vyzařovacích úhlech (diagram v prostorových souřadnicích) Velikost a směr jednotlivých laloků udává směrovost antény. Vyzařovací diagramy směrové VKV antény Vyzařovací diagram v horizontální rovině ( čísla jsou poměrná úroveň pole vztažená k maximu )

17 Antény ANTENY pro Jednoduchý dipól KV, VKV ---- Dipóly, řady dipólů Anténa YAGI buzený dipól a parazitní (nebuzené) prvky UŽŠÍ VYZAŘOVACÍ CHARAKTERISTIKA

18 Antény Soustava YAGI antén

19 Antény

20 Antény Mikrovlnná anténa s parabolickým reflektorem

21 Antény

22 Antény

23 Modulace MODULACE proces, při kterém se, v závislosti na změnách přenášeného signálu, vyvolává změna určitého parametru vysílané elektromagnetické vlny Formy modulace: Klíčování Amplitudová modulace Kmitočtová modulace Fázová modulace Pulzní modulace Pulzně kódová modulace

24 Modulace KLÍČOVÁNÍ podle telegrafuzapínání nosné vlny AMPLITUDOVÁ MODULACE AM řízení úrovně nosné vlny podle okamžité hodnoty napětí signálu

25 Modulace KMITOČTOVÁ MODULACE řídí kmitočet nosné vlny podle okamžité hodnoty napětí signálu Signál Nosná vlna Modulovaná nosná vlna

26 Modulace Fázová modulace řídí fázový posuv VF signálu podle modulačního NF signálu Modulační signál Nemodulovaná nosná (tenká) Fázově modulovaný VF signál

27 Modulace Pulzní modulace některý parametr pulzu je řízen modulačním signálem Posloupnost nemodulovaných pulzů Pulzní amplitudová modulace Pulzní šířková modulace Pulzní fázová modulace

28 Modulace PULZNĚ KÓDOVÁ MODULACE Analogový signál se vzorkuje se vhodnou vzorkovací frekvencí, vzorky se kvantují v amplitudě a hodnoty kódují dvojkovým kódem Analogový signál Čísla Dvojkový kód

29 Radiová komunikace radiotelefon, rozhlas Historie 1920 USA výsledky voleb amerického prezidenta 1922 Anglie zahajuje vysílaní BBS 1923 Československo 18.V. Radižurnal 1926 První sportovní reportáž (Slavie versus Hungarie)

30 Radiová komunikace radiotelefon, rozhlas Vysílač Přijímač

31 PŘIJÍMAČ Krystalka demoduluje amplitudově modulované signály, dioda odstraní zápornou část obálky mod. signálu, kondenzátor vyfiltruje vf vlnu Krystal galentu

32 PŘIJÍMAČ Přímo zesilující přijímač - přijímá žádaný signál Citlivost malá selektivita Selektivita vybírá žádané frekvence Demodulace rekonstruuje NF signál

33 DVOULAMPOVKA

34 Superhet (supersonic heterodyne receiver) vynalezen Edwinem Armstrongem v roce 1918 Hodně stanic nízká selektivita, velký šum SM produkuje z přijímaného kmitočtu (fn) a kmitočtu oscilátoru (fo) rozdílový/součtový kmitočet, který je dále zpracováván v MFZ

35 Detektor mf signálu pro řízení zesílení vf zesilovače SV přijímač konce 20. století 1 IO = TCA 440 Vstupní laděný Mezifrekvenční zesilovač obvod Vf zes. směšovač demodulátor Výstup NF oscilátor Laděný obvod oscilátoru MF filtr

36 VYSÍLAČ Přeladitelný oscilátor Oddělovací zesilovač VF koncový dvojčinný zesilovač Modulátor

37 18 kw vodou chlazená trioda 30 kw koaxiální trioda MHz, 5-6 kw

38

39

40 Vysílač Elektronkový koncový stupeň KV vysílače 1-1,5 kw

41 Vysílač Tranzistorový koncový stupeň 1,3 GHz, 200 W

42 TELEVIZNÍ PŘENOS Televize telekomunikační zařízení pro vysílání a přijímání obrazu a zvuku na dálku Fyzikální principy definoval Alexandr BAIN: Obraz musí být možné rozložit na jednotlivé body a ty opět složit Světelné body musí být možné převést na el. signál a naopak Rozklad a skládání musí probíhat synchronně

43 TELEVIZNÍ PŘENOS 1884 demonstroval Nipkow, mechanický rozklad obrazu 1923 John Logie Baird, přenos obrazu 1927 Vladimír Zvorikin televizní přenos obrazu

44 TELEVIZNÍ PŘENOS

45 TELEVIZNÍ PŘENOS Televizní kamera snímá obraz řádkovým rozkladem, generuje videosignál Zvuk se snímá mikrofonem, oba signály se sdružují a vysílají jedním vysílačem Přijímač TV signál přijímá, zesiluje, odděluje signál obrazu a zvuku. Obrazovým signálem je modulován elektronový paprsek obrazovky

46 TELEVIZNÍ PŘENOS Přenosová soustava NTSC Nosný kmitočet zvuku 4,5 MHz Barvonosný kmitočet 3,58 MHz Řádkový rozklad 227,5 půlřádku (455 řádků za sekundu) PAL Nosný kmitočet zvuku 4,43 Mhz Barvonosný kmitočet 4,43 Mhz Řádkový rozklad 312,5 pulřádků (625 řádků za sekundu SECAM

49 TELEVIZNÍ PŘENOS digitální

50 TELEVIZNÍ PŘENOS digitální DVB-T je anglická zkratka Digital Video Broadcasting Terrestrial (digitální televizní vysílání - pozemní). Narozdíl od analogového vysílání jsou programy komprimovány (v současnosti se nejvíce používá formát MPEG-2, výjimečně dokonalejší MPEG-4), což umožňuje daleko lepší využití frekvenčního spektra. (1998 VB, 2005 lokálně ČR) 4 32Mbit/s DVB-S je standard digitálního televizního vysílání přes satelit DVB-C je standard digitálního televizního vysílání v sítích kabelových televizí ATSC USA (1998), Jižní Korea ISDB - Japonsko

51 TELEVIZNÍ PŘENOS digitální

52 RADIOLOKACE Radiolokátor - radar (anglický akronym Radio Detecting And Ranging) Přístroj určený k indentifikaci, zaměření a určení vzdálenosti objektů pomocí velmi krátkých elektromagnetických vln (centimetrových a decimetrových).

53 RADIOLOKACE Princip Silné svazky vln se vysílají v krátkých impulzech a v pauzách se přijímají vlny, odražené na hledaných objektech. Vzdálenost nalezeného předmětu se určuje pomocí interference vyslaného a odraženého signálu. U jednoduchých přístrojů se zobrazuje tato vzdálenost v měřítku přístroje jako horizontální délka diagramu Prostorový obraz poskytují pozdější radiolokátorové sestavy s pohyblivými anténami v horizontálním i vertikálním směru.

54 RADIOLOKACE Typy radarů: aktivní primární sekundární pasivní Primární radar Primární radar je klasický aktivní radar, kdy pozemní stanice vysílá impulsy a v jiném čase přijímá odrazy od objektů (letadel, vzducholodí,...).

55 RADIOLOKACE Sekundární radar Sekundární radar je aktivní radar, který potřebuje ke své činnosti další zařízení na palubě letadla tzv. odpovídač. Na zemi je umístěno zařízení, které se nazývá dotazovač a dále je na zemi umístěn přijímač sekundárního radaru. Dotazovač se v pravidelných intervalech dotazuje a každý dotázaný odpovídač odpovídá svým kódem, který má přidělený pro daný let od řízení letového provozu.

56 RADIOLOKACE Pasivní radar Pasivní radar pouze sleduje veškerou rádiovou komunikaci letadla, elektromagnetické rušení a vyzařování způsobované motorem a další elektronikou v letadle. Při použití více antén na různých místech lze opět určit polohu a výšku letadla.

57

58

59 Otázky do diskuse Jak se liší šíření dlouhých, krátkých a velmi krátkých elektromagnetických vln Co je to modulace Jaké znáte modulace Jak funguje radiolokátor Proč se u přijímačů používá kmitočtová konverze Proč se ve vysílačích používají vysílací elektronky