Otázka č. 3 Rozdělení spektra elektromagnetických vln. Frekvenční pásma v rádiovém přenosu

Transkript

1 Otázka č. 3 Rozdělení spektra elektromagnetických vln. Frekvenční pásma v rádiovém přenosu Radiokomunikace je forma telekomunikace využívající k přenosu informací rádiové vlny. Nezanedbatelnou oblast rádiové komunikace využívají mobilní telefony. Nepochybuji o tom, že každý nebo téměř každý s čitatelů tohoto sylabu má v kapse mobilní telefon, na stole nebo v přenosném počítači zařízení pro internet. Prostředky mobilní komunikace nás provázejí na každém kroku a je tedy jasné, že je zájem je neustále zdokonalovat. To ovšem klade také větší nároky na znalosti jejich konstruktérů, opravářů, prodejců apod. U mobilní komunikace si ještě více než při vysílání a příjmu z pevných stanic uvědomujeme absenci vedených spojů od vysílače informace až po jeho příjemce. Spojení je prováděno elektromagnetickými vlnami, přičemž vlny jsou nuceny procházet vzduchem, ale i jinými rozmanitými prostředími (zdmi, vzduchem s kapkami deště nebo částečkami prachu, smogem). Topologické rozložení vysílačů a přijímačů také nebývá jednoduché (převýšení, lesy, vodní plochy, budovy), což je zvlášť u mobilních komunikací velmi proměnné. Dnes s příchodem mobilních komunikačních systémů vedle sebe existuje stále větší množství rádiových sítí s různými typy použitých technologií i poskytovaných služeb, např. veřejných mobilních systémů (NMT, GSM či UTMS v licencovaných frekvenčních pásmech), systémy bezšňůrových telefonů DECT a bezdrátových sítí WLAN (ať již se jedná o větší sítě pro celé městské části, administrativní budovy, či jen o malou síť pro potřeby pouze jediné kanceláře). Je tedy nutné ve větší míře zkoumat šíření vln i v zástavbě, tzn. vně i uvnitř budov v městském prostředí. Je třeba plánovat rozmístění základnových stanic (přístupových bodů), volit antény, parametry pokrytí atd. Je ale také potřeba zkoumat možností využití družicového spojení. Frekvenční spektrum elektromagnetických vln zahrnuje řadu oblastí, prakticky od proudů průmyslových frekvencí (jejichž vlnová délka asi m je natolik velká, že se jimi zde nebudeme zabývat) přes rádiové vlny, optické jevy, až po kosmické záření. Stupnice elmg. vln: (Maxwellova duha) Obr 1 : Přehled použití a generace elmag vln v závislosti na kmitočtu 1

2 Rádiové záření Infračervené záření Viditelné záření Ultrafialové záření Rtg. záření g záření l Î (~ 1cm, ~ km) l Î (~ 760nm, ~1cm) l Î (~ 380nm, ~760nm) l Î (~10nm, ~380nm) l Î (~ nm, ~10nm) l Î (~ 0nm, ~ nm) Jen minimální část spektra v pásmu světelných vln lze zaznamenat lidským okem. Fotocitlivá vrstva i lidské oko jsou citlivé na. složku E elmg. vlny - to se projeví během snímání interferenčních proužků ve stojatém vlnění po odrazu vlny dopadající kolmo k povrchu - el. složka má kmitny tam, kde mg. složka má uzly - díky rozdílnému chování složek na rozhraní, první viditelný interferenční proužek je vzdálen λ/4 od povrchu kmitna E, B má první kmitnu v rozhraní a pak ve vzdálenosti λ/2. Pásma rádiového přenosu Pro rádiový přenos lze využít vlny o frekvencích mnohem vyšších, než je frekvence napájení většiny průmyslových zařízení a domácích spotřebičů (50 60 Hz). S vývojem techniky se frekvence prakticky využitelných pásem posunují stále k vyšším a vyšším frekvencím. Hrubé rozdělení využití jednotlivých frekvencí elektromagnetických vln je na obr. 1. Ještě v polovině minulého století byl radiový přenos využíván především pro šíření vysílání rozhlasu a televize. Dnes propojují rádiové vlny miliardy mobilních telefonů, spousty počítačů prostřednictvím bezdrátových sítí. Pojem mobilní komunikace se dnes často a zcela běžně skloňují ve všech pádech v ústech techniků využívajících tato zařízení profesionálně, ale i počítačových nadšenců amatérů v oblasti zábavy. Dnes pod pojem bezdrátové sítě tedy zahrnujeme jak klasické radiové a televizní sítě, mobilní telefonní sítě, standard GSM, UMTS, CDMA, radiové sítě Tetra, datové sítě FWA a další. Vzhledem k velkému počtu šířených signálů bylo potřeba nějakým způsobem radiový přenos organizovat a legislativně upravit. Regulační výkonné orgány potom ve smyslu této legislativy vydávají provozovatelům licence přidělují jim frekvence a vyhrazují pásma přenosu. Blíže o tom bude pojednáno v kapitole Český telekomunikační úřad. Radioamatérům není třeba připomínat občanské pásmo CB pro volné vysílání. I takové zařízení jako je mikrovlnná trouba má vymezenou frekvenci, na níž může působit (2450 MHz což odpovídá λ = 12,2 cm). Ovšem obavy o rušení jiných mikrovlnných spojů mikrovlnnou troubou mít nemusíme. Pásmo vyhrazené pro průmyslové, vědecké a lékařské potřeby je označeno symbolem ISM (Industrial Scientific and Medical). Evropský regulátor ETSI i americký regulátor FCC určil pro tyto potřeby pásmo 2,4 GHz. Standardizační institut IEEE v roce 1997 publikoval v pásmu ISM standard, známý pod označením s rychlostí vyvíjecí se časem od 2 Mb/s a do 54 Mb/s (nejprve pro pásmo 5 GHz pouze v uzavřených prostorech, dnes stejná rychlost i pro 2,4 GHz g). Od roku 2000 hovoříme o sitích WiFi. Pro bezdrátové sítě se obecně používá název WLAN (Wireless Local Area Network). 2

3 Rozhlasové vysílání Rozsah frekvencí Vlnová délka Zkratka Označení vln 3kHz-30kHz 100km-10km VLF velmi dlouhé 30kHz-300kHz 10km-1km LF dlouhé 300kHz-3MHz 1km-100m MF střední 3MHz-30MHz 100m-10m HF krátké 30MHz-300MHz 10m-1m VHF velmi krátké (metrové) 300MHz-3GHz 1m-10cm UHF decimetrové 3GHz-30GHz 10cm-1cm SHF centimetrové 30GHz-300GHz 1cm-1mm EHF milimetrové Obr 2. Označení frekvenčních pásem dle ČSN IEC Pro rozhlasové vysílání se používají konkrétně tato dohodnutá pásma: dlouhé vlny [DV, LF, B.km, kilometrické] (150 khz až 300 khz), 2000 až 1000 m střední vlny [SV, MF, B.hm, hektometrické] (515 khz až 1620 khz), 584 až 185 m krátké vlny [KV, HF, B.dam, dekametrické] (6,0 MHz až 30,0 MHz), 50 až 10 m velmi krátké vlny [VKV] pásmo CCIR-K (66 MHz až 74 MHz), 4,55 až 4,05 m (dnes se téměř nevyužívá) velmi krátké vlny [VKV, VHF, B.m, metrické] pásmo CCIR-G (87,4 MHz až 108 MHz), 3,43 až 2,74 m Tabulka 1 Název pásma frekvenčního Označení Frekvenční pásmo v MHz Dlouhé vlny DV Střední vlny SV Velmi krátké vlny VKV I VKV II Poznámky: +) = V zahraniční literatuře dlouhé vlny jsou označovány LW s frekvenčním rozsahem MHz, střední vlny jsou označovány MW s frekvenčním rozsahem MHz a VKVII jsou označovány jako UKW s frekvenčním rozsahem shodným, jako uvádí ČN ) = V zemích, kde je rozšířena televizní norma CCIR-B,G není definováno pásmo VKVI. Je však definováno pásmo krátkých vln KW s frekvenčním rozsahem ,1MHz. Od vysílání rozhlasových signálů v pásmu VKV I se v našich krajinách upouští. Norma ČN zohledňuje i pásmo krátkých vln (KV) s frekvenčním rozsahem MHz pro modulaci SSB a pro modulaci AM. 3

4 Televizní vysílání Pro příjem a využití kmitočtových pásem v systémech rozvodu televizního signálu u nás nabyla v roce 1992 účinnost norma ČN část pod názvem "Společný příjem a rozvod televizních a rozhlasových signálů", která přejímá doporučené mezinárodní standardy CCIR 1 -D, CCIR-B, CCIR-K, CCIR-G. Tato norma je podrobnější než norma ČN "Kmitočtová pásma pro šíření televizních a rozhlasových signálů", v níž jsou také zapracovány údaje souhlasné s IEC 244 5A - příloha B a respektuje mezinárodní doporučení CCIR. Rozdělení kmitočtů pro televizní vysílání by se podle doporučení CCIR dalo rozdělit: CCIR-D pro I, II a III pásmo, označení jednotlivých kanálů s písmenem R. CCIR B pro I a III pásmo, označení jednotlivých kanálů s písmenem E. CCIR-K,G pro IV-VI tel. pásmo, označení jednotlivých kanálů s písmenem K. Nejčastěji se setkáváme s variantami tzv. "DK" a "BG" pro příjem I - VI. televizního pásma. Zatímco CCIR-K a CCIR-G (normy pro IV.-VI. pásmo) má shodné rozdělení kmitočtových pásem, u CCIR-D a CCIR-B (normy pro I. až III. pásmo) se setkáváme s rozdíly již v základním rozdělení. Odlišnosti jsou patrné i v odstupu jednotlivých kanálů: Norma CCIR-D, kanály s označením R, odstup kanálů 8 MHz Norma CCIR-B, kanály s označením E, odstup kanálů 7MHz Norma CCIR-K,G, kanály s označením K, odstup kanálů 8MHz Varianty "DK" a "BG" se rovněž liší odstupem nosné obrazu od nosné zvuku (u DK 6.5MHz, u BG 5.5MHz). V naší republice je pro pozemní televizní vysílání v současné době využívána norma CCIR- DK. Zjednodušeně by se dalo říci, že varianta norem CCIR-D + CCIR-K ("DK") je (co se kmitočtového rozdělení kanálů týče) shodná s původním standardem OIRT, který byl platný u nás do roku Normalizovaná kmitočtová pásma používaná pro příjem a rozvod televizních a rozhlasových signálů dle normy ČN Tabulka 2 Název pásma frekvenčního I. televizní pásmo TV I Označení TV norma Frekvenční pásmo v MHz CCIR-D 48,5-66 CCIR-B Číslo kanálu Rozsah kanálu v MHz R1 48,5-56,5 R E E Comité Consultatif International pour les Radiocommunications - Mezinárodní poradní komise pro radiotechniku. Starší název pro nyní existující organizaci ITU-R. 2 Kaisler, R.: Rozdělení televizních a rozhlasových kmitočtových pásem 4

5 II. televizní pásmo **** III. televizní pásmo IV televizní pásmo TV II CCIR-D TV III TV IV V. televizní pásmo TV V CCIR-D CCIR-B CCIR-K, CCIR-G CCIR-K, CCIR-G E R R R R R R R R R R E E E E E E E E K21- K34 K35- K60 viz. 1) viz. 1) VI. televizní pásmo TV VI viz. 2) Pásmo telekomunikačních družic * I. mezifrekvence satelitního příjmu ** Ku I. MF *** 1 = Odstup kanálů po 8MHz 2 = Odstup kanálů 19.18MHz, se šířkou TV kanálu 27MHz Poznámky: *) = Jde o tzv. uplink, tedy cestu signálu z družice na zemi. Pásmo Ku má ve skutečnosti větší frekvenční rozsah než uvádí tato norma a je dále rozděleno. Tato problematika je rozebrána v tabulce 4. **) = Distribuce signálu od satelitní antény (konvertoru) k přijímači signálů (satelitnímu přijímači), viz. tabulka 4. ***) = Pásmo I. satelitní mezifrekvence má horní hranici v současné době vyšší, viz. tabulka 4. 5

6 ****) = II. televizní pásmo se pro účely televizního vysílání na našem území opouští a je vyhrazeno pro jiné druhy služeb (viz. ČN ) Další poznámky: I-III. televizní pásmo bývá nazýváno jako VHF, IV.-VI. jako UHF. V. televizní pásmo je v normě ČN uvedeno po kanál K81 (ne jen po K60 jako v ČN ), tedy do frekvence 958MHz. Toto je dáno tím, že kanály K61-K81 bývají využívány pouze pro vysílání, nikoliv v rozvodech televizního signálu. V praxi je poslední využívaný kanál K69 (frekvenční rozsah MHz). Speciální kmitočtová pásma Pásma využívané v rozvodu pro přenos přijímaných nebo vnitřních signálů k jednotlivým účastníkům, nebo pásma pro přenos od účastníka zpětnými kanály. Těchto pásem se v drtivé většině využívá u systému kabelového televizního rozvodu (TKR), případně u větších rozvodů společné televizní antény (STA), kdy je přenášen velký počet programů. Dle normy ČN Tabulka 3 Název frekvenčního pásma 1. speciální televizní pásmo # 2. speciální televizní pásmo # Označen í STV I TV norma CCIR-D CCIR-B STV II CCIR-D Frekveční pásmo v MHz Číslo kanálu Rozsah MHz SR SR SR SR SR SR SR SR SE SE SE SE SE SE SE SE SE SR SR SR SR

7 3. speciální televizní pásmo # zpětné kanály ## STV III 3) = pouze informativní hodnota CCIR-B CCIR-D viz.3) CCIR-B viz.3) 5-21viz.3) SR SR SR SR SE SE SE SE SE SE SE SE SE SE S21-S39 S21-S39 Poznámky: #) = Tyto pásma bývají označovány jako "superband" a "hyperband". ##) = v rozvodech kabelové televize v České republice je často pro zpětný přenos využíváno frekvenční pásmo 5-36MHz. V odborné literatuře se často hovoří o 4-30MHz. Přenos signálů v satelitním příjmu (doplnění k tabulce č. 2, posledních dvou řádků dle ČN ) Tabulka 4 Pásmo Název Frekvenční rozsah Směšovací při distribuci frekvence signálu z družice konvertoru na zemi (tzv. uplink) * v GHz u parabolické antény * v GHz C C-Band 3,7-4,2 5, Ku-1 Low- 10,7-10,95 9, Ku-2 Band 10,95-11,7 9, DBS High- 11,7-12,45 10, Ku-3 Band 12,45-12,75 10, Distribuce signálu od konvertoru u parabolické antény k satelitnímu přijímači (I. satelitní mezifrekvence) * v MHz 7

8 Poznámky: *) = Všechny parametry jsou uvedeny pro vertikálně i horizontálně orientovaný směr vysílání a příjmu. Změnu orientace přijmu (horizontální/vertikální) volíme na satelitním přijímači změnou napájecího napětí pro konvertor antény. Příjem v pásmu C je v našich končinách velmi vzácný. Pro příjem celého pásma Ku je postačující pouze jeden konvertor. Rozsah pásma (Low-Band/High-Band, horní/dolní pásmo), tedy směšovací frekvenci konvertoru volíme na satelitním přijímači absencí, či přítomností signálu 22kHz vysílaného směrem ke konvertoru u parabolické antény. Obrázek pro lepší pochopení tabulky 4 V některé naší literatuře je ne zcela přesně Low-Band prezentován jako analogové pásmo a High-band jako digitální pásmo. Analogové i digitální vysílání je praktikováno v obou pásmech. 8