Ηλεκτρομαγνητικά Κύματα Στις σύγχρονες τηλεπικοινωνίες, η διάδοση των σημάτων μέσα στο κανάλι υποστηρίζεται από ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο είναι ένα πεδίο που περιέχει τόσο το ηλεκτρικό Ε όσο και το μαγνητικό πεδίο Η. Οι νόμοι του Maxwell μας επιτρέπουν να συσχετίσουμε τις μεταβολές του ηλεκτρικού πεδίου Ε(t) με τις μεταβολές του μαγνητικού πεδίου Η(t) Το σήμα που εκπέμπει μία κεραία είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα! Το σήμα που διαδίδεται στο καλώδιο του τηλεφώνου είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα!

Ηλεκτρομαγνητικά Κύματα Το σήμα που λαμβάνουμε από το δορυφόρο είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα! Το σήμα που μεταφέρει τα δεδομένα ενός ασύρματου δικτύου είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα! Το σήμα του DSL είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα! Το σήμα του κινητού είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα! Το σήμα μέσα σε μια οπτική ίνα είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα! Το φως είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα! Οι ακτίνες Χ είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα! Οι ακτίνες Γ είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα! Τα μικροκύματα είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα!

Το Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα Όπως είδαμε στην προηγούμενη Ενότητα, το ηλεκτρομαγνητικό κύμα μεταφέρει τα σήματα που θέλουμε να μεταδώσουμε Επομένως το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο είναι και αυτό ένα σήμα και η περιοχή συχνοτήτων που βρίσκεται το φάσμα του έχει πολύ μεγάλη σημασία Στον ελεύθερο χώρο και υπό ιδανικές συνθήκες τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαδίδονται με ταχύτητα c=3×10 8 m/sec. Για κάθε συχνότητα f, ορίζουμε το μήκος κύματος λ=c/f. Για ένα ηλεκτρομαγνητικό σήμα της μορφής cos(2πft) το μήκος κύματος είναι η απόσταση που καλύπτει το αντίστοιχο κύμα σε μία περίοδο του σήματος T=1/f. Το μήκος κύματος έχει ιδιαίτερη σημασία για τον καθορισμό των ιδιοτήτων του ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Για παράδειγμα καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο το κύμα αντιλαμβάνεται διάφορα εμπόδια, τις ιδιότητες ανάκλασης από την ιονόσφαιρα, κτλ.

Το Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα

Ορατό Φάσμα Οι ανθρώπινοι οφθαλμοί αντιλαμβάνονται το ορατό φάσμα, τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Κάθε συχνότητα εντός του ορατού φάσματος αντιστοιχεί σε μία απόχρωση του μπλε, πράσινου και κόκκινου ενώ κάθε άλλο χρώμα είναι συνδυασμός των τριών βασικών χρωμάτων. Το ανθρώπινο μάτι διαθέτει τριών ειδών κύτταρα-δέκτες που το κάθε ένα αντιλαμβάνεται ένα από τα τρία χρώματα. Τα άλλα χρώματα (π.χ. κίτρινο) περιέχουνε παραπάνω από μία συχνότητες οι οποίες διεγείρουν παραπάνω από ένα είδος κυττάρων. Στις τηλεπικοινωνίες, το ορατό φάσμα χρησιμοποιείται στις οπτικές επικοινωνίες σε ένα ειδικό είδος οπτικής ίνας, την πλαστική ίνα.

Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα για ασύρματες επικοινωνίες Χρησιμοποιεί ως μέσο διάδοσης τον αέρα ή το κενό. Στηρίζεται στη διάδοση σημάτων στην ατμόσφαιρα μέσω της χρήσης κεραιών, που επιτρέπουν στην ηλεκτρομαγνητική ενέργεια να περάσει από το ενσύρματο μέσο μεταφοράς στο χώρο. Οι ασύρματες ζεύξεις είναι από τους σημαντικότερους τρόπους μετάδοσης και χρησιμοποιούνται αρκετά μετά το 1950 Το μέγεθος και οι ρυθμίσεις της κεραίας εξαρτώνται από τη συχνότητα λειτουργίας. Για βέλτιστη λειτουργία το μήκος της κεραίας πρέπει να είναι >1/10 του μήκους κύματος. Π.χ. ένας ραδιοφωνικός σταθμός που μεταδίδει στην ΑΜ μπάντα στο 1 MHz (άρα μήκος κύματος λ = c/ f = 300 m) απαιτεί κεραία μήκους τουλάχιστον 30 μέτρων

Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα για ασύρματες επικοινωνίες

Ο τρόπος διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στην ατμόσφαιρα και στο κενό χωρίζεται σε τρεις κατηγορίες: –ground-wave propagation, –sky-wave propagation, and –line-of-sight (LOS) propagation Ground – wave propagation Sky– wave propagation

Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα για ενσύρματες επικοινωνίες

Ραδιοσυχνότητες (RF) - Ραδιοκύματα Extremely Low Frequency (ELF): Χρησιμοποιούνταν στο παρελθόν για επικοινωνίες με υποβρύχια (3Hz – 30Hz) Super Low Frequency (SLF): Μεταφορά του ηλεκτρικού ρεύματος (30-300Hz). Ultra Low Frequency (ULF): Στρατιωτικές εφαρμογές ( Hz) Very Low Frequency (VLF): Πλοήγηση (3KHz-30KHz). Low Frequency (LF): Ραδιοφωνία ΑΜ, φάροι πλοήγησης, ερασιτεχνικό ραδιόφωνο (30ΚHz – 300KHz). Medium Frequency(MF): Ναυτικές και αεροπορικές επικοινωνίες, ραδιοφωνία ΑΜ ( KHz) High Frequency (HF): Ερασιτεχνικό ραδιόφωνο, επικοινωνίες ιονόσφαιρας (3-30MHz). Very High Frequency (VHF): Ραδιοφωνία FM, τηλεόραση (30MHz – 300MHz). Ultra High Frequency (UHF): Κινητά τηλέφωνα, ασύρματα τηλέφωνα, ασύρματα δίκτυα, φούρνοι μικροκυμάτων (300MHz-3000MHz) Super High Frequency (SHF): Ασύρματα δίκτυα, δορυφορικές επικοινωνίες, δορυφορική τηλεόραση (3GHz-30GHz). Extremely High Frequency (ELF): Μικροκυματικές ζεύξεις.

Μικροκύματα (1GHz-50GHz) Το μικροκυματικό φάσμα είναι μέρος του RF φάσματος Τα ασύρματα συστήματα WiFi (802.11) και Bluetooth λειτουργούν συνήθως γύρω στα 2.4GHz. Χρησιμοποιούνται για την παροχή ασύρματου internet εντός μίας οικίας ή ενός γραφείου. Το WiMAX (802.16) χρησιμοποιεί τις συχνότητες 2.3GHz, 2.5GHz, 3.5GHz και 5.8GHz. Αποτελεί ασύρματη εναλλακτική στο DSL. Cable TV και πρόσβαση στο internet μέσω ομοαξονικού καλωδίου. Δορυφορικές επικοινωνίες.

Μέσα Μετάδοσης Τα τηλεπικοινωνιακά κανάλια χαρακτηρίζονται και αυτά από μία φασματική απόκριση H(f) η οποία αποτελεί σημαντικό παράγοντα για τις επιδόσεις του τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Στην έξοδο του καναλιού το φάσμα του σήματος είναι Y(f)=X(f)H(f) όπου Χ(f) το φάσμα στην είσοδο του καναλιού. Είδαμε πως όσο αυξάνει ο ρυθμός σηματοδοσίας, αυξάνει και το εύρος ζώνης του σήματος. Ένα τηλεπικοινωνιακό κανάλι με στενό H(f) δεν μπορεί να υποστηρίξει υψηλούς ρυθμούς σηματοδοσίας. x(t)x(t) X(f)X(f) H(f)H(f) Y(f)=H(f)X(f) y(t) Ένα κανάλι με στενό εύρος ζώνης δεν μπορεί να παρακολουθήσει τις γρήγορες μεταβολές του σήματος…

Μέσα Μετάδοσης Τα τηλεπικοινωνιακά κανάλια επίσης χαρακτηρίζονται από τις απώλειες που εισάγουν στις συχνότητες που χρησιμοποιούμε. Σε κάθε συχνότητα f οι απώλειες προκύπτουν από την τιμή του H(f). Οι απώλειες του καναλιού ορίζονται συνήθως από το L=max{H(f)} στη φασματική περιοχή που μας ενδιαφέρει. Αν αγνοήσουμε την παραμόρφωση από την εξάρτηση του H(f) από το f, τότε Y(f)=X(f)H(f)=LX(f) επομένως και y(t)=Lx(t) ή L=y(t)/x(t) Το L είναι καθαρός αριθμός και μικρότερος της μονάδας. Συνήθως μετριέται σε λογαριθμική κλίμακα (dB). Ένα άλλο σημαντικό στοιχείο των καναλιών είναι πως εισάγουνε θόρυβο στο σύστημα… αλλά περισσότερα για αυτό στην επόμενη Ενότητα!

Λογαριθμική Κλίμακα Συχνά οι απώλειες ισχύος ορίζονται ως μετριέται σε dB Η ισχύς επίσης μπορεί να εκφραστεί σε dBm Στη λογαριθμική κλίμακα αντί να πολλαπλασιάζουμε τις απώλειες, τις προσθέτουμε 0dB  1 3dB  2 10dB  10 20dB  dB  10 3 …. 0dBm  1mW 10dBm  10mW 20dBm  100mW ….