2 . Comunicația wireless

1. 2. Comunicația wireless Comunicarea este transferul de informaţii de la un dispozitiv la altul. Sistemele moderne de comunicare implică semnale artificiale care pot fi transmise în diferite locuri. Semnalele de comunicație care transportă informaţiile pot fi sub formă de: • energie electrică (curenţi și tensiuni); • energie electromagnetică; • energie optică; • energie sonoră. Semnalele sunt generate electronic şi transmise prin cabluri şi linii cu fir sau fără fir, prin radiaţii electromagnetice în spaţiu, sub formă de unde radio sau energie cu microunde. Semnalele pot fi, de asemenea, transmise prin mijloace optice sau sonore. Comunicarea între instrumente are loc prin intermediul transmiterii de semnale electrice de la o sursă către un receptor. Sursa converteşte mesajul original (de exemplu, voce, text) în semnale electrice care sunt transmise la receptor. Sursa produce semnale electrice adecvate pentru transmiterea prin metoda selectată: cu fir, fără fir, optică, etc.

2. 2. Comunicația wireless Ansamblul de hardware și software care compun sursa se numeşte transmiţător. Sarcina transmiţătorului este de a prelucra semnalul de comunicare într-o formă adecvată, pentru transmiterea de succes de-a lungul unui canal selectat. Canalul de comunicare este mediul prin care se conectează emiţătorul la receptor. Mediul poate fi: fire, cabluri coaxiale, cabluri de fibra optica, sau spaţiu care transportă undele electromagnetice sau undele luminoase. Pe partea de recepție, receptorul extrage semnalul provenind de pe canalul de comunicație şi îl procesează astfel încât informaţiile să poată fi interpretate şi înţelese. Receptorul converteşte semnalul electric de la receptor înapoi în forma originală de informaţii, cum ar fi voce, text sau de date.

3. 2.1. Principiile comunicației wireless În sistemele de comunicație wireless, informațiile sunt transmise de la sursă către receptor printr-un canal de comunicație Mesajele de comunicație pot fi într-o varietate foarte mare, atâta vreme cât emițătorul și receptorul pot să se înțeleagă. În sistemele de instrumentație, cele mai multe mesaje sunt sub formă de mărimi continue care variază în timp, de exemplu: temperatură, presiune, accelerație, etc.

4. 2.1. Principiile comunicației wireless Comunicațiile wireless utilizează propagarea undelor electromagnetice într-un mediu sau în spațiu deschis. Undele electromagnetice sunt generate de către o antenă care transformă puterea electrică în energie electromagnetică. O antenă receptoare preia energia electromagnetică radiată și o transformă în semnale electrice. Energia transmisă și energia receptată sunt exprimate în general în termeni de decibeli.

5. 2.1.1. Decibelul Decibelul (dB) este o măsură a raportului dintre puterea de ieșire și puterea de intrare a unui sistem de comunicație. Fie un amplificator cu o intrare de 2mW și o ieșire de 5mW: Dacă puterea de ieșire este mai mică decât cea de intrare, rezultatul este negativ. Pentru o intrare de 2 mW și o ieșire de 1 mW, raportul este 0.5 sau -3dB.

6. 2.1.1. Decibelul Semnificații pentru 0 dB: În ingineria comunicațiilor, decibelul care se referă la o putere de intrare de 1 mW este cunoscut ca și dBm; astfel o putere de ieșire de mW raportată la o putere de intrare de 1 mW reprezintă 0 dBm. In dBm, puterea de intrare se presupune a fi de 1 mW, astfel că este exprimată relativ la o putere de intrare de 1 mW. În mod similar, un decibel raportat la o intrare de 1 W este cunoscut ca dBW, astfel o ieșire de 1 W reprezintă 0 dBW Exemple: - o ieșire de 1mW reprezintă -30dBW - o ieșire de 20W reprezintă 13 dBW

7. 2.1.1. Decibelul Alte exemple: - dacă Pin = 10mW și Pout= 100mW → raportul puterilor este 10 → 10 dB - dacă raportul puterilor este 100 → 20 dB - dacă raportul puterilor este 1000 → 30 dB … etc. Dacă puterea de ieșire este mai mică decât puterea de intrare, amplificarea circuitului presupune decibeli negativi. Exemple - dacă Pin = 2 mW și Pout= 1 mW → raportul puterilor este 0.5 → -3 dB - dacă raportul puterilor este 0.1 → -10 dB - dacă raportul puterilor este 0.001 → -20 dB … etc.

8. 2.1.1. Decibelul Exprimarea curenților și tensiunilor în decibeli: Presupunând că rezistențele de intrare și de ieșire sunt aceleași, folosind definiția decibelilor se obține:

9. 2.2. Propagarea undei electromagnetice În sistemele de comunicații radio, antena transformă puterea electrică generată de circuite în energie electromagnetică radiantă. Energia electromagnetică se propagă prin mediu ca și unde electromagnetice transversale (transverse electromgnetic wave – TEM). Unda are un câmp electric transversal (E) și un câmp magnetic transversal (H) care se propagă în același timp perpendiculare una pe cealaltă, ambele fiind perpendiculare pe direcția de propagare. Intensitatea câmpului electric, E, se exprimă în V/m iar intensitatea câmpului magnetic, H, în A/m. Lungimea de undă a unei unde care e propagă într-un anume mediu reprezintă distanța pe care aceasta o parcurge într-un ciclu complet.

10. 2.2. Propagarea undei electromagnetice

11. 2.2. Propagarea undei electromagnetice În vid, viteza de propagare a undei electromagnetice este egală cu viteza luminii și se poate calcula cu formula: λ = c/f unde: • λ este lungimea de undă în metri; • c este viteza luminii în vid; • f este frecvența în Hz. Proprietățile esențiale ale undelor electromagnetice sunt: • lungimea de undă; • frecvența; • intensitatea sau densitatea de putere; • direcția de polarizare.

12. 2.2. Propagarea undei electromagnetice Lungimea de undă reprezintă distanța pe care o parcurge o undă electromagnetică într-un ciclu complet. Frecvența reprezintă numărul de cicluri dintr-o secundă. Intensitatea câmpului electric E care se măsoară în V/m. Un câmp electric E de 1 V/m reprezintă o diferență de potențial de 1V dintre două puncte care se află la o distanță de 1m unul față de altul. Densitatea de putere a undei reprezintă puterea transportată exprimată în W pe unitatea de suprafață (W/m2); Direcția de polarizare reprezintă direcția de propagare în vid a undei electromagnetice. Dacă direcția de polarizare este orizontală raportată la suprafața pământului, se spune că unda are o polarizare orizontală.

13. 2.2.1. Aspecte ale propagării undei electromagnetice în vid Densitatea de putere a undei electromagnetice transversale într-un anume punct din spațiu poate fi exprimată folosind două mărimi: P1=E2/Z0, Unde • P1 este densitatea de putere, în W/m2; • E este intensitatea câmpului electric în V/m; • Z0 este impedanța caracteristică, care este egală cu 377Ω în vid. În cazul propagării în vid, atât intensitatea câmpului electric cât și intensitatea câmpului magnetic descresc proporțional cu distanța de la transmițător. Densitatea de putere descrește cu pătratul distanței.

14. 2.2.1. Aspecte ale propagării undei electromagnetice în vid Modelul propagării în vid este necesar pentru a putea prevedea intensitatea semnalului receptat când emițătorul și receptorul au vedere directă în linie dreaptă, fără să existe alte obstacole. Odată ce antena receptează semnalul, acesta este afectat doar de amplificarea acesteia. Puterea receptată de o antenă în vid, aflată la o distanță d de emițător este dată de ecuația lui Friis: Pr(d)=PTGTGRλ2/(4π2)d2L, unde: Pr(d) = puterea primită GT = amplificarea antenei emițătorului GR = amplificarea antenei receptorului λ = lungimea de undă d = distanța între emițător și receptor L = factorul de pierderi al propagării (≥1). Acesta depinde de o serie de componente cum ar fi: atenuarea luniei de transmisie, pierderile din filtre, din antene, etc.

15. 2.2.1. Aspecte ale propagării undei electromagnetice în vid Modelul Friis este valabil doar pentru distanțe limitate de propagare a undelor electromagnetice. Dincolo de aceste distanțe, df, sunt necesare dimensiuni mai mari ale antenei emițătorului. Df este denumită distanța Fraunhofer și are expresia: Df=2D2/λ unde D reprezintă cea mai mare dimensiune fizică a antenei. Puterea zgomotului la receptor se poate exprima cu relația: N=kT0BFn, unde kT0 = zgomotul de referință (=4 x 10-18 W/Hz) B = lățimea de bandă a receptorului în Hz Fn = factorul de zgomot al receptorului. Cu acestea, raportul semnal / zgomot devine: S/N = PTGTGRλ2/[(4π2)d2LkT0BFn]

16. 2.2.2. Propagarea undei electromagnetice într-un mediu oarecare Constanta de propagare este marime complexa. Aceasta se poate scrie sub forma: Partea reala a constantei de propagareαse numesteconstantă de atenuare iar partea imaginară β, constantă de fază.

17. 2.2.2. Propagarea undei electromagnetice într-un dielectric perfect (σ = 0) Pentru dielectricul perfect conductivitatea electrică σ = 0și constanta de propagareγ devine : iar impedanta intrinseca a mediului: Deoarece constanta de propagare are numai partea imaginara (constanta de faza)rezulta ca undele se propaga fara atenuare. În acest caz, impedanta intrinseca a mediuluiare caracter rezistiv si vectorii E și H sunt în fază.

18. 2.2.2. Propagarea undei electromagnetice într-un dielectric perfect (σ = 0) • Viteza ν de propagare a acestor unde este: • unde: • c = viteza luminii • μr= permeabilitatea magnetica relativa a mediului; • εr= permitivitatea electrica relativa a mediului.

19. 2.2.3. Influenta suprafetei terestre asupra propagării undei electromagnetice Forma suprafetei terestre influenteaza modul de propagare a undelor radio prin geometria sa (neregularitati, convexitate) si prin proprietati electrice (σsiε). Între doua puncte A și B situate la sol se poate stabili o legatura prin unde radio prin unde directe si /sau unde reflectate. Propagarea undelor radio într-un mediu omogen se face în line dreapta (asemanator cu propagarea luminii). Pentru acoperirea unor distante de ordinul zecilor de kilometri este necesara înaltarea antenelor fata de sol (direct sau cu ajutorul formelor de relief)

20. 2.2.3. Influenta suprafetei terestre asupra propagării undei electromagnetice Înaltimea fata de sol a antenei de emisie hEpermite acoperirea unei suprafete cu raza r Daca în relatia (2.21) se înlocuieste R=6370 km si înaltimea hE rezultă Daca se tine seama si de înaltimea fata de sol a antenei de receptie hR[m], distanta maxima Dmaxcare poate fi acoperita de undele radio, se calculeaza cu relatia:

21. 2.2.3. Influenta suprafetei terestre asupra propagării undei electromagnetice În practica, în functie de lungimea de unda, de caracteristicile mediului în care areloc transmisia, fenomenele care însotesc propagarea sunt mai complexe. Modificarea presiunii, temperaturii, si umiditatii aerului pe traseul propagariiundelor radio determina schimbarea indicelui de refractie al atmosferei ceea ce face caundele sa se curbeze sau sa se refracte deplasându-se la distante mai mari decât orizontul. Astfel, propagarea undelor radio este însotita de: reflexie, refractie, difractie, rotireaplanului de polarizare, etc.

22. 2.2.4. Influenta atmosferei asupra propagarii • Atmosfera terestra, care constituie învelisul gazos al Pamântului, se compune dinmai multe straturi, respectiv: troposfera, stratosfera si ionosfera. • TROPOSFERA • reprezinta portiunea joasa a atmosferei, de la sol pâna la o altitudine deaproximativ 11 km. • contine gaze în stare moleculara în proportii volumice; 78% azot,21% oxigen. • În straturile joase ale troposferei sunt prezenti de asemenea vapori de apa. • Factorii care caracterizeaza proprietatile troposferei si care afecteaza propagareaundelor radio sunt: • densitatea aerului • temperatura • umiditatea. • Discontinuitatilestraturilor formate din gaze si vapori de apa datorita valorilor locale ale presiunii si • temperaturii produc fenomene de absorbtie, refractie si chiar reflexie.

23. 2.2.4. Influenta atmosferei asupra propagarii STRATOSFERA reprezinta patura situata între 11 km pâna la 80 km altitudine. Înportiunea inferioara temperatura se mentine aproximativ constanta, între –40 si –500 C. Aici se gaseste stratul de ozon cu o grosime de pâna la 25 km, strat ce absoarbe o mare parte din energia solara din spectrul ultraviolet si care se încalzeste si atinge temperaturi de pâna la + 500 C . IONOSFERA reprezinta portiunea atmosferei situata la altitudini de peste 80 km. Aceststrat este compus din gaze rarefiate, ioni pozitivi, negativi si electroni liberi, datoritaprocesului de ionizare suferit de molecule si atomi sub actiunea radiatiilor X siultraviolete. Ionosfera afecteaza propagarea undelor radio prin starea de ionizare si prinneomogenitatile acesteia

24. 2.2.4. Influenta atmosferei asupra propagarii IONOSFERA INFERIOARĂ (80…400 km) prezinta maxime ale densitatii de ionizare,cunoscute sub denumirea de straturile D, E, F1, F2. În timpul noptii când actiunea ionizanta a radiatiei solare înceteaza are loc recombinarea electronilor liberi cu ionii si ca urmare se mentin numai straturile E și F. IONOSFERA SUPERIOARĂ (>1000 km) prezinta densitatii de ionizare de 102…103electroni / cm3, datorata în mare parte particulelor din explozii solare si din radiatiacosmica

25. 2.2.4. Influenta atmosferei asupra propagarii REFLEXIAundelor radio poate aparea atunci când pe directia de propagare apare unobstacol care nu este un dielectric perfect. În acest caz, undele electromagnetice vorinduce în mediul care le intersecteaza traiectoria curenti electrici, care la rândul lor vor danastere la câmpuri electromagnetice secundare, rezultând unde reflectate. Reflexiileobtinute difera în functie de caracteristicile suprafetei incidente. Pentru incidenta radiatiei cu suprafete cu neregularitati mici (mai mici decât lungimea de unda a radiatiei) sau cu un anumit grad de ionizare se obtine reflexia tip “oglinda” simpla sau multipla (fig. 2.6. a),iar în caz contrar are loc o reflexie difuza (fig. 2.6. b). Reflexia undelor radio estedeterminata de: - forme de relief; - cladiri înalte în cazul oraselor; - straturi ionizate din atmosfera.

26. 2.2.4. Influenta atmosferei asupra propagarii Reflexia undelor radio pe straturile ionosferei depinde de frecventa acestoraprecum si de unghiul de incidenta. Straturile ionizate din atmosfera asigura conditii dereflexie numai pentru radiatii cu frecventa mai mica decât frecvența critică, a carei valoare este data de relatia: în care, marimile din relatie reprezinta: N - densitatea volumica a oscilatorilor elementari (densitatea de ionizare); qe = 1,602.10-19 C este sarcina electronului; me = 9,109.10-31 este masa electronului. Daca frecventa undei f>fc stratul ionizat este transparent pentru aceasta radiatie. Datorita neuniformitatilor mediului de propagare, între straturile atmosferei (dintroposfera sau ionosfera, etc.), viteza de propagare nu este constanta. În acestesituatii pot sa apara fenomene derefracție fenomene caracterizate prin curbareatraiectoriei de propagare.

27. 2.2.4. Influenta atmosferei asupra propagarii REFRACȚIA Indicele de refractie n depinde de viteza de deplasare a undei în cele doua medii, respectiv de raportul vitezelor: Daca stratul incident (1) are proprietatile electrice ale vidului (ε1 = ε0; μ1 = μ0) și μ2 = μ0 , rezultă: Unde εrg este permitivitatea dielectrica a gazului ionizat. Indicele de refractie se poate exprima în functie de frecventa critica: Din relatia (2.25) rezulta ca pentru valori ale frecventei undelor f>fc indicele derefractie are valori reale si deci stratul ionizat este “transparent” pentru aceasta radiatie. Unda penetreaza stratul si se produce un fenomen de refractie la suprafata dediscontinuitate.

28. 2.2.4. Influenta atmosferei asupra propagarii DIFRACȚIA Fenomenul este întâlnit în cazul luminii, se manifesta si la undele radio,atunci când acestea întâlnesc obstacole comparabile cu lungimea de unda. În acest caz,obstacolul respectiv devine un centru de generare de oscilatii si practic undele pot ocoliaceste obstacole. Suprafata pamântului poate produce unde de difractie pe frecvente din gama UL iar vârfurile muntilor pentru undele din gama UUS

29. 2.2.4. Influenta atmosferei asupra propagarii INTERFERENȚA Interferența undelor radio reprezinta fenomenul de compunere într-un anumit locdin spatiu, a doua sau mai multe unde radio de aceiasi frecventa sau de frecventeapropiate. Când undele radio provin de la emitatoare diferite exista posibilitatea ca princompunerea lor (mixare) sa rezulte în receptor componente de audiofrecventa“fluieraturi”. În cazul în care interfereaza undele aceluiasi emitator care au parcurstraiectorii diferite, la receptie poate sa creeze maxime si minime ale intensitatii câmpuluielectric receptionat, ca urmare a diferentei de faza dintre unde, fenomen cunoscut si subnumele defading

30. 2.2.4. Influenta atmosferei asupra propagarii Dupa natura mediului în care are loc propagarea, undele radio se pot clasifica în: a. Unde terestre: Undele de suprafață: sunt acele unde care se propaga la suprafata Pamântului. Distanta de propagare a undelor de suprafata depinde de frecventa undei si de caracteristicile suprafetei deasupra careia se propaga. Absorbtia undelor creste odata cu conductivitatea electrica a suprafetei si cu frecventa radiatiei. Deci, undele de suprafata de frecventa mare se propaga pe distante mici, datorita absorbtiei puternice a acestora lasuprafata Pamântului. Undele directe: apar atunci când înaltimea antenei de emisie este mult mai mare comparativ cu lungimea de unda a oscilatiei electromagnetice. În caz contrar, avem de-a face cu unde de suprafata Unde spațiale: care ajung în straturile superioare ale atmosferei, întâlnesc zone ionizate care actioneaza asemanator unor oglinzi naturale pentru anumite unde electromagnetice b. Unde troposferice: reprezinta unde electromagnetice reflectate pe troposfera. Troposfera reprezinta zona din atmosfera cu limita superioara de 10-12 km si care prezinta un coeficient de reflexie redus. Aceste unde prezinta totusi importanta în zonele de “umbra”, acolo unde antenele de receptie sunt sub limita de vizibilitate.

31. 2.2.4. Influenta atmosferei asupra propagarii c. Unde ionosferice: corespunde radiatiilor electromagnetice care ajung la antena de receptie prin reflexie sau refractie pe ionosfera. Ionosfera reprezinta partea din atmosfera terestra cuprinsa între 60-250 km în care se gasesc gaze rarefiate, dar cu un grad de ionizare dependent în special de radiatiile solare . În functie de gradul de ionizare, deci de conductivitatea electrica a straturilor ionosferei, aceasta cuprinde: stratul D (60 – 80 km), stratul E (90 – 130 km), stratul F (180 – 250 km). Undele reflectate de ionosfera si reîntoarse pe Pamânt se pot reflecta din nou, chiar de Pamânt, reîntorcându-se în ionosfera si suferind în acest fel reflexii multiple

32. 2.2.5. Caracteristicile propagarii în functie de lungimea de unda Undele lungi (LF și VLF) se caracterizeaza prin frecvente f≤ 300kHz, deci lungimi de undaλ≥1km. Pentru frecventa critica f=300kHz se obtine o densitate desarcina de ionizare de 103 electroni / cm3. Rezulta unde spatiale care vor fi reflectate de straturile D și E ale ionosferei. De asemenea, propagarea undelor lungi are loc si prinunde de suprafata. Propagarea lor poate fi ghidata prin reflexii repetate între straturileIonosferei (D,E) si suprafetele marilor si oceanelor. Legaturile radio în unde lungi sunt stabile indiferent de conditii, dar necesita puteri de emisie foarte mari (sute…mii de kW). Se folosesc pentru transmiterea programelorlocale cu ajutorul posturilor nationale de radiodifuziune. Un dezavantaj al undelor lungiapare la receptie, datorita zgomotelor datorate descarcarilor de natura electrostatica careafecteaza puternic aceste frecvente.

33. 2.2.5. Caracteristicile propagarii în functie de lungimea de unda Undele medii (MF) se caracterizeaza prin frecvente 300kHz ≤f ≤ 3 MHz, deci lungimi de unda 100m ≤ λ ≤ 1km. În acest domeniu de frecvente se potasigura transmisii stabile în timp pe distante de pâna la câteva sute de kilometrii cu puteride ordinul sutelor de kW Undele scurte (HF) se caracterizeaza prin frecvente 3MHz ≤f ≤ 30 MHz, deci lungimi de unda 10m ≤ λ ≤ 100m. Din cauza frecventei mai marifata de undele lungi si medii, undele scurte sunt puternic atenuate de suprafataPamântului, asa încât propagarea prin unde de suprafata nu depaseste câtiva zeci de Kilometri. Undele ultrascurte (HF) se caracterizeaza prin frecvente 30MHz ≤f ≤ 300 MHz, deci lungimi de unda 1m ≤ λ ≤ 10m. Propagarea undelor ultrascurte se realizeaza în special pe trasee rectiliniiasemanator cu propagarea undelor luminoase, iar în anumite conditii si prin unde spatialereflectate de troposfera. Pentru undele care ajung în troposfera sub unghiuri mici seproduce o curbare a traiectoriei acestora, datorita coeficientului de refractie al straturilorionosferei. Legatura stabila se asigura în limita vizibilitatii directe între antena de emisie siantena de receptie. Literatura de specialitate considera ca indicele de refractie al atmosferei contribuiela curbarea traiectoriei undelor si prin aceasta la cresterea distantei de radiovizibilitate.

34. 2.2.5. Caracteristicile propagarii în functie de lungimea de unda Distanta maxima Dmaxa propagarii undei directe depinde de înaltime antenei de Emisie hEsi a celei de receptie hRsi de raza Rpa Pamântului. Distanta maxima Dmaxde propagare a undei directe se poate calcula cu relatia (2.22). Înlocuind în relatia (2.22) marimea razei Pamântului R=6370 km, rezulta relatia: în care hR și hE sunt date în metri. În realitate, distanta de propagare a undelor radio Dradio în UUS (orizontul radio)este mai mare decât distanta Dmax (orizontul geometric), datorita indicelui de refractiesupraunitar al troposferei:

35. 2.2.5. Caracteristicile propagarii în functie de lungimea de unda Microundele (LF și VLF) 0.3 GHz ≤f ≤ 300 GHz si lungimi de unda de ordin metri pâna la ordinul milimetri. Propagarea microundelor pe masura ce creste frecventa acestora se asemana totmai mult cu propagarea luminii. Pentru acest domeniu de frecvente s-au dezvoltat sisteme deradiocomunicații prin radiorelee emitatorul si receptorul fiind situate la sol, precum sisisteme deradiocomunicații spațiale între un punct amplasat pe sol si un punct situatdincolo de atmosfera terestra (satelit). Sistemele radioreleu folosesc radiatia dirijata a undelor electromagnetice,caracterizata prin propagare în limitele vizibilitatii directe între antena de emisie si dereceptie (drum cvasioptic). Sistemele de radiocomunicații spațiale folosesc microundele pentru radiolegaturiîntre statii plasate la sol si statii plasate pe sateliti, deoarece la frecventele ridicate dinacest domeniu radiatia electromagnetica penetreaza atmosfera terestra. Antenele folositeîn aceste comunicatii se caracterizeaza prin elevatie mare si câstiguri ridicate.Atenuarea de propagare a microundelor în radiocomunicatiile spatialea [dB] estedeterminata de atenuarea atmosferei terestreaatm [dB] si de atenuarea din vidul cosmicav[dB].

36. 2.2.5. Caracteristicile propagarii în functie de lungimea de unda Atenuarea atmosferei terestre se datoreaza: absorbtiei rezonante a undelor electromagnetice de catre moleculelor de apa din umiditatea atmosferica, precum ceata si ploaia aflate pe traiectului radiatiei electromagnetice. Atenuarea în vid a radiatiei cu lungimea de undaλpe distanta d dintre emitator sireceptor, calculeazacu relatia:

37. 2.2.5. Caracteristicile propagarii în functie de lungimea de unda

38. 2.2.5. Caracteristicile propagarii în functie de lungimea de unda The very low frequency (VLF) and low frequency (LF) bands have large wavelengths requiring large antennas. The bandwidths of VLF and LF are small, thus limiting their applications. These frequency bands are inefficient for use in communication systems, but they are extensively used in submarine and maritime communication and radio navigation systems. The medium frequency (MF) band is used in communication involving moderate distances. This band is extensively used in commercial radio broadcasting, maritime and aeronautical communication, and navigation systems. Amateur radio broadcasting is also allowed in this band. The high frequency (HF) band provides good propagation properties over long distances. This band is used in some fixed and mobile services. Very high frequency (VHF) and ultra high frequency (UHF) are commonly used in communication systems that require large bandwidths. They can be transmitted and received by small directional antennas, thus adding to the efficient use of these bands. The VHF and UHF bands are used in fixed communication services, ground-to-air communication, television broadcasting, and some mobile services. Super high frequency (SHF) and extremely high frequency (EHF) have very short wavelengths and thus require small antennas. In these bands, the distance of communication is short, and long distance propagation requires a series of repeaters and relay stations. These bands are used for television broadcasting and high-speed data transmission applications. Frequency bands above EHF are used for communication purposes with fiber optics. Infrared frequencies are used in wireless local area networks.

39. 2.3. Componente pentru radiofrecvență Comunicațiile electronice moderne sunt bazate pe sisteme digitale. Principalele funcții și componente ale unui transmițător digital tipic pentru un sistem de comunicații digitale este prezentat în figură.

40. 2.3. Componente pentru radiofrecvență Funcțiile componentelor unui transmițător digital sunt următoarele: • Sursa convertește semnalul (voce, rezultatul măsurătorii unui instrument) în semnale electrice. • Semnalele de ieșire ale sursei sunt comprimate printr-o codare a sursei, care este de obicei redundantă în semnalul original. Codarea sursei formează semnalul pentru a-l face pregătit a fi transmis în lățimea de bandă a sistemului de comunicație. • Encriptarea codează semnalul într-o formă complexă pentru a preveni interceptarea și interpretarea semnalului de către terți sau receptori neautorizați. • Codarea canalului reformatează semnalul pentru a-l pregăti pentru orice zgomot sau distorsiune anticipate care poate avea loc în canalul selectat în timpul transmisiei. Odată ce informația, cu caracteristicile codorului de canal al transmițătorului este cunoscută de către receptor, acesta poate efectua corectarea eventualelor erori care pot avea loc pe parcursul transmisiei. • Dacă este mai mult de un semnal care se dorește a fi transmis, sunt utilizate multiplexoarele pentru a unifica mai multe semnale pentru a putea fi transmise pe un același canal. Multiplexoarele cresc eficiența, de vreme ce lățimea de bandă a canalului este în general mai mare decât lățimea de bandă a oricăruia dintre semnalele transmise. • Semnalele multiplexate sunt apoi modulate și distribuite pe frecvențe. Distribuirea frecvențelor are o serie de avantaje: semnătura semnalului transmis este redusă, astfel că probabilitatea interceptării și interpretării este scăzută. • După distribuirea frecvențelor, poate fi permis accesul multiplu prin partajarea canalului cu alți utilizatori. O dată semnalele modulate, acestea sunt gata a fi transmise pe canalul respectiv.

41. 2.3. Componente pentru radiofrecvență Receptorul are componente care extrag informația dorită prin comasarea frecvențelor, demodulare și demultiplexare a semnalului provenit de la transmițător.

42. 2.3.1. Amplificatoare Un amplificator este o componentă a sistemului care furnizează cîştig deputere semnalului de la intrare. Aşa cum se arată în figura 1.31, Pin esteputerea de intrare şi Pies este puterea de ieşire, iar cîştigul în putere este: sau Amplificatoarele pot fi cascadate pentru a obţine cîştiguri mai mari. Deexemplu, pentru două amplificatoare în cascadă, cu cîştigul G1 şi G2 ,cîştigul total va fi G1G2 . Amplificatorul utilizat în ultimul etaj al unuiemiţător furnizează putere mare la ieşire şi este numit, de regulă, amplificator de putere. Amplificatorul folosit într-un receptor are, de obicei,o cifră de zgomot mică şi, din acest motiv, este numit amplificator dezgomot mic.

43. 2.3.1. Amplificatoare • Parametrii sistemici importanţi la un amplificator sunt: cîştigul, zgomotul,banda de lucru, stabilitatea şi configuraţia de polarizare în curent continuu. • Pentru un amplificator de putere, parametrii doriţi sunt: • putere de ieşiremare • punct de compresie la 1-dB mare • punct de intercepţie de ordinul treimare • intermodulaţii mici • liniaritate bună. • Pentru sistemele alimentatede la baterii, eficienţa de a adăuga putere (PAE – Power Added Efficiency)este un alt parametru important. El se defineşte prin relaţia: • unde PCC este puterea de curent continuu consumată de la surse. • Un PAE >50% este curent în amplificatoarele cu tranzistoare.

44. 2.3.2. Atenuatoare Atenuatoarele sunt circuite care reduc nivelul de putere al unui semnal, în mod ideal fără modificarea frecvenței, distorsiuni sau reflexie. Semnalul de ieșire este redus raportat la semnalul de intrare. Atenuatoarele folosite în sistemele radio pot fi fixe sau variabile. Un atenuator fix reduce nivelul de putere al unui semnal cu o cantitate predeterminată, dar acesta trebuie să fie proiectat cu atenție cu privire la caracteristicile de intrare și ieșire ale semnalelor implicate. Un atenuator variabil are o gamă de atenuare specificată, care îl face adaptabil la diferite condiții de circuit.

45. 2.3.3. Filtre Există patrutipuri de filtre: trece jos, trece bandă, trece sus şi opreşte bandă. Răspunsurile în frecvenţă ale acestora sunt prezentate în figura.

46. 2.3.3. Filtre Un filtru ideal prezintă adaptare perfectă de impedanţă, pierderi de inserţiezero în banda de trecere şi rejecţie (atenuare sau pierderi de inserţie) infinităoriunde în altă parte. În realitate, există pierderi de inserţie în banda detrecere şi o rejecţie finită oriunde în altă parte. Exista două configuraţii tipice în ceea ce priveşte aliura caracteristicii înbanda de trecere: maxim plat (Butterworth) şi echi-riplu (Chebyshev), aşacum se arată în figura, unde A este atenuarea maximă permisă în bandade trecere.

47. 2.3.3. Filtre Răspunsul filtrului: (a) trece-jos maxim plat; (b) trece-jos Chebyshev; (c) trece-bandă maxim plat; (d) trece-bandă Chebyshev. Răspunsul filtrului: (a) trece-jos maxim plat; (b) trece-jos Chebyshev; (c) trece-bandă maximplat; (d) trece-bandă Chebyshev.

48. 2.3.3. Filtre Circuitele prototip pentru filtre sunt prezentate în figura. La frecvenţejoase aceste circuite pot fi realizate folosind bobine şi condensatoare. Lafrecvenţe de microunde se pot folosi diferite tipuri de rezonatoare

49. 2.3.4. Oscilatoare Generarea de semnale de frecvenţe diferite este o parte importantă a emiţătoarelor şi receptoarelor în sistemele de comunicaţii. Semnalele de frecvenţă diferităsunt generate de circuite oscilante folosind componente adecvate. Aceste tipuri de oscilatoare sunt de fapt amplificatoare cu tranzistoare cu reacție pozitivă. Frecvenţa de oscilaţie este determinată de circuitul rezonant, de obicei, situat în circuitul de reacție. Există mai multe tipuri de oscilatoare care sunt folosite în aplicaţii RF: oscilatoare LC, oscilatoare cu cristal, oscilatoare rezonante cu dielectrice (DROs), oscilatoare rezonante cu ytriu-fier-granat(YIG), si rezonatoare ceramice. Oscilatoarele LC sunt frecvent utilizate în sistemele de comunicaţii RF. Exista mai multe tipuri de oscilatoare LC, cum ar fi oscilatoare Colpitts, oscilatoare Clapp. Oscilatoarele cu cristal de cuarţ sunt unele dintre cele mai comune oscilatoare utilizate în sisteme de RF. Oscilatoarele cu cristale de cuarţ furnizează frecvenţe de echilibru cu mare precizie. Ele pot fi reglate la frecvenţe de precise, prin utilizarea unor condensatori externi de reglare. Oscilatoarele rezonante cu dielectric fac uz de proprietăţile dielectrice materialelor dielectrice high-Q materiale, ca și rezonatoare. Acestea oferă frecvenţe stabile. Oscilatoarele rezonante YIG sunt utilizate în UHF şi aplicaţii cu microunde. Acestea sunt o parte esenţială a mixerelor şi a convertoarelor de frecvenţă.

50. 2.3.5. Multiplicatoare de frecvență Un multiplicator de frecvenţă este utilizat pentru a genera un semnal cu ofrecvenţă care este multiplul frecvenţei unui semnal de intrare, ca în figura.