Bölüm 3. Antenler ve Yayılma http://ceng.gazi.edu.tr/~ozdemir Giriş Anten bir iletken ya da iletkenlerden oluşan bir elektromanyetik sinyal alıp verebilen sistemdir İletim (Transmission) - elektromanyetik dalgalar yayar Alım (Reception) havadaki elektromanyetik enerjiyi toplar İki yönlü bir iletişimde, bir anten hem iletim hem de alım için kullanılabilir. 2/54 1
Yayılma Desenleri Yayılma deseni (Radiation pattern) Bir antenin yayılma özelliklerinin grafiksel olarak gösterimi 2-D bir düzlemde gösterilir Alma deseni (Reception pattern) Yayılma deseni ile aynı özellikleri gösterir 3/54 Anten çeşitleri Yön bağımsız (isotropic) anten (ideal anten) Her yöne eşit güçte sinyal gönderir Çift kutup (Dipole) anten Half-wave dipole antenna (or Hertz antenna) Quarter-wave vertical antenna (or Marconi antenna) Parabolic Reflective Anten Hertz antenna Parabolic antenna 4/54 2
Yönbağımsız (Isotropic) anten Her yöne eşit güçte yayılım Teorik, referans, model anten S: power per unit area P t : transmitted power y z z S P t 1 4d 2 x y x ideal isotropic radiator 5/54 Anten kazancı (Antenna Gain) Anten kazancı Yönlülük ölçütü (Measure of the directionality of the antenna) Belirli bir giriş gücü için, bir antendeki belli bir yöndeki güç çıkışının, aynı giriş gücüne sahip bir isotropic antenin herhangi bir yöndeki güç çıkışına oranı Örnek Eğer bir antenin kazancı 3dB ise o anten isotropik antenin etkisini belli bir yönde 3dB artırıyor demektir. 6/54 3
Etkin alan (Effective area) Anten kazancı anten etkin alanı ile ilgilidir Antenin fiziksel şekli ve boyutu 7/54 Anten kazancı (Antenna Gain) Anten kazancı ve etkin alan arasındaki ilişki G 2 4Ae 4f Ae 2 2 G = anten kazancı A e = etkin alan f = carrier frequency c = speed of light 3 10 8 m/s) = carrier wavelength c 8/54 4
Örnek Frekansı 12 GHz ve çapı 2 m olan Parabolik antenin etkin alanı ve anten kazancı nedir? A e = 0.56A = 0.56π =c/f=(3x10 8 )/(12x10 9 )=0.025 m. G=(7A)/ 2 = 7π/(0.025) 2 = 35186 G db =46.46dB 9/54 Yayılma (Propagation) Modları Ground-wave propagation Sky-wave propagation Line-of-sight propagation 10/54 5
Ground Wave Propagation 11/54 Ground Wave Propagation Yer kabuğunu takip eder Elektro manyetik dalgalar yerkabuğu üzerinde akım oluşturur, sinyali yavaşlatır ve büker Diffraction (dağılarak kırılma) Çok uzun mesafelerde yol alabilir 2 Mhz kadar olan frekanslarda kullanılır Örnek AM radio 12/54 6
Sky Wave Propagation 13/54 Sky Wave Propagation Sinyal atmosferdeki iyonosfer tabakası ve yerkabuğu arasında yansıtılır Sinyal iyonosfer tabakası ve yerkabuğuarasında birçok kez gidip gelebilir Yasıma etkisi ışın kırılmasıyla oluşur Örnek Amatör radio (telsiz iletişimi) BBC international, Voice of America 14/54 7
Line-of-Sight Propagation 15/54 Görüş çizgisi yayılma (Line-of-Sight Propagation) Sinyal yayan ve alan antenler mutlaka birbirlerinin görüş alanı içinde olmalıdırlar Uydu iletişimi 30 MHz in üzerindeki sinyaller iyonosfer tarafından yansıtılmaz Yer iletişimi (ground communication) antenler birbirlerinin etkin görüş alanı içindedirler Kırılma (refraction) 16/54 8
Kırılma (Refraction) Kırılma (Refraction) dalgaların atmosfer tarafından eğilmesi Elektromanyetik etik dalgaların hızları ortam yoğunluğuna göre değişir Ortam degiştiginde hız dadeğişir Dalgaortamdeğişiminin olduğu yerde eğiilir Yoğun olan ortama doğru 17/54 Görüş Çizgisi Eşitlikleri Optik görüş çizgisi - optical line of sight d 3. 57 Etkin ya da radyo görüş çizgisi - Effective, or radio, line of sight d = anten ve ufuk çizgisi arasındaki mesafe (km) h = anten yüksekliği (m) K = kırılma faktörü, genel kural K = 4/3 h d 3. 57 h 18/54 9
Etkin (radio) görüş çizgisi 19/54 Görüş Çizgisi Eşitlikleri Görüş Çizgisi (LOS) için iki anten arasındaki maksimum mesafe. 3.57 h h h 1 = 1. antenin yüksekliği h 2 = 2. antenin yüksekliği 1 2 20/54 10
Örnek LOS yayılma moduna göre, birisi yer seviyesinde olan diğeri ise 100m yüksekliğe sahip iki anten arasındaki maksimum uzaklık ne olabilir? d 3.57 h 3.57 133 41km 21/54 LOS kablosuz iletimi zayıflatan etkenler 1) Zayıflama ve zayıflamaya bağlı bozulma 2) Uzaklığa bağlı dağılma (Free space loss) 3) Gürültü 4) Atmosferik emilim (absorption) 5) Çoklu yol 6) Kırılma 22/54 11
1- Zayıflama Sinyal gücü mesafe ile birlikte azalır Zayıflama faktörleri Alıcının sinyali doğru olarak yorumlayabilmesi için alınan sinyalin yeterli güce sahip olması gerekir Hatasız alınabilmesi için sinyal seviyesi gürültünün seviyesinden yüksek olmalıdır Yüksek frekanslarda zayıflama daha çok olur ve bu da bozulmaya sebep olur 23/54 2- Free Space Loss Uzaklığa bağlı olarak sinyal dağılır Isotropik antenler için free space loss P t P 4 d 2 4 fd 2 2 r P t = signal power at transmitting antenna P r = signal power at receiving antenna = carrier wavelength d = propagation distance between antennas c = speed of light 3 10 8 m/s) where d and are in the same units (e.g., meters) c 2 24/54 12
Free Space Loss Frekans ve uzaklığın karesi ile doğru orantılı Uzak mesafeler için geçerli, yakın mesafede tutmaz 25/54 Free Space Loss FSL P t / P r yi etkileyen 2 faktör 1. sinyalin elektromanyetik enerjisinin yayılması 1 S Pt 4d 2. Antenin etkin alanı A e : sinyalin ne kadar iyi alınabildiği 2 P r S r 2 4 26/54 13
Free Space Loss Free space loss eşitliği aşağıdaki gibi desibel olarak da ifade edilebilir: L db Pt 10log P r 4d 20log 20logd 21.98 db 20log 4fdf 20 log 20log c f 20log d 147.56 db 27/54 Free Space Loss Isotropik olmayan antenler için anten kazancı da dikkate alınmalıdır P t P r 2 2 2 4 d d cd 2 G G r t A G t = gain of transmitting antenna G r = gain of receiving antenna A t = effective area of transmitting antenna A r = effective area of receiving antenna r A t f 2 A r 2 A t 28/54 14
Free Space Loss Isotropik olmayan antenler için free space loss eşitliği aşağıdaki gibi desibel olarak da ifade edilebilir: L db 20logd 10logA A 20log t r f 20log d 10log A A t 169.54dB 20log r 29/54 Örnek Dünyadan 35863 km uzaklıktaki bir uydu (isotropik ve 4Ghz ile çalışıyor) için free space loss nedir? L db = -20(0.075) + 20log(35863000)+21.98 L db =195.6 db Eğer anten kazançları 44dB ve 48dB olsaydı? L db =195.6 44 48 = 103.6 db 30/54 15
Örnek (devam) Eğer yerden 250W ile sinyal gönderiliyor ise, uyduda alınan sinyalin gücü ne olur? 250W 10log250W 24dBW 24-103 103.6 =-79.6dBW 31/54 3- Gürültü Termal gürültü Elektronların hareketinden dolayı Her elektronik alet ve iletim ortamında oluşur Ortam üzerinde sabittir White noise olarakta adlandırılır Elimine edilemez Sıcaklığın bir fonksiyonu Özellikle uydu iletişiminde sorun olur 32/54 16
Termal gürültü 1 Hz lik bant genişliğinde oluşan termal gürültü miktarı N0 kt W/Hz N 0 = noise power density in watts per 1 Hz of bandwidth k = Boltzmann's constant = 1.3803 10-23 J/K T = temperature, in kelvins (absolute temperature) 33/54 Termal gürültü Gürültünün frekansdan bağımsız olduğu kabul edilir B Hertz lik bantgenişliğindeki gürültü (watt olarak): N ktb decibel-watt olarak N 10log k 10 log T 10log B 228.6 dbw 10 log T 10 log B 34/54 17
Örnek 294K sıcaklığa ve 10Mhz bantgenişliğine sahip bir alıcıdaki termal gürültü nedir? N= -228.6+ 10log(294)+10log10 7 =-133.9 dbw 35/54 E b /N 0 ifadesi 1 bitlik bir sinyalin enerjisinin 1 Hertz deki gürültü yoğunluğuna oranı E b S / R N N 0 S ktr Sayısal veri için bit error rate E b /N 0 oranının bir fonksiyonudur Verilen bir E b /N 0 oranı için istenilen bit error rate i tutturmak için bu eşitliği değerleri uygun şekilde seçilebilir Bit rate R arttıkça, sinyal gücü E b artırılmalıdır 0 36/54 18
Örnek Bir sinyal işleyicinin 10-4 lük bir hata oranı ile çalışabilmesi için E b /N 0 = 8.4dB oranına ihtiyacı var. Eğer oda sıcaklığı 290 K ve veri iletim hızı 2400 bps ise, sinyal işleyicinin alması gereken sinyalin gücü ne olmalıdır? E N b 0 db S dbw 10log R 10log k 10logT 8.4 = S dbw -10log2400+228.6dBW-10log290 S = 161.8 dbw 37/54 Diğer Gürültü Çeşitleri Intermodulation noise occurs if signals with different frequencies share the same medium Interference caused by a signal produced at a frequency that t is the sum or difference of original i frequencies Örnek: ASSUME TWO TRANSMISSIONS OCCURS, ONE AT 1000 HZ AND THE OTHER ONE AT 2500 HZ ON A VOICE - GRADE TRANSMISSION LINE. IF INTERMODULATION NOISE OCCURS, THE SIGNAL MAY COMBINE, PRODUCING A SIGNAL OF 3500 HZ. 38/54 19
Diğer Gürültü Çeşitleri Crosstalk unwanted coupling between signal paths Impulse noise irregular pulses or noise spikes Short duration and of relatively high amplitude Caused by external electromagnetic disturbances, or faults and flaws in the communications system 39/54 LOS u etkileyen diğer etkenler 4) Atmospheric emilim (absorption) su buharı ve oksijen zayıflamayı artırır 5) Çoklu yol (Multipath) büyük boyutlu engeller sinyalleri yansıtırlar bunu sonucu olarakda alıcı aynı sinyalin birden fazla kopyasını değişik zamalarda alabilir 6) Kırılma (Refraction) sinyaller atmosferde yol aldıkça eğilirler 40/54 20
Multipath Propagation Reflection yansıma sinyal dalga boyuna oranla çok daha büyük bir cisme çarparsa oluşur Diffraction kırılarak dağılma sinyal dalga boyuna oranla çok daha büyük bir cismin köşesinde oluşur Scattering saçılma sinyal dalga boyuyla orantılı ya da daha küçük bir cisme çarparsa oluşur. shadowing reflection scattering diffraction 41/54 Multipath Propagation 42/54 21
Multipath yayılmanın etkileri Bu etkilerden ötürü sinyal değişik yollardan alıcıya ulaşabilir. İletişim nasıl etkilenir? signal at sender signal at receiver 43/54 Multipath yayılmanın etkileri 44/54 22
Multipath yayılmanın etkileri Aynı sinyalin birden fazla kopyasını değişik zamanlarda alınabilir If phases add destructively, the signal level relative to noise declines, making detection more difficult Intersymbol interference (ISI) Gecikmiş birkaç sinyal (signal pulse) aynı zamanda alıcıya ulaşarak gerçek bir sinyalin (signal pulse) yerini alır. 45/54 Hata düzeltme mekanizmaları Multipath propagion sonucu oluşan hatalar düzeltilebilir Forward error correction Transmitter adds error-correcting code to data block Adaptive equalization Used to combat intersymbol interference Time variant specs of a symbol Diversity techniques Diversity is based on the fact that individual channels experience independent fading events 46/54 23
Diğer yayılma modelleri Cep telefonu şebeke tasarımı Alıcı sinyal gücü Free space loss yeterli mi? Şehir merkezleri 47/54 Outdoor Propagation Models Longley-Rice Model Durkin s Model Okumura Model Hata Model PCS Extension to Hata Model Walfisch and Bertoni Model Wideband PCS Microcell Model 48/54 24
Okumura Model One of most widely used model in urban areas This model is applicable for frequencies: 150 MHz to 1920 MHz distances: 1 km to 100 km base station antenna heights: 30 m to 1000 m 49/54 Okumura Model The model can be expressed as L 50 (db)=l F +A mu (f,d)-g(h te )-G(h re )-G AREA L 50 : the 50 th percentile (i.e., median) value of propagation path loss L F : free space propagation loss A mu : median attenuation relative to free space G(h te ): base station antenna height gain factor G(h re ): mobile antenna height gain factor 50/54 25
Okumura Model G AREA : the gain due to the type of environment Antenna gains: 51/54 Okumura Model 52/54 26
Okumura Model 53/54 Okumura Model - Örnek Örnek Okumura modeline göre median path loss değerini aşağıdaki veriler için bulunuz. d=50 km, h te =100 m, h re =10m Carrier frequency of 900 MHz 54/54 27
Quiz 3Khz bantgenişliği ve 31dB gürültü seviyesi olan kanalın kapasitesi nedir? Bu kapasiteye ulaşmak için uygun olan sinyal seviye sayısı nedir? 55/54 28