10. Elektrická energie a přenos informací

10. Elektrická energie a přenos informací

Obsah: Historický přehled bezdrátového přenosu informací Šíření elektromagnetických vln Principy rádiového přenosu zvukových a obrazových informací

ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

ESEM4/ 1


Elektromagnetické vlny Maxwellova teorie elektromagnetického pole Rovnice mají řešení, které popisuje elektromagnetickou vlnu Elektromagnetická teorie světla H.Hertz experimentálně potvrdil existenci elektromagnetických vln 13.11.1831 – 5.11.1879

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 ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

ESEM4/ 2


Elektromagnetické vlny


ESEM4/ 3

10. Elektrická energie a přenos informací Šíření elektromagnetických vln VRSTVY D – 50-100 km, ve dne, odráží jen DV , kratší láme, silně tlumí E – 90-130 km, ve dne, odráží DV, SV, kratší asi do 3,5MHz tlumí, ještě kratší procházejí F- 150-300 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 ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

ESEM4/ 4


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 ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

ESEM4/ 5


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 160-280 kHz, •

SV 520-1620 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) 3 – 300 GHz ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

ESEM4/ 6


Elektromagnetické vlny Existence elektromagnetických vln – Heinrich Hertz 1886

A – Ruhmkorffův induktor B – jiskřiště C,C‘ – zatěžovací kapacity M – rezonátor s malým jiskřištěm ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

ESEM4/ 7


RADIOVÁ TELEGRAFIE

Vysílač- čtvrtvlnná anténa, jiskřiště, uzemnění Přijímač- čtvrtvlnná anténa, KOHERER, relé, dekoherer ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

ESEM4/ 8


RADIOVÝ PŘENOS Guglielo Marchese Marconi (25.4.1874 – 20.8.1937) • 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 • 2.7.1896 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. • 1901 provedl první transatlantické bezdrátové spojení. Byl autorem mnoha dalších vynálezů (magnetický detektor, duplexní radiotelegrafie, rotační jiskřiště, vodorovná směrová anténa tak dále). ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

ESEM4/ 9


RADIOVÝ PŘENOS A.S.Popov (4.3.1859 – 31.12.1905) • 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


ESEM4/


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,


ESEM4/


Elektronky 1906-1915 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 ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

Amplitudová modulace ESEM4/


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. ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

ESEM4/


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


ESEM4/


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)


ESEM4/


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 ) ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

ESEM4/


Antény ANTENY pro

Jednoduchý dipól

KV, VKV ---- Dipóly, řady dipólů

Anténa YAGI – buzený dipól a parazitní (nebuzené) prvky UŽŠÍ VYZAŘOVACÍ CHARAKTERISTIKA


ESEM4/


Antény Soustava YAGI antén


ESEM4/


Antény


ESEM4/


Antény

Mikrovlnná anténa s parabolickým reflektorem


ESEM4/


Antény


ESEM4/


Antény


ESEM4/


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


ESEM4/


Modulace KLÍČOVÁNÍ – podle telegrafuzapínání nosné vlny

AMPLITUDOVÁ MODULACE – AM řízení úrovně nosné vlny podle okamžité hodnoty napětí signálu


ESEM4/


Modulace KMITOČTOVÁ MODULACE řídí kmitočet nosné vlny podle okamžité hodnoty napětí signálu Signál

Nosná vlna

Modulovaná nosná vlna


ESEM4/


Modulace Fázová modulace řídí fázový posuv VF signálu podle modulačního NF signálu Modulační signál

Nemodulovaná nosná (tenká) Fázově modulovaný VF signál


ESEM4/


Modulace Pulzní modulace některý parametr pulzu je řízen modulačním signálem Posloupnost nemodulovaných pulzů

Pulzní amplitudová modulace

Pulzní šířková modulace

Pulzní fázová modulace


ESEM4/


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 ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

ESEM4/


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)


ESEM4/


Radiová komunikace – radiotelefon, rozhlas Vysílač

Přijímač


ESEM4/


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

Krystal galentu


ESEM4/


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


ESEM4/


DVOULAMPOVKA


ESEM4/


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


ESEM4/

10. Elektrická energie a přenos informací 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 ESEM4/


VYSÍLAČ Přeladitelný oscilátor

Oddělovací zesilovač

VF koncový dvojčinný zesilovač

Modulátor


ESEM4/


18 kW vodou chlazená trioda

30 kW koaxiální trioda


470-630 MHz, 5-6 kW ESEM4/



ESEM4/



ESEM4/

10. Elektrická energie a přenos informací Vysílač

Elektronkový koncový stupeň KV vysílače 1-1,5 kW


ESEM4/

10. Elektrická energie a přenos informací Vysílač

Tranzistorový koncový stupeň 1,3 GHz, 200 W


ESEM4/


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


ESEM4/


TELEVIZNÍ PŘENOS

• 1884 demonstroval Nipkow, mechanický rozklad obrazu

• 1923 John Logie Baird, přenos obrazu • 1927 Vladimír Zvorikin televizní přenos obrazu ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

ESEM4/


TELEVIZNÍ PŘENOS


ESEM4/


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 ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

ESEM4/


TELEVIZNÍ PŘENOS

Přenosová soustava – NTSC - 1941 • 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 ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

ESEM4/


TELEVIZNÍ PŘENOS


ESEM4/


TELEVIZNÍ PŘENOS


ESEM4/


TELEVIZNÍ PŘENOS – digitální


ESEM4/


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


ESEM4/


TELEVIZNÍ PŘENOS – digitální


ESEM4/


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).


ESEM4/


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. ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

ESEM4/


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, ...). ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

ESEM4/


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.


ESEM4/


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.


ESEM4/



ESEM4/



ESEM4/


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


ESEM4/

10. Elektrická energie a přenos informací

Recommend Documents