Problem vid radiokommunikation? Medie Per Wallander per(a)syd.kth.se 1

Problem vid radiokommunikation? Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 1

Problem vid radiokommunikation? Vad kan hända vid tv-mottagning? Skuggbild! Beror på reflexer som kommer fram senare. Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 2

Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 3

Det finns två sorters reflexer: Korta reflexer Långa reflexer Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 4

Först något om modulering Vi måste ha en bärvåg på den frekvens vi får använda Bärvågen är växelspänning, en sinusformad spänning Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 5

Bärvågen skall moduleras Vid digital kommunikation skickas inte ettor och nollor, utan SYMBOLER Vid digital kommunikation finns alltid en symbolhastighet tidigare kallad Baud, numera kallad symboler per sekund, (symb/s, ksymb/s, Msymb/s). Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 7

Symbolhastigheten påverkar bandbredden Den bandbredd som behövs för överföringen är ungefär lika med symbolhastigheten. System symbolhastighet Bandbredd Telefonmodem 3,3 ksymb/s 300 Hz 3,4 khz GSM 270 ksymb/s 200 khz DAB ca 1536 x 900 symb/s 1,5 MHz DVB ca 6800 x 1 ksymb/s 7 MHz Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 8

Symbolerna får olika utseenden Amplitudmodulering, olika amplitud. Fasmodulering (kommer tidigare eller senare). Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 9

8 olika utseenden på våra symboler Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 10

4 olika utseenden innebär att varje symbol kan betyda 11 10 Bithastigheten blir 2 x symbolhastigheten. Bithastigheten blir 2 x bandbredden. 01 00 8 olika utseenden innebär att varje symbol kan betyda 111 110 101 011 Bithastigheten blir 3 x symbolhastigheten. Bithastigheten blir 3 x bandbredden. 100 010 001 000 Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 11

16 olika utseenden innebär att varje symbol betyder 4 databitar. 16-QAM Bithastigheten blir 4 x symbolhastigheten. Bithastigheten blir 4 x bandbredden. 64 olika utseenden innebär att varje symbol betyder 6 databitar. 64-QAM Bithastigheten blir 6 x symbolhastigheten. Bithastigheten blir 6 x bandbredden. Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 12

Kort reflex Vid kort reflex är tidsfördröjningen < 20 % av symboltiden. Direktsignal och reflex är SAMMA växelspänning (inte nödvändigtvis samma amplitud). Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 13

Kort reflex kan ge starkare signal Direktsignal och reflex kan samverka till en starkare signal. Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 14

Kort reflex kan ge svagare signal Direktsignal och reflex kan motverka varandra och ge svagare signal. Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 15

Kort reflex ger Rayleigh-fädning Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 16

Skydd mot korta reflexer Analog tv: Flytta antennen upp eller ner. Radiolänk, GSM och DECT: Dubbla mottagarantenner (antenndiversitet). Radiolänk, GSM, DAB, DVB: Byt frekvens (frekvensdiversitet). Måste kombineras med bitfelsminimerande kodning (faltningskodning). Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 17

Faltningskodning klarar inte skurfel Faltningskodning är ett effektivt sätt att minimera antalet kvarstående bitfel, men faltningskodning klarar inte skurfel, bara bitfel där de felaktiga bitarna ligger utspridda med korrekta bitar däremellan. Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 18

GSM utnyttjar frekvenshopp som skydd mot korta reflexer Interleaving över 8 datapaket Kanalbyte (frekvensbyte) efter varja datapaket. Om ett datapaket förloras blir var 8:e databit osäker. Tre förlorade datapaket av åtta klaras av faltningskodningen. Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 19

DAB och DVB använder OFDM som skydd mot korta reflexer OFDM innebär uppdelning på många samtidiga sändarkanaler (med olika frekvens). Vid DAB hoppar symbolströmmen mellan ca 1500 olika frekvenskanaler. Om mottagningen är dålig på några frekvenskanaler så ger detta utspridda bitfel som faltningskodningen klarar att rätta. DVB delar upp symbolströmmen på ca 6000 olika frekvenskanaler. WLAN (802.11g) delar upp symbolströmmen på 48 olika frekvenskanaler. Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 20

Spektrum över en DAB-signal Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 21

3G utnyttjar CDMA som skydd mot korta reflexer Vid CDMA sveper sändarsignalen över ett brett frekvensband, ca 5 MHz vid 3G och 11 MHz vid WLAN (802.11b). Detta innebär att varje databit utnyttjar alla frekvenser inom hela den breda frekvenskanalen (frekvensdiversitet på varje enskild datasymbol). Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 22

Faltningskodning (convolutional coding) Forward error correction (FEC) X 1 I I n n 1 I n 2 I n 3 I n 4 Y 1 I1+ I2 + I3+ I4 + I5 + I6 + I7 o.s.v. ger dubbelt så många ut X1+ Y1+ X2+ Y2+ X3+ Y3+ X4+ Y4+ X5+ Y5+ X6+ Y6+ X7+ Y7 Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 23

1 R = 1 2 x1 y1 1 2 2 3 x1 y1 x2 y2 1 2 3 1 2 3 4 5 3 4 5 6 x1 x2 x3 y1 y2 y3 x1 x2 x3 x4 x5 y1 y2 y3 y4 y5 1 2 3 4 5 6 7 7 8 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7 Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 24

Två problem Kort reflex Ger brus Ger bitfel Rayleighfädning Lång reflex Ger skuggbild Ger ISI (Intersymbolinterferens) Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 26

Lång reflex vid analog tv > 20% av symboltiden Reflexer > 15 meter är långa reflexer Analog tv domineras av långa reflexer Som skydd mot långa reflexer används riktantenn Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 27

Lång reflex vid GSM Fördröjning 20 % av symboltiden vid 270 ksymb/s ger: 1 270 10 3 = 8 0,2 3 10 222 GSM använder träningssekvens m Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 28

Lång reflex vid DECT 1,15 Msymb/s 1 1,15 10 6 = 8 0,2 3 10 52 m DECT saknar skydd mot långa reflexer Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 29

Automatiskt skydd mot lång reflex vid CDMA CDMA innebär att signalen sveper över stor bandbredd, fram och tillbaka. När den långa reflexen kommer fram har CDMA-mottagaren hunnit flytta sig till en annan frekvens, eftersom mottagaren följer huvudsignalen. Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 30

Lång reflex vid DAB Dataströmmen delas upp på 1536 sändare där några sändare är pilotsignaler så att ca 1500 används för data. Varje symbol är 1,246 ms lång (800 symb/s) 0,246 ms är en skyddslucka (Guard Period, Guard Interval) för reflexer 0,246 ms motsvarar 73 km. Det finns INGA LÅNGA REFLEXER vid DAB. Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 31

Lång reflex vid DVB 0,896 ms är nyttosymbolen Till detta lägger man Guard Interval om 25% (0,224 ms) som sätter gränsen vid 67 km eller Guard Interval om 12,5% (0,112 ms) som sätter gränsen vid 33 km Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 32

DAB och DVB: Lång reflex innebär att OLIKA symboler går in i varandra. Hos DAB och DVB kommer alla radiostrålar att innehålla samma symbol, så länge gångvägsskillnaden mellan strålarna understiger 73 km respektive 67 km / 33 km. Om flera radiosändare sänder exakt samma programmaterial och sändarna tidssynkroniseras så kan de ligga på samma frekvens, radiokanal. Störningar från de olika sändarna uppfattas som reflexer från en sändare. Singlefrekvensnät! OBS att detta inte fungerar med lokal-program! Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 33

ADSL På motsvarande sätt anpassas moduleringen vid ADSL till de reflexer som uppstår på telefonledningarna. Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 37

DRM Digital Radio Mondiale På motsvarande sätt används OFDMmodulation på mellanvåg och kortvåg Ca 2,5 symb/s Ca 4000 bärvågor i en 9 khz kanal Från 2 till 7 ms guard interval beroende på vilket skydd som önskas mot vågutbredningsstörningar. Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 38

6. Sändaren alstrar erforderlig effekt. 5. Radiomodemet modulerar sändaren med den symbolhastighet som tillåts av bandbredden, samt det antal bit/symbol som behövs för att uppnå erforderlig bithastighet. Dessutom adderas eventuellt skydd för långa reflexer. 4. SIM-kortet deltar i krypteringsprocessen. 3. Kanalkodaren adderar databitar för bitfels-minimerande kodning som skyddar mot korta reflexer. Dessutom adderas CRC kontrollsumma vid filöverföring. 2. Talkodaren (bildkodaren) minskar bithastigheten till ett absolut minimum med hänsyn till den information som skall överföras (t.ex. *.jpg vid bild). 1. Analog/digitalomvandlaren omvandlar källsignalen (tal eller bild) till digital form (t.ex. 3 Milj pixel vid bild). Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 39

khz 260 khz 1600 145 LV 510 MV m 16 m Band 19 m Band 25 m Band 31 m Band 41 m Band 49 m Band KV MHz 87,5 100 UKV Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 41

f C = 1 T C T C Våglängd = λ fc [ MHz] = 300 λ 8 c0 310 300 = c0 TC = = = C C C [ ] f f f MHz 16 m 19 MHz 19 m 16 MHz 25 m 12 MHz 31 m 9,5 MHz 41 m 7,3 MHz 49 m 6 MHz Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 42

På LV och MV och KV har varje rundradiosändare en frekvenskanal som är 9 khz bred. En tv-sändare behöver en frekvenskanal som är 7 MHz (VHF) eller 8 MHz (UHF) bred. FM-rundradio har frekvenskanaler som är 200 khz breda. GSM har frekvenskanaler som är 200 khz breda. UMTS (3G) har en eller två frekvenskanaler som är 5 MHz breda. DECT har 10 frekvenskanaler som är 1,7 MHz breda. Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 45

Grimeton 17,2 khz 200 kw Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 46

LV Sändarantennen är mycket stor (hundra meter till flera hundra meter). Ostörd markvågsutbredning under dagtid. Motala långvåg (189 khz) täckte Götaland och Svealand upp till Mälaren med markvågsutbredning. Interferensstörningar via rymdvågen från europeiska LVsändare nattetid. Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 47

RYMDVÅGSUTBREDNING LV och MV, frekvens < 1 MHz Dag: All rymdvåg absorberas av D-skiktet Natt: Rymdvågen blir oftast mycket stark Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 48

MV Sändarantennen är fortfarande mycket stor (flera tiotal meter till flera hundra meter). Ostörd markvågsutbredning under dagtid på avstånd upp till 100 km. MV-sändarna i Hörby, Göteborg och Stockholm (Nacka) kompletterade där täckningen var dålig från Motala långvåg. I Norrland fanns Sundsvall, Östersund och Boden. Täckningen kompletterades med trådradio. Endast i områden med riktigt hög fältstyrka kunde man räkna med att slippa interferensstörningar via rymdvågen från europeiska MVsändare nattetid. Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 49

Masthöjd 135 m Mastavstånd 109 m Täckningsområde på dagen Täckningsområde på natten Sölvesborg 1179 khz 600 kw Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 50

KV Sändarantennen är fortfarande stor (flera meter till flera hundra meter). Stabil markvågsutbredning på avstånd upp till 400 km över vatten. Markvågen når bara 10-40 km över land. All övrig utbredning sker via reflexion i jonosfären, där det dämpande skiktet D och de reflekterande skikten E och F påverkas av den joniserande strålningen från solen. Kraftiga variationer i utbredningsförhållandena mellan dag och natt (starka skikt / svaga skikt) mellan sommar och vinter (svaga E, F och starkt D / starka E, F och svagt D) mellan högt solfläckstal och lågt solfläckstal (variation i 11- årsperioder) kraftig variation från dag till dag, beroende på oförutsebara solutbrott, flares (SID = Sudden Ionospheric Disturbance) Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 51

RYMDVÅGSUTBREDNING KV, 2 MHz - 10 MHz Dag: Förbindelser över korta avstånd, upp till ca 1000 km. D-skiktet dämpar låga elevationsvinklar. Natt: Förbindelser över såväl korta som långa avstånd (i vissa riktningar, främst i zonen dag-natt). Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 52

RYMDVÅGSUTBREDNING KV, 10 MHz - 30 MHz (ibland ännu högre) Dag: Förbindelser över långa avstånd, längre än 2000 km. Höga elevationsvinklar går igenom skikten. Natt: Normalt ingen reflexion. Skikten är för tunna. Ibland reflexion mot sporadiskt E-skikt. Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 53

VHF Sändarantennen är omkring en meter i storlek. Passar bra på fordon (80 MHz MOBITEX, 157 MHz VHF båtradio) men är fortfarande för stor för handburen radiosändare. Utbredningen sker nästan uteslutande som LOS (Line of Sight). Hög antennbärare nödvändig för att kommunicera över längre avstånd. Mer än 50 högmaster (300 m) för distribution av tv och FMljudradio, där varje högmast täcker ett område som sträcker sig ungefär 50 km från masten. Utbredning i lägre delen av VHF-området kan ibland ske genom reflexion mot sporadiska E-skikt i jonosfären ( tv-mottagningen i södra Sverige besväras av störningar från utländska tv-sändare ). Överräckvidder kan även uppträda genom brytning eller reflexion i temperaturskikt i troposfären (troposcatter). Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 54

UHF Sändarantennen är omkring en decimeter i storlek. Passar bra på handburen radiostation (ficktelefon) Utbredningen sker nästan uteslutande som LOS (Line of Sight). Hög antennbärare nödvändig för att kommunicera över längre avstånd (högmaster för UHF-tv). Låg antennbärare utnyttjas vid mobiltelefoni för att skapa små celler. Överräckvidder kan uppträda genom brytning eller reflexion i temperaturskikt i troposfären (troposcatter). Vi såg hela Östersjön på 3 cm-radarn. Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 55

Hög frekvens är lämplig i städerna GSM 1800 UMTS Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 58

Hög frekvens är direkt olämplig på landsbygden, på grund av den kraftiga vegetationsdämpningen. NMT 450 GSM 450 CDMA 450 (cdma 2000) GSM 900 med EDGE-teknologi Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 59

Satellitkommunikation påverkas av kraftigt regn och snöfall Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 60

Varför fungerar den här antennen? Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 61

Koaxialledningen Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 63

Hertz försök Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 65

λ 4 Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 73

1800 MHz En hel våglängd Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 75

ca 5 dbi Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 76

ca 9 dbi Yagi-antennen ca 14 dbi Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 77

Bredbandsantenn ca 7 dbi Log-periodisk dipolantenn Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 78

2,15 dbi Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 79

ca 7 dbi ca 9 dbi ca 15 dbi Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 82

Bredbandig antenn för UHF (klarar kanaler över hela UHF-tv-bandet) med bra fram/back-förhållande (undertryckning av skuggbild vid analog tv) Lång reflex kan FÖRBÄTTRA mottagningen vid DVB!!!!!!! Medie 2005-09-22 Per Wallander per(a)syd.kth.se 83