1. מבוא לתקשורת מרחיבת סרט (Introduction to Spread Spectrum) 51276-1
מצגת זו תכלול כנראה דיון של הקהל, אשר יביא ליצירת פריטי פעולה. השתמש ב- PowerPoint כדי לעקוב אחר פריטי פעולה אלה במהלך המצגת.
בהצגת שקופיות, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני.
בחר באפשרות “מפקח הישיבות”.
בחר בכרטיסיה “פריטי פעולה”.
הקלד את פריטי הפעולה כאשר הם מופיעים.
לחץ על אישור כדי להסיר תיבה זו.
פעולה זו תיצור אוטומטית שקופיות לפריטי פעולה בסוף המצגת, והנקודות שהעלית יוזנו בתוכה.
מבוא לתקשורת מרחיבת סרט (Introduction to Spread Spectrum)
ד"ר משה רן
כל הזכויות שמורות לחברת MostlyTek Ltd.
אין לצלם, לשכפל או להעתיק בכל צורה שהיא ללא קבלת אישור בכתב מד"ר משה רן
Dr. Moshe Ran- Spread Spectrum

2. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
מטרות הקורס:
הכרת עקרונות בסיסיים במערכות תקשורת עם הרחבת סרט
ניתוח ביצועים של מערכות תקשורת Spread Spectrum
יישומים מודרניים: CDMA, UWB
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

3. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
היקף ודרישות
שם המרצה: ד"ר משה רן
היקף הקורס: סמסטר אחד
שעות שבועיות: 4, נקודות זכות: 3.5
דרישות קדם: תקשורת ספרתית
דרישות מהסטודנטים: מבחן/עבודות בית %
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

4. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
רשימת מקורות
ספרי לימוד:
Dixon RC , “Spread Spectrum Systems”, 3th Ed.,John Wiley & Sons, 1994.
Simon M.K, Omura J.K, Shoultz, Levitt B.K,” Spread Spectrum Communication Handbook”, McGraw Hill. Electronic Ed. Sep 2002
Peterson R.L., Borth D.E., Ziemer R.E , “ An Introduction to Spread Spectrum Communications”, Prentice Hall, 1995
ספרי עיון:
L.W. Couch, “Digital and analog communication Systems”, 5th Ed.,prentice-hall, 1997.
Feher K., “ Wireless Digital Communications: Modulation and Spread Spectrum Applications ”, Prentice Hall, 1995.
Proakis, J.G., “Digital Communications Ch.16”, 5th Ed., McGraw-Hill, 1996.
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

5. נושאי לימוד
פרק 1
מבוא הסטורי לטכניקות Spread Spectrum הרחבת ספקטרום – לשם מה? חזרה- מושגי יסוד ועקרונות של מערכות תקשורת ספרתיות; דרישות מערכתיות על התקשורת; השוואת שיטות אפנון ספרתיות; יעילות ספקטרלית; חזרה שיטות אפנון ספרתיות
פרק 2
מבוא למערכות מרחיבות סרט (Spread Spectrum) - : קונספט ומודלים למערכות מרחיבות סרט; שיטות הרחבת סרט המבוססות על הרחבה ישירה DS))
דילוגים בזמן TH) ) דילוגים בתדר (FH)
פרק 3
סדרות קוד למערכות מרחיבות סרט - LFSR, Gold Sequence, Walsh סדרות קוד למערכות FH .
פרק 4*
ביצועים של מערכות עם הרחבת סרט ישירה (DS); ביצועים של מערכות עם דילוגי תדר (FH) ; שיטות גילוי, עקיבה וסנכרון של אותות Spread Spectrum
פרק 5*
קודים לתיקון שגיאות, ביצועים של מערכות Spread Spectrum עם קודים לתיקון שגיאות
פרק 6
עקרונות CDMA בתקשורת תאית
פרק 7
שימושים ואפליקציות של מערכות Spread Spectrum : מערכות Ultra WideBand (UWB)
8 שו"ת
8 שו"ת
8 שו"ת
8 שו"ת
8 שו"ת
8 שו"ת
8 שו"ת
* נושאים בכוכבית ידונו בקורס המבוא בצורה מקוצרת
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

6. פרק 1: מבוא ומושגי יסוד בהנדסת מערכת תקשורת
פרק 1: מבוא ומושגי יסוד בהנדסת מערכת תקשורת
מבוא הסטורי לטכניקות ; Spread Spectrum הרחבת ספקטרום לשם מה?
מושגי יסוד ועקרונות של מערכות תקשורת ספרתיות
1) סכמת מערכת תקשורת , מרכיבים עיקריים
2) יחידות
3) ערוץ התקשורת; רעשים והפרעות במערכות תקשורת; ערוץ תקשורת רדיו LOS
דרישות מערכתיות על התקשורת
סכימת מערכת תקשורת עקרונית (שנון) ומעשיות
יעילות ספקטרלית מול יעילות הספק
חזרה על שיטות אפנון ספרתיות
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

7. 1.1 מבוא הסטורי לטכניקות Spread Spectrum
צמחה בתחילה מתוך דרישות "תקשורת צבאית" –
איך להגן על תקשורת רצויה מפני האזנה, וגילוי האותות?
LPI = Low Probability of Intercept
איך להגן על התקשורת הרצויה מפני הפרעות יזומות (חסימה)?
Antijam communication system = AJ
התפתחות לכוון יישומים מסחריים:
תקשורת תאית עם ריבוי משתמשים CDMA
תקני תקשורת ניידת IS-95, GSM , W-CDMA, 3GPP
הקטנת הפרעות הדדיות בתחומי תדר ללא רשיון License-Exempt
-IEEE WLAN
תקשורת לטווחים קצרים UWB IEEE ,WPAN))
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

8. מה זה הרחבת ספקטרום Spread Spectrum ?
טכניקת תקשורת בה
האות המשודר "נמרח" בספקטרום (spreading) מעבר לנידרש לצורך העברתו בערוץ. רוחב סרט האות "המרוח" גדול בהרבה מקצב האינפורמציה
המקלט הרצוי מסוגל לבצע פעולה הפוכה (despreading)
כך שהאות המתקבל זהה לאות המשודר לפני spreading
האות לאחר spreading הינו דמוי-רעש, ידוע לגמרי במערכת התקשורת הרצויה ובלתי ידוע מראש לתקשורת הבלתי רצויה (אויב...) Hz
bps
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

9. למה ספקטרום Spread Spectrum ?
אות רעש צר סרט, המופיע בערוץ התקשורת בין משדר למקלט,
"נמרח" על ציר התדרים ע"י פעולת despread במקלט
בעוד שהאות הרצוי המתקבל זהה לאות המשודר לפני spreading
כי הפעולה של despread מבטלת את ה spread בלי לפגוע באכות האות.
ככל שפעולת spread מורחת את האות על רוחב סרט גדול יותר, פעולת "דיכוי" ההפרעה צרת הסרט מוצלחת יותר
(Process Gain)
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

10. 1.2 מושגי יסוד ועקרונות של מערכות תקשורת ספרתיות
1( סכמה כללית למערכת תקשורת עם מרכיבי עיבוד עיקריים [[SAKLAR,88
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

11. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
מרכיבי המערכת
מערכת התקשורת – מעבירה מידע (אינפורמציה) בין מקור לצרכן דרך תווך (ערוץ התקשורת).
להבנה מלאה של התהליכים בדרך, נידרשים מספר קורסים הנלמדים בהתמחות התקשורת:
שיטות לקידוד מקור (דחיסת מידע) , שיטות אפנון, שיטות לגילוי ותיקון שגיאות, שיטות סנכרון, ריבוי משתמשים, התפשטות גלים ואנטנות, תכנון מסננים, טכניקות קליטה ושידור, חישובי מאזן ערוץ.
אנו נדון בעיקר באבני הבניין - Frequency Spread\despread ובהשפעתם על שאר מרכיבי המערכת
ידע קודם הכרחי "קורס תקשורת ספרתי"
ידע "הנדסת מערכת" תקשורת – יבנה במהלך הקורס
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

12. תקשורת ספרתית- תהליכים עיקריים:
מקור מידע: פולט סדרות של סימבולים (תוים) של מידע הלקוחים מתוך אוסף נתון (אלף-בית) של סימבולים. בד"כ – סדרות אלו מכילות יתירות.
מקודד מקור: דוחס את סדרות המקור, ומיצגן בצורה בינרית עם מינימום יתירות. קרי – דחיסה מירבית. נסמן את קצב ביטים במוצא מקודד מקור rb [bps] . ל rb נקרא "קצב הנתונים ללא קידוד" Uncoded Data rate)) או "קצב המידע" (information rate).
מקודד ערוץ+מאפנן: נועדו להתאים את האות להעברה בתווך התקשורת, ולהגן בפני שגיאות והפרעות. מקודד הערוץ מגן בפני שגיאות ע"י הכנסת יתירות. במקום לשלוח "מילת מקור" עם k ביטים שולחים "מילת קוד" עם n ביטים. הגודל n-k0 "יתירות של הקוד"
קצב הקוד R=k/n  1 קצב המידע ביציאת מקודד ערוץ rc=rb/R
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

13. תקשורת ספרתית- תהליכים עיקריים (המשך)
תקשורת ספרתית- תהליכים עיקריים (המשך)
מקודד ערוץ: מקסימום לאמינות התקשורת באילוצים של
הספק אות משודר
רוחב סרט המערכת
סיבוכיות מימוש
השיפור באמינות ע"ח הקטנת קצב המידע, או הגדלת רוחב סרט האות בערוץ בהשוואה למערכת ללא קידוד
מודולטור מתאים את מילות הקוד לשידור בערוץ. ע"י שידור אות M-ary מאפשר להגדיל את קצב העברת המידע ב"מגבלות הערוץ".
מודולוציה M-ary:
ביטים ביציאת מקודד ערוץ עוברים מיפוי לאות משודר, אחד מבין
אותות אפשריים
T (או לעתים נסמן Ts) משך אות משודר ((signaling interval
קצב הסימבולים
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

14. תקשורת ספרתית- תהליכים עיקריים (המשך)
תקשורת ספרתית- תהליכים עיקריים (המשך)
rs (קצב הסימבולים) קובע את רוחב הסרט המינימלי להעברת האות בערוץ.
המודולוציה באופן כללי משנה את אחד הפרמטרים של הגל-הנושא
אמפליטודה
פאזה
תדירות
בהתאם לאות המידע
קצב הסימבולים מקיים
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

15. 2) יחידות מתח והספק וקשרים ביניהם
2) יחידות מתח והספק וקשרים ביניהם
גודל פיזיקלי
סימון
יחידות
מתח V
וולט
[V]
זרם I
אמפר
[A]
עכבה Z
אוהם
[ ]
הספק P
ווט
[W]
V = I * Z Ohm rule
P = V * I = I2*Z = V2/Z שם
ערך
סימון
מילי
10-3 m
מיקרו
10-6
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

16. יחידות לוגריתמיות – dB, dBm, dBw
נוח להשתמש ביחס לוגריתמי לבטא יחס בין הספקים
1 dB = 10 log ( P2/ P1 ) יחס בד"ב – למשל הגבר , ההנחתה
יחס מוחלטP2 = G*P1
יחס לוגריתמי [dBm] P2 [dBm] = G[dB] + P1 P1
מגבר, G P2
וכאן, הספק ביחידות לוגריתמיות
1dBm = 10log P/1mW או 1dBw= 10log P/1W
P2/P1
100 20 10 8 6 4 2 1
0.1
[dB] 13 9
7.8 3
-10
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

17. יחידות לוגריתמיות dBmv,
מתח ביחידות לוגריתמיות מחושב ע"י : dBmV = 20 log ( V/ 1mV )
הקשר בין יחס מתחים ליחס הספקים
V2/V1
100 20 10 8 6 4 2 1
0.1
[dB] 40 26 18
15.6 12
-20
דוגמא 1: מפצל הספק 1:2
הספק בכל יציאה שווה למחצית הספק כניסה, ז.א. הספק יציאה 3dB- לעומת כניסה.
מתח יציאה יורד בפקטור 2 ז.א. dB3- לעומת כניסה
דוגמא 2: עבור Z=75  חשב מתח והספק ביחידות לוגריתמיות עבור מתח 1mV
1mV 0 dBmV ,P=V2/Z=10-6/75=1.33*10-8 [W]=13.3*10-6[mW]
מכאן, –60 = dBm = P[dBm]=10log(13.3)+10log(10-6)
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

18. 3) מושגי יסוד בתקשורת: ערוץ התקשורת
ערוץ (channel) : תווך ההתפשטות בין המשדר למקלט
ערוץ רדיו עם קוו ראיה LOS . תאור מתמטי AWGN
ערוץ רדיו ללא קוו ראיה NLOS. תאור מתמטי – ערוץ עם דעיכות והחזרות
ערוץ קווי (זוג חוטים, כבל קואקסיאלי, סיב אופטי)
ריבוי צרכנים (Multiple Access) – יוצר הפרעה המתווספת לרעש התווך
שימוש חוזר בתדרים ושימוש בתדרים סמוכים לערוץ נתון יוצר:
CCI=Co Channel Interference
ACI = Adjacent Channel Interference
Link – (נתיב, "ערוץ כולל") מונח המתייחס לכל מסלול התקשורת ממקור המידע עד קבלתו הסופית אצל הצרכן. מושפע מכל שרשרת העיבוד.
Link Budget= סיכום תמציתי של מאזן התקשורת
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

19. רעשים והפרעות בערוץ רדיו עם קוו ראיה LOS
רעש תרמי (רעש לבן)
רעש ממקורות חיצוניים – חסימה, CCI, ACI
השפעת רעש על ביצועי מערכות תקשורת
ספרת רעש, טמפרטורת רעש
חיבור רעשים בשרשרת קליטה
רגישות קליטה
מאזן ערוץ
התפשטות גלים בערוץ רדיו LOS
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

20. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
1. רעש תרמי (רעש לבן)
רעש תרמי (רעש לבן): מוגדר מתמטית ע"י
PSD
N0 [Watt/Hz][
רעש בעל עוצמה קבועה בכל רוחב הסרט של האות.
ציר תדר f
תאור פיזיקלי: רעש במערכות אלקטרוניות הנובע מתנועת האלקטרונים. תלוי בטמפרטורה מעל האפס המוחלט K = -273oC 0o (באפס המוחלט אין רעש תרמי)
חלק מהרעש התרמי נוצר באנטנה, חלקו במקלט ע"י הרכיבים האלקטרוניים.
מתח אפקטיבי של רעש על פני נגד
k קבוע בולצמן, [joule/ oK] *10-23
T טמפרטורת הנגד במעלות קלווין, R התנגדות הנגד, B רוחב סרט בהרץ של האות בערוץ
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

21. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
רעש תרמי על פני נגד
כאשר מקור מתח עם התנגדות מוצא R מזין עומס מתואם RL=R - הרעש של מקור המתח מועבר לעומס. הספק רעש מועבר יהיה
הגודל kT = -204dBW/Hz = -174dBm/Hz= -114dBm/MHz
הוא הצפיפות הספקטרלית של הרעש בטמפ. של החדר 17oC = 290oK.
כלומר , הספק הרעש התרמי
מקובל לסמן את הספק הרעש התרמי גם באות N
יחידה לוגריתמיות (dB, dBm)
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

22. 2רעש ממקורות חיצוניים – חסימה, CCI, ACI
רעש "חסימה" : אות מפריע עם PSD של NJ בכל רוחב סרט B של הערוץ.
חוסם מסוג זה – רעש לבן "יזום".
יתכן ש NJ >> N0 ואז הספק אות מפריע קובע את ביצועי הערוץ.
הפרעות במערכות תאיות:
CCI- הפרעה מתאים שכנים הפועלים באותם תדרים בדיוק כמו בתא
(Co-Channel Interference)
ACI - הפרעה מתאים שכנים העובדים בתדרים סמוכים
(Adjacent Channel Interference)
במערכות מסוג CDMA – הצרכנים באותו תא משתמשים באותו ערוץ RF ומופרדים בעזרת קודים שונים. הפרעה עיקרית כאן נקראת In cell Interference
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

23. הגדרה של הפרעה מערוץ שכן - ACI
הגדרה 1: היחס בין הספק האות המפריע הנמצא במרחק של X ערוצים לאות הרצוי כך שמתקבל BER נתון
הגדרה 2: הספק המתקבל במוצא המסנן המתואם של המקלט לאות הרצוי כתוצאה מקליטת אות לא רצוי בעוצמה זהה לאות רצוי ובמרחק X ערוצים
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

24. Interferences in Cellular system
Co- channel
Adjacent channel
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

25. .3 השפעת רעש על ביצועי מערכות תקשורת
תכנון כנגד רעש תרמי (רעש לבן מתחבר בערוץ - (AWGN
הגדלת הספק אות משודר כך שבקליטה יחס הספק אות רצוי ניקלט לרעש שהתחבר אליו בערוץ יהיה גבוה כפי שנידרש לצורך עמידה בביצועים.
תכנון נכון של שרשרת קליטה -להוריד השפעת הרעש למינימום האפשרי
שימוש בטכניקות ECC=Error Correction Codes
תכנון כנגד רעש חסימה
דילוג לתדר בו אין הפרעת חסימה, Frequency-Hopping
הרחבת סרט של אות משודר ע"י טכניקות Spread Spectrum
תכנון כנגד ,CCI ACI וכן הפרעות בתוך התא
הקטנת הספק משודר ע"י תחנה ניידת למינימום אפשרי כך שאיכות האות בערוץ הבעייתי (תחנה ניידת אל תחנת בסיס, "הערוץ העולה" ) תעמוד במינימום הנדרש של ביצועים. בקרת הספק חשובה במיוחד במערכות CDMA
תכנון תאי נכון של כל המערכת ברמות השונות –PHY, MAC,Network
PHY=PHYsical layer, MAC=Media Access Control
PHY+MAC = Air Interface of wireless system
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

26. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
.4 ספרת רעש F
מערכת קליטה מקבלת בכניסתה אות + רעש. יעודה לשחזר בצורה אמינה ככל האפשר את אות המידע המקורי. אולם – גם מעגלי הקליטה תורמים לרעש ולכן יחס אות לרעש ביציאה מתקלקל ביחס לכניסה.
ספרת רעש F מייצגת את תוספת ה"רעש הפנימי" של המקלט לרעש בכניסה
ספרת רעש F הגדרה 1:
מערכת קליטה
G=So/Si הגבר הספק אות רצוי, הספק רעש כניסה =kT0B Ni
B רוחב סרט לרעש של המערכת
רעש היציאה בפועל מוגבר יותר מהגודל הצפוי G Ni . תוספת הרעש במערכת=(F-1)GNi N=No-GNi
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

27. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
ספרת רעש F (המשך)
הגדרה קודמת ל F
נרשום את הספק רעש היציאה ע"י No =GNi + N ומכאן נקבל הגדרה נוספת. ספרת רעש F – הגדרה 2
כזכור, הנחנו לאורך כל הפיתוח שרעש הכניסה הוא רעש תרמי
סיכום ביניים: יחס אות לרעש (dB)ביציאת מקלט
מתקלקל ב F [db]
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

28. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
ספרת רעש (המשך)
ספרת רעש של רכיב פסיבי – עם ניחות L[dB] היא F=L
הוכחה: מהגדרה 1
טמפרטורת רעש שקולה – (הגדרה 3 לספרת רעש):
מכאן, Te טמפ. רעש שקולה Te=T0(F-1)
דוגמא: F=10dB=10 , Te=290*9=2610oK
רכיב פסיבי לא מוסיף רעש, Nout=Nin
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

29. .5 חיבור רעשים בשרשרת קליטה
חיבור שתי מערכות בטור
S1=G1 Sin, N1=F1G1Nin
S2=G2S1, N2=G2N N = G2N1+[F2-1]G2Nin=
=G2 F1G1Nin +[F2-1]G2Nin=(F1G1+ F2-1) G2Nin
G1,F1
G2,F2
Sin
Nin=kT0B S1 N1 S2 N2
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

30. חיבור רעשים בשרשרת קליטה- n מערכות בטור (המשך)
S1=G1 Sin, N1=F1G1Nin
S2=G2S1= G2G1Sin, N2=G2N1+N2= (F1G1+ F2-1) G2Nin : :
Sn=GnS n-1=G1G2..Gn Sin
Nn =GnN n-1 +Nn = GnN n-1+(Fn –1)GnNin
G1,F1
G2,F2
Gn Fn
Sin
Nin=kT0B S1 N1 S2 N2 Sn Nn
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

31. חיבור רעשים בשרשרת קליטה- n מערכות בטור (המשך)
מגבר סופי Gn לא משפיע על ספרת הרעש. המגבר הראשון – קריטי LNA
G1,F1
G2,F2
Gn Fn
Sin
Nin=kT0B S1 N1 S2 N2 Sn Nn
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

32. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
6 רגישות קליטה
רגישות קליטה – הספק האות הנדרש בכניסה לקיום יחס אות לרעש מינימלי רצוי במוצא .
בכמה צריך להיות האות המינימלי בכניסה מעל לרמת הרעש התרמי כדי שביציאה (לאחר גילוי, תיקון שגיאות וכו') יתקבל יחס אות לרעש נתון?
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

33. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
רגישות קליטה - דוגמא
עבור T0=290oK וכן B=10KHz בהנחה שצריך ביציאת מקלט יחס אות-לרעש של 10dB נניח ספרת רעש של מקלט F=10dB
רגישות קליטה
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

34. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
7. מאזן ערוץ Link Budget
למה מתכוונים כאשר מתייחסים אל Link?
האם לערוץ הפיזי בין משדר למקלט? לא..
המונח ערוץ תקשורת Communication Link מתייחס אל כל מסלול התקשורת בין מקור האינפורמציה, דרך מסלול עיבוד האות הפס בסיס (baseband) , אפנון, מעבר דרך דרגות המשדר השונות, דרך הערוץ, ודרך כל מסלול עיבוד האות במקלט- עד ליעד הסופי בו משחזרים את המידע.
Link Budget – הוא שיטה לנתח את ההספקים וההפסדים בערוץ התקשורת הנתון כדי לתת הערכה כוללת על הביצועים, עד כמה התכנון גבולי או אמין (Link Margin) .
מ Link Budget – ניתן לגזור משמעויות על
משקל, צריכת הספק וממדים של הציוד
סיכוני פיתוח ומחיר
בתכנון תאי –מאזן ערוץ הוא כלי מרכזי שהנו חלק מהותי מהתכנון לכיסוי שטח. נותן תשובה לגבי מקסימום כיסוי אפשרי (בלי לקחת בחשבון CCI וכן הפרעות תאיות אחרות. הפרעות אלה צריך לנתח כחלק מהתכנון התאי שמטרתו להציג את "קיבול" התקשורת בס"ה במערכת ).
הערה: Link Budget כלי מרכזי למהנדס מערכת תקשורת.
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

35. 8 התפשטות גלים בקוו ראיה (Line Of Sight, LOS)
נניח אנטנות עם הגבר יחידה, מרחק בין אנטנות הוא R תדירות גל f
הגל מונחת בתלות בשני גורמים: מרחק, תדירות.
היחס Pr/Pt בין הספק נקלט Pr ובין הספק משודר Pt נקרא הפסד נתיב (Path Loss)
כלומר, הכפלת מרחק, או הכפלת תדר מגדילים PL ב 6dB או גם פקטור 10 במרחק או בתדר מגדילים PL ב 20dB
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

36. התפשטות גלים באוויר LOS
נוסחת הפסדי נתיב ברישום לוגריתמי
R=20 km
R=10 km
R=1 km
118.4dB
112.4dB
92.4dB
f=1GHz
126.4dB
120.4dB
100.4dB
f=2.5GHz
150 dB
144dB
124 dB
f=38GHz
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

37. נוסחת הפסדי נתיב LOS עם הגבר אנטנות
נניח הגבר של אנטנה משדרת Gt והגבר של אנטנה קולטת Gr
הפסדי נתיב LOS ברישום לוגריתמי עם הגברי אנטנות
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

38. EIRP = Effective Isotropic Radiated Power
לגודל PtGt קוראים הספק אפקטיבי מוקרן EIRP. המושג חשוב כי תקנים ורגולציה חוסמים ערכים גבוהים מדי (הקטנת הפרעות לאחרים, שיקולי בטיחות)
הספק נקלט ע"י מכשיר מדידה לא יבדיל בין שידור עם מגבר הספק שגודלו PtGt ואנטנה איזוטרופית עם הגבר יחידה, ובין מקרה של שידור עם אנטנה כיוונית שיש לה הגבר (יכולת לרכז את האנרגיה של הקרינה בכוון מסוים) Gt והספק משודר Pt .
הספק שיא של שדה א.מ.
-3dB מהשיא
בפועל, EIRP מתחשב בהפסדי כבלים, OBO
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

39. דוגמא מעשית ל EIRP במערכת תקשורת אלחוטית תאית
units
TX parameter
dBm
Watts
+44 25
BTS Power Amplifier dB -9
Output Back Off (OBO) -2
LOSS (cable, duplexer)
dBi 17
TX antenna Gain (60o x14o) 50
EIRP
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

40. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
מושגי יסוד באנטנות
אנטנת שידור היא המתמר הממיר אנרגיה חשמלית (זרם) לאנרגיה של שדה אלקטרו-מגנטי, המתפשט כגל במרחב.
אנטנת קליטה – מבצעת את התהליך ההפוך: המרה מגל אלקטרו-מגנטי לזרם חשמלי.
הקשרים בין תנועת מטענים (זרם) במוליך ובין השדה המגנטי והחשמלי הנוצר נתון ע"י משוואות מקסוול. כל זרם יוצר שדה מגנטי מושרה. השדה יהיה קבוע כאשר הזרם קבוע. כאשר הזרם ישתנה, נוצר שדה מגנטי משתנה, וכתוצאה מכך נוצר שדה חשמלי. וגם ההפך – שינויים בשדה חשמלי יוצרים שדה מגנטי.
משפט הדדיות: התכונות של האנטנה כממיר אות חשמלי לקרינה (שידור) זהות לשל האנטנה כממיר מקרינה לאות חשמלי (קליטה). ההבדל בין שני המצבים –ההספקים המועברים דרך האנטנה במצב שידור גבוהים בהרבה לעומת מצב קליטה.
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

41. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum+
מתח
אנטנה פשוטה - דיפול ~ _
/4
אנטנה זו הנה קוו תמסורת פתוח – כדי שיתקיים תנאי תהודה אורכה צריך להיות כפולה שלמה של
/2
פילוג הזרם
באנטנה
/4
בתדר 300kHz אורך גל מטר, אורך אנטנת דיפול צ"ל 500 מטר.
תכונות האנטנה נקבעות ביחס בין האורך הפיזי D של האנטנה ובין אורך הגל המשודר או נקלט דרכן.
אורך חשמלי של אנטנה = היחס בין אורכה הפיזי D לאורך הגל 
למשל: אנטנה באורך פיזי של /2 תשדר באורך גל כפול מאורכה.
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

42. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
B. כווניות ושבח אנטנה
אנטנה כלל-כוונית או איזוטרופית היא אנטנה המשדרת אנרגיה או הספק במידה שווה לכל הכיוונים. שטף הקרינה  במרחק d הוא קבוע. אנטנה זו הנה תאורטית: נקודה המקרינה לכל הכוונים במידה שווה .
עקום קרינה של אנטנה – מתאר את פילוג עוצמת שדה חשמלי במרחב מסביב לאנטנה ביחס לכוון המועדף של האנטנה בו השדה מקסימלי. (התיאור הוא של עוצמה יחסית- אינו תלוי בהספק המקור המזין את האנטנה, אינו תלוי במרחק מהאנטנה).
כווניות (Directivity) של אנטנה יחס בין הספק מוקרן ע"י האנטנה בכוון מסוים לבין הספק שהיה מוקרן ע"י אנטנה כלל כוונית כאשר שתיהן מוזנות ממקור זהה. ככל שכווניות גבוהה יותר האנטנה מרכזת יותר אנרגיה בכוון מועדף. כלומר, כווניות מודדת את הגבר הקרינה התאורטי.
הערה: נסמן Directivity ע"י האות D עם יחידות של dB
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

43. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
דיאגרמת הקרינה של דיפול /2 ~ _
פילוג זרם
כוון שדה מקסימלי
/2
נקודת 3dB מחצית הספק
דיאגרמת קרינה דיפול אנכי – שדה מקסימלי בכוון מאונך לאנטנה -בו הזרם בקוו התמסורת הפתוח מקסימלי.
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

44. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
קיטוב מתייחס לכוון וקטור השדה החשמלי ביחס לכוון התקדמות הגל הא.מ. המוקרן מהאנטנה וביחס למשטח המחזיר. בקיטוב ליניארי (אנכי או אופקי) כוון השדה החשמלי אינו תלוי בזוית האזימוט או ההגבהה. במקרה זה אין גם השתנות בזמן לוקטור כוון השדה החשמלי. בקיטוב מעגלי השדה החשמלי מסתובב סביב וקטור כוון התקדמות הגל
קיטוב אנכי : וקטור השדה החשמלי ניצב למשטח בו פוגע הגל והוא במקביל למישור הפגיעה (מכיל את הקרן הפוגעת, חודרת ומוחזרת – ראה ציור ). קיטוב אנכי נוצר ע"י אנטנה עם אוריינטציה אנכית
קיטוב אופקי: כמו קודם אנטנה עם אוריינטציה אופקית
קיטוב מעגלי ימני RHC
קיטוב מעגלי שמאלי LHC
הפסדים בשל קליטת אות ע"י אנטנה בקיטוב לא נכון בין 0 ל 30dB .
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

45. תאור ציורי לקיטוב אנכי ואופקי
מישור מחזיר
קיטוב אנכי: שדה חשמלי נמצא על מישור מאונך למישור מחזיר (במקביל למישור המכיל את קרניים i,t,r )
קיטוב אופקי: שדה חשמלי נמצא על מישור מקביל למישור מחזיר (במאונך למישור המכיל את קרניים i,t,r )
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

46. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
עכבת אנטנה – יחס בין מתח לזרם על פני האנטנה. אולם – באנטנה הערכים האפקטיביים של מתח וזרם משתנים לאורך האנטנה בתלות במרחק.
Za עכבת מבוא – היא העכבה בנקודת ההזנה של האנטנה:
Ra מורכב משני מרכיבים:
התנגדות קרינה Rrad
התנגדות הפסדים Rloss ~ ZL Za
התנגדות קרינה היא היחס בין ההספק המוקרן ע"י האנטנה לרבוע הזרם האפקטיבי דרך האנטנה
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

47. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
F. התנגדות הפסדים
נגרמים ע"י גורמים שונים כגון:
התנגדות קרקע, שגורמת להחזרות ולהקטנת/הגדלת הזרם באנטנה
תופעות התפרקות חשמלית באוויר
הפסדים בחומרים דיאלקטרי בלתי מושלמים בקרבת האנטנה
זרמי מערבולת מושרים בחפצים מתכתיים הנמצאים בשדה ההשראה של האנטנה.
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

48. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
G. נצילות אנטנה
יחס בין אנרגיה מוקרנת ע"י האנטנה ובין האנרגיה החשמלית בכניסת האנטנה
מעשית – נצילות אנטנה בין 70% ל 90% . בתדרים נמוכים נצילות נמוכה.
המושג שמתייחס גם אל כווניות וגם אל הנצילות של האנטנה הוא –
Gשבח האנטנה (Power GAIN)
הוא גודל קטן יותר מאשר כווניות D
ומביע את ההגבר המעשי של האנטנה
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

49. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
תחום התדרים עבורם ביצועי האנטנה עונים על דרישות מוגדרות מראש. אפשרות מקובלת – רוחב סרט של אנטנה הוא תחום התדרים בהם הירידה בהספק המוקרן בכוון המועדף היא לכל היותר 3dB ביחס להספק המרבי בכוון הזה.
קשר מקורב בין רוחב אלומה של אנטנה לשבח חשמלי G : (הנחת נצילות 65%)
הגבר אנטנה במספר (לא dB)
כלומר, עבור אנטנה כוונית ברוחב אונה של 1 מעלה באזימוט ובהגבהה – הגבר אנטנה בערך 27,000 שהם 44dBi .
עבור אנטנה של 90o על o10 נקבל הגבר של
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum

50. Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum
I. הוכחת נוסחת ) Friisללא הפסדי מערכת, הגבר יחידה לאנטנות שידור /קליטה)
מיפתח אפקטיבי של אנטנה Ae קשור ל G ע"י
באנטנה כלל כוונית הגבר G=1 לכן
הספק נקלט ע"י אנטנה עם מפתח אפקטיבי Ae
Dr. Moshe Ran / Spread Spectrum