تعریف کانال مخابراتی الکترومغناطیسی وایرلس

کانال مخابراتی الکترومغناطیسی وایرلس:
در سیستم های مخابرات رادیویی، انرژی الکترومغناطیسی از طریق آنتن به واسط انتشار کوپل شده است که آنتن نقش «تشعشع کننده یا تابش گر» (Radiator) را ایفا می کند.

اندازه فیزیکی و پیکربندی یک آنتن در مرحله اول به فرکانس کاری آن بستگی دارد. برای به دست آوردن تابش موثر انرژی الکترومغناطیسی، یک آنتن باید بلندتر از 1/10 طول موج باشد.

در نتیجه، یک ایستگاه رادیویی که در باند فرکانسی AM مبادله می کند و فرضا در فرکانس 1 مگا هرتز قرار دارد (متناظر با طول موجλ=c/fc=300m) به یک آنتن با طول حداقل 30 متر نیاز دارد.

در تصویر زیر باندهای فرکانسی مختلف مربوط به طیف فرکانسی نشان داده شده است.

مودهای انتشار امواج الکترومغناطیسی در اتمسفر و در فضای آزاد به سه گروه اصلی تقسیم بندی می شوند.

این سه مود انتشار عبارتند از:

«انتشار موج زمینی» (Ground-Wave Propagation)، «انتشار موج هوایی» (Sky-Wave Propagation) و «انتشار دید مستقیم» (Line-of-Sight Propagation) یا LOS.

در باندهای فرکانسی VLF و ELF که طول موج بیشتر از 10 کیلومتر است، زمین و یونوسفر مانند «موجبر» (Waveguide) برای انتشار امواج الکترومغناطیسی عمل می کنند.

در این بازه فرکانسی، سیگنال های مخابراتی در سرتاسر جهان منتشر می شوند. به همین دلیل، این باند فرکانسی عموما برای فراهم کردن کمک ناوبری از ساحل به کشتی ها در سرتاسر جهان مورد استفاده قرار می گیرد.

پهنای باند کانال موجود در این باند فرکانسی نسبتا کوچک است (معمولا حدود 1 تا 10 درصد فرکانس مرکزی) و به همین دلیل اطلاعاتی که از طریق این کانال ها منتقل می شوند، معمولا دارای سرعت پایینی بوده و عموما محدود به انتقال دیجیتال هستند.

یک نویز غالب در این باند فرکانسی به وسیله رعد و برق در مناطق مختلف کره زمین از جمله مناطق استوایی ایجاد می شود. همچنین به دلیل تعداد زیاد کاربران این باند فرکانسی، اختلال در آن به وجود می آید. در تصویر زیر، روش انتشار موج زمینی نشان داده شده است.

روش انتشار موج زمینی یک مود غالب برای انتشار در فرکانس های موجود در باند MF (از 0٫3 مگا هرتز تا 3 مگا هرتز) به حساب می آید. این باند فرکانسی برای انتشار AM و پخش رادیویی دریایی مورد استفاده قرار می گیرد.

در پخش AM، بازه انتشار موج زمینی حتی برای قوی ترین ایستگاه های رادیویی به حدود 100 مایل محدود شده است.

نویز اتمسفر، نویزهای ساخته بشر و نویزهای حرارتی از قطعات الکترونیکی موجود در گیرنده، اغتشاشات غالب موجود برای انتقال سیگنال MF محسوب می شوند. در تصویر زیر روش انتشار موج هوایی نشان داده شده است.

روش انتشار موج هوایی ناشی از این است که سیگنال ارسالی از یونوسفر منعکس می شود که از چندین لایه از ذرات باردار در بازه ای بین 30 تا 250 مایلی بالای زمین تشکیل شده است. در طول ساعات روز، حرارت اتمسفر ناشی از خورشید باعث می شود که لایه پایین در ارتفاع زیر 75 مایل تشکیل شود.

این لایه های پایین، مخصوصا لایه D، توانایی جذب فرکانس های زیر 2 مگا هرتز را دارند. بنابراین به شدت انتشار و پخش رادیو AM را محدود می کنند.

البته در طول ساعات شب، چگالی الکترون ها در لایه های پایین یونوسفر به شدت افت می کند و جذب فرکانسی که در طول روز اتفاق می افتد، به شدت کاهش می یابد.

در نتیجه، ایستگاه های پخش رادیو AM پرقدرت، می توانند تا فواصل طولانی تری از طریق انتشار موج هوایی در طول لایه F اتمسفر موج ارسال کنند. این لایه اتمسفر از 90 تا 250 مایلی بالای سطح زمین ادامه دارد.

یک مشکل بسیار شایع در انتشار موج الکترومغناطیسی از طریق انتشار موج هوایی در بازه فرکانس HF، «چندمسیری سیگنال» (Signal Multipath) است.

چندمسیری سیگنال زمانی اتفاق می افتد که سیگنال ارسال شده از مسیرهای انتشار چندگانه با تاخیرهای مختلف به گیرنده برسند. چندمسیری سیگنال معمولا منجر به تداخل Intersymbol در سیستم های مخابرات دیجیتال می شود.

علاوه بر این، مولفه های سیگنال که در مسیرهای انتشار چندگانه دریافت می شوند منجر به یک نوع دیگر از تخریب می شود که «محوشدگی» (Signal Fading) نام دارد.

اغلب افراد این مشکل را در هنگام گوش دادن به یک ایستگاه رادیویی دور در شب تجربه کرده اند که موج هوایی مود انتشار غالب است. نویز جمع شونده در HF ترکیبی از نویز اتمسفری و نویز حرارتی است.

انتشار یونوسفری موج هوایی در فرکانس های بالای حدودا 30 مگا هرتز متوقف می شود که در واقع انتهای باند فرکانسی HF به حساب می آید.

با این حال امکان دارد انتشار پراکنده یونوسفری در فرکانس های بازه 30 تا 60 مگا هرتز وجود داشته باشد که ناشی از پراکندگی سیگنال از یونوسفر پایین است. همچنین امکان دارد از فواصل چند صد مایلی با استفاده از پراکندگی تروپوسفر در فرکانس های 40 تا 300 مگا هرتز اطلاعات را ارسال کرد.

«Troposcatter» ناشی از پراکندگی سیگنال به دلیل ذرات موجود در اتمسفر در ارتفاع 10 مایل و یا کمتر است. در حالت عمومی، پراکندگی یونوسفری و پراکندگی تروپوسفری اتلاف انتشار سیگنال بزرگی دارد و به توان ارسال بالا و نیز آنتن نسبتا بزرگی نیاز دارد.

فرکانس های بالاتر از 30 مگا هرتز از طریق یونوسفر با اتلاف نسبتا پایین منتشر می شوند و مخابرات فرازمینی و مخابرات ماهواره ای را ممکن می سازند. به همین دلیل در فرکانس های باند VHF و بالاتر، مود غالب انتشار الکترومغناطیس، انتشار دید مستقیم یا LOS است.

برای سیستم های مخابرات زمینی، این امر بدین معنی است که ترانسمیتر و آنتن های گیرنده باید در LOS مستقیم و با موانع بسیار کوچک باشند.

به همین دلیل ایستگاه های تلویزیونی که در باند فرکانسی UHF و VHF فعالیت می کنند، آنتن های خود را در برج های بلند نصب می کنند تا ناحیه پوشش بزرگی را به دست آورند.

در حالت کلی، ناحیه پوشش تحت انتشار LOS توسط انحنای زمین محدود شده است. اگر آنتن فرستنده در ارتفاع h فوتی بالای سطح زمین نصب شود، با فرض عدم وجود مانع فیزیکی مانند کوه مسافت افق رادیو تقریبا برابر با d=√2h مایل خواهد بود.

به عنوان مثال، یک آنتن تلویزیونی که روی یک برج با ارتفاع 1000 فوتی نصب شده باشد، پوشش تقریبا برابر با 50 مایل فراهم می کند.

به عنوان یک مثال دیگر، سیستم های وابسته به رادیو مایکروویو که به صورت گسترده برای ارسال ویدیو و تلفن مورد استفاده قرار می گیرند، در فرکانس های بالاتر از 1 گیگا هرتز، باید دارای آنتن نصب شده در برج های بلند و مکان های مرتفع باشد.

نویز غالبی که عملکرد سیستم های مخابراتی را در بازه فرکانس های UHF و VHF محدود می کند، از نوع نویز حرارتی است که در سمت جلو گیرنده تولید می شود.

همچنین نویز «کیهانی» (Cosmic) که توسط آنتن دریافت می شود این سیستم ها را تحت تأثیر قرار می دهد. در فرکانس های باند فرکانسی SHF که بالاتر از 10 گیگا هرتز هستند، شرایط اتمسفری نقش بسیار مهمی را در انتشار یک سیگنال بازی می کنند.

در تصویر زیر، تضعیف سیگنال ناشی از بارندگی بر حسب دسیبل بر مایل برای فرکانس های بازه 10 تا 100 گیگا هرتز نشان داده شده است.

همان طور که در تصویر زیر دیده می شود، بارش باران شدید منجر به اتلاف انتشار بسیار شدید می شود که در نهایت به قطع سرویس ارائه شده ختم می شود.

در فرکانس های بالاتر از باند EHF، به ناحیه طیف الکترومغناطیس نور مرئی و مادون قرمز می رسیم.

از این ناحیه طیف الکترومغناطیس می توان برای ارائه مخابرات نوری LOS در فضای آزاد استفاده کرد. امروزه از این باند فرکانسی برای مخابرات تجربی مانند مخابرات لینک ماهواره به ماهواره استفاده می شود.