POLITECHNIKA WARSZAWSKA Instytut Radioelektroniki Zakład Radiokomunikacji
LABORATORIUM SYSTEMÓW RADIOKOMUNIKACYJNYCH
wiczenie 1
Badanie propagacji fal krótkich (materiały pomocnicze i instrukcja do wiczenia)
Warszawa 2003
1. Cel wiczenia Celem wiczenia jest zapoznanie si ze zjawiskami warunkuj cymi propagacj fal krótkich w jonosferze. Zjawiska te s badane na modelu komputerowym a uzyskane wyniki s porównywane z wynikami obserwacji sygnału nadawanego przez stacj radiow . 2. Wst p 2.1. Charakterystyka i zastosowanie fal krótkich Fale krótkie obejmuj pasmo cz stotliwo ci od około 3 do 30MHz. W tym zakresie dominuj cym rodzajem propagacji jest propagacja jonosferyczna, przy której fale ulegaj odbiciu od jonosfery ziemskiej. Zakres fal krótkich jest jedynym zakresem cz stotliwo ci fal radiowych pozwalaj cym na uzyskanie globalnego zasi gu przy stosunkowo niewielkich mocach promieniowanych i wymiarach anten. Podobnie du e zasi gi ł czno ci uzyskuje si tak e na falach bardzo długich (poni ej 100kHz), jednak wymaga to u ycia nadajników o znacznych mocach i anten o du ych rozmiarach (tysi ce metrów). Pierwszym zastosowaniem fal krótkich była radiokomunikacja dalekiego zasi gu, obecnie została ona niemal całkowicie wyparta przez ł czno satelitarn . Po II wojnie wiatowej rozwin ła si radiofonia krótkofalowa umo liwiaj ca nadawanie audycji radiowych na odległo ci do kilku tysi cy kilometrółw. Stosunkowo niewielkie wymiary anten (długo fali 100..10m) pozwalaj na instalacj radiostacji krótkofalowych na statkach i samolotach (łł czno ruchoma). Pomimo konkurencji ze strony ł czno ci satelitarnej, ł czno krótkofalowa jest wci stosowana, mi dzy innymi ze wzgl du na ni sze koszty urz dze . W lotnictwie jest ona nadal podstawowym rodkiem ł czno ci w lotach transoceanicznych i nad terenami słabo zurbanizowanymi (np. Afryka). Na słabo zaludnionych obszarach (Alaska, Kanada, Australia) ł czno krótkofalowa jest u ywana równie w systemach ł czno ci ruchomej l dowej. Mo liwo uzyskania znacznego zasi gu bez konieczno ci u ycia stacji przeka nikowych jest szczególnie istotna dla zastosowa wojskowych, gdzie umo liwia szybkie odtworzenia systemu ł czno ci po ataku nieprzyjaciela. Podstawow wad fal krótkich jest niestabilno warunków propagacji wynikaj ca ze zmian stanu jonosfery. Zmiany te nast puj zarówno w rytmie dobowym i rocznym jak i dłu szym około 11-letnim zwi zanym ze zmianami aktywno ci Sło ca. Zmiany warunków propagacji s na tyle istotne, e niekiedy cz stotliwo nadawania musi by zmieniana w zale no ci od pory dnia lub roku. 2.2. Techniki badania aktywno ci sło ca Stan jonosfery, od którego zale warunki propagacji fal krótkich, zale y od aktywno ci Sło ca. Bezpo rednio widocznym i badanym od stosunkowo długiego czasu objawem aktywno ci słonecznej s wyst puj ce na jego powierzchni ciemne obszary zwane plamami. S to obszary o zwi kszonym nat eniu pola magnetycznego i temperaturze o około 1000K ni szej ni typowa temperatura powierzchni Sło ca (około 6400K), st d wydaj si one ciemne, niemal czarne. Rozmiary plam s rz du kilkuset do kilkudziesi ciu tysi cy kilometrów i mog by obserwowane nawet za pomoc niewielkich teleskopów. Najcz ciej aktywno Sło ca okre la si podaj c liczb Wolfa (w publikacjach angielskich nazywan Sunspot Number), okre lan na podstawie widocznej liczby plam i grup, w które te plamy si ł cz , zgodnie ze wzorem: gdzie p jest liczb plam, g liczb grup a f współczynnikiem korekcyjnym zale nym od
wielko ci u ytego do obserwacji teleskopu i bystro ci wzroku obserwatora. Podawane warto ci liczby Wolfa s warto ciami u rednionymi z wielu obserwacji przeprowadzonych przez kilku obserwatorów w jednym lub kilku obserwatoriach astronomicznych. Typowe wielko ci liczby Wolfa wynosz od kilku do kilkunastu w okresie minimum aktywno ci słonecznej i 100 do 200 w okresie maksimum aktywno ci. Podaje si równie rednie miesi czne i roczne wielko ci liczby Wolfa, co redukuje wpływ nierównomiernego rozmieszczenia plam na powierzchni Sło ca (obrót Sło ca wokół własnej osi trwa około 29 dni). Pomimo, e plamy na Sło cu nie wpływaj bezpo rednio na propagacj fal radiowych, liczba Wolfa powszechnie wykorzystywana si jako parametr okre laj cy aktywno Sło ca i jego wpływ na stan jonosfery, w konsekwencji na warunki propagacji fal radiowych. Przeprowadzaj c odwrotne obliczenia mo na na podstawie znanego stanu jonosfery okre li odpowiadaj c jemu liczb Wolfa. Tak wyznaczone liczby Wolfa s w radiotechnice nazywane efektywnymi liczbami Wolfa (effective sunspot number - SSNe). Znajomo efektywnej liczby Wolfa pozwala najdokładniej modelowa aktualny stan jonosfery, jednak parametr ten jest dost pny tylko dla chwili obecnej. Do prognozowania propagacji fal radiowych w dalszej przyszło ci trzeba skorzysta z prognoz zwykłej, wyznaczanej z obserwacji plam, liczby Wolfa. Wyznacza si równie odr bn efektywn liczb Wolfa na podstawie obserwacji strumienia promieniowania mikrofalowego emitowanego przez Sło ce. 2.3. Wpływ promieniowania Sło ca na atmosfer ziemsk Promieniowanie Sło ca (ultrafioletowe, rentgenowskie) oraz w mniejszym stopniu promieniowanie kosmiczne powoduj jonizacj górnych warstw atmosfery, obszar w którym wyst puje znaczna koncentracja jonów jest nazywany jonosfer . W jonosferze wyró nia si tradycyjnie kilka warstw oznaczanych literami D, E, F. Obecne badania wykazuj , e nie s to oddzielne zjonizowane warstwy lecz jedynie strefy szybszego wzrostu koncentracji jonów w funkcji wysoko ci oddzielone od siebie stosunkowo niewielkimi obszarami, w których koncentracja jonów maleje wraz ze wzrostem wysoko ci (rys. 1). Ze wzgl du na swoj niewielk mas jedynie swobodne elektrony wpływaj na propagacj fal radiowych. W o rodku zjonizowanym fala mo e si rozchodzi o ile jej cz stotliwo jest wi ksza ni cz stotliwo krytyczna:
gdzie N jest koncentracj elektronów wyra on w 1/cm 3. Fale o mniejszej cz stotliwo ci ! "# $%&' ( ()*!+!$, $%- ./. nie mog si rozchodzi w 0 ( !1 23 0 , $% .4567,58 )9:& ;< takim o rodku i zostan odbite w kierunku Ziemi. Pole magnetyczne Ziemi równie wpływa na ruch swobodnych elektronów w jonosferze i powoduje zwi kszenie cz stotliwo ci krytycznej o wielko równ połowie cz stotliwo ci rezonansu yromagnetycznego elektronów:
o ile polaryzacja pola magnetycznego fali jest prostopadła do kierunku wektora ziemskiego pola magnetycznego. Fala (lub składowa fali) o takiej polaryzacji jest nazywana promieniem nadzwyczajnym. Dla kierunku polaryzacji równoległego do kierunku wektora pola magnetycznego cz stotliwo krytyczna nie ulega zmianie. Fala o cz stotliwo ci wi kszej ni cz stotliwo krytyczna mo e si rozchodzi w warstwie zjonizowanej lecz pr dko rozchodzenia si fali jest mniejsza ni w o rodku niezjonizowanym:
Poniewa zazwyczaj pod warstw odbijaj c znajduj si warstwy jonosfery o mniejszej cz stotliwo ci krytycznej, to fala odbita od jonosfery powróci po dłu szym czasie ni wynikałoby to z rzeczywistej wysoko ci warstwy odbijaj cej. Obliczaj c wysoko warstwy odbijaj cej przy zało eniu stałej pr dko ci fali 3 10 8m/s uzyskuje si zawy on wysoko warstwy odbijaj cej zwan wysoko ci efektywn . Przy uko nym padaniu fali radiowej na warstw zjonizowan (rys 2) warunki odbicia s łatwiejsze i maksymalna cz stotliwo odbijanej fali (cz stotliwo graniczna) jest wi ksza ni cz stotliwo krytyczna (prawo secansa): gdzie 0 jest k tem padania liczonym od normalnej do powierzchni warstwy zjonizowanej. Z zale no ci tej wynika, e do ł czno ci na wi ksze odległo ci (fala wypromieniowana pod niewielkim k tem) mo na u y cz stotliwo ci wy szej ni cz stotliwo krytyczna. W takiej sytuacji wokół nadajnika powstaje strefa milczenia, gdy fale wypromieniowane pod wi kszym k tem przenikn przez jonosfer w przestrze kosmiczn i wokół nadajnika powstanie kolista strefa, w której poziom nat enia pola b dzie bardzo niski. Promie tej strefy zale y od stosunku cz stotliwo ci pracy nadajnika do cz stotliwo ci krytycznej. Ze wzgl du na kulisto Ziemi (a tym samym warstw jonosfery), k t padania fali na jonosfer 0 jest mniejszy od 90° nawet gdy fala zostałaby wypromieniowana niemal poziomo (stycznie do powierzchni Ziemi), tak jak to pokazano na rys. 2b. Z tego powodu zasi g fal krótkich przy jednokrotnym odbiciu od jonosfery jest ograniczony i tym wi kszy im wy ej znajduje si warstwa odbijaj ca.
0 & "1 ;9 + ! 1 9 7 1,7 0 ;7,&; 5 58 + ! 13 0 ( & 0 2 !"1 %& &56 " % 3
' 0 & "1 1 ; +
Najni sza warstwa D znajduje si na wysoko ci około 60-90km, na tej wysoko ci g sto powietrza jest jeszcze znaczna i ruch swobodnych elektronów jest silnie tłumiony wskutek
zderze z atomami, przez co warstwa ta raczej tłumi fale radiowe ni je odbija. Koncentracja elektronów w warstwie D jest stosunkowo niewielka tote jej wpływ jest zauwa alny przede wszystkim w zakresie fal rednich i w dolnym zakresie fal krótkich. W nocy warstwa D zanika i fale radiowe mog bez przeszkód dociera do wy szych warstw jonosfery. Wy ej poło ona jest warstwa E (na wysoko ci około 100-120km), warstwa ta odbija fale rednie oraz ni sze i rednie cz stotliwo ci z zakresu fal krótkich. Ze wzgl du na znacznie mniejsz g sto atmosfery na tej wysoko ci tłumienie fal radiowych przez t warstw jest znacznie mniejsze. W nocy koncentracja elektronów w warstwie E maleje lecz warstwa ta nie znika całkowicie, umo liwiaj c ł czno radiow na rednie odległo ci (do kilkuset kilometrów) na falach rednich i krótkich. Niekiedy, zwłaszcza przy du ej aktywno ci Sło ca, mo e doj do powstania sporadycznej warstwy E oznaczanej Es. Warstwa ta wyst puje na wysoko ciach charakterystycznych dla warstwy E. Składa si ona z obłoków o szczególnie du ej koncentracji elektronów, przez co jest w stanie odbija fale o cz stotliwo ciach przekraczaj cych niekiedy 100MHz. W zakresie fal krótkich wpływ warstwy Es jest raczej niekorzystny, gdy jest ona niestabilna i blokuje drog fal radiowych do wy ej poło onej warstwy F. Warstwa F jest najwy ej poło on warstw jonosfery (wysoko 180-400km) i charakteryzuje si najwi ksz cz stotliwo ci krytyczn dochodz c do kilkunastu megaherców. W lecie w dzie warstwa ta rozdziela si na dwie warstwy oznaczane F1 (na wysoko ci 180-250km) oraz F2 (około 300km). W nocy koncentracja elektronów w warstwie F maleje, jednak proces rekombinacji jest do powolny i w godzinach wieczornych mo na spodziewa si znacznej koncentracji elektronów w tej warstwie, niewiele mniejszej ni w dzie . Najni sza cz stotliwo krytyczna warstwy F wyst puje przed witem, zanim promienie słoneczne zaczn j o wietla . Cz stotliwo krytyczna warstwy F (a zwłaszcza F2) jest silnie zmienna w czasie i trudna do prognozowania. Warstwa F zapewnia ł czno na cz stotliwo ciach dochodz cych do 30MHz i najwi kszy zasi g, dochodz cy do 4000km przy pojedynczym odbiciu od jonosfery. Podsumowuj c, wraz ze wzrostem cz stotliwo ci dla zadanej trasy radiowej wysoko , na której zachodzi odbicie fal radiowych wzrasta. Odpowiednio zmienia si te k t, pod którym powinna zosta wypromieniowana fala aby dotrze do punktu odbioru. Wraz ze wzrostem długo ci trasy optymalny k t promieniowania maleje a cz stotliwo graniczna wzrasta. Przy ł czno ci na wi ksze odległosci fale kilkakrotnie odbijaj si od jonosfery i od powierzchni Ziemi. Mo e si zdarzy , e na danej trasie dla ró nych cz stotliwo ci ilo odbi jest ró na, wtedy zale no ci wysoko ci odbicia i optymalnego k ta promieniowania przestaj by monotoniczne. Reguł jest to, e dla wi kszych cz stotliwo ci liczba odbi jest mniejsza. Szczególnie korzystne warunki propagacji fal radiowych wyst puj w w skim pasie wokół Ziemi, w którym aktualnie trwa zmierzch (lub wit). W tym pasie warstwa D ju (jeszcze) nie wyst puje a warstwa F jest jeszcze silnie zjonizowana (lub jonizacja tej warstwy wzrasta ju wskutek o wietlenia promieniami wschodz cego sło ca). 2.4. Metody badania stanu jonosfery Podstawow narz dziem do badania stanu jonosfery jest jonosonda. Działa ona na zasadzie zbli onej do radaru, kierunkowa antena jonosondy jest skierowana pionowo w gór . Z nadajnika jonosondy wysyłany jest impuls fal radiowych. Fale te odbijaj si od jonosfery i powracaj do odbiornika. Czas nadej cia echa jest miar wysoko ci warstwy odbijaj cej. Zmieniaj c cz stotliwo wysyłanych fal radiowych mo na okre li zale no wysoko ci odbicia od cz stotliwo ci, graficzne przedstawienie tej zale no ci jest nazywane jonogramem.
Przy sporz dzaniu jonogramu czas nadej cia echa przelicza si na wysoko warstwy odbijaj cej przyjmuj c pr dko fali równ pr dko ci wiatła w pró ni przez co uzyskuje si wysoko efektywn warstwy odbijaj cej. Z jonogramu mo na odczyta cz stotliwo ci krytyczne i wysoko ci poszczególnych warstw jonosfery (rys 3). Mo liwe jest te obliczenie rozkładu koncentracji elektronów w funkcji wysoko ci.
"& & . ) 9:!$'. & $ +. 1 ; '& $% 5 3 1 " % ; %. 77 % < " 0 <5 ( 0 ! 5 % " .4& !(<
Obecnie wyniki sondowania jonosfery w wielu stacjach badawczych s na bie co udost pniane w Internecie. Obecnie wiele z tych stacji korzysta z nowoczesnych jonosond o nazwie fabrycznej “Digisonde”. Została w nich zastosowana cyfrowa obróbka sygnału pozwalaj ca na zmniejszenie promieniowanej mocy sygnału sonduj cego oraz uzyskanie dodatkowych informacji o intensywno ci, polaryzacji i przesuni ciu Dopplera odebranego sygnału, przedstawianych na wykresach za pomoc kolorów. Przykładowy jonogram uzyskany za pomoc takiej jonosondy jest pokazany na rysunku 4. Kolory czerwony i zielony u yte s do zobrazowania odbicia odpowiednio promienia zwyczajnego i nadzwyczajnego. Jonogram ten został uzyslany w warunkach dziennych i widoczny jest na nim podział warstwy F na F1 i F2 oraz (w górnej cz ci) dodatkowe słabsze echo odpowiadaj ce dwukrotnemu odbiciu fali od jonosfery. Cienka czarna linia poni ej ladu odbi obrazuje rzeczywist wysoko warstwy zjonizowanej odtworzon za pomoc programu “POLAN”. Wysoko ta jest mniejsza od efektywnej ze wzgl du na mniejsz pr dko propagacji fali w le cych ni ej warstwach jonosfery. Jonogram z rysunku 5 przedstawia typowy obraz rejestrowany podczas wyst powania warstwy sporadycznej Es.
< ( & " .4 ) $% 5 8 () ,++, $ ,+,+
2 $% (5 . ," & . .
3. Zadania do wykonania Zadanie 1. Obserwacja stanu aktywno ci słonecznej Uruchomi przegl dark internetow (Netscape Nawigator lub Internet Explorer) i pobra stron Space Weather Bureau o adresie http://spaceweather.com/, odczyta i zanotowa aktualn wielko liczby Wolfa (SSN - Sunspot Number). Adres powy szej strony znajduje si w pliku z zakładkami w folderze “Solar”. Zanotowa aktualny stan Sło ca i prognoz dotycz c rozbłysków słonecznych i burz magnetycznych (Space Weather NOAA Forecast). Na podstawie wykresów dost pnych na stronach “Solar Cycle Progression” (http://www.sec.noaa.gov/SolarCycle/) lub “SIDC : Sunspot data - graphics” (http://sidc.oma.be/html/wolfjmms.html) okre li , jaka jest aktualna faza cyklu aktywno ci słonecznej (maksimum, minimum, narastanie, spadek). Je li uzyskanie dost pu do powy szych stron nie jest mo liwe, to odczyta spodziewan warto liczby Wolfa na dzie wiczenia z wykresu zawartego w pliku cykl.gif zapisanym w folderze C:\Lab\SRKO lub w folderze Propagacja na serwerze DAB (dost pny przez “otoczenie sieciowe” z pulpitu Windows). Ze strony “Space Weather Indices” (http://www.nwra.com/nwra/spawx/spawx.html) wynotowa z dost pnych wykresów aktualn warto efektywnej liczby Wolfa SSNe wyznaczonej z obserwacji cz stotliwo ci granicznej warstwy F2 (wykres “Effective SSN and T indices ”) oraz, je li planuje si u ycie programu “ICEPAC”, wielko indeksu geomagnetycznego Qe (wykres “Plot of R/T Qe Auroral Boundary Indices”). Uwaga: Warto dziennej optycznej liczby Wolfa ulega znacznym fluktuacjom, tak e jest ona mało przydatna do modelowania propagacji fal radiowych.Je li nie mo na uzyska aktualnej efektywnej liczby Wolfa, to do oblicze u y u rednionej liczby Wolfa odczytanej z prognozy cyklu. Zadanie 2. Obserwacja stanu jonosfery Pobra stron przedstawiaj c aktualny jonogram uzyskany w stacji badawczej w Dourbes w Belgii lub Juliusruh w Niemczech. Stacje te znajduje si w stosunkowo niewielkiej odległo ci od Polski i na zbli onej szeroko ci geograficznej, przez co mo na przyj , e stan jonosfery w obu miejscach jest zbli ony. Dodatkowo (lub w przypadku braku kontaktu z serwerem stacji Dourbes lub Juliusruh) mo na obejrze jonogramy z innych stacji (Rzym, Tromsø). Adresy stron internetowych zawieraj cych aktualne jonogramy s zawarte w pliku zakładkami (Bookmarks) w folderze “Jonosondy”. Strony w folderze “Animacje” zawieraj animacje jonogramów uzyskanych z pomiarów w Szwecji. Uwaga: Zanotowa z jakiej stacji, oraz z którego dnia i godziny pochodzi analizowany jonogram! Z obserwowanego jonogramu odczyta i zanotowa wysoko ci oraz cz stotliwo ci graniczne warstw E i F (ewentualnie F1 i F2, je li da si je rozró ni ) oraz cz stotliwo graniczn warstwy D - jako minimaln cz stotliwo fali odbijaj cej si od warstwy E (niekiedy warstwa ta ukazuje si jako słabe niewyra ne echo na typowej dla niej wysoko ci około 60km). Niektóre stacje (np. Dourbes) podaj te parametry w opisie jonogramu, ale mo na si z t interpretacj nie zgodzi i zaproponowa własn . Okre li czy obserwowany jonogram odpowiada dziennym czy nocnym warunkom propagacji. Je li wyst puj zjawiska szczególne (np. warstwa Es), to spróbowa je zidentyfikowa
Zadanie 3. Modelowanie propagacji krótkofalowej Opis pakietu “ITS HF Propagation”
Pakiet “ITS HF Propagation” zawiera zestaw programów umo liwiaj cych okre lenie warunków propagacji fal krótkich (2 do 30MHz). Mo liwe jest okre lenie warunków propagacji w funkcji czasu i cz stotliwo ci dla zadanej trasy radiowej lub te wyznaczenie mapy rozkładu nat enia pola na powierzchni Ziemi dla zadanych lokalizacji nadajnika, czasu i cz stotliwo ci. S te programy umo liwiaj ce okre lenie stosunku sygnału do zakłóce pochodz cych od innych stacji pracuj cych na tej samej cz stotliwo ci oraz program pomocniczy do obserwacji charakterystyk kierunkowych anten krótkofalowych. Programy “ICEPAC”, “ICEAREA” i “S/I ICEPAC” u ywaj podstawowego algorytmu do analizy propagacji stosowanego mi dzy innymi w starszym programie “IONCAP”. Programy “VOACAP”, “VOAAREA” i “S/I VOACAP” u ywaj algorytmu nieco zmodyfikowanego i uproszczonego (mniejsza liczba parametrów modelu jonosfery) dla radiostacji Głos Ameryki. Programy “REC533" i “RECAREA” realizuj obliczenia zgodnie z algorytmem przedstawionym w rekomendacji ITU-R PI.533. Programy z nazw “...AREA” wyznaczaj map rozkładu nat enia pola, podczas gdy programy “S/I ...” okre laj stosunek sygnału do zakłóce pochodz cych od innych stacji. 3.1. Modelowanie propagacji od wybranej stacji radiowej 1. Uruchomi wybrany program “ICEPAC” lub “VOACAP”. Na ekranie powinien pojawi okno z zestawem parametrów uruchomieniowych programu. Zmiany parametru dokonuje si wybieraj c odpowiedni przycisk, pojawia si wtedy okno wprowadzania danej wielko ci, jej zatwierdzenia dokonuje si przyciskiem “Accept”, po wybraniu “Cancel” okno jest zamykane bez zmiany parametrów. Nale y ustawi nast puj ce parametry: Metod bada (“Method”) - 20. Aktualny rok (“Year”), Współczynniki modelu jonosfery (“Coefficients”) - CCIR lub URSI 88 (do wyboru, w sprawozdaniu zanotowa , które były u yte). Czas (“Time”) - od 01 do 24 (modelowanie powinno obj cał dob ). “Groups” - w najwy szym wierszu ustawi aktualny numer miesi ca (dla programu “VOACAP”) lub numer miesi ca i po kropce numer dnia (dla programu “ICEPAC”), odczytan z Internetu efektywn liczb Wolfa (“SSN”) oraz ewentualnie indeks geomagnetyczny Q (je li jest on nieznany to wpisa 0). Lokalizacj nadajnika (“Transmitter”) - Offenbach am Main w Niemczech miejscowo t i jej współrz dne geograficzne (istotne!) nale y odszuka w bazach danych. W pakiecie s dost pne bazy danych dla poszczególnych rejonów geograficznych (kontynentów) posortowane alfabetycznie według nazw miast (“by City”) lub pa stw (“by Nation”) i dodatkowo dla miejscowo ci w USA według stanów (“by State”). Wybór miejscowo ci potwierdzi przez wybranie Accept na belce okna. Lokalizacj odbiornika (“Receiver”) - Warszawa - wybór jak powy ej. Tras propagacji (“Path”) - krótk (Short). Sprawdzi , jaka jest długo trasy długiej (Long). Z czego to wynika? Cz stotliwo ci pomiarowe (“Freq(MHz)”) - pozostawi bez zmiany (4.583, 7.646, 10.101, 11.039 i 14.467MHz), zanotowa te wielko ci. Parametry systemu radiowego (“System”) - pozostawi bez zmiany, wprowadza si tu mi dzy innymi poziom szumów przemysłowych, minimalny k t promieniowania anteny nadawczej, dan jako transmisji (niezawodno i dany stosunek sygnałszum) i parametry okre laj ce wra liwo systemu na propagacj wielodrogow . Poprawki na aktualny stan jonosfery (“Fprob”) pozostawi bez zmiany. Anten nadawcz (“Tx Antenna”) - wybra Default\CCIR.025 (Omni 4dB) oraz
ustawi moc nadajnika (“Tx Power”) na 10kW. Program umo liwia wybór ró nych anten dla 4 pasm cz stotliwo ci. Anten odbiorcz (Rx Antenna”) - wybra Default\SWWHIP.VOA (antena pr towa). Po ustawieniu wymaganych parametrów w menu na belce okna wybra Run a nast pnie Graph. Powinno pojawi si okno obrazuj ce przebieg oblicze a po chwili okno zawieraj ce wybór dost pnych wykresów. dany wykres pojawia si po wybraniu kursorem odpowiedniej linii. Powrót do okna z wyborem wykresów odbywa si po wybraniu Parameters na belce menu okna. Wyj cie do głównego okna programu (ustawianie parametrów modelowania) nast puje po wybraniu Exit. Wykresy mo na obejrze powtórnie wybieraj c View zamiast Run.
2. Obejrze i naszkicowa w sprawozdaniu wykres nat enia pola w miejscu odbioru (DBU). Zanotowa , w jakich zakresach cz stotliwo ci mo na si spodziewa propagacji fal na tej trasie w nocy oraz w dzie (około południa). Jaka jest przyczyna ró nicy pomi dzy pasmem cz stotliwo ci propaguj cych si w dzie i w nocy? Odczyta z wykresu i zanotowa wielko ci nat enia pola dla wymienionych w p. 1. pi ciu cz stotliwo ci (obrazowanych cienkimi poziomymi liniami) i dla chwili zako czenia wiczenia w laboratorium (przeliczy na czas uniwersalny). Klikni cie mysz na wybranym punkcie wykresu wy wietla odczytywan wielko niebieskimi znakami u góry ekranu. Poniewa moce nadajników pracuj cych na cz stotliwo ciach 4.583, 7.646, 11.039 oraz 14.467 wynosz 1kW zamiast 10kW, nale y wprowadzi odpowiedni poprawk do wyników uzyskanych na tych cz stotliwo ciach. Na cz stotliwo ci 10.101MHz moc nadajnika wynosi 10kW i poprawki na moc si nie stosuje. W sprawozdaniu zamie ci wyniki bez poprawki jak i z poprawk na moc nadajnika. 3. Obejrze wykres poziomu sygnału na wej ciu odbiornika (SDBW). Wykres ten powstaje z poprzedniego wykresu po uwzgl dnieniu skutecznej długo ci anteny odbiorczej. Je li zysk anteny jest stały (a tak jest dla u ytej do modelowania anteny odbiorczej) to długo skuteczna anteny maleje odwrotnie proporcjonalnie do wzrostu cz stotliwo ci. Czy s widoczne ró nice w porównaniu z poprzednim wykresem? 4. Obejrze wykres poziomu szumów w funkcji czasu i cz stotliwo ci (NDBW). W wi kszo ci przypadków o szumach na wej ciu odbiornika krótkofalowego decyduj szumy przemysłowe wytwarzane podczas przeł czania pr dów o cz stotliwo ciach przemysłowych (50-60Hz) w urz dzeniach elektrycznych. Raport CCIR nr. 258 okre la typowe poziomy szumów przemysłowych dla kilku kategorii miejsc (obszary przemysłowe, mieszkalne, wiejskie itp.) nie okre laj c ich waha w ci gu doby. Innym ródłem szumów s wyładowania atmosferyczne (szumy atmosferyczne), ich charakterystyka cz stotliwo ciowa jest zbli ona, jednak przyjmuje si dla nich wyst powanie pewnej zale no ci poziomu od pory dnia. W dzie ze wzgl du na tłumienie przez warstw D poziom szumów atmosferycznych jest mniejszy. Od czego zale y poziom szumów przemysłowych? 5. Obejrze wykres stosunku sygnału do szumu (SNR). Odczyta z wykresu wielko ci stosunku sygnał/szum dla tej samej chwili i dla tych
samych cz stotliwo ci co w punkcie 2. Uzyskane wyniki odnosz si do szeroko ci pasma odbiornika równej 1Hz i nale y przeliczy je dla rzeczywistej szeroko ci pasma wynosz cej 1kHz oraz wprowadzi poprawk na rzeczywist moc nadajnika (-10dB dla mocy nadajnika 1kW). W sprawozdaniu zamie ci wielko ci stosunku sygnał/szum bez poprawki jak i z poprawk na moc nadajnika. Okre li , na której z tych cz stotliwo ci zachodz najkorzystniejsze warunki propagacji, a na której nale y spodziewa si najlepszego odbioru. 6. Obejrze wykres optymalnego k ta promieniowania (ANGLE lub TANGLE). Jest to k t, liczony od płaszczyzny poziomej, pod którym nale y wypromieniowa fal tak aby trafiła do anteny odbiorczej. Zanotowa typow wielko k ta dla optymalnych cz stotliwo ci (daj cych dostatecznie du y poziom nat enia pola w miejscu odbioru), posłu y si wykresem sporz dzonym w punkcie 2. Jaka jest zale no optymalnego k ta promieniowania od cz stotliwo ci i z czego ona wynika? 7. Obejrze wykres wysoko ci warstwy odbijaj cej (VHITE). Na tym wykresie zawarta jest informacja o efektywnej wysoko ci odbicia fal radiowych. Odczyta wysoko ci odbicia dla kilku wybranych cz stoliwo ci. Jak zmienia si wysoko odbicia przy zmaianach cz stotliwo ci fali? Zidentyfikowa warstwy jonosfery odpowiedzialne za odbicie fal radiowych. 3.2. Analiza propagacji dla dłu szej trasy Zmieni lokalizacj nadajnika na wybran miejscowo odległ o 2000 do 4000km. Obejrze i naszkicowa w sprawozdaniu wykres DBU. Zanotowa , w jakich zakresach cz stotliwo ci mo na si spodziewa propagacji fal na tej trasie w nocy oraz w dzie (około południa). Jaka jest przyczyna ró nicy w stosunku do krótszej trasy? Obejrze wykresy ANGLE (lub TANGLE) oraz VHITE i porówna odczytane warto ci k tów promieniowania i wysoko ci warstwy odbijaj cej dla cz stotliwo ci zapewniaj cej najlepsz ł czno z wynikami uzyskanymi w punktach 3.1.6 i 3.1.7. Czy wyst puj podobie stwa i ró nice pomi dzy wykresami nat enia pola dla ró nych odległo ci nadajnika i jak je mo na wyja ni ? Czy wyst puj oznaki propagacji z wielokrotnym odbiciem od jonosfery? Jak optymalny k t promieniowania fali zale y od odległo ci? 3.3. Obserwacja mapy rozkładu nat enia pola Uruchomi program “ICEAREA” lub “VOAAREA”, zale nie od programu u ywanego poprzednio, ustawi analogiczne parametry (lokalizacja, moc nadajnika, typ anteny) jak przy modelowaniu propagacji w zadaniu 3.1 w “Groups” ustawi dodatkowo t sam godzin dla której były dokonywane odczyty w punkcie 3.1 i cz stotliwo 14.467MHz. Pozostałych parametrów nie zmienia . W belce menu wybra kolejno Run, Calculate, Save/Calculate/Screen a nast pnie wybra dowoln nazw pliku *.ice w katalogu c:\itshfbc\areadata\work\. Program powinien zapyta si o potwierdzenie nazwy pliku a nast pnie wy wietli okno obrazuj ce przebieg oblicze . Po ich zako czeniu pojawi si okno w którym w menu “Parameter” mo na wybra opcj DBU. Po jej wybraniu i po chwili powinna zosta narysowana mapa rozkładu nat enia
pola na obszarze Europy. Zaobserwowa pier cieniowy rozkład nat enia pola i sprawdzi , czy wyst puje strefa milczenia w s siedztwie nadajnika. Oszacowa promie strefy milczenia oraz odległo , dla której uzyskuje si maksymalne nat enie pola. Od czego zale y wyst powanie strefy milczenia? Zadanie 4. Eksperymentalne badanie propagacji W tej cz ci bada si poziom sygnału pochodz cego od stacji nadawczej zlokalizowanej w miejscowo ci Offenbach am Main w Niemczech. Stacja ta przez cał dob nadaje emisj RTTY komunikaty meteorologiczne przeznaczone dla eglugi na morzach otaczaj cych Europ . Do odbioru telegrafii RTTY wykorzystywany jest program MMTTY wyposa ony w programowy demodulator modulacji FSK. Program odbiera sygnał akustyczny za poprzez wej cie karty d wi kowej. Program MMTTY pracuje w rodowisku Windows 9x i mo na uruchomi go poprzez skrót na pulpicie. Po uruchomieniu programu nale y sprawdzi , czy ustawione s wła ciwe parametry transmisji: cz stotliwo “Mark” w zakresie 1700-2100Hz, przesuw cz stotliwo ci “Shift” 425Hz, pasmo filtru “BW” 50Hz, pasmo filtru podetekcyjnego “AV” 70Hz. Do kontroli dostrojenia sygnału mo na wykorzysta okienko w prawym górnym rogu ekranu wy wietlaj ce widmo cz stotliwo ciowe sygnału dochodz cego z odbiornika. Program powinien automatycznie dostroi demodulator do sygnału, tak aby maksima widma pokrywały si z zielonymi liniami w okienku. Obok mo e by wy wietlone okienko zawieraj ce wykres XY filtrowanego sygnału. Prawidłowe dostrojenie odpowiada maksymalnej wielko ci figury w kształcie krzy a. Poziom sygnału (gło no ) nale y wyregulowa w odbiorniku tak, aby nie wy wietlał si napis “Overload”. Po wykonaniu tych czynno ci na ekranie powinien pojawi si odbierany tekst (przy braku sygnału na ekranie pojawiaj si losowe znaki). Program jest wyposa ony w programowy oscyloskop umo liwiaj cy badanie przebiegów w istotnych punktach demodulatora. Oscyloskop uruchamia si za pomoc przycisków +O lub z menu programu (View i nast pnie Scope). Wy wietlenie przebiegów odbywa si po klikni ciu myszk na przycisku Trig. Oceni subiektywnie jako odbioru (czy odbiór jest zrozumiały, jak cz sto wyst puj przekłamania, czy wyst puj zaniki?). Do oceny jako ci odbioru mo na posłu y si skal sze ciostopniow : 0 - brak odbioru , 1 - słyszalne lady sygnału, 2 - czytelne fragmenty sygnałłu, 3 - odbiór czytelny z przekłamaniami, 4 - odbiór czytelny z nielicznymi przekłamaniami, 5 - odbiór bez przekłama , sygnał “czysty”, bez słyszalnego szumu. Powtórzy obserwacje na pozostałych cz stotliwo ciach pracy stacji nadawczej i porówna uzyskane wyniki z wynikami modelowania komputerowego. Sporz dzi wykres wi cy subiektywn jako sygnału odbieranego ze stosunkiem sygnał/szum (z poprawk na moc nadajnika) uzyskanym z modelowania. Czy wyniki modelowania i badania eksperymentalnego s zgodne? Je li nie, to jakie ró nice wyst puj i jak je wytłumaczy ?