TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL Raadio- ja sidetehnika instituut Mikrolainetehnika õppetool Iseseisva töö nr 1 juhend õppeaines Sideseadmete mudeldamine Ionosfäärse sidekanali mudeldamine Tallinn 2006 1
Teoreetilised alused Ionosfäär on atmosfääri kiht, mis asub maapinnast umbes 50-400 km kõrgusel. See jagatakse üldjuhul omakorda kolmeks kihiks: F-, E- ja D-kiht. Need kihid omavad märgatavat peegeldusefekti raadiolevis sagedustel alla 30 MHz. Kuna ionosfäär on tekitatud päikese ioniseeriva kiirgusspektri mõjul, siis on ionosfääri omadused Päikesest tugevasti sõltuvad. Nii muutuvadki ionosfääri omadused aastaaegade, päevade ja isegi tundide lõikes. D- ja E-kihti öisel ajal praktiliselt ei eksisteeri. Samuti ei oma nad raadiolevis erilist tähtsust. F-kiht asub maapinnast 140-300 km kõrgusel. Kuna see on väga paks kiht, siis mängib ta ka raadiolevi seisukohast tähtsat rolli. F-kiht jaguneb päevasel ajal veel omakorda kaheks kihiks F 1 ja F 2, kuid öösel need kihid kombineeruvad. F 2 kihti öösel üldse ei eksisteeri ja ta hakkab tekkima alles päikesetõusul. Päeva lõpuks on F 2 kiht ioniseeritud palju tugevamini kui F 1, kuid päikese loojudes hakkab see kiht jälle kahanema. Ionosfääri pideva muutumise tõttu on ka ionosäärne side kellaaegadest, kuudest ja päikese aktiivsuse tsüklitest sõltuv. Töö eesmärk Analüüsida ionsosfäärset levi maakera kahe punkti vahel, tutvuda ionosfäärse side eripärade ja mudeldamise programmiga VOACAP. Analüüsitavate punktide A ja B koordinaadid valitakse järgmistest tabelitest. Tabel 1 - Punkti A koordinaadid Üliõpilaskoodi viimane A number Madrid 0 (Hispaania) London 1 (Ühendatud Kuningriigid) Ateena (i.k. Athens) 2 (Kreeka) Abha 3 (Saudi-Araabia) Addis Abeba 4 (Etioopia) Kairo (i.k. Cairo) 5 (Egiptus) Reykjavik 6 (Island) Pariis 7 (Prantsusmaa) Amsterdam 8 (Madalmaad) Lissabon (i.k. Lisbon) 9 (Portugal) koordinaadid 40.24N 03.41W 51.30N 00.10W 38.00N 23.44E 18.13N 42.30E 09.01N 38.46E 30.03N 31.15E 64.09N 21.51W 48.52N 02.20E 52.22N 04.54E 38.43N 09.08W 2
Tabel 2 Punkti B koordinaadid B Tallinn (Eesti) koordinaadid 59.25N 24.45E Tabel 3 Sagedus F Üliõpilaskoodi eelviimane F number 0 5 MHz 1 6 MHz 2 7 MHz 3 8 MHz 4 9 MHz 5 10 MHz 6 11 MHz 7 12 MHz 8 13 MHz 9 14 MHz Töö teostatakse tasuta tarkvaraga VOACAP, mille kodulehe aadress on http://www.voacap.com/. Sellelt lehelt saab alla laadida ka programmi (link allalaadimiseks: http://www.uwasa.fi/%7ejpe/itshfbc_051219.exe). Töö teostamiseks peab VOACAP olema arvutisse eelnevalt installeeritud. Töö käik 1. Käivita VOACAP programm VOACAP-nimelisest ikoonist. 2. Sisestada järgmised andmed: 2.1 Method: Kui distants punktide A ja B vahel on alla 7000 km, vali 20 (Complete System Performance). Kui distants on üle 7000 km, vali 30 (Short/Long Path Smoothing). 2.2 Year: käesolev aasta (Current Year) 2.3 Coefficients: CCIR (Oslo) 2.4 Time: All Hours 2.5 Groups: Seasons Months tulp näitab valitud kuid: 1.00-jaanuar, 3
4.00-aprill, 7.00-juuli, 10.00-oktoober Iga kuu jaoks tuleb sisestada õige SSn (Sunspot number). See näitab päikese aktiivsust. Õiged numbrid vastavalt kuudele saab Internetist aadressilt ftp://ftp.ngdc.noaa.gov/stp/solar_data/sunspot_numbers/sun spot.predict. Korrektselt täidetud lahter peaks nägema välja selline: 2.6 Transmitter: sisesta punkti B koordinaadid ja nimi. Koordinaadid saab tabelist 2. Näide: 4
2.7 Receiver: sisesta punkti A koordinaadid ja nimi. Koordinaadid saab tabelist 1. Näide: 2.8 Path: Short Distances. 2.9 Freq(MHz): Valida sagedus F vastavalt matrikli eelviimasele numbrile tabelist 3 ja sisestada see esimesse sageduse lahtrisse. Kõikidesse ülejäänud lahtritesse sisestada 0. Näide: kui sagedus on 8 MHz, siis näeb sageduse valiku aken välja selline: 5
2.10 System: sisesta andmed vastavalt järgmisele joonisele. Selgituseks: Nõutav signaal-müra suhe on meie ülesandes SNR min = 10 db 2.11 Fprob: 6
2.12 Tx antenna: Saateantennina kasutatakse 1 kw võimsusega vertikaalset monopoolantenni. Vajutage ülemist nuppu TxAnt=, valige tekkinud aknast samples ja seejärel Vertical Monopole. TxPower väärtuseks seadke 1 kw (vt järgmised joonised). 7
2.13 Rx antenna: Ka vastuvõtuks kasutatakse isotroopset antenni Vajutage nupule Receive Antenna, valige tekkinud aknast default ja seejärel Isotrope. Kui kõik lahtrid on täidetud, näeb peaaken välja umbes selline: 3. Valida menüüst Run -> Graph. 4. Valida kuvamiseks parameeter SNR (signaal-müra suhe). 8
5. Kuvatakse signaal-müra suhte (SNR) sõltuvus kellaajast (universal time) ja sagedusest (Frequency). 9
Leida: a) maksimaalne ja minimaalne SNR väärtus ööpäeva ulatuses sagedusel F b) optimaalne sides oleku kellaaeg sagedusel F c) Millistel sagedustel (ja mis kellaaegadel) oleks tagatud suurim signaalmüra suhe? 6. Valida menüüst Groups -> 4.00. (kuvatakse andmed aprilli kohta). Korrata punktid 4 ja 5. 7. Valida menüüst Groups -> 7.00. (kuvatakse andmed juuli kohta). Korrata punktid 4 ja 5. 8. Valida menüüst Groups -> 10.00. (kuvatakse andmed oktoobri kohta). Korrata punktid 4 ja 5. Punktides 5-8 saadud graafikud peavad olema aruandele lisatud. Graafikute kopeerimiseks kasutage menüü käsklust to Clipboard ja Paste -käsklust tekstiredaktoris (MS Word). 9. Valida menüüst Groups -> 4.00 (aprill) ja tekkinud aknast REL = Time availability, % time SNR exceeds required SNR. Saadud graafik näitab, kui suure tõenäosusega on signaal-müra suhe meie poolt määratud minimaalsest SNR väärtusest suurem (SNR min = 10dB, vt punkt 2.10). Lisada saadud graafik ka aruandesse! Leida: d) minimaalne ja maksimaalne tõenäosus, et sagedusel F on signaal-müra suhe suurem kui SNR min. 10. Valida menüüst Groups -> 4.00 (aprill) ja tekkinud aknast RPWRG = Required power ja antenna gain to achieve reliability. Saadud graafik näitab, kui palju on vaja tõsta või kui palju võib vähendada saatja võimsust (või antenni võimendust), et vastuvõtuantenni juures oleks tagatud SNR >= SNR min. Lisada saadud graafik ka aruandesse! Leida: e) Kui palju võib või tuleb saatja võimsust sagedusel F tõsta/langetada, et tagada SNR >= SNR min kogu ööpäeva ulatuses? f) Millisel kellaajal on tarvis minimaalset võimsust? 11. Vajutage menüüs Exit. 10
12. Valige menüüs Run -> Distance. Tekkinud aknas valige Paremeter valikus SNR ja tehke sellel topeltklõps. 13. Kuvatakse graafik, mis näitab, kuidas muutub signaal-müra suhe sagedusel F punktide A ja B vahel. Lisada saadud graafik aruandesse! Leida: g) milline on maksimaalne ja minimaalne SNR? Millistel kaugustel? h) kuidas niisugust SNR graafiku kuju põhjendada? Aruandele esitatavad nõuded Aruanne vormistada vastavalt üliõpilastööde vormistamise juhendile. Aruande peab sisaldama: 1. Tiitellehel üliõpilase allkiri, millega tõendab, et on töö iseseisvalt teinud 2. Töö eesmärk 3. Töö käik (lühidalt) 4. Punktides 5-8 saadud graafikud ja vastused küsimustele a-c. 5. Punktis 9 saadud graafik ja vastus küsimusele d 6. Punktis 10 saadud graafik ja vastused küsimustele e-f 7. Punktis 13 saadud graafik ja vastused küsimustele g-h 8. Kokkuvõte, järeldused 11