Základní informace o volných pásmech
Pod pojmem volné pásmo se rozumí pásmo kmitočtů, ve kterém je povolen radiový provoz bez licenčních poplatků držitelům homologovaných zařízení, přičemž jejich počet není předem omezen. Tito provozovatelé pak mohou sdílet při provozu celé vyčleněné pásmo, ovšem bez nároku na ochranu proti rušení.
V radiofrekvenčním spektru je takových volných pásem vyčleněno
více, na příklad CB, pásmo 433 MHz, 868 MHz a další.
Podmínky pro provoz datových a jiných zařízení ve volných
pásmech jsou pro tuzemské prostředí stanoveny generálními licencemi (dříve
generální povolení), které vydal Český telekomunikační úřad pod
číslem GL-12/R/2000, případně GL-30/R/2000. (www.ctu.cz)
Metody přenosu datových informací
K masovému nasazení technologie bezdrátových datových spojů v
lokálních datových sítích došlo teprve nedávno, zejména po
vytvoření a přijetí standardu IEEE 802.11.
Tento velmi rozsáhlý soubor norem upravuje mimo jiné velmi podrobně podmínky pro
datové komunikace v tak zvaném ISM (Industrial, Scientific, Medical) pásmu 2.4 GHz,
ohraničeném zdola kmitočtem 2400 MHz a shora kmitočtem 2483,5 MHz.
K výměně datových informací se zde využívá moderní metoda přenosu vysokofrekvenčních signálů v rozprostřeném spektru (spread spectrum). Byla původně vyvinuta pro vojenská sdělovací zařízení a není žádným překvapením, že vyniká spolehlivostí, odolností vůči rušení a zajišťuje vysoký stupeň utajení přenášených dat. Při tomto způsobu přenosu signálů se nosný kmitočet, na kterém je namodulována vlastní datová informace, neustále skokově mění. Je samozřejmé, že k tomu musí docházet synchronně na straně vysílače i přijímače dané přenosové cesty.
Citovaná norma 802.11 definuje pro radiové přenosy dva způsoby řízení nosného kmitočtu :
- Direct frequency spread spectrum ( DSSS )
- Frequency hoopping spread spectrum ( FHSS )
Každá z těchto metod má své přednosti i nevýhody a její výběr by měl být součástí řešení a optimalizace projektu daného datového spoje.
Pro úplnost dodejme, že citovaná norma definuje rovněž zařízení pro bezdrátové přenosy dat, které využívají infračervené světlo. To není tak odtažitá problematika jak by se mohlo na první pohled zdát. Stačí si uvědomit, že toto světlo je také elektromagnetické vlnění s kmitočtem kolem 300 THz.
Technická zařízení pro realizaci datových přenosů
Zařízení pro bezdrátový přenos dat se skládá ze dvou hlavních částí, které se od sebe nápadně liší nejen funkcí, ale i vzhledem. Jednou částí je elektronická výbava, druhou anténní systém.
Elektronická výbava sestává ze dvou skupin skupin obvodů, sestavených zpravidla do jednoho funkčního celku. První skupina (např. modem) má za úkol zpracovat vlastní datovou informaci. Druhá skupina obsahuje vysokofrekvenční (radiové) obvody, které zajišťují vlastní bezdrátový přenos. Tyto části zařízení pro přenos dat se obvykle konstruují jako sdružené vysílače – přijímače, nazývající se zkráceně transceivery (z anglického transmitter - receiver).
Při vysílání transceiver převezme datové informace a namoduluje je (např. metodou
pulzní modulace) na nosné vysokofrekvenční signály s kmitočtem ležícím v
přiděleném pásmu. Tyto signály jsou potom předány do antény, která
má za úkol vyzářit je do prostoru směrem k anténě u zařízení, jemuž se
mají data předávat. V režimu příjmu transceiver vybere a zesílí
příslušný signál z antény, demodulátorem oddělí datovou informaci
od nosného signálu a předá ji k dalšímu zpracování.
Anténní systém je velmi důležitou součástí zařízení pro bezdrátovou komunikaci. Skutečností je, že při srovnání s nesmírně rychlým pokrokem v oblasti elektronických obvodů vypadá anténní technika (více spoutaná fyzikálními zákony) poměrně konzervativně a proto se stále zvětšuje její technologická a vzhledová odlišnost od elektronické výbavy. Není divu, že antény pak mohou na nezasvěcené působit vedle moderních systémů poněkud primitivním dojmem, což může v důsledku vést i k nemístnému podcenění jejich významu.
Vliv antény na kvalitu datového spoje je ovšem zásadní a ještě znásobený tím, že antény současně slouží jak při vysílání, tak při příjmu signálů od jedné nebo více stanic, sdružených v dané datové síti.
Další významnou součástí anténního systému je tzv.
napáječ. Je to vodič s definovanými vysokofrekvenčními vlastnostmi, který
zajišťuje obousměrný přenos signálů mezi elektronickými obvody a anténou. V praxi
se téměř výhradně používají nesymetrická vf vedení, běžně
nazývaná koaxiální kabely. Jejich kvalitu poměřujeme ztrátami vf energie,
udávanými na jednotku délky. Při návrhu přenosového zařízení
dbáme vždy na to, aby byl napáječ co nejkratší, nejen kvůli ceně.
Situace na trhu
Současný stav na tuzemském trhu vypadá tak, že zájemci o nákup této technologie jsou prakticky odkázáni výhradně na dovoz zařízení ze zahraničí. Je to dáno úrovní domácího vývoje, výrobních technologií a nakonec i dostupností potřebných součástek v množství, odpovídajícímu reálně dosažitelné seriovosti případné výroby.
Tento závěr však nevyhnutelně platí pouze pro radiová a k němu přidružená
elektronická zařízení, tedy jen pro jednu ze dvou hlavních částí
přenosového systému. Druhá část potřebné výbavy, zahrnující
antény a další doplňkové komponenty (různé slučovače, bleskojistky a pod.) je
materiálově i výrobně celkem nenáročná, při malých seriích jde o středně
kvalifikovanou strojní a zámečnickou práci. To znamená, že při nižší
ceně domácí pracovní síly není dovoz ekonomicky odůvodněný. Pro
vlastní vývoj těchto komponent je ovšem nezbytné mít k dispozici poměrně
nákladné přístrojové vybavení. Druhým základním požadavkem
je pak dobrá znalost dané problematiky. Bez těchto předpokladů je vývoj spíše
iluzí.
Antény pro bezdrátovou komunikaci v pásmu 2,4 GHz
Anténa je zařízení, schopné střídavou vysokofrekvenční energii ( přivedenou k jejím vstupním svorkám kabelem z vysílače) vyzářit do prostoru, tedy vytvořit v prostoru vysokofrekvenční elektromagnetické pole o určité intenzitě (při vysílání).
Antény pracují recipročně. To znamená, že když je umístíme do prostředí vysokofrekvenčního elektromagnetického pole, můžeme z jejich svorek odebírat energii, jejíž velikost je intenzitě tohoto pole úměrná. To využíváme v režimu příjmu.
Obecně se anténa chová jako rezonanční obvod, naladěný na kmitočet (kmitočtové pásmo), na kterém se přenos vysokofrekvenčních signálů uskutečňuje.
Základní charakteristika, definující danou anténu z hlediska jejího
použití je již zpravidla obsažena v jejím názvu, případně je součástí
průvodního popisu. Tak mluvíme např. o televizních anténách pro určitá TV
pásma, feritových anténách pro rozhlasové přijímače,
anténách satelitních, radarových a pod. Doplňkové textové informace mohou
obsahovat další konstrukční charakteristiky, například že se jedná o
anténu typu Yagi, backfire, logaritmicko-periodickou, smyčkovou, patch, případně jiné
údaje, informující uživatele o provozních vlastnostech dané antény.
Antény a jejich parametry
Technické parametry antén se většinou uvádí v tabulkách a patří k nim zejména :
- Pracovní kmitočet (nebo kmitočtové pásmo)
- Polarizace vyzářeného elmag. vlnění
- Napájecí vlastnosti, ke kterým počítáme :
a - jmenovitou impedanci antény
b - činitel přizpůsobení ( SWR ) - Vyzařovací vlastnosti, patří k nim hlavně :
a - směrové vlastnosti ( včetně ČZP )
b – zisk antény ( dBi, dBd ) - Mechanické vlastnosti (rozměry, váha, způsob montáže, konektor a pod.) a dále odolnost vůči klimatickým podmínkám (rozsah pracovních teplot, odolnost vůči větru a pod.)
Pro optimální a spolehlivý provoz se dodržení některých z parametrů považuje za povinné, týká se to hlavně kmitočtu, přizpůsobení a přiměřené klimatické odolnosti. Zisk antény, směrové vlastnosti, polarizaci a případně další vlastnosti stanovíme při projektování s ohledem na technické podmínky, za kterých se má daný spoj provozovat (délka spoje, úroveň rušení, apod.).
Údaj o zisku antény může být je vztažen vůči izotropnímu zářiči (dBi), nebo
půlvlnnému dipólu (dBd). Pro stejnou anténu je velikost zisku v dBi o 2.16 dB
větší, než údaj v dBd. Snad také proto většina výrobců uvádí
velikost zisku svých antén v dBi.
Některé parametry antén se v zájmu přehlednosti a názornosti prezentují v
grafické formě. Jako příklad můžeme uvést třeba vyzařovací diagramy, případně
průběh impedance, zisku nebo SWR v závislosti na kmitočtu.
Podle základních parametrů můžeme předpovědět chování dané antény v praktickém provozu a posoudit tak vhodnost jejího použití v konkretních podmínkách.
Směrové vlastnosti antén
Podle tvaru vyzařovacího diagramu v horizontální rovině rozlišujeme tři základní typy antén, všesměrové a směrové. Zvláštním typem směrových antén jsou antény sektorové.
Všesměrové antény ozařují prostor kolem sebe v horizontálním úhlu 360°. Vyzařovací úhel ve vertikální rovině se pohybuje kolem 10 až 20 stupňů. Na velikosti tohoto úhlu závisí zisk, který ovšem nebývá u těchto antén příliš velký, obvykle je kolem 5 až 12 dBi, u jednoduchých antén i méně.
Antény směrové se vyznačují úzkým vyzařovacím paprskem a větším ziskem. Tyto antény se na trhu vyskytují ve velmi širokém sortimentu, takže pro danou aplikaci můžeme prakticky vždy najít a vybrat optimální anténu.
Vyzařovací diagram sektorových antén je přizpůsoben pro ozáření pouze určité části okolního prostoru, tedy sektoru. Jejich zisk proto bývá proti všesměrovým anténám větší.
Antény všesměrové používáme zpravidla pro základnové stanice.
Někdy můžeme pro tento účel s výhodou vyššího zisku a zpravidla i
nižší ceny použít též antény sektorové.
U koncových stanic účastníků bezdrátových sítí, nebo při
datových přenosech mezi dvěma stanicemi a zejména při přenosech na větší
vzdálenosti se téměř vždy používají antény směrové, jejichž zisk
bývá největší. To vyplývá již ze samotného principu funkce, neboť
směrové antény soustředí většinu vyzářené energie do úzkého
paprsku.
Mezi tvarem vyzařovacího diagramu a ziskem antény platí závislost, která se v
literatuře uvádí ve formě tabulek, nomogramů nebo grafů.
Směrové vlastnosti antén mají přímý a dá se říci že i
rozhodující vliv na dosažitelnou délku datového spoje. K výhodě
většího zisku se totiž současně přidružuje schopnost potlačení rušivých
signálů ostatních uživatelů volného pásma, které přichází obecně ze
všech směrů.
Polarizace
Při bezdrátovém přenosu informací používáme dva typy polarizace elektromagnetického vlnění, lineární a kruhovou. Lineární polarizace se v praxi používá dvojí, horizontální a vertikální. Kruhová polarizace může být pravotočivá nebo levotočivá. Rovina polarizace vyzářeného vlnění je dána výhradně konstrukčním uspořádáním antény.
Má-li být zajištěn optimální provoz datového spoje, musí být obě stanice vybaveny stejným (z hlediska polarizace) druhem antény. Nouzově lze provozovat některé kombinace, při kterých nejsou ztráty zisku velké. Na příklad při příjmu lineárně polarizovaných signálů (je jedno zda vertikálně nebo horizontálně) anténou šroubovicovou (ta je určena pro příjem signálů s kruhovou polarizací) bude tato anténa vykazovat zisk o 3 dB menší. Podobné poměry nastanou při příjmu kruhově polarizovaného vlnění anténou zkonstruovanou pro lineárně polarizované signály.
Jiná situace nastane při nesouhlasu směru kruhové polarizace antén daného
datového spoje, nebo při otočení roviny lineární polarizace o 90 stupňů. V
praktických případech dochází k potlačení zisku antén o 16 až 24 dB ,což
vede ke značnému zhoršení až znemožnění přenosu .
Tuto vlastnost využijeme v prostředí se silným rušením,
pocházejícím od cizích datových spojů a sítí. Vhodnou volbou
polarizace při realizaci vlastní sítě můžeme rušení účinně potlačit .
Další okolnosti, ovlivňující výběr antén
Při zpracování projektu datového spoje je třeba zvážit homogenitu vysokofrekvenčního pole v prostoru, do kterého anténu umístíme. Nehomogenní pole může být jednou z příčin menší spolehlivosti datových spojů. Vyskytuje se zejména v blízkosti předmětů a objektů, které jsou svými rozměry srovnatelné a větší, než je polovina vlnové délky nosného signálu. Na homogenitu pole jsou vždy citlivější antény, u kterých výrazně převládá rozměr v jednom směru, např. antény dlouhé ( třeba Yagi ). Jestliže totiž nejsou po celé délce stejnoměrně ozářeny, vykazují nižší provozní zisk. Proto nejsou tyto antény pro provoz v dané kmitočtové oblasti zejména v husté a členité městské zástavbě příliš vhodné.
Při výběru antény bychom měli dbát také na klimatické podmínky v místě jejího použití. To se snadno zapomene, když anténu montujeme třeba někdy během jarních nebo letních měsíců. Zejména rozměrné antény s “děravými” parabolickými reflektory se v zimě rády obalují stále zesilující vrstvou ledu a jinovatky, která zhoršuje průchod signálu k anténnímu zářiči. Následuje snížení přenosové rychlosti, nebo v horším případě úplný výpadek spoje.
Podivuhodně odolné vůči povětrnostním vlivům jsou antény, opatřené kryty z plastických hmot. Tyto materiály jsou ve srovnání s kovy hydrofobní a mají mnohem menší tepelnou kapacitu. Proto na nich tak ochotně nekondenzuje ani nenamrzá vzdušná vlhkost. Významnou předností je i značná odolnost proti korozi a menší hmotnost. Moderní antény předních výrobců jsou většinou tvořeny plastovými výlisky v kombinaci s díly z lehkých slitin.
