مقاله عوامل موثر بر مخابرات دریایی و دستگاه تلفیقی GVA

بخشی از مقاله

چکیده

فناوری های مخابرات بی سیم تا بدانجا پیشرفته است که کاربران چنین سیستم ها با استفاده از یک ترمینال دستی - - handset میتوانند با هرکس در هر نقطه و هر مکان انواع اطلاعات - صوت ، تصویر و دیتا - را ارسال و دریافت کنند . این ارتباط نیازمند به دستگاه ها و سیستم هایی می باشد که هم بعنوان فرستنده و هم بعنوان گیرنده فعالیت می کنند .

در حال حاضر تمامی کشتی ها دارای سیستم بی سیم - vhf - ، سیستم موقعیت یاب جهانی - - gps و سیستم شناسایی خودکار - ais - میباشند . هدف اصلی این است زمانی که یک شناور در حال صحبت کردن با بی سیم میباشد در همان لحظه بر روی دیگر شناور ها - روی صفحه نمایشگر بی سیم - موقعیت و شماره شناسایی کشتی - imo number - و نام کشتی که در حال صحبت کردن است برای دیگر شناور ها ارسال شود .

در مخاب رات دریایی بدلیل انتقال امواج بر روی سطح اب ، با توجه به مسافت طولانی و رطوبت بالا امواج رادیویی دچار تضعیف میشوند. یکی از مهمترین چالش ها انتقال اطلاعات درکانال مخابراتی مناسب و امن است. عوامل مخرب دیگر در مخابرات دریایی که با ان رو به رو هستیم پدیده فیدینگ و تداخل امواج رادیویی نیز میباشد. توان سیگنال دریافت شده و تضعیف مسیر مهمترین پارامتر هایی هستند که در طی مکانیزم های انتشار، پیشبینی و محاسبه میشوند . هدف اصلی این مقاله طراحی گیرنده های مخابرات دریایی تحت هرشرایط مختلف است و بطور کلی موضوع ارسال اطلاعات بصورت دیجیتال از یک منبع به یک یا چند مقصد می باشد .

ویژگی های منحصر به فرد این دستگاه عبارت است از :

قابلیت تطابق و وفق دادن، میتواند شکل موج خودش را برای فعالیت مناسب با دیگر دستگاه ها ارتباطی مورد نظر وفق دهد، انتخاب کانال مخابرات مناسب و انتخاب بهترین فرکانس برای ارسال در باند ازاد از طیف ، قابلیت همکاری قسمت های مختلف، توانایی 2 یا چند سیستم برای انتقال و مبادله اطلاعات با یکدیگر و استفاده از اطلاعات انتقال داده شده ، میتوان در رنج کوتاه و بلند از ان استفاده کرد، مداربندی RF با قابلیت انعطاف پذیری و اطمینان بالا نیز از جمله مزیت های این دستگاه می باشد .

مقدمه

یک سیستم مخابرات بی سیم ساده از یک فرستنده، کانال ارتباطی وگیرنده تشکیل شده است . در مخابرات دریایی بدلیل انتقال امواج بر روی سطح اب ، با توجه به مسافت طولانی، امواج رادیویی دچار تضعیف میشوند،که این تضعیف باعث کاهش توان سیگنال دریافت شده در مقصد خواهد شد .واسط فرستنده وگیرنده در مخابرات دریایی فضا - هوا - خواهد بود. باتوجه به واسط کانال، مشخصات کانال مخابراتی در لحظه به صورت تصادفی تغییر خواهد کرد . هر کانال مخابراتی تحت تاثیر عوامل مخربی مانند: تضعیف، نویز، تداخل، اعوجاج،شیف فرکانسی و... میباشد.

رابطه خطی تضعیف مسیر بصورت نسبت توان سیگنال ارسالی به توان سیگنال دریافت شده میباشد . برای محاسبه تضعیف مسیر و کاهش اثرات این عوامل مخرب از دومدل free space و two ray استفاده میشود .از مدل free space زمانی استفاده میشود که بین کشتی فرستنده و کشتی گیرنده یک مسیر مستقیم بدون مانع وجود داشته باشد

هرچه فاصله بین کشتی فرستده پیام و کشتی دریافت کننده افزایش یابد یا توجه به مدل گفته شده ، توان کاهش خواهد یافت . فرض کنید سیگنال ارسال شده از فرستده در فضای ازادمنتشرگردد، گیرنده به فاصله D از فرستده قراردارد.اگر هیچ مانعی این بین قرار نداشته باشد مسیرline of side خواهد مشخصات ، اندازه ، جنس و رنگ انتن فرستنده و گیرنده در یک سیستم مخابراتی بخصوص در دریا بسیار مهم است - بهره انتن وابسته به ابعاد انتن و سطح موثر انتن میباشد. - انتخاب توان در هر سیستم مخابراتی یک پارامتر مهم است هرچه توان افزایش پیدا کند سیگنال مسیر بیشتری را طی خواهد کرد ، اما به دلایل فراوانی نمیتوان توان را بصورت دلخواه افزایش داد .

از مهمترین دلایل عدم افزایش توان میتوان به :تاثیر بر روی سیستم های مجاور ، محدود بودن پهنای باند و بخصوص در بی سیم های دستی با افرایش توان شاهد دشارژ سریع باتری خواهیم بود .در یک سیستم مخابراتی هر چه فاصله افزایش پیدا کند تضعیف سیگنال بیشتر خواهد بود . فرض می کنیم که توان ارسالی یک فرستنده بی سیم برابر 50وات بوده و بهره تقویت انتن فرستنده 1 باشد ،در صورتی که فرکانس حامل برابر 900مگاهرتز باشد :                
توان سیگنال ارسالی در حالت ایده ال برابر 47 dbm خواهد شد. و برای مثال اگر فاصله دو کشتی 100متر باشد و بهره انتن گیرنده را 1 در نظر بگیریم توان دریافت شده باتوجه به :                

برابر با -24,5 dbm خواهد شد . در شرایط معمولی در دریا و در محیط داخلی کشتی زمانی که سیگنال منتشر می شود پس از برخورد به اشیا و موانع متفاوت به گیرنده میرسد . در طول این مسیر امواج رادیویی ممکن است دچار انعکاس،انکسار و یا پراکنده شوند، که این امر منجر به دریافت چندین نسخه از سیگنال ارسالی در گیرنده می شود که هریک از سیگنال ها مسیر متفاوتی را طی کرده است .سیگنال های مختلف از مسیرهای مختلف در گیرنده دریافت می شوند و در نتیجه جمع اثار این سیگنال ها باعث تضعیف سیگنال اصلی دریافتی خواهد شد . کانالی که در ان گیرنده چندین نسخه از سیگنال ارسالی را دریافت کند به ان کانال چند مسیره multi-path نیز میگویند .

در حال حاضر و طبق اخرین استاندارد های سازمان جهانی دریانوردی - IMO - ایجاد هرگونه تغییر در دستگاه های ارتباطی کشتی ها باید با اجازه این سازمان باشد و شرکت ها و کارخانجات سازنده ،باید قبل از هرگونه تغییر با این سازمان هماهنگی لازم را انجام دهند . بی سیم هایی که در حال حاضر بر روی کشتی ها نصب شده است در طیف فرکانسی 156 الی165/025 مگاهرتز کار می کنند و محدوه قدرت انها 1 الی 25 وات و مدلاسیون استفاده شده در ان FM و به صورت عمودی است .

لازم به ذکراست که این بی سیم تنها قادر به ارسال یا دریافت صدا میباشند . در سیستم GVA از تکنولوژی دستیابی چندگانه ترکیبی - دستیابی با تقسیم بندی فضایی ، دستیابی با تقسیم زمانی - استفاده شده است، که قابلیت مقاوت در برابر عوامل مخرب را داراست . مدلاسیون بکار رفته در این سیستم OFDM نیز می باشد .یکی دیگر از تکنولوژی پیادشده در این سیستم استفاده از انتن های هوشمند است . این تکنیک به کاربران اجازه استفاده همزمان از پهنای باند را می دهد

در این سیستم با بکارگیری ارایه انتنی و استفاده از پردازش سیگنال ، پرتو سیگنال ارسالی در راستای کاربر مورد نظر هدایت و توان ارسالی در بقیه جهات را حداقل می نماید. مادامی که پرتوهای ارایه انتنی به اندازه کافی باریک بوده وقادر به تفکیک ساختن کاربران از یکدیگر بوده ، دستیابی چندگانه کاربران به پهنای باند فرکانسی میسر خواهد شد و سیستم به بهترین نحو ارایه خدمات به کشتی ها خواهد کرد.

شکل :1 اجزا اصلی یک سیستم مخابرات دیجیتال

همانطور که می دانیم جهت طراحی گیرنده و انالیز عملکرد ان دانستن مشخصات فیزیکی و اماری کانال که اطلاعات در ان ارسال می شوند بسیار مهم است .در شکل بالا اجزا اصلی یک سیستم مخابرات دیجیتال به نمایش در امده است . خروجی منبع میتواند یک سیگنال انالوگ ویا دیجیتال باشد . در یک سیستم مخابرات دیجیتال پیامی که توسط منبع تولید می شود به دنباله ای از بیت ها تبدیل میشود.پروسه تبدیل خروجی یک منبع انالوگ یا دیجیتال به دنباله ای از حداقل تعدادی از بیت ها کدیینگ منبع یا فشرده سازی اطلاعات می گویند . دنباله بیت ها ازخروجی کد کننده منبع وارد کدکننده کانال می شود

در این قسمت بصورت کنترل شده ایی تعدادی بیت با یک الگوریتم خاص به دنباله اطلاعات اضافه می گردد تا به گیرنده امکان غلبه بر نویز و تداخلی که در کانال بر سیگنال اعمال می شود ، داده شود. بنابراین بیت های اضافه شده قابلیت اطمینان مخابره اطلاعات را افزایش میدهند ،سپس از ان خروجی کانال اینکدر وارد مدلاتور دیجیتال می شود ، در یک مدولاتور m تایی ، mشکل موج متفاوت وجود دارد که بر اساس هر k بیت یکی از این شکل موج ها انتخاب ودر کانال مخابراتی ارسال می گردد.

در این قسمت بسته به نوع مدولاتور دیجیتال شکل موج هایی که وارد کانال می شوند در دامنه ، فاز ، فرکانس و یا ترکیبی از انها متفاوت هستند . پس از این مراحل سیگنال اماده می شود تا وارد کانال گردد . کانال یک فضای فیزیکی است که برای ارسال سیگنال بین فرستنده و گیرنده استفاده می شود . بعنوان مثال در مخابرات دریایی که بحث اصلی ما است کانال فضای ازاد - هوا - می باشد. مشخصه دیگر یک کانال مخابرات بی سیم این است که سیگنال به صورت تصادفی تحت تاثیر عوامل مخرب قرار میگیرد . این عوامل ناخواسته عبارت است از :

➢    تضعیف fading

➢    تداخل - عمدی یا غیر عمدی - interference

➢    اعوجاج distrorsion

➢    نویز noise

در سمت گیرنده تمام مراحلی که در بالا در قسمت فرستنده صورت گرفت است بایستی به صورت معکوس انجام شود تا به سیگنال اصلی برسیم . دمدولاتور دیجیتال سیگنال دریافتی را پردارش نموده و دنباله بیت های ارسالی در ورودی مدولاتور را اشکار سازی می نماید، سپس این دنباله بیت ها وارد دکودر کانال شده تا دنباله بیت های اولیه بر اساس مینیمم کردن ا،حتمال خطا بدست اید . معیار خوب یا بد عمل کردن دمدولاتور و دکودر مقدار متوسط احتمال خطا در سیستم است . در مرحله نهایی دکودر منبع از روی دنباله بیت های دریافتی از دکودر کانال سیگنال اولیه را باز سازی میکند . توجه کنید که با وجود خطا در دمولاتور و دکودر این سیگنال تقریبی از سیگنال اولیه است .

انتشار امواج رادیویی

کانال در مخابرات بی سیم محدودیت های بر بازدهی سیستم وایرلس اعمال می کند .کانال یا مسیر بین فرستده و گیرنده می تواند کانالی ساده - line of side - یا کانالی پیچیده با موانع بسیار زیاد باشد . - اغلب در بندرگاه ها و نوار ساحلی کانال مخابراتی بدلیل تراکم کشتی ها و وجود ساختمانها، درختنان و... کانال پیچیده محسوب می گردند. - برخلاف کانال های سیمی که ثابت و قابل پیشبینی هستند کانال های بی سیم تصادفی یا رندوم می باشند . مدل کردن کانال های بی سیم یکی دیگر از قسمت های مهم و مشکل سیستم های بی سیم می باشد. انتشار امواج الکترومغناطیس را میتوان تحت 3 اثر کلی در نظر گرفت [3]:

➢    انعکاس reflection

➢    انکسار  diffraction

➢    پراکندگی scattering

در بیشتر سیستم های بی سیم در محیط های شهری ، که مسیر مستقیم بین فرستنده و گیرنده وجود ندارد ، امواج دچار انکسار می گردند. در محیط دریا به دلیل بازتاب های گوناگون از سطح دریا و کشتی های بزرگ امواج الکترومغناطیسی از مسیرهای گوناگون انتشار می یابند و اثر متقابل این امواج ایجاد تضعیف چند مسیره می گردد که اصطلاحا به ان multipath fading نیز می گویند

لازم به ذکر است که پارامتر EIRP بیان کننده حداکثر توان تشعشی در دسترس از یک فرستنده در مسیر حداکثر گین انتن میباشد - در مقایسه با انتن ایزوتروپیک - .اما در عمل پارامتر ERP یا - Effective Radiated Power - بجای EIRP استفاده می شود و بیانگر حداکثرتوان تشعشعی در مقایسه با half wave dipole بجای انتن ایزوتروپیک میباشد .

انعکاس

زمانی رخ میدهد که یک موج الکترومغناطیسی به جسمی برخورد کند ، که ابعاد سطوح ان در مقایسه با طول موج سیگنال انتشاری خیلی زیاد تر باشد . مقداری از امواج الکترومغناطیسی پس از برخورد به مانع منعکس می گردد . قوانین انعکاس امواج نیز مانند قوانین امواج نورانی است . زاویه تابش با زاویه بازتابش برابر و هر دو اشعه و خط عمود بر سطح در یک صفحه قرار دارند .

بیشتر اجسام ، نور و امواج الکترومغناطیسی را منعکس می کنند . زمانی که یک موج رادیویی به شی ، سطح و یا کشتی برخورد کند که دارای خواص الکتریکی متفاوتی باشند ، بخشی از موج منعکس شده و بخشی دیگر از موج انتقال پیدا می کند . در صورتیکه شی دوم یک هادی کامل باشد ، تمام انرژی موج برخورد یافته در محیط اول منعکس می شود .

در یک کانال مخابرات بی سیم ، بسیاری از مواقع مسیر مستقیم بین فرستنده و گیرنده تنها مسیر فیزیکی موجود برای انتشار امواج نمی باشد . از این رو از مدل های انتشاری گوناگونی استفاده می شود . استفاده از انتشاری مدل فضای ازاد به تنهایی فاقد دقت کافی است ، پس از مدل های نظیر two-ray استفاده می شود . در مدل انعکاسی two-ray سیگنال دریافت شده از دو قسمت تشکیل شده است :

➢    مولفه دید مستقیم که همان سیگنالی است که در فضای ازاد منتشر می شود .

➢    مولفه انعکاس یافته که از انعکاس سیگنال از سطح - زمین یا دریا - حاصل می شود

سیگنال دریافتی برابر با جمع برداری دو سیگنال دریافتی مسیر مستقیم و سیگنال انعکاس یافته از سطح می باشد

شکل : 2 مدل انتشاری two-ray