Ζώνες δορυφορικών συχνοτήτων

Πιάστε το κύμα

Όποτε ακούμε τις ραδιοφωνικές μεταδόσεις, η TV ρολογιών, χρησιμοποιεί ένα κυψελοειδές τηλέφωνο ή μιλά σε ένα ραδιόφωνο CB, τα αόρατα κύματα της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας μας φέρνουν τα μηνύματα από τις απόμακρες θέσεις. Αυτά τα αόρατα κύματα μας βομβαρδίζουν συνεχώς καθώς περπατάμε κάτω από την οδό, παίζουμε τον αθλητισμό ή putter για τον κήπο. Γινόμαστε μόνο ενήμεροι για την ηλεκτρομαγνητική σούπα που μας περιβάλλει εάν έχουμε τη σωστή κεραία και το δέκτη για να συντονίσουμε μέσα σε αυτά τα σήματα.
Πίσω στο γύρισμα του αιώνα, Marconi ανακάλυψε ότι ήταν δυνατό να συνδυαστούν τα μηνύματα με τα αόρατα κύματα της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας που ακτινοβολούν μέσω του διαστήματος με την ταχύτητα του φωτός. Για πρώτη φορά πάντα, η ανθρωπότητα ήταν σε θέση να επικοινωνήσει πέρα από τις απέραντες αποστάσεις σχεδόν στιγμιαία. Μέχρι την πρόσφατη-δεκαετία του '20, τα εκατομμύρια των ανθρώπων παγκοσμίως συντόνιζαν μέσα στους ραδιοσταθμούς AM: παγκόσμιος ο πρώτος παρήγαγε ηλεκτρονικά τις εικονικές πραγματικότητες. Έπειτα, αυτές οι μεταδόσεις κλήθηκαν απλά ράδιο κύματα. Καθώς ο χρόνος πήγε, εντούτοις, έγινε προφανές ότι τα κύματα της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να διαβιβάσουν όλα τα είδη των πληροφοριών, συμπεριλαμβανομένων των εικόνων TV.
Από πολλές απόψεις, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι παρόμοια με τα κύματα στον ωκεανό. Σε έναν πλήρη κύκλο ενός κύματος, το ύδωρ αυξάνεται από τη στάθμη της θάλασσας έως ότου πρήζεται για να φθάσει στο λόφο του κύματος, κατόπιν πέφτει κατακόρυφα προς τα κάτω στη γούρνα κυμάτων πριν από να ανέλθει πάλι στη στάθμη θάλασσας. Ένα σήμα επικοινωνίας είναι το ηλεκτρομαγνητικό αντίτιμο ενός μηνύματος σε ένα μπουκάλι, οδηγεί και τελειώνοντας την διαδοχή των κυμάτων πριν φθάνει στον τελικό προορισμό της. Η συχνότητα οποιουδήποτε σήματος επικοινωνιών είναι ο αριθμός κύκλων ανά δευτερόλεπτο στον οποίο το ράδιο κύμα δονείται ή κύκλοι. Κύκλος ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στα φαινομενικά ποσοστά: χίλιοι κύκλοι ανά δευτερόλεπτο καλούνται kilohertz (kHz), ένα εκατομμύριο κύκλοι ανά δευτερόλεπτο megahertz (MHz), και ένα δισεκατομμύριο κύκλοι ανά δευτερόλεπτο ένα gigahertz (GHz). Σήμερα αναφερόμαστε στη συνέχεια των συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται για να διαδώσουν τα σήματα επικοινωνιών, 100 kHz σε 100 GHz και πέρα, ως ηλεκτρομαγνητικό φάσμα.
Η απόσταση ότι κάθε κύμα ταξιδεύει κατά τη διάρκεια ενός ενιαίου κύκλου καλείται μήκος κυμάτων της. Υπάρχει μια αντίστροφη σχέση μεταξύ της συχνότητας και του μήκους κυμάτων: όσο υψηλότερη η συχνότητα, τόσο πιο σύντομο το μήκος κυμάτων.
Κάθε υποσύνολο ή ζώνη των συχνοτήτων μέσα στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα έχει τις μοναδικές ιδιότητες που είναι το αποτέλεσμα των αλλαγών στο μήκος κυμάτων. Παραδείγματος χάριν, τα μέσα σήματα κυμάτων (500 kHz σε περίπου 3 MHz) ακτινοβολούν κατά μήκος της γήινης επιφάνειας πέρα από τις εκατοντάδες των μιλίων, τέλειες για την αναμετάδοση των ραδιοσταθμών AM σε όλη μια περιοχή.
Οι διεθνείς ραδιοσταθμοί χρησιμοποιούν τις σύντομες ζώνες κυμάτων (3 έως 30 MHz) για να εκταθούν στις αποστάσεις χιλιάδων μιλίων, η ιονόσφαιρα, ανώτερα στρώματα της γήινης ατμόσφαιρας που χρεώνονται ηλεκτρικά από τον ήλιο, απεικονίζει αυτά τα σύντομα κύματα πίσω κάτω στη γη, πολύ ως καθρέφτη ή οποιοδήποτε άλλο λαμπρό μέταλλο, το αντικείμενο μπορεί να απεικονίσει τις ακτίνες του φωτός. Οι ράδιο εκφωνητές TV και FM χρησιμοποιούν την πολύ υψηλή συχνότητα (VHF) και εξαιρετικά τις ζώνες υψηλής συχνότητας (UHF) που βρίσκονται από 30 έως 300 MHz και 300 έως 900 MHz επειδή αυτά τα σήματα καλύπτουν μόνο τις σύντομες αποστάσεις δεν μπορούν να ταξιδέψουν πολύ μακριά κατά μήκος της γήινης επιφάνειας ή να πηδήσουν από την ιονόσφαιρα. Το πλεονέκτημα στη χρησιμοποίηση αυτών των ζωνών συχνότητας για τις τοπικές επικοινωνίες είναι ότι οι δωδεκάδες TV και FM των ραδιοσταθμών μπορούν να χρησιμοποιήσουν τις ίδιες συχνότητες μέσα σε οποιαδήποτε χώρα ή περιοχή χωρίς πρόκληση της παρέμβασης.

Αυγή της δορυφορικής ηλικίας

Η διεθνής ένωση τηλεπικοινωνιών, μια αντιπροσωπεία των Ηνωμένων Εθνών, έχει θέσει κατά μέρος το διάστημα στις έξοχες ζώνες υψηλής συχνότητας (shf) που βρίσκονται μεταξύ 2,5 και 22 GHz για τις δορυφορικές μεταδόσεις. Σε αυτές τις συχνότητες, το μήκος κυμάτων κάθε κύκλου είναι τόσο σύντομο που τα σήματα καλούνται μικροκύματα. Αυτά τα μικροκύματα έχουν πολλά χαρακτηριστικά του ορατού φωτός: ταξιδεύουν άμεσα σύμφωνα με τη γραμμή θέας από οποιοδήποτε δορυφόρο στην αρχική περιοχή κάλυψής του και δεν εμποδίζονται από τη γήινη ιονόσφαιρα.
Οι επιστήμονες που ανέπτυξαν τα πρώτα συστήματα ραντάρ μικροκυμάτων κατά τη διάρκεια του παγκόσμιου πολέμου ΙΙ όρισαν έναν προσδιορισμό επιστολών σε κάθε ζώνη συχνότητας μικροκυμάτων. Παραδείγματος χάριν, το 800 MHz στο φάσμα συχνότητας 2 GHz κλήθηκε ζώνη λ, 2 έως 3 GHz: η ζώνη του s 3 έως 6 GHz: η ζώνη γ 7 έως 9 GHz: η ζώνη Χ 10 έως 17 GHz: η ζώνη Ku και 18 έως 22 GHz: η ζώνη Κα. Στην αυγή της δορυφορικής ηλικίας κατά τη διάρκεια στα μέσα της δεκαετίας του '60, οι μηχανικοί μικροκυμάτων αποφάσισαν να μεταφέρουν την υπάρχουσα ορολογία ραντάρ και να την εφαρμόσουν στις ζώνες δορυφόρων επικοινωνιών επίσης.
Τα παγκόσμια πρώτα εμπορικά δορυφορικά συστήματα χρησιμοποίησαν το φάσμα συχνότητας ζωνών γ 3,7 έως 4,2 GHz. Μέχρι την πρόσφατη δεκαετία του '60, πολλές τηλεφωνικές επιχειρήσεις σε όλο τον κόσμο είχαν τους πολυάριθμους επίγειους σταθμούς ηλεκτρονόμων μικροκυμάτων που λειτουργούν μέσα στο φάσμα συχνότητας 3,7 έως 4,2 GHz. Το ποσό δύναμης που οποιοσδήποτε δορυφόρος γ-ταινιών θα μπορούσε να διαβιβάσει έπρεπε να περιοριστεί σε ένα επίπεδο που δεν θα προκαλούσε την παρέμβαση στις επίγειες συνδέσεις μικροκυμάτων.
Οι πρώτοι εμπορικοί δορυφόροι ζωνών Ku έκαναν την εμφάνισή τους προς το τέλος της δεκαετίας του '70 και της πρόωρης δεκαετίας του '80 Σχετικά λίγα επίγεια δίκτυα επικοινωνιών ορίστηκαν για να χρησιμοποιήσουν αυτήν την ζώνη συχνότητας.
Οι δορυφόροι κu-ταινιών θα μπορούσαν επομένως να διαβιβάσουν τα υψηλός-τροφοδοτημένα σήματα από τα αντίστοιχα γ-ταινιών τους, χωρίς να προκαλέσουν τα προβλήματα παρέμβασης κάτω στο έδαφος. Οι δορυφορικές κεραίες κu-ταινιών έχουν ένα πολύ στενότερο πλάτος ακτίνων, ο διάδρομος μέσω του οποίου το πιάτο εξετάζει επάνω τον ουρανό, από τις παραβολικές κεραίες γ-ταινιών μιας δεδομένης διαμέτρου. Υπάρχει μια άμεση σχέση μεταξύ του μήκους κύματος και του πλάτους ακτίνων κεραιών: όσο πιο σύντομο το μήκος κύματος, τόσο στενότερο το πλάτος ακτίνων.
Από τη γραφική παράσταση ανωτέρω, μπορούμε να δούμε ότι μια κεραία γ-ταινιών 60cm θα μπορούσε ενδεχομένως να λάβει τρεις δορυφόρους μέσα στην κύρια ακτίνα της εάν οι δορυφόροι χωρίζονται από 3 βαθμούς στο γεωγραφικό μήκος. Στη Βόρεια Αμερική, όπου το διάστημα 2 βαθμών έχει γίνει ο κανόνας, μια κεραία γ-ταινιών 60cm θα μπορούσε ενδεχομένως να έχει τα σήματα από τέσσερις δορυφόρους που εμπίπτουν στην κύρια ακτίνα της.
Οι αναφορές στην τροχιακή θέση οποιουδήποτε δορυφόρου, καθώς επίσης και στα διαστήματα μεταξύ των παρακείμενων δορυφόρων, γίνονται στους βαθμούς γεωγραφικού μήκους. Λάβετε υπόψη, εντούτοις, ότι η γεωστατική τροχιά είναι ένας κύκλος και το σημείο αναφοράς για τον υπολογισμό του γεωγραφικού μήκους βαθμών είναι το γήινο κέντρο. Δεδομένου ότι όλοι ζούμε στην επιφάνεια της γης, το προφανές διάστημα μεταξύ δύο δορυφόρων θα είναι μεγαλύτερο από το πραγματικό διάστημα στους βαθμούς γεωγραφικού μήκους.
Το ακριβές ποσό διαφοράς μεταξύ του πραγματικού και προφανούς διαστήματος είναι μια λειτουργία του γεωγραφικού πλάτους περιοχών και η διαφορά μεταξύ του γεωγραφικού μήκους περιοχών και του δορυφορικού γεωγραφικού μήκους. Με σκοπό τον υπολογισμό των διαγραμμάτων που εμφανίζονται σε αυτό το άρθρο έχουμε υποθέσει ένα προφανές διάστημα 3,4 βαθμών μεταξύ των δορυφόρων που χωρίζονται από τρεις βαθμούς στο γεωγραφικό μήκος.
Η επόμενη γραφική παράσταση παρουσιάζει την ισοδύναμη απόδοση των διάφορων ανοιγμάτων κεραιών κατά λήψη των δορυφορικών σημάτων κu-ταινιών. Το πιάτο 30 60cm είναι δυνατό λόγω της δραματικής μείωσης του παραβολικού πλάτους ακτίνων κεραιών που πραγματοποιείται όταν χρησιμοποιούμε τις υψηλότερες δορυφορικές ζώνες συχνότητας.

Δορυφορική TV κu-ταινιών

Η δορυφορική δύναμη σημάτων εκφράζεται decibels που παραπέμπονται σε ένα Watt της δύναμης (dBW). Μια αύξηση 3 dBW αντιπροσωπεύει έναν διπλασιασμό της δύναμης 10 dBW που αντιπροσωπεύει μια δεκαπλάσια αύξηση και 20W dBW μια αύξηση εκατό-πτυχών. Οι δορυφόροι γ-ταινιών διαβιβάζουν χαρακτηριστικά τα επίπεδα των σημάτων που κυμαίνονται από 33 έως 38 dBW. Τα ισχυρότερα σήματα εμπίπτουν στο κέντρο της ακτίνας κάλυψης κάθε δορυφόρου, με την ένταση σημάτων που μειώνεται εξωτερικά από εκεί. Ανάλογα με τη θέση της λαμβάνουσας περιοχής μέσα στην αρχική ακτίνα κάλυψης του δορυφόρου, τα ανοίγματα κεραιών που απαιτούνται για να λάβουν τις σαφείς εικόνες TV κρυστάλλου κυμαίνονται χαρακτηριστικά από 2,0 ως 3.7m στη διάμετρο. Οι σημερινοί δορυφόροι κu-ταινιών διαβιβάζουν τα ονομαστικά επίπεδα σημάτων που κυμαίνονται από 47 έως 52 dBW, μια αύξηση 14 dBW στη δύναμη, πέρα από αυτά που οι περισσότεροι δορυφόροι γ-ταινιών μπορούν να παραδώσουν. Λαμβάνοντας τις κεραίες τόσο μικρές όπως 30cm στη διάμετρο μπορούν επομένως να χρησιμοποιηθούν για να λάβουν τα δορυφορικά σήματα κu-ταινιών. Αυτή η σημαντική μείωση του μεγέθους των κεραιών χαμηλώνει το κόστος του λαμβάνοντος εξοπλισμού και απλοποιεί τις απαιτήσεις εγκαταστάσεων συστημάτων.

Επίπληξη κατά την βροχή

Υπάρχει ένα σημαντικό μειονέκτημα στους δορυφόρους που τα σήματα στις συχνότητες είναι μεγαλύτερες από 10 gigahertz: το μήκος αυτών των μικροκυμάτων είναι τόσο σύντομο που η βροχή, το χιόνι ή ακόμα και τα γεμισμένα σύννεφα που περνούν από πάνω μπορούν να μειώσουν την ένταση των εισερχόμενων σημάτων. Σε αυτές τις υψηλότερες συχνότητες, το μήκος των μειωμένων σταγονιδίων βροχής είναι κοντά σε ένα ηχηρό υποπολλαπλάσιο του μήκους κυμάτων του σήματος. Τα σταγονίδια επομένως είναι σε θέση να απορροφήσουν και να αποπολώσουν τα μικροκύματα που περνούν μέσω της γήινης ατμόσφαιρας.
Στις θέσεις όπως η Νοτιοανατολική Ασία ή καραϊβική, χειμαρρώδη downpours μπορεί να χαμηλώσει το επίπεδο του εισερχόμενου δορυφορικού σήματος κu-ταινιών από 20 DB ή περισσότερο, αυτό μπορεί σοβαρά να υποβιβάσει την ποιότητα των σημάτων ή ακόμα και να διακόψει την υποδοχή εξ ολοκλήρου. Η διάρκεια των διακοπών λειτουργίας βροχής, εντούτοις, είναι συνήθως πολύ απότομα και χαρακτηριστικά εμφανίζεται τα απογεύματα ή τα πρόωρα βράδια παρά κατά τη διάρκεια των πρωταρχικών ωρών εξέτασης χρονικού βραδιού. Για τους περισσότερους δορυφορικούς θεατές TV κu-ταινιών, αυτές οι διακοπές υπηρεσιών θα ανέλθουν μόνο σε απώλεια μερικών ωρών του χρόνου εξέτασης κατά τη διάρκεια οποιουδήποτε έτους.
Οι σχεδιαστές συστημάτων κu-ταινιών χρησιμοποιούν χαρακτηριστικά μια μεγαλύτερη κεραία. Αυτή η αύξηση στο άνοιγμα κεραιών δίνει στο σύστημα διάφορα DB του περιθωρίου έτσι ώστε το λαμβάνον σύστημα που θα συνεχίσει να λειτουργεί στο φως για να συγκρατήσει τις θύελλες της βροχής. Οι δορυφορικοί θεατές TV στις ξηρές περιοχές όπως η κεντρική Αυστραλία ή η Μέση Ανατολή θα δοκιμάσουν σπάνια τις διακοπές λειτουργίας της βροχής. Στη Μέση Ανατολή, εντούτοις, οι δορυφορικοί ιδιοκτήτες πιάτων μπορούν να δοκιμάσουν τις διακοπές λειτουργίας που προκαλούνται από τις έντονες θύελλες άμμου. Η παρουσία οποιουδήποτε ατμοσφαιρικού μορίου, ακόμη και άμμος, μπορεί να έχει μια δυσμενή συνέπεια στη δορυφορική υποδοχή TV.

Το μακρύ περιπετειώδες μυθιστόρημα S-Band

Αν και η διεθνής ένωση τηλεπικοινωνιών έχει ορίσει το φάσμα συχνότητας S-Band για τις direct-to-home μεταδόσεις TV, λίγες οργανώσεις έχουν εκλέξει μέχρι τώρα να χρησιμοποιήσουν αυτό το φάσμα για τη δορυφορική μετάδοση. Ένας περιοριστικός παράγοντας είναι το εύρος ζώνης διαθέσιμο: ακριβώς 100 MHz του φάσματος από 2,5 έως 2,6 gigahertz. Η Ινδία και Arabsat έχουν περιλάβει τους αναμεταδότες S-Band στους δορυφόρους γ-ταινιών τους για να το καταστήσουν οικονομικώς αποδοτικό, να προωθήσουν τα ωφέλιμα φορτία S-Band στη γεωστατική τροχιά. Το 1997, η Ινδονησία θα προωθήσει Indostar 1, ο δορυφόρος παγκόσμιων πρώτος αφιερωμένος S-Band (που φέρνει έναν αναμεταδότη που διαβιβάζει 70 Watt της δύναμης) σε μια τροχιακή ανάθεση 107,7 βαθμών ανατολικού γεωγραφικού μήκους. Η ψηφιακή τηλεοπτική συμπίεση θα το καταστήσει τεχνικά και οικονομικά εφικτό για Indostar να μεταδοθεί ραδιοφωνικά μια πολυδιαυλική συσκευασία TV στους συνδρομητές στην Ινδονησία.
Το Indostar σκοπεύει να χρησιμοποιήσει τις κεραίες που κυμαίνονται από 70cm ως 1m στη διάμετρο για την υποδοχή DTH. Όπως το σχήμα επεξηγεί, συστήματα DTH τέτοια όπως Indostar θα λειτουργήσει μόνο εάν δεν υπάρχει κανένας άλλος παρακείμενος δορυφόρος που χρησιμοποιεί το ίδιο φάσμα συχνότητας. Ακόμη και μια κεραία 1.2m θα είχε τα προβλήματα σε ένα χωρίζοντας κατά διαστήματα το περιβάλλον 3 βαθμών. Η S-Band προσφέρει το πλεονέκτημα της ελάχιστης βροχής και εξασθενίζει τα προβλήματα, μια σημαντική εκτίμηση για τους δορυφορικούς εκφωνητές στην περιοχή ποσοστού παγκόσμιας υψηλότερη βροχής. Αλλά από την άποψη της πραγματοποίησης των σφαιρικών αναγκών δορυφορικών επικοινωνιών στον επόμενο αιώνα, η συμβολή της S-Band θα είναι ελάχιστη.

Μια γέφυρα στον 21ο αιώνα

Δέκα έξι έτη πριν, ο αριθμός των εμπορικών δορυφόρων επικοινωνιών κu-ταινιών που βάζουν τη γη σε τροχιά θα μπορούσε να μετρηθεί από τη χρησιμοποίηση των δάχτυλων ενός χεριού, όμως σήμερα υπάρχουν περισσότεροι από εβδομήντα πέντε δορυφόροι κu-ταινιών σε λειτουργία παγκοσμίως. Μέσα στα προηγούμενα λίγα έτη, οι δορυφορικοί χειριστές έχουν αρχίσει το γενναίο νέο κόσμο σε 20 GHz. Μόνο μερικοί δορυφόροι Κα-ταινιών είναι αυτήν την περίοδο στην τροχιά: ACTS (ΗΠΑ) Superbird και N-STAR (Ιαπωνία), DFS Kopernikus (Γερμανία), και Italsat (Ιταλία). Εντούτοις, αναμένεται η χρήση αυτής της ζώνης υψηλότερης συχνότητας για να αυξηθεί εντυπωσιακά κατά τη διάρκεια της πρώτης δεκαετίας του 21ου αιώνα.