INTRODUCERE

Au fost timpuri in care, comunicatiile radio au reprezentat una dintre putinele metode pentru realizarea comunicarii instantanee. Toti am vazut filmele alb-negru de razboi, in care operatorii radio trimiteau mesaje in codul Morse, utilizand echipamente radio. Dupa cel de-al II-lea Razboi Mondial, industria comunicatiilor s-a dezvoltat pe alte tehnologii, inregistrandu-se primele succese in perioada 1960-1970. In prezent, domeniul undelor radio de inalta frecventa (high frequency - HF), cunoscute si sub denumirea de unde scurte, inregistreaza o crestere importanta, datorita unor noi tehnologii.

Tehnologia radio a aparut odata cu publicarea in 1873 a Tratatului asupra Electricitatii si Magnetismului de catre James Clerk Maxwell, care a pus bazele teoriei propagarii undelor electromagnetice.

Dar, primele unde radio au fost detectate abia 15 ani mai tarziu. In 1888, Heinrich Rudolph Hertz (cel de la care provine numele unitatii frecventei) demonstreaza ca perturbatiile generate de scanteia unei bobine de inductie, prezinta caracteristicile undelor radio, asa cum sunt ele descrise de catre Maxwell. Munca acestuia este continuata de catre Guglielmo Marconi in experimentele telegrafului fara fir, care utiliza codul Morse. Pana in 1896, Marconi transmitea mesaje pe o distanta de cativa kilometri.

In aceasta perioada, se considera ca undele radio circula prin atmosfera in linie dreapta si prin urmare, nu sunt folositoare pentru comunicatiile dincolo de orizont (over - the - horizon - OTH). Aceasta parere nu l-a descurajat pe Marconi, care a devenit primul om ce a demonstrat transmiterea undelor radio pe distante mari. In 1901 in Newfoundland, Canada, el a detectat un semnal telegrafic transmis din Cornwall, Anglia, de la 3000 kilometri departare. Pentru antena el a utilizat fire de 120 metri lungime tinute ridicate de un simplu zmeu.

Succesul lui Marconi a generat un efort intens pentru explicarea si exploatarea descoperirii sale. La intrebarea cum pot fi receptionate undele radio pe suprafata pamantului, a raspuns Edward Appelton. Acesta a fost un fizician englez, care a descoperit ca un strat incarcat electric sau particulele ionizate din atmosfera pamantului (ionosfera), sunt capabile sa reflecte undele radio. Pana in anul 1920, oamenii de stiinta au testat aceasta teorie si au gasit metode de masurare a proprietatilor reflective a ionosferei.

In timp, caracteristicile propagarii undelor radio de inalta frecventa (HF) au fost mai bine intelese. Operatorii au aflat de exemplu, ca

frecventele utilizabile variau considerabil odata cu trecerea timpului sau cu schimbarea anotimpului.

Tehnologia HF s-a dezvoltat repede. Pana dupa al II-lea Razboi Mondial, radioul HF a fost principalul mijloc de comunicatie pe distante lungi in domeniul militar deoarece permitea comunicarea cu "pamantul", "marea" sau "aviatia".

In mainile unui operator talentat, cu ani de experienta si intelegand efectele propagarii in ionosfera, radioul HF a permis legaturi pe mii de kilometrii. Astazi, radioul HF joaca un rol important in comunicatiile la scara nationala printr-un sistem necostisitor si rapid.

Comunicatiile pe distante mari, utilizand satelitii lansati in anii 1960, au generat o perioada de scadere a interesului fata de radioul HF. Satelitii permiteau utilizarea mai multor canale si transmiterea mai rapida a datelor. In plus, legaturile prin satelit elimina necesitatea unor operatori foarte bine instruiti.

Pe masura ce s-au dezvoltat comunicatiile pe distante lungi utilizand sateliti, radioul HF a trecut pe o pozitie secundara.

Cu timpul, a devenit evident faptul ca satelitii (cu toate avantajele lor) au limitari importante. Utilizatorii militari au devenit ingrijorati de vulnerabilitatea satelitilor in ceea ce priveste pagubele generate de blocarea acestora. Mai mult, satelitii si infrastructura acestora sunt foarte scump de construit si intretinut.

In deceniul '90, s-a observat o crestere a interesului fata de radioul HF. Cercetarea si dezvoltarea in acest domeniu s-au intensificat si au aparut noi generatii de echipamente HF automatizate. Aceste sisteme au adus imbunatatiri spectaculoase in ceea ce priveste stabilitatea legaturilor, eliminand in acelasi timp procedurile greoaie de operare, caracteristice echipamentelor din generatiile mai vechi. Astazi, statiile HF adaptive, sunt la fel de usor de utilizat ca si telefoanele mobile.

Totusi, ideea conform careia radioul HF este o tehnologie complexa, continua sa persiste. Aceasta idee persista deoarece unii operatori isi amintesc cum era tehnologia HF traditionala.

Asa cum arata si acest capitol, HF este considerat un mijloc competitiv si robust pentru comunicarea pe distante lungi, oferind posibilitati multiple. In aceasta introducere asupra comunicatiilor HF vom prezenta informatii care vor ajuta la intelegerea tehnologiei moderne HF. Vom explica principiile radioului HF, vom discuta despre aplicatiile specifice si apoi vom analiza viitorul comunicatiilor HF.

PRINCIPIILE COMUNICATIILOR RADIO

Semnalele radio se transmit de la antena de emisie, ca unde care se propaga prin spatiu cu viteza luminii.

Frecventa radio este exprimata in hertzi (cicli pe secunda), kilohertzi (mii de hertzi) sau megahertzi (milioane de hertzi).

Comunicatiile radio pe distante lungi, se fac pe frecvente inalte (HF) de la 1,6 la 30 MHz. Pozitiile diferite in cadrul acestei benzi, sunt alocate serviciilor radio specifice, in baza unor acorduri internationale.

Modulatia este procesul prin care, faza, amplitudinea sau frecventa unui semnal de emisie, este modificata pentru a exprima niste informatii.

Undele radio HF se pot propaga ca unde spatiale ce se refracta din ionosfera pamantului, permitand comunicatiile pe distante lungi.

IONOSFERA SI PROPAGAREA UNDELOR RADIO HF

Ionosfera este o zona de particule sau gaze incarcate electrostatic din atmosfera pamantului, intinzandu-se de la 50 la 600 km (aproximativ de la 30 la 375 mile) deasupra suprafetei pamantului.

Exista straturi cu diferite densitati in ceea ce priveste numarul electronilor din ionosfera, care absorb, transmit sau reflecta undele radio, in functie de densitatea stratului, de unghiul sub care undele radio il lovesc si de frecventa semnalului.

Ionizarea, cauzata de radiatiile solare, indeparteaza electronii din atomi, producand particule cu sarcina electrica.

Densitatea straturilor din ionosfera variaza odata cu intensitatea radiatiilor solare, care se schimba in functie de momentul zilei, de anotimp si de ciclul petelor solare.

Unghiul radiatiei este determinat de lungimea undei unui semnal si de tipul de antena folosit.

Undele radio sunt absorbite pe masura ce trec prin ionosfera. Viteza de absorbtie creste pe masura ce frecventa scade.

Comunicarea se realizeaza mai bine la frecventa de emisie optima (FTO), care reprezinta in mod normal 85% din frecventa maxima utilizabila (MUF).

Petele solare cresc si descresc intr-un ciclu de 11 ani. Un numar mare de pete solare sporeste gradul de ionizare, iar un numar mai mic duce la o ionizare scazuta.

Exploziile solare cauzeaza deranjamente ionosferice bruste (SID) care pot obstructiona comunicatiile HF.

Tehnicile de prognozare a propagarii, cum ar fi IONOCAP, determina frecventele MUF, LUF si FTO, pentru o cale de emisie anume si pentru un moment dat al zilei. Alte metode includ analiza ecourilor provenite de la ionosfera si Analiza Calitatii Legaturii (LQA).

ELEMENTELE DIN COMPUNEREA UNUI SISTEM RADIO HF

Un sistem radio consta din emitator, receptor si antena.

Grupul de emisie consta dintr-un oscilator/excitator si un amplificator de putere. Excitatorul include un modulator, un generator al purtatoarei si un convertor de frecventa.

Grupul receptor consta dintr-un filtru/amplificator RF de intrare, convertori de frecventa, amplificatori de IF, demodulator si oscilator local.

Selectarea antenei este esentiala pentu a obtine o comunicatie HF reusita. Tipurile de antene includ antena nesimetrica, dipolul si tipuri de antene directive.

Un circuit de adaptare (cuplor) de antena adapteaza impedanta antenei cu cea a emitatorului, asigurand transferul puterii maxime catre antena.

Castigul unei antene este o masura a directivitatii acesteia, a abilitatii acesteia de a focaliza radiatia energiei intr-o anumita directie.

Caracteristicile de radiatie ale antenelor sunt formate din nuluri (zone de radiatie slaba) si lobi (zone de radiatie puternica).

Unghiurile de lansare mici ale antenei, sunt in general utilizate pentru o gama larga de comunicatii; unghiurile de lansare mari, sunt folosite pentru o categorie mai redusa de comunicatii.

ZGOMOTUL SI INTERFERENTELE

Sursele naturale (atmosferice) si cele create de om, genereaza zgomot si interferenta.

Fulgerele reprezinta cauza primara a zgomotului atmosferic; cablurile de curent, terminalele si instalatiile industriale reprezinta cauza primara a zgomotului creat de om.

Aglomerarea emitatoarelor HF cu un spectru radio limitat, la o gama relativ redusa de frecvente genereaza interferente. In general, este cel mai rau este in timpul noptii pe undele de frecventa joasa.

Emitatorii de distributie interfereaza unul cu celalalt, precum si cu receptorii apropiati.

Bruiajul sau interferenta voita rezulta din transmiterea frecventelor operationale cu intentia de a intrerupe comunicatiile.

Interferenta pe mai multe cai genereaza suprapunerea semnalului.

TRANSMISII DE DATE PRIN LEGATURI RADIO HF

Transmisia de date necesita utilizarea modemurilor pentru a converti datele digitale in forma analoga pentru transmitere, si pentru a converti datele din forma analoga in forma digitala la receptie.

Modemurile HF sunt clasificate ca FSK de viteza joasa, modulatie paralela de inalta viteza, sau modulatie seriala de inalta viteza.

Modemurile cu modulatie seriala furnizeaza comunicatii de date mult imbunatatite pe canalele HF, incluzind si o rata de transfer inalta, impreuna cu o puternica corectie premergatoare a erorii (FEC), o putere mai mare si sensibilitate redusa la interferenta.

Sistemele FEC asigura o corectie a erorii, fara necesitatea unei confirmari.

Intercalarea este o tehnica care intretese aparitia erorilor, permitind sistemelor FEC sa lucreze mai eficient.

Decodarea prin decizie de program, reduce si mai mult rata erorii la nivel de bit, prin compararea grupului de simboluri care memoreaza caracterul lor analog, cu un set de posibile cuvinte cod, care pot fi transmise.

Un vocoder converteste semnalele vocale in date digitale, pentru transmisii codate pe canale HF.

Egalizatorul automat de canal si filtrul adaptiv de taiere, sunt tehnici de procesare a semnalului care imbunatatesc performanta comunicatiilor de date.

TEHNOLOGIA RADIO ADAPTIVA

Tehnologia radio adaptiva, permite sistemelor radio HF moderne sa se adapteze automat, la modificarea conditiilor de propagare.

Stabilirea Legaturii Automate (ALE - Automatic Link Establishment), face posibil ca radiourile HF sa se conecteze fara asistenta unui operator.

Analiza Calitativa a Legaturii (LQA - Link Quality Analysis) este o metoda de evaluare a calitatii canalului, astfel incat sa apara conexiuni doar pe cele mai bune canale / frecvente.

Sunt disponibile si alte tehnici adaptive automate.

PROTECTIA COMUNICATIILOR

COMSEC foloseste criptografia sau amestecarea, pentru a face informatia de neinteles, pentru acele persoane care nu au nevoie sa o stie sau care nu ar trebui sa o stie.

- Nivelul de securitate al unui sistem COMSEC, depinde de fundamentarea matematica a algoritmilor si de numarul de variabile existente in cheie.

- Protectia cheii este vitala pentru securitatea informatiei transmise.

- Criptografia cu chei publice, este folosita pe scara larga in sectorul comercial.

Recodificarea in direct (OTAR) elimina necesitatea incarcarii manuale a cheilor si furnizeaza o metoda de securitate mai mare a managementului cheii.

TRANSEC protejaza semnalul transmis, pentru a preveni detectarea semnalului sau blocarea caii de emisie.

Sistemele cu probabilitate redusa de detectare (LPD), folosesc spectrul imprastiat si alte tehnici, pentru "a ascunde semnalul sub nivelul zgomotului natural".

Sistemele radio cu probabilitate redusa de interceptare (LPI), transmit date digitale comprimate in serii scurte sau peste un interval larg de banda.

Sistemele radio cu salt de frecventa, tranziteaza rapid, la unison de la o frecventa la alta, dupa un model aparent aleator, utilizand referinte de timp comune.

SISTEME "HF" SI APLICATII

Modemul radio HF este mic si usor. Trasaturile si abilitatile, care inainte necesitau echipament suplimentar, acum sunt introduse in transmitatorul radio.

Radioul HF joaca un rol important in sistemele de telecomunicatii moderne cu raza lunga de actiune, deseori in legatura cu alte mijloace, cum ar fi satelitii, retelele de telefonie mobila si liniile terestre de telefonie.

Este necesara o strategie de abordare a sistemelor pentru a obtine cele mai bune rezultate in proiectarea unei retele de comunicatii radio HF moderna.

DIRECTII DE DEZVOLTARE

Azi, si in viitor, radioul HF indeplineste doua roluri. In primul rand, este mijlocul principal de realizare a comunicatiilor pe distante mari, atunci cand este nevoie de un sistem mobil sau usor de desfasurat, pentru a sprijini urgente sau operatiuni militare. In al doilea rand, este o alternativa si

un sprijin pentru alte mijloace de comunicatii, cum ar fi sistemele de telefonie si satelitii. In oricare din aceste calitati, radioul HF trebuie sa sustina o mare diversitate de trafic, incluzand transmisii de voce, date si imagini.

Inovatiile in privinta procesarii semnalului digital, vor duce la imbunatatiri permanente ale echipamentelor si sistemelor HF. Mai ales, ne asteptam sa vedem inovatii in urmatoarele domenii

Performante ALE

Dispozitivele de viteza mare permit analize mai precise si calitatea legaturii mai buna, cat si o selectie a frecventei mai buna si mai rapida. De asemenea, ratele datelor unui sistem ALE superior, permit transmisia mai rapida si calitativ superioara a informatiei, pe canalul de comunicatie.

Proiectarea modemului

Imbunatatirile egalizarii adaptive a canalelor, va permite cresteri ale ratelor de transmisie a bitilor pe canal, de pana la 9600 bps pentru un canal de 3 KHz, furnizand comunicatii HF avantajoase din punct de vedere economic, in raport cu alte medii de realizare a comunicatiilor pe distante mari. De asemanea, pentru anumite aplicatii cu restrictii mai putin severe care permit largimi de banda de peste 3 KHz, pot fi atinse rate de transmisie de 64 kbps pe canale HF.

Inovatiile in domeniul dispozitivelor DSP imbunatatesc filtrarea adaptiva, care la randul ei combate interferentele si bruiajul neintentionat. Capacitatile modemului se vor extinde astfel incat formele undelor vor fi optimizate pentru folosire, nu numai cu HF, dar si pentru alte frecvente, in urmatoarea generatie de radiouri, cu multi-banda.

Retele

Imbunatatirile realizate in performantele sistemelor HF si in tehnologia bazata pe computer, furnizeaza retele care ating niveluri de comunicatii fiabile, prin redirectionarea automata a mesajului si tehnici adaptive de semnalizare. Proiectarea retelei include moduri de determinare periodica a calitatii legaturii, in fiecare pereche a statiilor sale, pentru fiecare dintre frecventele destinate lor, si transmit aceasta informatie catre toate nodurile, astfel incat sa redirectioneze mesajele automat. Astfel, daca statia A transmite un mesaj catre B , un algoritm de rutare determina daca, comunicatia punct-spre-punct este posibila sau daca mesajul de la A catre B trebuie sa fie redirectionat prin alte statii.

Capacitatea de a transfera informatia in cadrul unei retele, permite transferul simultan al mai multor mesaje sau grabeste transferul mesajelor lungi. De exemplu, mai multe modemuri radio dintr-o statie, transmit simultan mesaje catre diferite destinatii, pe diferite canale. De asemenea, un mesaj lung poate fi impartit astfel incat, portiuni din el pot fi transmise in paralel. Daca largimea de banda a canalului creste peste restrictia normala de 3KHz (care necesita un acord international) , imbunatatirea tehnicilor de egalizare a canalului in timp real, vor permite rate de transfer ale datelor considerabil mai mari decat rata curenta de 9600 bps.

Modemul radio HF devine un element din ce in ce mai important in retelele multimedia care includ linii de transmisie terestre, VHF si UHF. Imbunatatirile recente si proiectate ale tehnologiei comunicatiilor HF, reduc semnificativ constrangerile asupra trecerii informatiei prin retele care includ legaturi radio HF.

Proiectarea emisiei radio

Echipamentele radio vor continua sa se orienteze catre proiectari multi-banda, pornind de la MF spre UHF, intr-un singur echipament radio.

Circuitele digitale vor continua sa inlocuiasca circuitele analogice, reflectandu-se in costuri mai mici si proiectari mai adaptabile si stabile. Circuitele de procesare digitale vor folosi frecvente din ce in ce mai mari si convertoare analogice-digitale de viteza mai mare, pe masura ce alte circuite DSP vor deveni disponibile.

Adaptivitatea, care a devenit posibila datorita "treceri la digital", permite modemurilor radio sa fie reprogramate repede pentru operatii in moduri banda larga, rezultand noi niveluri de performanta, cum ar fi rate de transfer ale datelor mai mari si capacitati imbunatatite de salt in frecventa.

Standarde

Standardele de comunicare HF create de guvernul SUA, NATO si alte organizatii, influenteaza puternic proiectarea echipamentelor si sistemelor HF. Aceste standarde se regasesc in instructiunile echipamentelor, crearea formei semnalelor, protocoale de comunicatii si de control prin computer. Ele sunt utilizate in:

Asigurarea interoperabilitatii intre sistemele folosite de diferite organizatii.

Reduce ambiguitatea descrierii echipamentelor si sistemelor, asigurand un limbaj comun pentru instructiunile echipamentelor si pentru definirea mediului de operare.

Permite o comparare mai exacta intre diferitele echipamente, stabilind conditii de testare.

Cateva dintre cele mai importante standarde de comunicatii radio HF sunt:

Standardul Federal 1045A, Stabilirea Automata a Legaturilor Radio HF. Descrie caracteristicile statiilor radio automate, incluzand scanarea frecventei, apelarea selectiva, ALE, LQA si sondarea, care asigura interoperabilitatea dintre sistemele radio.

Standardul Federal 1052, Modemurile Radio HF. Stabileste obiectivele de proiectare pentru modemurile de date si performantele cerute pentru un protocol compatibil cu standardele ALE stabilite de FED-STD 1045A.

Aliniatul 1 din MIL-STD-188-100, Cantitatea Comuna de Transfer (CLH - Common Long Haul) si Standardele Tehnice ale Sistemelor de Comunicare Logistica. Defineste cerintele pentru interconectarea lungimii de transfer si a sistemelor logistice pentru serviciul de voce si de date.

MIL-STD-188-110A, Standardele de Performanta si Interoperabilitate pentru Modemurile de Date. Stabileste cerinte si obiective de proiectare care servesc niveluri specifice de performanta a modemurilor de date pe frecvente vocale utilizate in sistemele de comunicatii.

MIL-STD-188-141A, Standarde de Performanta si Interoperabilitate pentru Echipamente Radio de Medie si Inalta Frecventa. Defineste cerintele si obiectivele de proiectare care asigura interoperabilitatea si niveluri specifice de performanta pentru echipamente radio HF. Include detalii cu privire la implementarea sistemelor ALE, forma undei, structuri ale semnalului, protocoale si LQA.

NATO STANG 4285, Caracteristici ale Modularii/ Demodularii in Ton Simplu, pentru Legaturi Radio HF de 1200/2400/3600 bps. Defineste parametrii care asigura interoperabilitatea intre modemurile de ton simplu, create pentru comunicatii prin legaturi radio HF, la rate de transfer a bitilor de 1200, 2400 sau 3600 bps.

NATO STANAG 4529, Modificari ale NATO STANAG 4285 pentru transfer de date si voce, in latimea de banda de 1240 Hz.