420 likes | 630 Views
Návrh satelitného sp o jenia – časť II Joe Montana IT 488 – Fall 2003. Preklad: Kata rína Bujdošová. Agenda. Výkon šumu v systéme ( Časť II) Numerické príklady. Poďakovanie :. Dr. James W. LaPean poznámky ku kurzu Dr. Jeremy Allnutt poznámky ku kurzu. Výkon šumu v systéme.
E N D
Návrh satelitného spojenia – časť II Joe Montana IT 488 – Fall 2003 Preklad: Katarína Bujdošová
Agenda • Výkon šumu v systéme (Časť II) • Numerické príklady
Poďakovanie: Dr. James W. LaPean poznámky ku kurzu Dr. Jeremy Allnutt poznámky ku kurzu
Výkon šumu v systéme - 1 • Výkonosť systému je určená C/N pomerom. • Priamy vzťah medzi C/N and BER pre digitálne systémy. • Zvyčajne: C > N + 10 dB • Potrebujeme poznať šumovú teplotu nášho prijímača, aby sme mohli vypočítať N, výkon šumu (N = Pn). • Tn(šumová teplota) v Kelvinoch (symbol K):
Výkon šumu v systéme - 2 • Výkon šumu je spôsobený zdrojmi tepelného šumu • Externé zdroje na prijímači RX • Šum vysielača na linke • Šum okolia pozorovaný na anténe • Interné zdroje na prijímači RX • Výkon dosiahnutý z termálneho šumu je: kdek = Boltzmanova konštanta = 1.38x10-23 J/K(-228.6 dBW/HzK), Tsje efektívna šumová teplota systému, aB je efektívna šírka pásma systému
Spektrálna hustota šumu • N = K.T.B N/B = N0je spektrálna hustota šumu (hustota výkonu šumu na hertz): • N0 = spektrálna hustota šumu je konštantná až do 300GHz. • Všetky telesá s Tp >0K vyžarujú mikrovlnovú energiu.
Šumová teplota systému 1) Šumový výkon systému je úmerný k šumovej teplote systému 2) Šum z rôznych zdrojov je nekorelovaný (AWGN) • Z toho dôvodu môžme • Pridať výkon šumu z rôznych príspevkov • Pracovať priamo so šumovou teplotou • Tak: • Ale, musíme: • Počítať s efektívnou šumovou teplotou od každého prispievateľa • Vzťahovať teplotu šumov k tomu istému miestu Additive White Gaussian Noise- Aditívny biely Gaussov šum
Typický prijímač (Zdroj: Pratt & Bostian, Kapitola 4, str.115)
Model šumu (Zdroj: Pratt & Bostian, Kapitola 4, str.115) Šum je pridaný a potom násobený ziskom zariadenia (kde predpokladáme, že zariadenie je bezšumové, pretože šum bol už pričítanýpred zariadením)
Ekvivalentný model šumu prijímača (Zdroj: Pratt & Bostian, Kapitola 4, str. 115) Ekvivalentný model: Ekvivalentný šum Ts je sčítanýa potom vynásobený ekvivalentným ziskom zariadenia, GRFGmGIF (bezšumovo).
= P G kT B (medzifrekvencia, IF) n IF IF + G G kT B (zmiešavač) IF m m ( ) + + G G G kB T T (anténa a vstupný zosilňovač) IF m RF RF in Počítanie šumovej teploty systému - 1 • Šum prijímača vzniká z niekoľkých zdrojov. • Potrebujeme metódu, ktorá zredukuje niekoľko zdrojov do jedného ekvivalentného zdroja šumu na vstupe prijímača. • Použitie modelu na obr. 4.5a dáva: (4.15)
Počítanie šumovej teploty systému - 2 • Vydelíme rovnicu 4.15 pomocou GIFGmGRFkB: • Keď nahradíme model na obr. 4.5a modelom z obr. 4.5b (4.16) (4.17)
Počítanie šumovej teploty systému - 3 • Porovnajme Pn v rovnici 4.16 a 4.17: • Pretože C je stále malé, čo nemôžeme zmeniť, N musí byť minimalizované. • Ako môžeme urobiť N čo najmenšie? (4.18)
Znižovanie výkonu šumu • Znížiť B čo možno najviac – práve toľko aby šírka pásma zodpovedala celej šírke pásma signálu (C ). • Urobiť TSčo najmenšie • Najnižšie TRF • Najnižšie Tin (Ako?) • Vysoké GRF • Ak máme dobrý nízkošumový zosilňovač (LNA), t.j., nízke TRF, vysoké GRF, potom nás ostatné časti prijímača až tak nezaujímajú
Znižovanie výkonu šumuNízkošumový zosilovač • Parametrické zosilňovače (staršia technológia, zložitá a drahá): Chladené (termoelektrickýalebo tekutý dusík alebo hélium): - 4 GHz : 30 K - 11 GHz: 90 K Nechladené: - 4 GHz : 40 K - 11 GHz: 100 K • Ga AS FET (GáliumArzenidovýtranzistor ovládaný el. poľom): Chladený (termoelektricky):- 4 GHz : 50 K - 11 GHz: 125 K Nechladnený: - 4 GHz : 50 K - 11 GHz: 125 K
Znižovanie výkonu šumuDiskusia o Tin • Pozemné stanice: Antény smerujú do vesmíruktorý sa javí ako studený a produkuje malé množstvo teplotného šumu (okolo 50K). • Satelity: antény vyžarujúce smerom k Zemi (okolo 300 K): • Vyrábať nízkošumové zosilňovače s nízkou šumovou teplotou nie je vždy ekonomické. • Výhodnejšie je zmenšovanie veľkosti a hmotnosti.
Šumová teplota antény • Prispieva k Tin • Prírodné zdroje (šum pozadia): • Kozmický šum (hviezdna a medzihviezdna hmota) sa znižuje s frekvenciou, (zanedbateľne nad 1GHz). Niektoré časti oblohy majú doslova „horúce zdroje” (hot sky – horúca obloha). • Slnko (T 12000 f-0.75 K): nasmerovanie antén pozemských staníc mimo slnko • Mesiac (tmavý žiarič): 200 to 300K ak je nasmerovaná priamo na neho. • Zem (satelit) • Prenosové médium (napr.dážď, kyslík, vodná para): šum je znižovaný pri zväčšujúcom sa elevačnom uhle. • Civilizačnézdroje: • Doprava, priemysel • Ostatné pozemné a satelitné systémypracujúce na tej istej frekvencii záujmu.
Šumová teplota antény • Aproximácia tepelného šumu antény pozemskej stanice pri jasnej oblohe (bez dažďa):
Šum z aktívnych zariadení • Aktívne zariadenia produkujú šum z: • Rozptylových strát v aktívnom zariadení • Rozptylových strát v podporných obvodoch • Elektrický šum spôsobený aktívnym zariadením • Efektívna teplota aktívneho zariadenia jedaná podľa údajov výrobcu • Môže byť meraná niekoľkými metódami • Môže byť (prácne) vypočítaná • Predpokladá špecifické impedančné prispôsobenia • Efektívna teplota (takmer) vždyšpecifikovaná na vstupe zariadenia • Šum je často udávaný aj ako šumové číslo (viď neskôr)
Šum zo stratových prvkov -1 • Všetky stratové prvkyznižujú množstvo energie ktoré je nimi prenášané • Výkon nosnej alebo signálu • Výkon šumu • Podiel šumovej teploty na stratách je: G = 1/straty kde G je “zisk” (menší ako 1) stratového prvku, nazývaný tiež prenos (Pout /Pin) aT0 jefyzikálna teplota strát. • Poznámka: teplota je na výstupe strát.
G Šum zo stratových prvkov –2 Predpokladajme že stratový prvok má zisk = GL=1/L Poznámka: GL <0 dB (pretože 0 < GL < 1) T0= fyzikálna teplota Šumový, Stratový SxG + N S Bezšumový SxG + N=kTNB S G + TN Zdroj šumu na výstupe: TN=T0(1-G) [K]
G Šum zo stratových prvkov –2 Šumový, Stratový SxG + N S Bezšumový SxG + N=kTNB S G + Zdroj šumu na vstupe: T’N = TN/G = T0(1/G-1) [K] TN
Šumové číslo • Šumové číslo: • Vyjadruje šumovú teplotu vo vzťahu k referenčnej hodnote • Ľahko použiteľné v dB mierach • Definícia : • Prevedené na šumovú teplotu: T0 = štandardná šumová teplota = 290 K G = zisk siete
Prevod šumu • Všetok šum potrebujeme vzťahovať k spoločnému bodu • Výstupný výkon bezstratovej antény je referenčným štandardom • Šumová teplota sa môže prenášať cez komponenty tak ako výkon, keďže oboje sú v lineárnom vzťahu • To ale platí, iba ak systém je lineárny • Poznámka: prijímacie pásmomusí byť pre signál stále dosť široké! • Ak teploty T2 a T3sú vzťahované ku vstupu (T1k výstupuL1) jednotlivých komponentov, potom:
Energetická bilancia komunikačného kanála s viacnásobným preskokom • Ak jedostupný pomer C/N každého transpondéroveho linkusatelitného repeatra: pokiaľ šum medzi linkami nie je vo vzájomnom vzťahu (nekorelovaný) • Prelinky so spracovaním v základnom pásme:
Šumová teplotaPríklad – 4.2.1 • 4GHz prijímač Tin =Ta =50 K TRF =50 K GRF =23 dB (=200) Tm =500 K Gm =0 dB (=1) TIF =1000 K GIF =50 dB (=1000) Systémová teplota vzťahovaná k tomuto bodu Tin=50 K GIF=1000 Gm=1 GRF=200 TIF=1000 K Tm=500 K TRF=50 K
Šumová teplota Príklad – 4.2.1 • Riešenie:
Šumová teplota Príklad – 4.2.1 • Ak mal zmiešavač 10 dB straty Gm = -10 dB (=0.1) Poznámka: GRFGmje tu príliš malé, takže podiel medzifrekvenčného zosilňovača je veľký. • Akzaistíme GRF = 50 dB (=105)
Šumová teplota – stratové prvkyPríklad – 4.2.2 • Do pôvodnej úlohy, vložímestratový vlnovods 2 dB útlmommedzi anténu a LNA Systémová teplota vzťahovaná k tomuto bodu Tin=50 K GIF=1000 GL Gm=1 GRF=200 TIF=1000 K Tm=500 K TL TRF=50 K
Šumová teplota – stratové prvkyPríklad – 4.2.2 • Straty 2 dB, získame GL a TL: • Vstupný šumový výkon je zoslabený o 2 dB: • Nové Tin:
Šumová teplota – stratové prvkyPríklad – 4.2.2 • Zvýšená zo 107.5 na 196.3 K na tom istom referenčnom bode:
Šumová teplota – stratové prvkyPríklad – 4.2.2 • Vložením 2 dB straty pred prijímač sa zníži prijatý výkon nosnej C o 2 dB a zväčší šumová teplotao 88.8 K, zo 107.5 K na 196.3 K (porovnaním k tomu istému referenčnému bodu). • N sa zvýši o 2.6 dB. • C znížené o 2 dB. • Výsledok: C/N bolo znížené o 4.6 dB! Poučenie: Straty pred LNA musia byť udržané veľmi malé.
Anténa - príklad - 1 3.7.1 Zem je protiľahlá v 17 stupňovom uhle, vzhľadom na geostacionárnu dráhu . • Aké majú byť rozmery anténneho reflektora na zabezpečenie globálneho pokrytia na 4 GHz? • Aký bude zisk antény pri účinnosti =0.55? • 3dB= 17 stupňov • =0.55
Anténa - príklad - 2 3.7.1 KontinentálneSpojené štáty sú protiľahlé „v obdĺžniku” 6 x 3 stupňov. Zistitezisk a rozmeryanténneho reflektora na zabezpečenie globálneho pokrytia na 11 GHz? a. Použitím 2 antén (3x3 stupňov) b. Použitím iba 1 antény (3 x 6 stupňov) a. 3dB= 3 stupňov b. 3dBA = 6 stupňov 3dBE = 3 stupňov
Energetická bilancia v rámci celého systému Príklad -1 4.1.1 Satelit vo vzdialenosti 40000 km Vysielaný výkon 2W Zisk antény Gt = 17 dB (celkovýzväzok) Vypočítajte: a. hustotu toku na zemskom povrchu b. Výkon prijatý anténou s efektívnou plochou 10m2 c. Zisk prijímacej antény. d. Prijaté C/N za predpokladu že Ts =152 K, a Bw =500 MHz a. Použitím rovnice 4.3: (Gt=17dB=50) (Riešenie v dB…)
Energetická bilancia v rámci celého systému Príklad -1 b. Prijatý výkon (Riešenie v dB…) • c. Daný zisk Ae = 10 m2 a frekvencia = 11GHz ( rovnica 4.7)
Energetická bilancia v rámci celého systému Príklad -1 b. Šumová teplota systému
Energetická bilancia v rámci celého systému Príklad -2 Všeobecné DBS-TV: Prijatývýkon Výstupný výkon transpondéra 160 W 22.0 dBW Zisk smerového anténneho zväzku 34.3 dB Prenosové stratyna 12 GHz, 38500 km trasa -205.7 dB Zisk smerovej prijímacej antény 33.5 dB Okraj zväzku -3.0 dB Rozličné straty -0.8 dB Prijatý výkon C -119.7 dBW
Energetická bilancia v rámci celého systému Príklad -2 Šumový výkon Boltzmannova konštanta k -228.6 dBW/K/Hz Šumová teplota systému včistom vzduchu 143 K21.6 dBK Šumové pásmo prijímača 20MHz73.0 dBHz Šumový výkon N-134.0 dBW C/N v čistom vzduchu14.3 dB Signálová rezerva nadprahom 8.6 dB 5.7 dB Prístupnosť linky pre celé US lepšia než 99.7 %