preklad: kata rína bujdošová

1

Návrh satelitného spojenia – časť II

Joe MontanaIT 488 – Fall 2003

Preklad: Katarína Bujdošová

2

Agenda

• Výkon šumu v systéme (Časť II)• Numerické príklady

3

Poďakovanie:

• Dr. James W. LaPean poznámky ku kurzu• Dr. Jeremy Allnutt poznámky ku kurzu

4

Výkon šumu v systéme

5

Výkon šumu v systéme - 1Výkonosť systému je určená C/N pomerom.Priamy vzťah medzi C/N and BER pre digitálne systémy.Zvyčajne: C > N + 10 dBPotrebujeme poznať šumovú teplotu nášho prijímača, aby sme mohli vypočítať N, výkon šumu (N = Pn).Tn(šumová teplota) v Kelvinoch (symbol K):

27395320 FTKT 2730 CTKT

6

Výkon šumu v systéme - 2Výkon šumu je spôsobený zdrojmi tepelného šumu

Externé zdroje na prijímači RX• Šum vysielača na linke• Šum okolia pozorovaný na anténe

Interné zdroje na prijímači RXVýkon dosiahnutý z termálneho šumu je:

kde k = Boltzmanova konštanta= 1.38x10-23 J/K(-228.6 dBW/HzK), Ts je efektívna šumová teplota systému, aB je efektívna šírka pásma systému

(dBW) BkTN s

7

Spektrálna hustota šumuN = K.T.B N/B = N0 je 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.

(dBW/Hz) 0 ss kT

BBkT

BNN

8

Šumová teplota systému1)Šumový výkon systému je úmerný k šumovej

teplote systému2)Šum z rôznych zdrojov je nekorelovaný (AWGN)

Z toho dôvodu môžmePridať výkon šumu z rôznych príspevkovPracovať priamo so šumovou teplotou

Tak:

Ale, musíme:Počítať s efektívnou šumovou teplotou od každého prispievateľaVzťahovať teplotu šumov k tomu istému miestu

Additive White Gaussian Noise - Aditívny biely Gaussov šum

RXstratyLNAantenyvyslanys TTTTTT linky

9

Typický prijímač

(Zdroj: Pratt & Bostian, Kapitola 4, str.115)

10

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 pričítaný pred zariadením)

11

Ekvivalentný model šumu prijímača

(Zdroj: Pratt & Bostian, Kapitola 4, str. 115)

Ekvivalentný model: Ekvivalentný šum Ts je sčítaný a potom vynásobený ekvivalentným ziskom zariadenia, GRFGmGIF

(bezšumovo).

12

Počítanie šumovej teploty systému - 1Šum 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)

(anténa a vstupný zosilňovač)

(zmiešavač)

(medzifrekvencia, IF)

inRFRFmIF

mmIF

IFIFn

TTkBGGGBkTGG

BkTGP

13

Počítanie šumovej teploty systému - 2Vydelíme rovnicu 4.15 pomocou GIFGmGRFkB:

Keď nahradíme model na obr. 4.5a modelom z obr. 4.5b

RFm

IF

RF

minRFRFmIFn GG

TGTTTkBGGGP

(4.16)

BkTGGGP sRFmIFn (4.17)

14

Počítanie šumovej teploty systému - 3Porovnajme 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?

RFm

IF

RF

minRF GG

TGTTTT S (4.18)

15

Znižovanie výkonu šumu

Znížiť B čo možno najviac – práve toľko aby šírka pásma zodpovedala celej šírke pásma signálu (C ).Urobiť TS čo najmenšie

Najnižšie TRFNajnižšie Tin (Ako?)Vysoké GRF

Ak máme dobrý nízkošumový zosilňovač (LNA), t.j., nízke TRF, vysoké GRF, potom nás ostatné časti prijímača až tak nezaujímajú

inRFRFm

IF

RF

minRF TT

GGT

GTTTT

S

16

Znižovanie výkonu šumu Nízkošumový zosilovač

Parametrické zosilňovače (staršia technológia, zložitá a drahá):Chladené (termoelektrický alebo tekutý dusík alebo hélium):

- 4 GHz : 30 K- 11 GHz: 90 K

Nechladené:- 4 GHz : 40 K- 11 GHz: 100 K

Ga AS FET (Gálium Arzenidový tranzistor ovládaný el. poľom): Chladený (termoelektricky): - 4 GHz : 50 K

- 11 GHz: 125 KNechladnený:

- 4 GHz : 50 K- 11 GHz: 125 K

17

Znižovanie výkonu šumu Diskusia o Tin

Pozemné stanice: Antény smerujú do vesmíru ktorý 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.

18

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 slnkoMesiac (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.

Civilizačné zdroje:Doprava, priemyselOstatné pozemné a satelitné systémy pracujúce na tej istej frekvencii záujmu.

19

Šumová teplota antény

Aproximácia tepelného šumu antény pozemskej stanice pri jasnej oblohe (bez dažďa):

Earth Station Antenna - Noise Temperature

15

20

25

30

35

40

45

50

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Elevation Angle (degrees)

Ta (K

)

20

Šum z aktívnych zariadení

Aktívne zariadenia produkujú šum z:Rozptylových strát v aktívnom zariadeníRozptylových strát v podporných obvodochElektrický šum spôsobený aktívnym zariadením

Efektívna teplota aktívneho zariadenia je daná podľa údajov výrobcu

Môže byť meraná niekoľkými metódamiMôže byť (prácne) vypočítanáPredpokladá špecifické impedančné prispôsobenia

Efektívna teplota (takmer) vždy špecifikovaná na vstupe zariadeniaŠum je často udávaný aj ako šumové číslo (viď neskôr)

21

Šum zo stratových prvkov -1Všetky stratové prvky znižujú množstvo energie ktoré je nimi prenášané

Výkon nosnej alebo signáluVýkon šumu

Podiel šumovej teploty na stratách je: G = 1/straty kde G je “zisk” (menší ako 1) stratového prvku,

nazývaný tiež prenos (Pout /Pin) a T0 je fyzikálna teplota strát.Poznámka: teplota je na výstupe strát.

[K] G)-(1TT 0N

22

Šum zo stratových prvkov –2Predpokladajme že stratový prvok má zisk = GL=1/LPoznámka: GL <0 dB (pretože 0 < GL < 1)

T0= fyzikálna teplota

G

Šumový, StratovýS SxG

+N

G

BezšumovýS SxG

+N=kTNB

+

TN Zdroj šumu na výstupe:TN=T0(1-G) [K]

23

Šum zo stratových prvkov –2

G

Šumový, StratovýS SxG

+N

G

BezšumovýS SxG

+N=kTNB

+

TNZdroj šumu na vstupe:T’N = TN/G = T0(1/G-1) [K]

24

Šumové čísloŠumové číslo:

Vyjadruje šumovú teplotu vo vzťahu k referenčnej hodnoteĽahko použiteľné v dB mierach

Definícia :

Prevedené na šumovú teplotu:

T0 = štandardná šumová teplota = 290 KG = zisk siete

)1(0 ne FTT

GBkT

NNSNSF

N

out

out

inN

0//

25

Prevod šumuVšetok šum potrebujeme vzťahovať k spoločnému boduVýstupný výkon bezstratovej antény je referenčným štandardomŠumová teplota sa môže prenášať cez komponenty tak ako výkon, keďže oboje sú v lineárnom vzťahu

To ale platí, iba ak systém je lineárnyPoznámka: prijímacie pásmo musí byť pre signál stále dosť široké!

Ak teploty T2 a T3 sú vzťahované ku vstupu (T1 k výstupu L1) jednotlivých komponentov, potom:

L1 T3

Tin

G2, T2

Ta Tb Tc

321122122

32111

2

32

11

111

11

1 1 1

TTTTGGTGGTGTGTTTGTGTT

GTT

GGTTTTGT

LG

insysasysbsyscinsysasysb

insysaphys

26

Energetická bilancia komunikačného kanála s viacnásobným preskokom

Ak je dostupný pomer C/N každého transpondéroveho linku satelitného repeatra:

pokiaľ šum medzi linkami nie je vo vzájomnom vzťahu (nekorelovaný)Pre linky so spracovaním v základnom pásme:

111

2

1

1

...

ntotal NC

NC

NC

NC

ncelkom BERBERBERBER ...21

27

Toľko substitúcií !!!

rotherpolrataap

rttr LLLLLLL

GGPP

BKTP

NC

s

r

RFm

IF

RF

minRF GG

TGTTTT S

2DG

24

RLp FLa

28

Číselné príklady

29

Šumová teplotaPríklad – 4.2.1

4GHz prijímačTin =Ta =50 KTRF =50 K GRF =23 dB

(=200)Tm =500 K Gm =0 dB (=1)TIF =1000 K GIF =50 dB (=1000)

Tin=50 KGRF=200 Gm=1 GIF=1000

TRF=50 K Tm=500 K TIF=1000 K

Systémová teplota vzťahovaná k tomuto bodu

30

Šumová teplota Príklad – 4.2.1

K

GGT

GTTTT

RFm

IF

RF

minRF

5.10755.25050 1 x 200

10002005005050

S

Riešenie:

31

Šumová teplota Príklad – 4.2.1

Ak mal zmiešavač 10 dB stratyGm = -10 dB (=0.1)

Poznámka: GRFGm je tu príliš malé, takže podiel medzifrekvenčného zosilňovača je veľký.

Ak zaistíme GRF = 50 dB (=105)

KT 5.15220

10002005005050 S

KT 1.100000,10

1000000,100

5005050 S

32

Šumová teplota – stratové prvkyPríklad – 4.2.2

Do pôvodnej úlohy, vložíme stratový vlnovod s 2 dB útlmom medzi anténu a LNA

Tin=50 KGRF=200 Gm=1 GIF=1000

TRF=50 K Tm=500 K TIF=1000 K

Systémová teplota vzťahovaná k tomuto bodu

GL

TL

33

Šumová teplota – stratové prvkyPríklad – 4.2.2

Straty 2 dB, získame GL a TL:

K

GT

dBG

LL

L

3.107 )63.01(290

)1(290

63.058.112

K 8.138 K 3.0710.63 x 05

TG LLain

TT

•Vstupný šumový výkon je zoslabený o 2 dB:Nové Tin:

34

Šumová teplota – stratové prvkyPríklad – 4.2.2

K

GGT

GTTTT

RFm

IF

RF

mRFin

3.19655.2508.138 1 x 200

1000200500508.138

S

Zvýšená zo 107.5 na 196.3 K na tom istom referenčnom bode:

dBTT

BKTBKT

NN

s

s

s

s 6.282.1 1

2

1

2

1

2

35

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 teplota o 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.

36

Anténa - príklad - 13.7.1 Zem je protiľahlá v 17 stupňovom uhle, vzhľadom

na geostacionárnu dráhu .a. Aké majú byť rozmery anténneho reflektora na

zabezpečenie globálneho pokrytia na 4 GHz?b. Aký bude zisk antény pri účinnosti =0.55?

a. 3dB = 17 stupňov

b. =0.55

mD

D

dB

dB

33.017

075.0x7575

75

3

3

dBZiskEdB

23.2065.105177555.075

2

22

3

37

Anténa - príklad - 23.7.1 Kontinentálne Spojené štáty sú protiľahlé „v obdĺžniku” 6 x 3 stupňov.Zistite zisk a rozmery anténneho 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

mDdB

68.030273.0x7575

3

dBZiskdB

2.357.33923

7555.075 22

3

dBZiskEdBAdB

3.323.16963x6

7555.075 2

33

2

mD

D

dBA

E

34.060273.0x7575

0.68m

3

38

Energetická bilancia v rámci celého systému Príklad -14.1.1 Satelit vo vzdialenosti 40 000 km

Vysielaný výkon 2WZisk antény Gt = 17 dB (celkový zväzok)

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)

2215-

2722

dBW/m 143W/m10 x 4.97

) x(4x10450 x 2

44

R

GPR

EIRPF tt

(Riešenie v dB…)

dBW/m2 1431521120114

dB[meter] )10x4(log x 2 R

dBW 20173)(27

102

FdB

GtPtEIRP

39

Energetická bilancia v rámci celého systému Príklad -1b. Prijatý výkon

dBWW 13310 x 4.97 P

10 x )(4.97x10 A x FP14-

r

-15r

(Riešenie v dB…)

dBW 13310)143(

r

r

PAFP

c. Daný zisk Ae = 10 m2 a frekvencia = 11GHz ( rovnica 4.7)

dBAG er 3.52

0273.010 x 4π4

2

40

b. Šumová teplota systému

dBNCNCNC

dBWW

dBWBTKor

KTB

dBdBdB

2.13/)79.119(133/

13310 x 4.97 PC

97.119 99.8682.21 6.228

10 x 500 x 152x 01 x 38.1PN

14-r

623n

Energetická bilancia v rámci celého systému Príklad -1

41

Všeobecné DBS-TV:

Prijatý výkonVýstupný výkon transpondéra 160 W 22.0 dBWZisk smerového anténneho zväzku 34.3 dBPrenosové straty na 12 GHz, 38 500 km trasa -205.7 dBZisk smerovej prijímacej antény 33.5 dBOkraj zväzku -3.0 dBRozličné straty -0.8 dBPrijatý výkon C -119.7 dBW

Energetická bilancia v rámci celého systému Príklad -2

42

Šumový výkonBoltzmannova konštanta k -228.6

dBW/K/HzŠumová teplota systému v čistom vzduchu 143 K 21.6 dBKŠumové pásmo prijímača 20MHz 73.0

dBHzŠumový výkon N -134.0 dBW C/N v čistom vzduchu 14.3 dBSignálová rezerva nad prahom 8.6 dB 5.7 dBPrístupnosť linky pre celé US lepšia než 99.7

%

Energetická bilancia v rámci celého systému Príklad -2