1

Návrh satelitnej linky

Joe MontanaIT 488 - Fall 2003

preklad: Janka Benčová – FEI – TU v Košiciach

2

Agenda

• Základná teória prenosu

• Logaritmické miery - decibely

• Energetický rozpočet spojenia

• Výkon šumu systému (Časť 1)

3

Základná teória prenosu

4

Parametre energetickej bilancie spojeniaVýkon vysielača na anténeZosilnenie antény v porovnaní s izotropným žiaričomEIRP - Ekvivalentný izotropný vyžarovaný výkonIntenzita toku v mieste prijímačaStrata cesty voľným priestoromŠumová teplota systémuSystémový zisk prijímacieho systému (pomer zisku a šumovej teploty)Vzťah prenosu k teplotného šumu (kvalita príjmu)Pomer nosnej a hustoty šumuVzťah prenosu a šumu

5

Izotropný vysielač Posudzovaný Izotropný zdroj (presný žiarič) vyžaruje Pt Watty rovnomerne do voľného priestoru.

Vo vzdialenosti R, oblasť guľovej plochy so stredom v zdroji je 4R2

Hustota toku vo vzdialenosti R je daná vzťahom 4.1

24 R

PF t

W/m2 (4.1)

6

Izotropný vysielač 2

24 R

PF t

W/m2

Pt Watt

Vzdialenosť R

Izotropný zdroj

Sila hustoty toku:Oblasť povrchu

gule = 4R2

obklopená Pt.

7

Zosilnenie AntényPotrebujeme smerové antény pre smerovanie výkonu požadovaným smerom.Definovať zosilnenie antény ako zvýšenie výkonu v danom smere v porovnaní s izotropnou anténou.

4/

)()(

0P

PG (4.2)

• P() je variácia výkonu v závislosti od uhla.

• G() je zosilnenie v smere .

• P0 je celkový prenesený výkon.

• guľa = 4radianty

8

Zosilnenie Antény 2Anténa má zosilnenie každým smerom! Termín zosilnenie môže byť niekedy metúci.

Zvyčajne “zosilnenie” znamená maximálne zosilnenie antény.

Smer maximálneho zosilnenia sa nazýva “zameranie antény”.

9

Zosilnenie Antény 3Zosilnenie je definované vzťahom:

G [dB] = 10 log10 (G ratio)

Zvyčajne je vyjadrený v Decibeloch (dB)

Najčastejšie zle použitá jednotka na svete??

(viac sa budeme s dBs zaoberať neskôr)

10

EIRP - 1Izotropný vysielač je anténa, ktorá vyžaruje všetkými smermi rovnomerne. Zosilnenie antény je relatívne k danému štandarduAnténa je v podstate pasívna

Nie je generovaný žiadny prídavný výkonZosilnenie je realizované zaostrovaním výkonuPodobne ako rozdiel medzi lampou a baterkou

Efektívny izotropný vyžarovaný výkon (EIRP) je suma výkonov, ktoré by vysielač musel vyrobiť, ak by žiaril všetkými smermi rovnomerne. Poznámka: EIRP sa môže meniť ako funkcia smeru, z dôvodu zmien zosilnenia antény v závislosti na uhle.

11

Výstupný výkon vysielača HPA je:Pvys watt

Časť výkonu sa stratí pred anténou:Pt =Pvys /Lt watt dosiahne anténuPt = Výkon vstupujúci do antény

Anténa má zosilnenie:Gt - relatívne k izotropnému vysielaču

To udáva efektívny izotropný vyžarovaný výkon :EIRP = Pt Gt watt -porovnateľný s 1 watt

izotropným vysielačom

EIRP - 2

HPA

Pvys

Lt

Pt

EIRP

12

Sila Hustoty toku - 1

Teraz chceme nájsť silu hustoty pri prijímačiVieme že sila je zachovávaná v bezstratovom médiuVýkon vyžarovaný smerom od vysielača musí prejsť cez guľovitú plochu na povrchu prijímačaOblasť tejto guľovitej plochy je 4R2

Preto strata sférického rozširovania je 1/4R2

13

Sila Hustoty toku - 2Sila hustoty toku (s.h.t.) je miera výkonu na jednotku priestoru

Regulovaný parameter systému :CCIR reguluje limity s.h.t každého satelitného systémuCCIR regulácie sú nútené zmluvnými krajinamiPovolená s.h.t mení w.r.t výškového uhlaPovoľuje kontrolu rozhraniaStúpajúci význam so šírením LEO systému

14

Prijímaný výkon

Pre dostupný výkon pre prijímajúcu anténu oblasti Ar m2 dostaneme:

(4.4, 4.6)24

x R

AGPAFP rtt

rr

222 W/m

44 R

GP

R

EIRPF tt

(4.3)

Silu hustoty toku môžeme vzhľadom na zosilnenie vysielajúcej antény prepísať nasledovne :

15

Efektívna clonaReálne antény majú efektívny tok zachytávajúci oblasti, ktorých je MENEJ ako fyzicky clonených oblastí.

Definícia efektívnych clonených oblastí Ae: x e phyAA (4.5)

kde Aphy je aktuálna clonená oblasť

= efektívnosť clony Veľmi dobre: 75%Typické: 55%

16

Efektívna clona - 2

2

4

eA

Gain

• Antény majú nasledujúce (maximálne) zosilnenie súvisiace s efektivitou clonenia oblasti :

Kde: Ae je efektivita clonenia oblasti

17

Clonené Antény

Typické hodnoty pre :-Reflektory: 50-60%-Rohy: 65-80 %

2D

Zosilnenie

4

22 D

rAphy

22

44 phyeAA

enienZosil

• Clonené antény (rohy a zrkadlá) majú fyzické zachytávanie oblastí, ktoré môžu byť ľahko vypočítané z ich rozmerov:

• Preto použitím vzťahov 4.7 a 4.5, môžeme získať vzorec pre zosilnenie tienenia antény :

18

Typy apertúrových antén

LievikÚčinnosť, Nízke zosilnenie, Široký lúč

ReflektorVysoké zosilnenie, Úzky lúč,

Môžu byť rozmiestnené v priestore

Poďme sa sústrediť na Reflektory v nasledujúcich

slaidoch

19

Typy Reflektorov

Symetrické, čelne napájané

Offsetové, čelne napájané

Offsetové čelné napájanie – Cassegrain

Offsetové čelné napájanie, Gregorian

20

Reflektorová anténa - 1

DdB

753 stupňov (3.2)

• Aproximácia (3.2), spolu s definíciou zosilnenia (predchádzajúca strana), umožňuje nasledovnú aproximáciu zosilnenia (iba pre reflektory):

• Približný praktický vzorec pre výpočet šírky reflektovaného zväzku lúčov v danej rovine ako funkcia rozmerov antény v rovine:

EdBHdBdB

Zisk33

22

3

7575

EdBHdBdB

Zisk33

23

000,30000,30

• Predpokladajme napr. typickú účinnosť apertúry je 0,55; potom dostaneme:

21

Šírka lúča antényŠpičkové (t.j. maximálne) ZOSILNENIE

Uhol medzi 3 dB znížením od maxima je šírka lúča antény

ZOSILNENIE polovičné oproti

maximu, t.j. o 3dB nižšie

22

Späť k obdržanému výkonu...

Výkon, ktorý je k dispozícii na účinnej ploche prijímacej antény Ar = Ae m2 je:

(Rovnica 4.6)24

x R

AGPAFP ett

rr

Kde Ar = efektívne miesto pre prijímaciu anténu = Ae

2

4

e

r

AG

• Prevrátenie rovnice daného zisku (Eq. 4.7) dáva:

Zapíšeme ako…

4

2r

e

GA

23

Späť k obdržanému výkonu...

• Dosadením do rovnice 4.6 dostaneme:

2

4

RGGPP rttr

(Rovnica. 4.8)

Friisov prenosový vzorec

• Inverzný výraz známy ako “Strata Cestou”, tiež známa ako “Strata vo voľnom priestranstve” (Lp):

24

R

Lp

Preto…

p

rttr L

GGPP

24

Viac kompletných formulácii

rotherpolrataap

rttr LLLLLLL

GGPP

Demonštrovaný vzorec predpokladá, ideálny prípad. Strata vo voľnom priestranstve (Lp) sa ráta iba pre guľové šírenie.Ďalšie účinky, ktoré je potrebné vziať do úvahy v prenosovej rovnici:

La = Straty kvôli útlmu v atmosfére

Lta = Straty spojené s vysielacou anténou

Lra = Straty spojené s prijímacou anténou

Lpol = Straty kvôli nesúladu polarizácie

Lother = (všetky ostatné známe straty – tak detailne ako to je možné)Lr = ďalšie straty na prijímači (za prijímacou anténou)

25

Prenosový vzorec

rotherpolrataapt

rtout

rotherpolrataap

r

rotherpolrataap

rttr

LLLLLLLL

GGP

LLLLLLL

GEIRP

LLLLLLL

GGPP

x

Niektoré použité premenné boli tiež predom definované:Pt =Pout /Lt EIRP = Pt Gt Kde:

Pt = Výkon vyžiarený do antényLt = Strata medzi napájacím zdrojom a anténouEIRP = efektívny izotropný vyžiarený výkon

•Teda existuje veľa spôsobov, ako by mohol byť vzorec prepísaný. Máme na výber použiť ten najvhodnejší pre náš prípad.

26

Dostupný výkon spojenia

Vysielanie:HPA VýkonStraty pri vysielaní (káble & konektory)Zisk na anténe

EIRPTx

Strata kvôli polohe antényStrata vo voľnom priestranstveStrata kvôli atmosfére (plyny, oblaky, dážď)Rx Strata kvôli polohe antény

Rx

Prijímanie:Zisk na anténeStraty pri príjme (káble & konektory)Prispievanie šumovej teploty

Pr

27

Prehľad Decibel-a

28

Prečo dB?

Je tu veľký, dynamický rozsah parametrov satelitnej komunikácie

Typická satelitná anténa má zisk >500Prijatý tok výkonu je asi jedna časť 100,000,000,000,000,000,000z prenášaného výkonu

Nebolo by to pekné, mať lepší spôsob ako písať tieto veľké čísla?dB taktiež umožňuje veľa výpočtov v sčítaní a odčítaní!

To je ale veľa núl

29

Čo je to dB?

Decibel (dB) je jednotka pre 10-násobok základu 10log pre pomer dvoch výkonovNapríklad: zisk je definovaný ako Pout/Pin (kde Pout je zvyčajne väčšie než Pin)

V dB:

Podobne aj strata:

dB log10

in

out

P

PG

dB log10

out

in

P

PL

30

Nebezpečenstvo výpočtov v dB!dB pomer nesmie byť NIKDY počítaný ako 20-násobok základu 10log pomeru napätiaJe to však oveľa pohodlnejšie, ale v takomto prípade

musíte byť veľmi, veľmi opatrní. Tu je dôvod:

out

in

in

out

out

in

in

out

in

in

out

out

in

out

out

outout

in

inin

R

R

V

V

R

R

V

VG

RV

RV

P

PG

R

VP

R

VP

log10log20log10log10

log10log10

2

2

2

2

22

Toto pravidlo je zvyčajne zabudnuté

(s tragickými následkami!)

Ak tieto výpočty sú vykonávané pre komunikáciu (pasivného)transformátora s točivým pomerom4-och výstupných otáčok na vstupnú otáčku,Vout = 4 keď Vin = 1. Ak posledné pravidlo je zanedbané, zisk sa zdá byť G = 20log(4) = 12 dB.To je podivný výsledok pre pasívne zariadenia!Ak posledné pravidlo je použité , Rout = 16 pre Rin = 1,tak posledné pravidlo je -12 dB.Toto obnoví rovnováhu na G = 0Ako sa očakávalo pre ideálne pasívne zariadenie.

31

Použitie decibelov - 1

Pravidlá:Násobenia A x B:(Pridať dB hodnoty)

•Delenia A / B:

(Odpočítať dB hodnoty)

dB)(

dBdB

)(log10)(log10

)/(log10

1010

10

BA

BA

BA

BA

dB)(

dBdB

)(log10)(log10

) x (log10

1010

10

BA

BA

BA

BA

32

Použitie decibelov - 2

Pravidlá:Mocniny:(Vynásobiť 2-ma)

)dBin ( x 2

)(log20

)(log10 x 2

)(log10

10

10

210

A

A

A

A

•Odmocniny:

(Vydeliť 2-ma)

)dBin ( x 2

1

)(log2

10

)(log10

10

10

A

A

A

33

Myslieť v dB

Je užitočné vedieť myslieť v dBVšimnite si, že 18 je 2*3*3.Pretože: 2 = 3 dBa: 3 = 4.8 dBMôžete vyrátať 18 v dB z hlavy pridaním3 + 4.8 + 4.8 = 12.6Nepotrebujete dokonca ani kalkulačku!Toto je naozaj šikovná kontrola výsledkov.

34

Vyjadrenia v dB

dB hodnoty možno vyjadrovať štandardneŠtandardne jednoducho pripojenim k dBTypickými príkladmi sú:

35

Bilancia satelitnej linky

36

Prevod do dBsPrenosový vzorec môže byť napisaný v dB ako:

Táto forma rovnice je ľahko použiteľná ako tabuľka (sčítanie a odčítanie!!)

Kalkulácia prijatého signálu založená na prenesenom výkone a všetky straty a zisky zahrnuté až do prijímača sa nazývajú “Link Power Budget – Energetická bilancia satelitnej linky”, or “Link Budget – bilancia satelitnej linky”.

Obdŕžaný výkon Pr sa bežne označuje ako “Carrier Power – Dopravený výkon”, C.

rrotherrapolaptar LGLLLLLLEIRPP

37

Energetická bilancia satelitnej linky

Vysielanie:+ HPA Výkon- Straty pri vysielaní (káble & konektory)+ Zisk na anténe

EIRPTx

- Strata kvôli polohe antény- Strata vo voľnom priestranstve- Strata kvôli atmosfére (plyny, oblaky, dážde)- Rx Strata kvôli polohe antény

Rx

Prijímanie:+ Zisk na anténe- Straty pri príjme (káble & konektory)+ Prispievanie šumovej teploty

Pr

Teraz všetky faktory súpripravené pre sčítanie a odčítanie

38

4 Ľahké kroky k dobrej energetickej bilancii satelitnej linky

Ako prvé, nakresliť náčrt prepojenia liniekNemusí to byť umeleckej kvalityPomôže Vám nájsť veci ktoré by ste mohli zabudnúť

Ďalej, starostlivo premyslieť systém záujmovZahrnúť všetky významné vplyvy v energetickej bilancii satelitnej likyZapísať a pochopiť, ktoré účinky tu sú zanedbateľné

Rozvinutie veľkých sekcií energetickej bilancii satelitnej linky

Tj.: TXd výkon, TX ant. zisk, Strata cestou, RX ant. zisk, RX stratyZobraziť si všetky komponenty pre tieto výpočty v detailnom rozpočtePoužiť rozvinutie výsledkov pre zostrojenie prehľadu spojení

Okomentovať bilanciu satelitnej linkyVždy, vždy, vždy používajte jednotky na parametroch (dBi, W, Hz ...)Popíšte akékoľvek nezvyčajné prvky (napr. straty spôsobené H20)

39

Jednoduchá energetická bilancia satelitnej linky

40

Prečo počítať bilancie satelitných liniek?

Výkonnosť systému je viazaná na prevádzkové prahy.Prevádzkové prahy Cmin udávajú minimálny výkon, ktorý by mal byť prijatý na demodulátor aby komunikácia prebiehala správne.Prevádzkové prahy závisia od:

Použitá modulačná schéma.Požadovaná kvalita komunikácie.Kódovanie zisku.Doplnkové režijné náklady.Šírka pásma kanála.Sila šumovej teploty.

Viac sa na tieto položkypozrieme v ďalších

ročníkoch.

41

Uzavretie spojeniaMusíme počítať bilanciu satelitnej linky s cieľom overiť, či sme “uzavreli spojenie”.

Pr >= Cmin Spojenie uzavreté

Pr < Cmin Spojenie nie je uzavreté

Zvyčajne, získame “Zvyšok spojenia”, ktorý hovorí o tom, nakoľko je spojenie uzavreté:

zvyšok = Pr – Cmin

Equivalentné:Zvyšok > 0 Spojenie uzavretéZvyšok < 0 Spojenie nie je uzavreté

42

Nosná vlna pomeru šumuC/N: nosná vlna/šum výkon v RX BW (dB)

Umožňuje jednoduchý výpočet zvyšku ak:Pásmo prijímača je známeNevyhnutne C/N je známy pre požadovaný typ signálu

C/No: nosná vlna/šum p.s.d. (dbHz)Umožňuje jednoduchý výpočet prístupného pásma RX šírky pásma ak nevyhnutne C/N je známy pre požadovaný typ signáluKritické pre výpočet zahŕňajúci nosnú vlnu zotavenú výkonnostnou slučkou.

43

Systém hodnotenia kvality

G/Ts: RX zisk antény/systémová teplotaTakisto nazývaný systém hodnotenia kvality, G/Ts

Jednoducho popisuje citlivosť prijímacieho systémuMusí sa používať s opatrnosťou:

• Niektorí (väčšina) predajcov udávajú G/Ts len za ideálnych podmienok

• G/Ts sa znižuje pri väčšine systémov keď vznikajú straty kvôli dažďu

– Je to spôsobené zvýšeným počtom šumových komponentov na oblohe

– Je to dodatok k strate prijatého výkonu

44

Šum napájacieho systému

45

Šum napájacieho systému - 1

Výkon systému je určený C/N pomerom.Väčšina systémov vyžaduje C/N > 10 dB. (Pamätajte, v dBs: C - N > 10 dB)

Preto sa zvyčajne: C > N + 10 dBPotrebujeme vedieť šumovú teplotu nášho prijímača – tak môžeme vypočítať N, silu šumu (N = Pn).

Tn (šumová teplota) je udávaná v Kelvinoch (symbol K):

2739

5320 FTKT 2730 CTKT

46

Šum napájacieho systému - 2Šum systému je spôsobený zdrojmi teplotného šumu

Vonkajšok vzhľadom k RX systému• vysielaný šum• šum prijímaný anténou

Vnútrajšok k RX systému

Výkon, ktorý je k dipozícii z tepelného šumu je:

kde k = Boltzmannova konštanta = 1.38x10-23 J/K(-228.6 dBW/HzK),

Ts is šumová teplota, a B je šírka pásma

(dBW) BkTN s

Viac sa na počítanie Ts pozrieme nabudúce.