1 / 42

Preklad: Kata rína Bujdošová

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.

yamka
Download Presentation

Preklad: Kata rína Bujdošová

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Návrh satelitného spojenia – časť II Joe Montana IT 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 - 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):

  6. 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

  7. 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.

  8. 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

  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 pričítanýpred zariadením)

  11. 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).

  12. = 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)

  13. 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)

  14. 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)

  15. 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

  16. 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

  17. 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.

  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 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.

  19. Šumová teplota antény • Aproximácia tepelného šumu antény pozemskej stanice pri jasnej oblohe (bez dažďa):

  20. 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)

  21. 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.

  22. 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]

  23. 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

  24. 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

  25. 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:

  26. 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:

  27. Toľko substitúcií !!!

  28. Číselné príklady

  29. 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

  30. Šumová teplota Príklad – 4.2.1 • Riešenie:

  31. 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)

  32. 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

  33. Šumová teplota – stratové prvkyPríklad – 4.2.2 • Straty 2 dB, získame GL a TL: • Vstupný šumový výkon je zoslabený o 2 dB: • Nové Tin:

  34. Šumová teplota – stratové prvkyPríklad – 4.2.2 • Zvýšená zo 107.5 na 196.3 K na tom istom referenčnom bode:

  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 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.

  36. 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

  37. 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

  38. 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…)

  39. 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)

  40. Energetická bilancia v rámci celého systému Príklad -1 b. Šumová teplota systému

  41. 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

  42. 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 %

More Related