N ávrh satelit nej linky Joe Montana IT 488 - Fall 2003

1. Návrh satelitnej linky Joe Montana IT 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 spojenia • Výkon vysielača na anténe • Zosilnenie antény v porovnaní s izotropným žiaričom • EIRP - Ekvivalentný izotropný vyžarovaný výkon • Intenzita toku v mieste prijímača • Strata cesty voľným priestorom • Šumová teplota systému • Systémový zisk prijímacieho systému (pomer zisku a šumovej teploty) • Vzťah prenosu k teplotného šumu (kvalita príjmu) • Pomer nosnej a hustoty šumu • Vzťah 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 4pR2 • Hustota toku vo vzdialenosti R je daná vzťahom 4.1 W/m2 (4.1)

6. Izotropný vysielač 2 Izotropný zdroj Vzdialenosť R Pt Watt Sila hustoty toku: Oblasť povrchu gule = 4pR2 obklopená Pt. W/m2

7. Zosilnenie Antény • Potrebujeme smerové antény pre smerovanie výkonu požadovaným smerom. • Definovať zosilnenie antény ako zvýšenie výkonu v danom smere v porovnaní s izotropnou anténou. (4.2) • P() je variácia výkonu v závislosti od uhla. • G() je zosilnenie v smere . • P0je celkový prenesený výkon. • guľa = 4p radianty

8. Zosilnenie Antény 2 • Anténa 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 3 • Zosilnenie 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 - 1 • Izotropný vysielač je anténa, ktorá vyžaruje všetkými smermi rovnomerne. • Zosilnenie antény je relatívne k danému štandardu • Anténa je v podstate pasívna • Nie je generovaný žiadny prídavný výkon • Zosilnenie je realizované zaostrovaním výkonu • Podobne ako rozdiel medzi lampou a baterkou • Efektívny izotropný vyžarovaný výkon (EIRP) je suma výkonov, ktoré by vysielačmusel vyrobiť, ak by žiaril všetkými smermi rovnomerne. • Poznámka: EIRP samôže meniť ako funkcia smeru, z dôvodu zmien zosilnenia antény v závislosti na uhle.

11. EIRP Pt Pvys Lt HPA EIRP - 2 • Výstupný výkon vysielača HPA je: Pvys watt • Časť výkonu sa stratí pred anténou: • Pt =Pvys/Lt watt dosiahne anténu • Pt = Výkon vstupujúci do antény • Anténa má zosilnenie: Gt - relatívne k izotropnému vysielaču • To udáva efektívny izotropný vyžarovaný výkon : EIRP = PtGtwatt -porovnateľný s 1 watt izotropným vysielačom

12. Sila Hustoty toku - 1 • Teraz chceme nájsť silu hustoty pri prijímači • Vieme že sila je zachovávaná v bezstratovom médiu • Výkon vyžarovaný smerom od vysielača musí prejsť cez guľovitú plochu na povrchu prijímača • Oblasť tejto guľovitej plochy je 4pR2 • Preto strata sférického rozširovania je 1/4pR2

13. Sila Hustoty toku - 2 • Sila hustoty toku (s.h.t.) je miera výkonu na jednotku priestoru • Regulovaný parameter systému : • CCIR reguluje limity s.h.t každého satelitného systému • CCIR regulácie sú nútené zmluvnými krajinami • Povolená s.h.t mení w.r.t výškového uhla • Povoľuje kontrolu rozhrania • Stúpajúci význam so šírením LEO systému

14. Prijímaný výkon • Silu hustoty toku môžeme vzhľadom na zosilnenie vysielajúcej antény prepísať nasledovne : • Pre dostupný výkon pre prijímajúcu anténu oblasti Ar m2 dostaneme: (4.4, 4.6) (4.3)

15. Efektívna clona • Reálne antény majú efektívny tok zachytávajúci oblasti, ktorých je MENEJ ako fyzicky clonených oblastí. • Definícia efektívnych clonených oblastí Ae: • (4.5) • kde Aphyje aktuálnaclonená oblasť • Veľmi dobre: 75% • Typické: 55% •  = efektívnosť clony

16. Efektívna clona - 2 • Antény majúnasledujúce (maximálne) zosilnenie súvisiace s efektivitou clonenia oblasti : • Kde: • Aeje efektivita clonenia oblasti

17. Clonené Antény • 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 : Typické hodnoty pre : • Reflektory: 50-60% • Rohy: 65-80 %

18. Typy apertúrových antén • Lievik • Účinnosť, Nízke zosilnenie, Široký lúč • Reflektor • Vysoké 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 • Približný praktický vzorec pre výpočet šírky reflektovaného zväzku lúčov v danej rovine ako funkcia rozmerov antény v rovine: (3.2) stupňov • Aproximácia (3.2), spolu s definíciou zosilnenia (predchádzajúca strana), umožňuje nasledovnú aproximáciu zosilnenia (iba pre reflektory): • Predpokladajme napr. typickú účinnosť apertúry je 0,55; potom dostaneme:

21. Šírka lúča antény Špičkové (t.j. maximálne)ZOSILNENIE ZOSILNENIE polovičné oproti maximu, t.j. o 3dB nižšie Uhol medzi 3 dB znížením od maxima je šírka lúča antény

22. Späť k obdržanému výkonu... • Výkon, ktorý je k dispozícii na účinnej ploche prijímacej antény Ar = Ae m2 je: (Rovnica 4.6) Kde Ar = efektívne miesto pre prijímaciu anténu = Ae • Prevrátenie rovnice daného zisku (Eq. 4.7) dáva: Zapíšeme ako…

23. Späť k obdržanému výkonu... • Dosadením dorovnice 4.6 dostaneme: Friisovprenosovývzorec (Rovnica. 4.8) • Inverzný výraz známy ako “Strata Cestou”, tiež známa ako “Strata vo voľnom priestranstve” (Lp): Preto…

24. Viackompletnýchformulácii • Demonštrovaný vzorec predpokladá, ideálny prípad. • Strata vo voľnom priestranstve (Lp) sa rátaiba 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 • Niektoré použité premennéboli tiež predom definované: Pt =Pout/Lt EIRP = PtGt Kde: • Pt = Výkon vyžiarený do antény • Lt = Strata medzi napájacím zdrojom a anténou • EIRP = 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 Tx EIRP Vysielanie: HPA Výkon Straty pri vysielaní (káble & konektory) Zisk na anténe Strata kvôli polohe antény Strata vo voľnom priestranstve Strata kvôli atmosfére (plyny, oblaky, dážď) Rx Strata kvôli polohe antény Prijímanie: Zisk na anténe Straty pri príjme (káble & konektory) Prispievanie šumovej teploty Rx Pr

27. Prehľad Decibel-a

28. To je ale veľa núl Prečo dB? • Je tu veľký, dynamický rozsah parametrov satelitnej komunikácie • Typická satelitná anténa má zisk >500 • Prijatý 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!

29. Čo je to dB? • Decibel (dB) je jednotka pre 10-násobok základu 10log pre pomer dvoch výkonov • Napríklad: zisk je definovaný akoPout/Pin (kdePoutje zvyčajne väčšie nežPin) • V dB: • Podobne aj strata:

30. Nebezpečenstvo výpočtov v dB! • dB pomernesmie byť NIKDY počítaný ako 20-násobokzákladu 10log pomeru napätia Je to však oveľa pohodlnejšie, ale v takomto prípade musíte byťveľmi, veľmiopatrní. Tu je dôvod: Ak tieto výpočty sú vykonávané pre komunikáciu (pasivného)transformátorastočivým pomerom 4-ochvýstupnýchotáčok na vstupnú otáčku, Vout = 4 keďVin = 1. Ak posledné pravidlo je zanedbané, zisk sa zdá byťG = 20log(4) = 12 dB. To je podivný výsledok pre pasívne zariadenia! Ak posledné pravidlo je použité , Rout = 16 preRin = 1, tak posledné pravidlo je -12 dB. Toto obnoví rovnováhu na G = 0 Ako sa očakávalo pre ideálne pasívne zariadenie. Toto pravidlo jezvyčajne zabudnuté (s tragickýminásledkami!)

31. Použitie decibelov - 1 Pravidlá: • Násobenia A x B: (Pridať dB hodnoty) • Delenia A / B: • (Odpočítať dB hodnoty)

32. Použitie decibelov - 2 Pravidlá: • Mocniny: (Vynásobiť 2-ma) • Odmocniny: • (Vydeliť 2-ma)

33. Myslieť v dB • Je užitočné vedieť myslieť v dB Všimnite si, že 18 je 2*3*3. Pretože: 2 = 3 dB a: 3 = 4.8 dB Môžete vyrátať 18 v dB z hlavy pridaním 3 + 4.8 + 4.8 = 12.6 Nepotrebujete dokonca ani kalkulačku! Toto jenaozaj šikovná kontrolavýsledkov.

34. Vyjadrenia v dB • dB hodnoty možno vyjadrovať štandardne • Štandardne jednoducho pripojenim k dB • Typickými príkladmi sú:

35. Bilancia satelitnej linky

36. Prevod do dBs • Prenosový vzorecmôže byť napisaný v dB ako: • Táto forma rovniceje ľahko použiteľná akotabuľka (sčítanie a odčítanie!!) • Kalkulácia prijatého signálu založená na prenesenom výkonea všetky straty a ziskyzahrnuté až do prijímačasa 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.

37. Energetická bilancia satelitnej linky Teraz všetky faktory sú pripravené pre sčítanie a odčítanie Tx EIRP • Vysielanie: • + HPA Výkon • Straty pri vysielaní • (káble & konektory) • + Zisk na anténe • Strata kvôli polohe antény • Strata vo voľnom priestranstve • Strata kvôli atmosfére (plyny, oblaky, dážde) • - Rx Strata kvôli polohe antény • Prijímanie: • + Zisk na anténe • Straty pri príjme • (káble & konektory) • + Prispievanie šumovej teploty Rx Pr

38. 4 Ľahké kroky k dobrej energetickej bilancii satelitnej linky • Ako prvé, nakresliť náčrtprepojenia liniek • Nemusí to byť umeleckej kvality • Pomôže Vám nájsťveciktoré by ste mohli zabudnúť • Ďalej, starostlivo premyslieť systémzáujmov • Zahrnúť všetky významné vplyvyv energetickej bilancii satelitnej liky • Zapísať apochopiť, ktoré účinky tu sú zanedbateľné • Rozvinutieveľkých sekciíenergetickej bilancii satelitnej linky • Tj.: TXdvýkon, TX ant. zisk, Strata cestou, RX ant. zisk, RX straty • Zobraziť si všetky komponenty pre tieto výpočtyv detailnom rozpočte • Použiť rozvinutie výsledkov pre zostrojenie prehľadu spojení • Okomentovaťbilanciu satelitnej linky • Vždy, vždy, vždypoužívajtejednotkyna parametroch (dBi, W, Hz ...) • Popíšte akékoľvek nezvyčajné prvky (napr. straty spôsobené H20)

39. Jednoduchá energetická bilancia satelitnej linky

40. Prečo počítaťbilancie satelitných liniek? • Výkonnosť systému je viazaná naprevádzkové prahy. • Prevádzkové prahy Cminudávajú 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 položky pozrieme v ďalších ročníkoch.

41. Uzavretie spojenia • Musíme počítať bilanciu satelitnej linkys 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 uzavreté Zvyšok < 0  Spojenie nie je uzavreté

42. Nosná vlna pomeru šumu • C/N: nosná vlna/šumvýkon v RX BW (dB) • Umožňuje jednoduchý výpočet zvyšku ak: • Pásmo prijímača je známe • Nevyhnutne C/N je známy pre požadovaný typ signálu • C/No: nosná vlna/šum p.s.d. (dbHz) • Umožňuje jednoduchý výpočet prístupného pásma RX šírky pásmaaknevyhnutne C/N je známy pre požadovaný typ signálu • Kritické pre výpočet zahŕňajúci nosnú vlnuzotavenúvýkonnostnou slučkou.

43. Systém hodnotenia kvality • G/Ts: RX zisk antény/systémová teplota • Takisto nazývanýsystém hodnotenia kvality, G/Ts • Jednoducho popisuje citlivosť prijímacieho systému • Musí sa používať s opatrnosťou: • Niektorí (väčšina) predajcovudávajú G/Tslen za ideálnych podmienok • G/Tssa znižuje pri väčšine systémov keď vznikajú straty kvôli dažďu • Je to spôsobené zvýšeným počtom šumových komponentov na oblohe • Je tododatokk strateprijatého 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 dB • Potrebujeme vedieť šumovú teplotu nášho prijímača – tak môžeme vypočítať N, silu šumu (N = Pn). • Tn (šumová teplota) je udávaná v Kelvinoch (symbol K):

46. Šum napájacieho systému - 2 • Šum systému je spôsobenýzdrojmi teplotného šumu • Vonkajšok vzhľadom k RX systému • vysielaný šum • šum prijímaný anténou • Vnútrajšokk RX systému • Výkon, ktorý je k dipozíciiz tepelného šumu je: kdek = Boltzmannovakonštanta = 1.38x10-23 J/K(-228.6 dBW/HzK), Ts is šumová teplota, a B ješírka pásma Viac sa na počítanie Ts pozrieme nabudúce.