δορυφορικές ζεύξεις Στο τέλος αυτού του µαθήµατος ο σπουδαστής θα γνωρίζει:

Transcript

1 Μάθµα 8 ο : O σµατοθορυβικός λόγος στις δορυφορικές ζεύξεις Στόχοι: Στο τέλος αυτού του µαθήµατος ο σπουδαστής θα γνωρίζει: Τα είδ θορύβου και τα βασικά του χαρακτριστικά Τν επίδρασ του θορύβου στις δορυφορικές ζεύξεις Τον τρόπο υπολογισµού του σµατοθορυβικού λόγου για µια απλή δορυφορική ζεύξ από σταθµό σε σταθµό Ο θόρυβος υποβαθµίζει τις επιδόσεις των τλεπικοινωνιακών συστµάτων, ελαττώνοντας τν ικανόττα του δέκτ να αναγνωρίσει τ µεταδιδόµεν πλροφορία που εµπεριέχεται στο λαµβανόµενο φέρον κύµα. Ο βαθµός επίδρασς του θορύβου στα συστήµατα επικοινωνίας προσδιορίζεται από το λόγο των ισχύων του ωφέλιµου σήµατος και του θορύβου στν είσοδο του δέκτ, ο οποίος καλείται λόγος σήµατος προς θόρυβο (signal-to-noise ratio). Η επίδρασ του θορύβου στις δορυφορικές επικοινωνίες αποκτά ιδιαίτερ σµασία λόγω τς µεγάλς εξασθένσς που υφίσταται το µεταδιδόµενο σήµα. Μάθµα 8 1

2 Ο θόρυβος στις δορυφορικές επικοινωνίες Ο όρος θόρυβος στα τλεπικοινωνιακά συστήµατα χρσιµοποιείται για να δλώσει όλα τα ανεπιθύµτα σήµατα που συνοδεύουν κάθε ωφέλιµο σήµα πλροφορίας. ιακρίνουµε δύο είδ θορύβου ανάλογα µε τν προέλευσή του: Εξωγενής θόρυβος (ατµοσφαιρικός, λιακός-κοσµικός, βιοµχανικός θόρυβος) Ενδογενής θόρυβος (θερµικός θόρυβος, θόρυβος βολής, κ.τ.λ.) Ιδιαίτερ σµασία για τ µελέτ του θορύβου έχει ο θερµικός θόρυβος, ο οποίος είναι ενδογενούς προέλευσς και οφείλεται στν τυχαία κίνσ φορτισµένων σωµατιδίων (συνήθως λεκτρονίων) στα αγωγά µέσα. Ο θερµικός θόρυβος παρουσιάζει σχεδόν σταθερή φασµατική πυκνόττα ισχύος και για τις συχνόττες των τλεπικοινωνιακών συστµάτων µπορούµε να τ θεωρήσουµε σταθερή (λευκός θόρυβος). Αν Αν ισχύς ισχύς θερµικού θερµικού θορύβου θορύβου σε σε µια µια αντίστασ αντίστασ για για µια µια περιοχή περιοχή συχνοτήτων συχνοτήτων εύρους εύρους ζώνς ζώνς Β Β είναι είναι Ν, Ν, τότε τότε φασµατική φασµατική πυκνόττα πυκνόττα ισχύος ισχύος Ν Ν 0 δίνεται από τ σχέσ: 0 δίνεται από τ σχέσ: Ν Ν 0 = Ν/Β = kt 0 = Ν/Β = kt όπου: όπου: T T απόλυτ απόλυτ θερµοκρασία θερµοκρασία τς τς αντίστασς αντίστασς ( 0 ( Κ) 0 Κ) k k = = J J K 0 K -1-1 σταθερά σταθερά Boltzmann Boltzmann N 0 N f (W/Hz) B N=N 0 B f(hz) Μάθµα 8 2

3 Ισοδύναµ θερµοκρασία θορύβου µιας δίθυρς πγή θορύβου (Ts) Ισοδύναµ θερµοκρασία θορύβου τετραπόλου (Te) Πραγµατική Πγή θορύβου Ισχύς θορύβου Ν=kT s B Πγή χωρίς θόρυβο Τ e =0 R,T e Πραγµατικό τετράπολο G,B,N T 0 Tετράπολο (χωρίς θόρυβο) G,B,N T =0 Ισχύς θορύβου Ν=kGT e B R,T s Ισοδύναµ θερµοκρασία θορύβου (Τs) µιας πγής θορύβου είναι υποθετική θερµοκρασία µιας αντίστασς R που παράγει τν ίδια θερµική ισχύ θορύβου (Ν) µε τν υπό εξέτασ πγή. G, απολαβή ισχύος του τετραπόλου Β, το εύρος συχνοτήτων Ν Τ, ισχύς θορύβου του τετραπόλου Ισοδύναµ θερµοκρασία θορύβου (Τ e ) ενός τετραπόλου ορίζεται θερµοκρασία µιας θερµικής πγής θορύβου που θα έπρεπε να µπει στν είσοδο του τετραπόλου αν ήταν «αθόρυβο», για να µας δώσει στν έξοδό του ισχύ ίσ µε τν πρόσθετ ισχύ Ν Τ του πραγµατικού τετραπόλου. Μάθµα 8 3

4 Θερµοκρασία θορύβου κεραίας Η ακτινοβολoύµεν ενέργεια του περιβάλλοντος που συλλέγεται από τν κεραία υπερτίθεται στο ωφέλιµο σήµα ως θόρυβος υποβάθρου (background noise). Αν µε Ν 0 συµβολίσουµε τ φασµατική πυκνόττα ισχύος αυτού του θορύβου τότε θερµοκρασία θορύβου (Τ Α ) τς κεραίας θα είναι: Τ Α =Ν 0 /k Η θερµοκρασία θορύβου τς κεραίας εξαρτάται από: Τ θερµοκρασία και τν απορροφτικόττα των ακτινοβολούντων σωµάτων του περιβάλλοντος Τν απολαβή τς κεραίας και τον προσανατολισµό τς σε σχέσ µε τα παραπάνω σώµατα Πγές θορύβου για τις κεραίες των επίγειων σταθµών: Ο θόρυβος από τον ουρανό Ο θόρυβος που οφείλεται στν ακτινοβολία τς Γς Πγές θορύβου για τις κεραίες των δορυφόρων: Ο θόρυβος από το διάστµα Ο θόρυβος που προέρχεται από τ Γ Θερµοκρασία θορύβου εξασθεντή H ενεργός θερµοκρασία θορύβου στν είσοδο ενός εξασθεντή δίνεται από τ σχέσ: Τ L,e =(L A -1) T 0 όπου: L A εξασθένσ που εισάγει ο εξασθεντής θερµοκρασία περιβάλλοντος Τ 0 Ισχύς εισόδου P in Εξασθεντής L A, T L,e Ισχύς εξόδου P out =P in /L A Μάθµα 8 4

5 Θερµοκρασία θορύβου του συστήµατος λήψς στν είσοδο τς κεραίας Τ Kεραία Γραµµή µεταφοράς L R έκτς Τ R,e H θερµοκρασία θορύβου του συστήµατος στν είσοδο του δέκτ (Τ) δίνεται από τ σχέσ: Τ = Τ Α /L R + T 0 (1-1/L R ) + T R,e όπου: Τ Α L R Τ R,e θερµοκρασία θορύβου τς κεραίας εξασθένσ που εισάγει γραµµή µεταφοράς ενεργός θερµοκρασία θορύβου στν είσοδο του δέκτ Τ θερµοκρασία περιβάλλοντος 0 (2900 Κ) Για Για να να υλοποιθεί υλοποιθεί ένα ένα σύστµα σύστµα λήψς λήψς µε µε µικρή µικρή θερµοκρασία θερµοκρασία θορύβου, θορύβου, είναι είναι καθοριστικής καθοριστικής σµασίας σµασίας να να περιορίσουµε περιορίσουµε στο στο ελάχιστο ελάχιστο δυνατόν δυνατόν τις τις απώλειες απώλειες στ στ γραµµή γραµµή µεταφοράς µεταφοράς από από τν τν κεραία κεραία στο στο δέκτ. δέκτ. Μάθµα 8 5

6 Ο λόγος σήµατος προς θόρυβο Αν µε C συµβολίσουµε τν ισχύ του φέροντος κύµατος (P R ) που λαµβάνεται στν είσοδο του δέκτ και µε Ν 0 τ φασµατική πυκνόττα τς ισχύος θορύβου στο ίδιο σµείο, ο λόγος σήµατος προς θόρυβο µπορεί να εκφρασθεί από τν παρακάτω σχέσ: C/N 0 = P R /(kt) = (EIRP) (1/L) (G/T) (1/k) όπου: EIRP = (P T,0 G Tm )/(L PT L T ), αντιπροσωπεύει τ διάταξ εκποµπής, 1/L = 1/(L FS L A ), χαρακτρίζει το µέσο µετάδοσς, G/T = [G Rm /(L PR L POL L R )] / [Τ Α /L R + T 0 (1-1/L R ) + T R,e ], χαρακτρίζει το σύστµα λήψς. Ο λόγος G/T ονοµάζεται δείκτς ποιόττας του τερµατικού σταθµού λήψς. Μάθµα 8 6

7 O λόγος σήµατος προς θόρυβο για µια µονόδροµ δορυφορική ζεύξ από σταθµό σε σταθµό (ενός φέροντος) P R L R L R (C/N 0 ) U P i P 0 L T L T P T Iσχύς εισόδου στο δέκτ: P i =P R,0 Iσχύς εξόδου στο ενισχυτή εκποµπής: P ο =P Τ,0 G R uplink Η συνολική ραδιοζεύξ G T downlink (C/N 0 ) T (C/N 0 ) D Σταθµός εκποµπής Σταθµός λήψς Οι εκφράσεις για το λόγο σήµατος προς θόρυβο για τις ζεύξεις downlink και uplink δίνονται από τις παρακάτω σχέσεις: (C/N 0 ) U = (EIRP) ES (1/L) U (G/T) SL (1/k) (C/N 0 ) D = (EIRP) SL (1/L) D (G/T) ES (1/k) όπου οι δείκτες ΕS και SL υποδλώνουν αντίστοιχα τον επίγειο σταθµό και το δορυφόρο Μάθµα 8 7

8 Χαρακτριστική µεταφοράς ισχύος του επαναλήπτ Αναδίπλωσ ισχύος εξόδου, ΟΒΟ (db) Αναδίπλωσ ισχύος εξόδου, ΟΒΟ (db) Κόρος Αναδίπλωσ ισχύος εισόδου, ΙΒΟ (db) Αναδίπλωσ ισχύος εισόδου, ΙΒΟ (db) Αναδίπλωσ ισχύος εισόδου (input back-off, IBO) IBO = P i,1 /(P i,1 )sat Αναδίπλωσ ισχύος εξόδου (input back-off, ΟΒO) ΟBO = P o,1 /(P o,1 )sat Απολαβή ισχύος επαναλήπτ (G TR ) G TR =P o /P i = =(OBO/IBO) (G TR )sat (o δείκτς sat υποδλώνει κατάστασ κόρου) Μάθµα 8 8

9 Η ισχύς του ωφέλιµου φέροντος στον επίγειο σταθµό (στν είσοδο του δέκτ) είναι: (C) Τ = C D =C U G TR (G T /L T ) SL (G R /L R ) ES (L D ) -1 H φασµατική πυκνόττα τς ισχύος θορύβου στο ίδιο σµείο είναι: (Ν 0 ) Τ = Ν 0,D + N 0,U G TOT όπου: C U ισχύς του ωφέλιµου uplink φέροντος στν είσοδο του επαναλήπτ C D ισχύς του ωφέλιµου dowlink φέροντος στν είσοδο του δέκτ του επίγειου σταθµού G TOT =G TR (G T /L T ) SL (G R /L R ) ES (L D ) -1 ολική απολαβή από τν είσοδο του επαναλήπτ µέχρι τν είσοδο του δέκτ στον επίγειο σταθµό Ν 0,U φασµατική πυκνόττα ισχύος θορύβου στν είσοδο του επαναλήπτ Ν 0,D φασµατική πυκνόττα ισχύος θορύβου που θα µετρούσαµε στν είσοδο του δέκτ του επίγειου σταθµού, αν θεωρούσαµε µόνο τν εκποµπή downlink Θεωρώντας τα προγούµενα, ο λόγος (C/N 0 ) Τ γράφεται: (C/Ν 0 ) T = C D / (Ν 0,D + N 0,U G TOT ) [(C/Ν 0 ) T ] -1 = Ν 0,D /C D + (N 0,U G TOT )/C D oπότε τελικά έχουµε: [(C/Ν 0 ) T ] -1 = [(C/Ν 0 ) U ] -1 + [(C/Ν 0 ) D ] -1 Μάθµα 8 9