Θόρυβος στη διαμόρφωση CW

Transcript

1 Θόρυβος στη διαμόρφωση CW

2 Εμπορικοί δέκτες

3

4 Κύριες λειτουργίες ραδιοφωνικών δεκτών Αποδιαμόρφωση λήψη του σήματος πληροφορίας Συντονισμός φέροντος επιλογή του σταθμού Φιλτράρισμα απαλοιφή θορύβου και παρεμβολών Ενίσχυση αντιμετώπιση των απώλειας ισχύος μετάδοσης

5 Βασική δυσκολία Κατασκευή επιλεκτικών (ζωνοπερατών) φίλτρων με μεταβλητή συχνότητα συντονισμού Μία μονάδα (κύκλωμα) με δυσκολία θα μπορούσε να επιτύχει όλα Ευαισθησία (sensitivity) Επιλεκτικότητα (selectivity) Ποιότητα σήματος Ενίσχυση

6 Πρακτικοί δέκτες Δέκτης άμεσης μετατροπής DC (Direct Conversion) Ομοδύνηση: μίξη δύο σημάτων ίδιας συχνότητας Υπερετερόδυνος δέκτης (Superheterodyne receiver) Ετεροδύνηση: μίξη δύο σημάτων διαφορετικών συχνοτήτων για λήψη νέας συχνότητας

7 Δέκτης άμεσης μετατροπής Ομόδυνη αποδιαμόρφωση Απόρριψη ανεπιθύμητων συνιστωσών από το βαθυπερατό φίλτρο στην έξοδο Βρίσκονταν σε αφάνεια λόγω προβλημάτων υλοποίησης Ολίσθηση συχνότητας τοπικού ταλαντωτή PLL Aνατροφοδότηση της συχνότητας του τοπικού ταλαντωτή στο κύκλωμα κεραίας Ρεύμα ολίσθησης DC Επανήλθε στην επικαιρότητα μετά τη διάδοση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων

8 Υπερετερόδυνος δέκτης Μίξη σημάτων RF με τοπικό φέρον για λήψη συγκεκριμένης ενδιάμεσης συχνότητας (IF) Εφευρέθηκε το 1918 από τον E. Armstrong Σχεδόν όλοι οι δέκτες ήταν τέτοιου τύπου

9 Βασική ιδέα Πρώτα, μετατροπή της συχνότητας φέροντος f c του σήματος σε σταθερή ενδιάμεση συχνότητα f IF μέσω συντονιζόμενου τοπικού ταλαντωτή f LO Διάβαση μέσα από ζωνοπερατό φίλτρο υψηλής επιλεκτικότητας στην ενδιάμεση συχνότητα Αφαίρεση το θορύβου και των εκτός ζώνης συνιστωσών πριν την μετατροπή σε σήμα βασικής ζώνης Τελικά, αποδιαμόρφωση σε σήμα βασικής ζώνης

10 Δομικό διάγραμμα AF AGC

11 Δομικές μονάδες Ενισχυτής ραδιοσυχνοτήτων (RF) Επιλεκτική ενίσχυση του σήματος που λαμβάνεται στην κεραίασεπεριοχήπερίτοεπιθυμητόσήμα Τοπικός ταλαντωτής Μεταβλητή συχνότητα συντονισμού f LO =f c ±f IF Μείκτης Ενισχυτής ενδιάμεσων συχνοτήτων (IF) Ενίσχυση περί τη σταθερή ενδιάμεση συχνότητα f IF Φωρατής (αποδιαμορφωτής) Ενισχυτής ακουστικών συχνοτήτων (AF) AGC Αυτόματος έλεγχος κέρδους Για να παραμένει η ισχύς εξόδου σταθερή

12 Λειτουργία Συχνότητα είδωλο Εάν το φίλτρο ραδιοσυχνοτήτων δεν απορρίπτει πλήρως τη συχνότητα είδωλο, ο δέκτηςθα αποδιαμορφώσεικαιτοσήμαείδωλο!

13 Βαθμίδα RF Μεταφέρει την επιθυμητή συχνότητα λήψης στην σταθερή ενδιάμεση συχνότητα Στους δέκτες DC έχουμε f IF =0, άρα καταλήγουμε απ ευθείας στο σήμα βασικής ζώνης Στους υπερετερόδυνους δέκτες f IF >>0! Η βαθμίδα RF συμβάλει στην απόρριψη του σήματος ειδώλου Διπλοί υπερετερόδυνοι δέκτες (δύο ενδιάμεσες συχνότητες) για καλύτερη απόρριψη

14 Σήμα είδωλο Έστω ότι η συχνότητα του τοπικού ταλαντωτή είναι flo = fc + fif Η συχνότητα είδωλο είναι f c = flo + fif Για να απορριφθεί το σήμα είδωλο πρέπει B T <B RF <2f IF

15 Βαθμίδα ΙF Η βαθμίδα IF παρέχει ενίσχυση (κέρδος) και συμβάλει στην απόρριψη των παρεμβολών Το εύρος ζώνης στην ενδιάμεση βαθμίδα πρέπει να είναι σχετικά μικρό BIF 0,01 < < 0,1 f c Για παράδειγμα στην εμπορική ραδιοφωνία FM B IF 200 khz = 0,02 10MHz f c

16 Συντονισμός Ο συντονισμός του δέκτη επιτυγχάνεται μόνο με αλλαγή της συχνότητας του τοπικού ταλαντωτή f > f Εάν LO c, έχουμε αντιστροφή της πλευρικής ζώνης (σε περίπτωση SSB) Ο φωρατής εξαρτάται από το είδος της διαμόρφωσης Φωρατής περιβάλλουσας, κύκλωμα κλίσης, PLL Δεν έχουμε προβλήματα λόγω ανατροφοδότησης του ενισχυμένου σήματος στην κεραία

17 Δέκτης AM Περιοχή ραδιοσυχνοτήτων 0,535 1,605 MHz Ενδιάμεση συχνότητα 455 khz Εύρος ζώνης στην ενδιάμεση βαθμίδα 10 khz

18 Δέκτης FM Περιοχή ραδιοσυχνοτήτων MHz Ενδιάμεση συχνότητα 10,7 MHz Εύρος ζώνης στην ενδιάμεση βαθμίδα 200 khz

19 Προτερήματα υπερετερόδυνων δεκτών Απλή κατασκευή Η τεχνική της μετατροπής συχνότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε όλα τα είδη διαμόρφωσης Ο υπερετερόδυνος δέκτης χειρίζεται τα θέματα ποιότητας λήψης σε διαφορετικές μονάδες RF: Ευαισθησία IF: Επιλεκτικότητα

20 Μειονεκτήματα Το βασικό πρόβλημα με τους υπερετερόδυνους δέκτες είναι η απόκριση σε κίβδηλες (spurious) συχνότητες πέραν της f c Η προφανής συχνότητα είδωλο απαλείφεται με αύξηση της f IF Μη γραμμικότητες μπορεί να προκαλέσουν παρεμβολές και από ισχυρά σήματα σε υποπολλαπλάσια της f IF

21 Δέκτες διπλής μετατροπής Δύο διαφορετικές βαθμίδες IF σε διαφορετικές ενδιάμεσες συχνότητες Πρώτη βαθμίδα IF στα 10,7 MHz >> 455 khz Κακή επιλεκτικότητα (δεν είναι εύκολο να έχουμε στενό εύρος ζώνης), αλλά η απόρριψη του ειδώλου είναι εύκολη Π.χ. για f c = 146,94 MHz στα VHF, το είδωλο βρίσκεται 14% πιο ψηλά από το φέρον στα 146,94 +2*10,7 = 168,34 MHz Δεύτερη βαθμίδα IF στα 455 khz Είδωλο στα 10,7+2* 0,455 = 11,6 MHz, περίπου 8.5% πιο πάνω από το φέρον (Καθόλου άσχημα) Το ζωνοπερατό δεύτερο φίλτρο IF BPF παρέχει την απαιτούμενη επιλεκτικότητα Για δέκτες ευρείας ζώνης, μπορεί να απαιτείται τριπλή μετατροπή για περαιτέρω βελτίωση της επιλεκτικότητας και απόρριψης ειδώλου

22 Δέκτες SDR (Software Defined Radio) Δώσε μου τα I(t) και Q(t) και μπορώ να αποδιαμορφώσω τα πάντα! st () = [ π + θ ] A cos 2 ft ( t) c c x ~ cos(2 π fct) sin(2 π f t) c LPF yt () = LBF () = Ae c A/D It () { j2π ft} c ste iθ () t = It () + jqt () x LPF A/D Qt ()

23 Δέκτες SDR (Software Defined Radio) Η αποδιαμόρφωση γίνεται με λογισμικό (μαθηματικές πράξεις) σε υπολογιστή I t + Q t 2 2 AM ( ) ( ) Qt () FM arctan It () DSB, SSB It ( )

24 The lkhefw wlkhq The lkhefw wlkhq The lkhefw wlkhq wilehr wejklh wajkhrqwilu wilehr wejklh wajkhrqwilu wilehr wejklh wajkhrqwilu wae. esjlkh qwh wlh lihewrw wae. esjlkh qwh wlh lihewrw wae. esjlkh qwh wlh lihewrw wklhjr qlih qilh q q3wih wklhjr qlih qilh q q3wih wklhjr qlih qilh q q3wih q qwejklh wajkhrqwilu qwejklh wajkhrqwilu wejklh wajkhrqwilu wae. wae. esjlkh qwh wlh lihewrw wae. esjlkh qwh wlh lihewrw esjlkh qwh wlh lihewrw wklhjr qlih qilh q q3wih wklhjr qlih qilh q q3wih q wklhjr qlih qilh q q3wih qwejklh wajkhrqwilu wejklh wajkhrqwilu qwejklh wajkhrqwilu wae. esjlkh qwh wlh lihewrw wae. esjlkh qwh wlh lihewrw wae. esjlkh qwh wlh lihewrw wklhjr qlih qilh q q3wih wklhjr qlih qilh q q3wih q wklhjr qlih qilh q q3wih qwejklh wajkhrqwilu qwejklh wajkhrqwilu wae. esjlkh qwh wlh lihewrw wklhjr qlih qilh q q3wih q wae. esjlkh qwh wlh lihewrw wklhjr qlih qilh q q3wih wejklh wajkhrqwilu wklhjr qlih qilh q q3wih q wae. esjlkh qwh wlh lihewrw q wklhjr qlih qilh q q3wih wklhjr qlih qilh q q3wih q wklhjr qlih qilh q q3wih q wejklh wajkhrqwilu wejklh wajkhrqwilu qwejklh wajkhrqwilu wae. esjlkh qwh wlh lihewrw wae. esjlkh qwh wlh lihewrw wae. esjlkh qwh wlh lihewrw wklhjr qlih qilh q q3wih wklhjr qlih qilh q q3wih q wklhjr qlih qilh q q3wih qwejklh wajkhrqwilu wklhjr qlih qilh q q3wih q qwejklh wajkhrqwilu wae. esjlkh qwh wlh lihewrw wejklh wajkhrqwilu wae. esjlkh qwh wlh lihewrw wklhjr qlih qilh q q3wih wae. esjlkh qwh wlh lihewrw wklhjr qlih qilh q q3wih qwklhjr qlih qilh q q3wih wklhjr qlih qilh q q3wih q q qwejklh wajkhrqwilu wejklh wajkhrqwilu wae. esjlkh qwh wlh lihewrw wae. Μοντέρνος δέκτης Πληροφορία Κεραία 2. Μετάβαση σε χαμηλότερη συχνότητα Μίκτης Απόδιαμορφωτής 4. Ανάκτηση σήματος πληροφορίας 0 90 A D Ich. HPMX-2007 Baseband Processor μp/ DSP LNA A D Q ch. 1. Ενίσχυση με ελάχιστη προσθήκη θορύβου LO 3. Τοπικός ταλαντωτής Τροφοδοσία

25 Μοντέλο συστήματος αποδιαμόρφωσης παρουσία θορύβου

26 Επίδοση παρουσία θορύβου Η ανάλυση της επίδοσης των συστημάτων διαμόρφωσης παρουσία θορύβου είναι εξαιρετικά σημαντική για τη σχεδίαση των διαφόρων επικοινωνιακών συστημάτων Ο τελικός σκοπός είναι να αναπτυχθεί ένα σύστημα όπου οι επιδράσεις του θορύβου να ελαχιστοποιούνται Εάν η επίδραση του θορύβου ελαχιστοποιηθεί, τότε είναι δυνατό να μειωθεί η ισχύς εκπομπής στον πομπό Εξαιρετικά σημαντικό στην κινητή τηλεφωνία για επαναχρησιμοποίηση του φάσματος Δορυφορικές (deep space) επικοινωνίες λόγω της μεγάλης απόσβεσης

27 Μοντέλο συστήματος Απώλειες διαύλου Διαμορφωμένο σήμα Φίλτρο εξόδου (μετ-ανίχνευσης) Φίλτρο λήψης (προ-ανίχνευσης) Αποδ Ισχύς μετάδοσης Ισχύς λήψης Σήμα λήψης (δεν επηρεάζεται από το H R ) Θόρυβος λήψης (μετά το φίλτρο)

28 Ο δέκτης Το μέρος του δέκτη πριν την αποδιαμόρφωση μπορεί να μοντελοποιηθεί ως ζωνοπερατό φίλτρο με μοναδιαίο κέρδος και εύρος ζώνης ίσο με το εύρος ζώνης μετάδοσης Το φίλτρο αυτό υλοποιείται στην ενδιάμεση βαθμίδα Στην πράξη το εύρος ζώνης είναι αρκετά μεγαλύτερο του απαιτούμενου (τόσο στην είσοδο όσο και στην ενδιάμεση βαθμίδα του δέκτη) Η επίδραση της μίξης και ενίσχυσης στην πρώτη βαθμίδα είναι ταυτόσημες για το σήμα πληροφορίας και τον θόρυβο, οπότε δεν χρειάζεται να ληφθούν υπόψη

29 Το σήμα πληροφορίας Θεωρούμε κανονικοποιημένο αναλογικό σήμα πληροφορίας mt () 1με ισχύ 2 2 Sm =< m () t >= E{ m ()} t Υποθέτουμε ότι το σήμα πληροφορίας είναι εργοδικό, δηλαδή, ότι οι χρονικές και οι χωρικές μέσες τιμές ισούνται 2 2 < mt () >= Emt { ()}, < m() t >= Em { ()} t < mtmt () ( τ) >= Emtmt { () ( τ)} Με τη χρονική μέση τιμή να ορίζεται ως 1 T /2 < mt () >= lim mtdt () T T T /2

30 Οδίαυλος Εισάγει μόνο απόσβεση L στο σήμα χωρίς να προκαλεί καμία παραμόρφωση πλην της προσθήκης θορύβου Ο δίαυλος υποτίθεται ότι είναι προσθετικού λευκού θορύβου Gauss (AGWN) όπου ο θόρυβος στο δίαυλο έχει πυκνότητα φάσματος ισχύος G( f ) = N /2 0

31 Το διαμορφωμένο σήμα Το διαμορφωμένο σήμα s(t) στην έξοδο του διαύλου (είσοδο του δέκτη) έχει πλάτος A c και ισχύ S R S L { 2 ()} T SR = = E s t όπου S T ηισχύςμετάδοσης Το εκπεμπόμενο σήμα στο πομπό είναι Ls() t

32 Το σήμα λήψης Το προς αποδιαμόρφωση σήμα στην είσοδο του δέκτη είναι rt () = st () + nt () όπου το n(t) αναπαριστά το θόρυβο μετά το φίλτρο λήψης (προ-ανίχνευσης) Το φίλτρο λήψης H R (f) δεν επηρεάζει το σήμα λήψης, αλλά καθιστά τον θόρυβο ζωνοπερατό [ π φ ] rt () = A()cos2 t ft+ () t r c r = r( t)cos(2 π ft) r( t)sin(2 π ft) c c s c

33 Το αποδιαμορφωμένο σήμα Το σήμα μετά την αποδιαμόρφωση μπορεί να γραφθεί σύμφωνα με το είδος φωρατή rc () t ομόδυνος αποδιαμορφωτής Ar() t Ar φωρατής περιβάλλουσας yt () = φr () t φωρατής PM 1 d φr () t φωρατής FM 2π dt

34 Αποδιαμορφωτής Υποτίθεται ότι υπάρχει τέλειος συγχρονισμός του φέροντος στον δέκτη ΟόροςA r αφοράτηναφαίρεσητηςσυνιστώσαςdc για αποδιαμόρφωση με φωρατή περιβάλλουσας (πιθανώς να ισχύει και στις άλλες περιπτώσεις) Η σταθερά αποδιαμόρφωσης μπορεί να μην είναι μοναδιαία, αλλά η επίδρασή της είναι η ίδια όσον αφορά το σήμα πληροφορίας και τον θόρυβο Την παραλείπουμε χωρίς βλάβη της γενικότητας Το μέρος του δέκτη μετά τον αποδιαμορφωτή είναι συνήθως ένα βαθυπερατό φίλτρο Φίλτρο από-έμφασης στην FM

35 Θόρυβος λήψης Το σήμα και ο θόρυβος είναι στατιστικά ανεξάρτητα, άρα μπορούν να προστεθούν οι ισχείς ώστε να ληφθεί η συνολική ισχύς λήψης r = s + n = SR + NR όπου N R η ισχύς του θορύβου στη λήψη (είσοδο του δέκτη) Ο θόρυβος λήψης (πριν τη φώραση) είναι φιλτραρισμένη εκδοχή του θορύβου που εισάγει ο δίαυλος N G f = H f 2 0 n( ) R( ) 2

36 Θόρυβος λήψης Παρατηρείστε ότι η συχνότητα φέροντος δεν είναι κατ ανάγκη στο κέντρο της ζώνης διέλευσης

37 Ισχύς θορύβου λήψης Για λευκό θόρυβο στον δίαυλο N G ( f ) = 0 H ( f ) n R 2 όπου N o /2 η πυκνότητα φάσματος ισχύος του λευκού θορύβου Επομένως η ισχύς του θορύβου λήψης υποθέτοντας ιδανικό ζωνεπερατό φίλτρο εύρους ζώνης B T είναι N = G ( f ) df = N B R n 0 T 2

38 Σηματοθορυβική σχέση εισόδου Η σηματοθορυβική σχέση στην είσοδο του δέκτη ορίζεται ως SNR c S N Σημειώστε ότι το B T είναι το εύρος ζώνης μετάδοσης μέσα στο οποίο όσος θόρυβος διαύλου εμφανισθεί θα οδηγείται προς τον φωρατή Για λόγους σύγκρισης ορίζουμε τη σηματοθορυβική σχέση εισόδου του συστήματος βασικής ζώνης (χωρίς διαμόρφωση) με ταυτόσημες ισχείς σήματος και θορύβου R R = SR N B 0 T

39 Σηματοθορυβική σχέση εισόδου στη βασική ζώνη Τότε ως εύρος ζώνης (για τον θόρυβο) χρησιμοποιούμε το εύρος ζώνης σήματος πληροφορίας, επομένως και SR SNRb NW 0 W SNRc = SNRb, SNRc SNRb, BT W B T όπου στην ακραία περίπτωση για το SSB ισχύουν οι ισότητες

40 Σηματοθορυβική σχέση εισόδου στη βασική ζώνη Η φυσική σημασία του SNR b είναι ότι αποτελεί τη μέγιστη σηματοθορυβική σχέση στην είσοδο για αναλογική μετάδοση στη βασική ζώνη

41 Σηματοθορυβική σχέση εξόδου Εάν ο θόρυβος στην έξοδο του δέκτη μετά την αποδιαμόρφωση εμφανίζεται με μορφή προσθετικής συνιστώσας, η σηματοθορυβική σχέση στην έξοδο του δέκτη ορίζεται ως SD SNRo N D όπου N D η ισχύς του θορύβου στην έξοδο του δέκτη

42 Το βασικό πρόβλημα Η ερώτηση είναι: δοθέντος του r(t) και του είδους του φωρατή να βρεθεί το σήμα (με θόρυβο) στην τελική έξοδο y D (t) και εάν ο θόρυβος εμφανίζεται προσθετικά να βρεθεί η σηματοθορυβικη σχέση στην έξοδο SNR o = S N D D s(t) G n (f)=n o /2 r(t)=s(t)+n(t)

43 Επίδοση Η επίδοση του δέκτη προσδιορίζεται από τον λόγο των σηματοθορυβικών σχέσεων Επίδοση = SNR SNR o c Όσουψηλότερηητιμήτου, τόσο καλύτερος είναι ο δέκτης

44 Ζωνοπερατός θόρυβος

45 Ζωνοπερατός θόρυβος Θεωρούμε ότι ο θόρυβος στον δίαυλο είναι λευκός, δηλαδή, αναπαριστάνεται από στατική, μηδενικής μέσης τιμής διαδικασία Gauss 2 2 n = 0, n = σ = N n O ζωνοπερατός θόρυβος λήψης μπορεί να γραφτεί συναρτήσει των ορθογωνίων συνιστωσών του ως εξής nt () = n()cos(2 t π ft) n()sin(2 t π ft) R c c s c

46 Ζωνοπερατός θόρυβος Όπου οι πυκνότητες φάσματος ισχύος των δύο συνιστωσών είναι ταυτόσημες G ( f ) = G ( f ) n c n s 1 = G ( f f ) 1 sgn f f G ( f + f ) 1 f + f 2 [ ( )] n c c [ + sgn ( )] n c c Ο πρώτος όρος αντιστοιχεί σε μετακίνηση προς τα επάνω των αρνητικών συχνοτήτων, ενώ ο δεύτερος σε μετακίνηση των θετικών συχνοτήτων προς τα κάτω

47 Πώς βρίσκουμε τις ορθογώνιες συνιστώσες f c f c

48 Ορθογώνιες συνιστώσες ζωνοπερατού θορύβου Η φασματική μορφή των ορθογώνιων συνιστωσών μπορεί να διαφέρει σημαντικά από τη φασματική μορφή του ζωνοπερατού θορύβου λόγω του συστήματος διαμόρφωσης VSB f c FM,PM DSB,AM f c USB f c

49 Ζωνοπερατός θόρυβος Οι δύο συνιστώσες συμφασική και ορθογωνική είναι Βαθυπερατές Ανεξάρτητες Μηδενικής μέσης τιμής Ίδιας ισχύος n c = n = s 0, n () t n () t = 0 c s n c φ n A n n = n = n = N = N B c s R 0 T n s

50 Κατανομή πλάτους θορύβου Ο ζωνοπερατός θόρυβος εκφρασμένος στη μορφή περιβάλλουσας-φάσης [ π φ ] nt () = An()cos2 t ft c + n() t A () t = n + n Το πλάτος έχει κατανομή Rayleigh n c c 2 A n A n pa ( A ) exp, 0 n n = An NR 2NR με μέση τιμή και μεταβλητότητα 2 π N 2 R a n =, n = 2 R, ( n > ) = exp 2 2N R A A N P A a

51 Κατανομή φάσης θορύβου ενώ η φάση φ = n n arctan s n c είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη, με αποτέλεσμα 2 2 2[ ] 2 1 = n cos 2π c + φn = n = R n A f t A N 2

52 Γραμμική διαμόρφωση με θόρυβο

53 Ορισμοί Το σήμα στη λήψη (μετά το φίλτρο προ-ανίχνευσης) είναι rt () = st () + nt () 2 2 όπου s = SR, n = NR Οι σηματοθορυβικές σχέσεις είναι SR SR W SD SNRc = = = SNRb, SNRo = NR N0BT BT ND Ο ζωνοπερατός θόρυβος είναι nt () = nc()cos(2 t π ft c ) ns()sin(2 t π ft c ) όπου n = n = n = N = N B c s R 0 T

54 Θόρυβος στην ομόδυνη αποδιαμόρφωση

55 Επίδραση θορύβου στην DSB Εάν η διαμόρφωση είναι DSB s() t = Am()cos(2 t π f t) c c Το σήμα στην είσοδο του δέκτη είναι rt () = Amt () + n()cos(2 t π ft) n()sin(2 t π ft) [ ] c c c s c Ο ιδανικός ομόδυνος αποδιαμορφωτής εξάγει τη συμφασική συνιστώσα (απορρίπτοντας τους όρους με τη διπλάσια συχνότητα φέροντος) ώστε τελικά yt () = [ Amt () + n()]/2 t c c και εάν το φίλτρο εξόδου είναι ιδανικό βαθυπερατό y () t = [ Am() t + n ()]/2 t D c c

56 SNR στην είσοδο του δέκτη Η ισχύς του σήματος στην είσοδο είναι S = s = A S 2 2 R c m /2 Η ισχύς του θορύβου στην είσοδο είναι 2 NR = n = N0BT = 2N0W Η σηματοθορυβική σχέση στην είσοδο είναι SNR c 2 2 SR AcSm AcSm = = = N 2N B 4N W R 0 T 0

57 SNR στην έξοδο του δέκτη Η ισχύς του σήματος στην έξοδο είναι S = A m /4 = A S / D c c m Η ισχύς του θορύβου στην έξοδο είναι N = n /4 = N B /4 = N W /2 2 D c 0 T 0 Η σηματοθορυβική σχέση στην έξοδο είναι SNR o 2 2 SD AcSm AcSm SR = = = = N N B 2N W N W D 0 T 0 0

58 Επίδοση DSB σε θόρυβο Ο λόγος των σηματοθορυβικών σχέσεων εισόδου εξόδου στην DSB είναι SNRo = 2SNRc και σε σύγκριση με το σύστημα βασικής ζώνης SR SNRo = = SNRb NW 0 Επομένως η DSB δεν παρουσιάζει κάποια βελτίωση της σηματοθορυβικής σχέσης συγκρινόμενη με την μετάδοση στη βασική ζώνη

59 Επίδραση θορύβου στην SSB Εάν η διαμόρφωση είναι SSB s() t = Am()cos(2 t π f t)/2 A m ()sin(2 t π f t)/2 c c c c Το σήμα στην είσοδο του δέκτη είναι [ ] rt () = Amt ()/2 + n()cos(2 t π ft) c c c A cmt ()/2 + ns() t sin(2 π ft c ) Ο ιδανικός ομόδυνος αποδιαμορφωτής εξάγει τη συμφασική συνιστώσα (απορρίπτοντας τους όρους με τη διπλάσια συχνότητα φέροντος) ώστε τελικά yt () = [ Amt ()/2 + n()]/2 t c c και εάν το φίλτρο εξόδου είναι ιδανικό βαθυπερατό y () t = [ Am()/2 t + n ()]/2 t D c c

60 SNR στην είσοδο του δέκτη Η ισχύς του σήματος στην είσοδο είναι S = s = AS /8 + AS /8 = AS / R c m c m c m Η ισχύς του θορύβου στην είσοδο είναι 2 NR = n = N0BT = N0W Η σηματοθορυβική σχέση στην είσοδο είναι SNR c 2 2 SR AcSm AcSm = = = N 2N B 4N W R 0 T 0

61 SNR στην έξοδο του δέκτη Η ισχύς του σήματος στην έξοδο είναι S = A m /16 = A S / D c c m Η ισχύς του θορύβου στην έξοδο είναι N = n /4 = N B /4 = N W /4 2 D c 0 T 0 Η σηματοθορυβική σχέση στην έξοδο είναι SNR o 2 2 SD AcSm AcSm SR = = = = N 4N B 4N W N W D 0 T 0 0

62 Επίδοση SSB σε θόρυβο Ο λόγος των σηματοθορυβικών σχέσεων εισόδου εξόδου στην SSB είναι SNRo = SNRc και σε σύγκριση με το σύστημα βασικής ζώνης SR SNRo = = SNRb NW 0 Επομένως η SSB δεν παρουσιάζει κάποια βελτίωση της σηματοθορυβικής σχέσης συγκρινόμενη με την μετάδοση στη βασική ζώνη

63 Επίδραση θορύβου στην AM Εάν η διαμόρφωση είναι AM s() t = A[1 +μm()]cos(2 t π f t) c Το σήμα στην είσοδο του δέκτη είναι rt () = A 1 + μmt () + n()cos(2 t π ft) n()sin(2 t π ft) { [ ] } Ο ιδανικός ομόδυνος αποδιαμορφωτής εξάγει τη συμφασική συνιστώσα (απορρίπτοντας τους όρους με τη διπλάσια συχνότητα φέροντος) και τον όρο DC ώστε τελικά yt () = [ μ Amt () + n()]/2 t και εάν το φίλτρο εξόδου είναι ιδανικό βαθυπερατό y () t = [ μ Am() t + n ()]/2 t c c c c s c c D c c c

64 SNR στην είσοδο του δέκτη Η ισχύς του σήματος στην είσοδο είναι SR = s = Ac(1 +μ Sm) 2 Η ισχύς του θορύβου στην είσοδο είναι 2 NR = n = N0BT = 2N0W Η σηματοθορυβική σχέση στην είσοδο είναι SNR c SR Ac(1 + μ Sm) Ac(1 + μ Sm) = = = N 2N B 4N W R 0 T 0

65 SNR στην έξοδο του δέκτη Η ισχύς του σήματος στην έξοδο είναι S = A μ m /4 = μ A S / D c c m Η ισχύς του θορύβου στην έξοδο είναι N = n /4 = N B /4 = N W /2 2 D c 0 T 0 Η σηματοθορυβική σχέση στην έξοδο είναι SNR o S μ A S μ A S μ S S = = = = N NB NW + μ S NW D c m c m m R 2 D 0 T m 0

66 Επίδοση AM σε θόρυβο Ο λόγος των σηματοθορυβικών σχέσεων εισόδου εξόδου στην AM είναι 2 2μ Sm SNRo = SNR 2 c 1 + μ Sm και σε σύγκριση με το σύστημα βασικής ζώνης 2 2 μ Sm SR μ Sm SNRo = = SNR 2 2 b 1+ μ S N W 1+ μ S m 0 Επομένως η AM έχει πάντα χειρότερη σηματοθορυβική σχέση συγκρινόμενη με την μετάδοση στη βασική ζώνη m

67 Επίδοση AM σε θόρυβο Για πλήρη διαμόρφωση AM (μ=1) από απλό τόνο S = 1/2, SNR = SNR /3 m o b που είναι 5 db χειρότερη από το DSB Συνήθως όμως για σήματα φωνής Sm 0,1 που οδηγεί σε 10 db υποβάθμιση συγκρινόμενο με την DSB

68 Θόρυβος στον φωρατή περιβάλλουσας

69 Επίδραση θορύβου στην AM Εάν η διαμόρφωση είναι AM s() t = A[1 +μm()]cos(2 t π f t) c Το σήμα στην είσοδο του δέκτη είναι rt () = A 1 + μmt () + n()cos(2 t π ft) n()sin(2 t π ft) { [ ] } Ο φωρατής περιβάλλουσας εξάγει την περιβάλλουσα του λαμβανόμενου σήματος ώστε τελικά yt () = Ar() t Ar όπου η περιβάλλουσα είναι c c c c s c [ μ ] 2 2 r() = c 1 + () + c() + s() { } { } A t A m t n t n t

70 Ανάλυση ασθενούς θορύβου Εάν το σήμα είναι ισχυρότερο του θορύβου 2 2 A n c Η περιβάλλουσα είναι κατά προσέγγιση A () t A 1 + μm() t + n () t [ ] r c c οπότε τελικά ο φωρατής περιβάλλουσας δίνει y () t = A () t A = μ Am() t + n () t D r r c c Άρα και για τον φωρατή περιβάλλουσας η ανάλυση των σηματοθορυβικών σχέσεων είναι ταυτόσημη με αυτή για τον ομόδονυνο φωρατή!

71 Αναπαράσταση με φασιθέτες

72 Φαινόμενο κατωφλίου AM Εάν το σήμα είναι ασθενές σε σχέση με τον θόρυβο A n 2 2 c τότε ο θόρυβος και η περιβάλλουσα είναι nt () = A()cos[2 t π ft+ φ ()] t n c n [ μ ] A () t A () t + A 1 + m()cos t φ () t r n c n και η έξοδος του φωρατή είναι = + μ φ = π yt () A() t Amt ()cos () t A, A N /2 n c n n n R Επομένως το σήμα πληροφορίας χάνεται ολοσχερώς! Στον ομόδυνο φωρατή το σήμα παραμένει ασθενές, αλλά αναλλοίωτο, μέσα στον ισχυρό θόρυβο

73 Φαινόμενο κατωφλίου AM Υπάρχει επομένως ένα κατώφλι πάνω από το οποίο ο φωρατής περιβάλλουσας λειτουργεί ικανοποιητικά Προβλήματα στην αποδιαμόρφωση θα εμφανισθούν εάν συμβαίνει αρκετά συχνά A n > A c Π.χ. μπορούμε να θεωρήσουμε ότι λειτουργούμε πάνω από το κατώφλι εάν η πιθανότητα 2 A c Pr{ An Ac} = exp = WN0

74 Φαινόμενο κατωφλίου AM Δηλαδή, είμαστε πάνω από το κατώφλι εάν SNR = 4ln10 10 SNR cth, bth, = 8ln10 20 Στην εμπορική ραδιοφωνία η σηματοθορυβική σχέση πρέπει να είναι 30 db ή περισσότερο για ικανοποιητική ακρόαση, οπότε το φαινόμενο κατωφλίου δεν αποτελεί σημαντικό περιορισμό

75 Διαμόρφωση γωνίας με θόρυβο

76 SNR στην είσοδο του δέκτη Εάν η διαμόρφωση είναι PM ή FM Δφmt () PM st () = A [ ] ccos2 π ft c + φ(), t φ() t = t 2 πδf m( τ) dτ FM Η ισχύς του σήματος στην είσοδο του δέκτη είναι S 2 R = Ac /2 Η ισχύς του θορύβου στην είσοδο του δέκτη είναι NR = N0BT Η σηματοθορυβική σχέση στην είσοδο του δέκτη είναι SNR c = 2 Ac 2NB 0 T

77 Επίδραση θορύβου στην διαμόρφωση γωνίας Το σήμα στην είσοδο του δέκτη είναι rt () = st () + nt () = [ π φ ] [ π φ ] = A cos2 ft+ () t + A()cos2 t ft+ () t c c n c n [ ] = Ar()cos2 t π fct+ φr() t Ο περιοριστής θα απαλείψει τη μεταβολή πλάτους οπότε ενδιαφέρει μόνο η γωνία A ()sin[ () ()] n t φn t φ t φr () t = φ() t + arctan A + A ()cos t φ () t φ() t c n n [ ] όπου ο πρώτος όρος είναι η φάση, ενώ ο δεύτερος όρος περιλαμβάνει το σήμα και τον θόρυβο

78 Αναπαράσταση με φασιθέτες

79 Θόρυβος στην έξοδο του αποδιαμορφωτή Για απλοποίηση της ανάλυσης μπορούμε να υποθέσουμε ασθενή θόρυβο, δηλαδή, Ac A () n t Τότε A [ ] n()sin t φn() t φ() t φr () t φ() t + Ac Μια δεύτερη προσέγγιση είναι να αντικαταστήσουμε τον όρο φ n (t)-φ(t) μόνο με το φ n (t) Η φ n (t) έχει ομοιόμορφη κατανομή, το αυτό και η φ n (t)-φ(t) οπότε [ φ t ] An()sin t n() 1 φr() t φ() t + = φ() t + ns() t A A c c

80 Θόρυβος στην έξοδο του αποδιαμορφωτή Η προηγούμενη σχέση δηλώνει ότι η φάση φ(t) που προέρχεται από το σήμα πληροφορίας και ο ισοδύναμος θόρυβος φάσης εμφανίζονται προσθετικά Ο προσθετικός όρος θορύβου εξαρτάται από την ορθογωνική συνιστώσα n s (t) και είναι αντιστρόφως ανάλογη του πλάτους του σήματος Η έξοδος του αποδιαμορφωτή θα είναι ns() t Δ φmt () + PM Ac yt () = 1 dns( t) Δ fm() t + FM 2π Ac dt

81 Φάσμα θορύβου στην έξοδο του αποδιαμορφωτή Το φάσμα του θορύβου εκτείνεται σε εύρος ζώνης B T /2 No PM 2 Ac BT Sn( f ) = f No 2 2 FM 2 f Ac Στην περίπτωση FM το φάσμα έχει παραβολική μορφή Ο θόρυβος είναι υψηλότερος στις μεγάλες συχνότητες

82 Σήμα και θόρυβος στην έξοδο του δέκτη Στην έξοδο του δέκτη, μετά το φίλτρο μετ ανίχνευσης, ο θόρυβος περιορίζεται στο εύρος ζώνης W του σήματος πληροφορίας Πλην της περίπτωσης διαμόρφωσης στενής ζώνης η διαφορά αυτή είναι σημαντική για την σηματοθορυβική επίδοση του δέκτη No PM 2 Ac Sn( f ) = f W No 2 FM 2 f Ac

83 Θόρυβος στην έξοδο του δέκτη PM Μόνο ο θόρυβος στο εύρος ζώνης του σήματος εμφανίζεται στην έξοδο του δέκτη μετά το φίλτρο μετ ανίχνευσης FM

84 SNR στην έξοδο του δέκτη Η ισχύς του σήματος στην έξοδο είναι S D 2 Δφ S = Δ m 2 f Sm PM FM Η ισχύς του θορύβου στην έξοδο είναι N D 2NW 0 NW 0 = 2 Ac SR = 2NW NW = 3A c SR PM FM

85 SNR στην έξοδο του δέκτη Η σηματοθορυβική σχέση στην έξοδο είναι SNR o Δφ SmAc Δφ SmSR = PM S 2 D NW 0 NW 0 = = N D Δf SmAc Δf SRSm 3 = 3 FM W 2N0W W N0W και λαμβάνοντας υπόψη τον λόγο διαμόρφωσης και τη σηματοθορυβική σχέση στη βασική ζώνη SNR o 2 Δφ SmSNR = PM 2 3DSSNR m b FM b

86 SNR στην έξοδο του δέκτη Ο λόγος σηματοθορυβικών σχέσεων εισόδου εξόδου είναι SNR SNR o c BT S m Δφ 2 W = B D S = D D+ S W PM 2 T 2 3 m 3 ( 1) m FM

87 Καταστολή θορύβου Στη διαμόρφωση γωνίας η σηματοθορυβική σχέση εξόδου είναι ανάλογη του τετραγώνου του δείκτη διαμόρφωσης (Δφ ή Δf) SNR o μπορεί να αυξηθεί μέσω της αύξησης του δείκτη διαμόρφωσης διατηρώντας την ισχύ σταθερή Η FM υπερέχει της PM όσον αφορά την επίδοση στον θόρυβο Η βελτίωση στην PM περιορίζεταιαπότοότιη απόκλιση φάσης Δφ είναι μικρότερη του π

88 Καταστολή θορύβου Η σηματοθορυβική σχέση εξόδου είναι καλύτερη από την DSB εάν 2 Δ φ Sm > > 1 PM 2 3DSm 1 FM Για D>0.6 η FM είναι καλύτερη της DSB Ητιμήαυτήτουλόγουαπόκλισηςσηματοδοτείτη μετάβαση από FM στενής ζώνης σε FM ευρείας ζώνης H PM είναι 10 db το πολύ καλύτερη από την DSB

89 Ανταλλαγή εύρους ζώνηςισχύος Η σηματοθορυβική σχέση SNR o μπορεί να βελτιωθεί μέσω της αύξησης του εύρους ζώνης μετάδοσης αντί της αύξησης ισχύος εκπομπής Όμως μεγαλώνοντας το εύρος ζώνης μεγαλώνει και ο θόρυβος με αποτέλεσμα κάποια στιγμή να μην ισχύει η ανάλυση ασθενούς θορύβου (φαινόμενο κατωφλίου)

90 Φαινόμενο κατωφλίου Εάν ο θόρυβος υπερισχύει του σήματος A () t A n c Η φάση στον αποδιαμορφωτή θα είναι φ () t φ () t + r n [ φ φ ] A sin ( t) ( t) c n A () t n δηλαδή, ο θόρυβος επικρατεί πλήρως και το σήμα δεν είναι ανακτήσιμο

91 Φαινόμενο κατωφλίου Όμως το πρόβλημα εμφανίζεται πολύ πριν γίνει ο θόρυβος τόσο ισχυρός, όταν A n A c Τότε μικρές αλλαγές στο θόρυβο εμφανίζονται ως εκρήξεις (κλικ) στην έξοδο Το φαινόμενο αυτό συμβαίνει όταν η συνισταμένη θορύβου και σήματος διαγράψει ένα κύκλο γύρω από την αρχή, δηλαδή, η φάσηαλλάξεικατά2π Τότε η παράγωγος της φάσης θα δώσει παλμούς που ακούγονται σαν κλικ στην έξοδο σκεπάζοντας το σήμα

92 Φαινόμενο κατωφλίου

93 Ανάλυση του Rice O Rice μελέτησε το φαινόμενο για FM διαμορφωμένο με από τόνο Τότε 3 NW 0 12D W ND = 1+ SNRbexp SNRb 3SR π BT όπου ο δεύτερος όρος περιλαμβάνει την επίδραση των κλικ

94 Ανάλυση του Rice

95 Το κατώφλι Οι καμπύλες εμφανίζουν μια απότομη καμπή γόνατο εξ αιτίας του εκθετικού όρου Στην περιοχή αυτή, μικρές αλλαγές στην ισχύ του σήματος έχουν δραματικά αποτελέσματα στην έξοδο Τη μια στιγμή υπάρχει σήμα, την επόμενη εξαφανίζεται Κάτωαπότοκατώφλι, ο θόρυβος καταλαμβάνει την έξοδο Στην πράξη εάν SNR c > 10 δεν εμφανίζονται τέτοια φαινόμενα

96 Σηματοθορυβική σχέση στο κατώφλι Επειδή W SNRc = SNRb BT Το κατώφλι αντιστοιχεί BT SNRbth, = 10 20( D + 2), D > 2 W για την οποία προκύπτει SNR = 3D S SNR 60 D ( D + 2) S, D > oth, m bth, m

97 Σηματοθορυβική σχέση στο κατώφλι Η ελάχιστη σηματοθορυβική σχέση για δοθέντα λόγο απόκλισης είναι SNR D D S D 2 oth, = 60 ( + 2) m, > 2 Ισοδύναμα, για δοθείσα επιθυμητή τιμή σηματοθορυβικής σχέσης και χωρίς περιορισμούς εύρους ζώνης βρίσκουμε τον μέγιστο λόγο απόκλισηςλύνονταςωςπροςd Η τιμή αυτή αντιστοιχεί στο πλέον αποδοτικό σύστημα FM, δηλαδή, αυτό που απαιτεί την ελάχιστη ισχύ και λειτουργεί πάνωαπότοκατώφλι

98 Μείωση κατωφλίου Δέκτης FMFB (FM feedback) SNR BF SNR IF st () H RF X H IF Αποδιαμορφωτής FM Βαθυπερατό φίλτρο y () D t B RF =B T B IF =2W SNR o VCO

99 Προέμφαση-Αποέμφαση Μπορούμε να βελτιώσουμε τη σηματοθορυβική σχέση εάν ενισχύσουμε τις υψηλές συχνότητες του σήματος πριν τη διαμόρφωση (προέμφαση) και τις υποβαθμίσουμε αντίστοιχα κατά την αποδιαμόρφωση (αποέμφαση) H ( ) de f H ( ) pe f H de ( f ) = H 1 ( f ) pe

100 Προέμφαση-Αποέμφαση n(t) H ( ) pe f H ( ) de f

101 Τι είδους διαμόρφωση? Το φίλτρο προέμφασης παραγωγίζει τις υψηλές συχνότητες του σήματος H ( ) pe f Μοιάζει με διαφοριστή Διαμόρφωση PM! Το τελικό αποτέλεσμα αποτελεί μίξη διαμόρφωσης FM για τις χαμηλές συχνότητες και διαμόρφωσης PM για τις υψηλές συχνότητες του σήματος

102 Φίλτρο προέμφασης, αποέμφασης Το φίλτρο αποέμφασης στον δέκτη είναι 1 1 f B f Hde( f) = 1+ j Bde B de f B jf de de Το φίλτρο προέμφασης στον πομπό είναι 1 f H pe( f ) = 1+ j jf B de B de f f B B de de

103 Ισχύς θορύβου με φίλτρο αποέμφασης Με το φίλτρο αποέμφασης η ισχύς θορύβου στην έξοδο είναι W N0f N0B de W W ND = Hde( f ) df = arctan W 3SR SR Bde Bde Στη συνήθη περίπτωση όπου Η ισχύς θορύβου είναι W B de N D 2 NBW 0 de S R

104 Κέρδος Αποέμφασης Η σηματοθορυβική σχέση εξόδου με φίλτρο αποέμφασης είναι 2 Δf SNRo = SmSNRb Bde δηλαδή, έχουμε κέρδος αποέμφασης 1 W 3 Bde 2

105 Παράδειγμα Στη ραδιοφωνία FM Δf = 75 khz, W = 15kHz, D = 5, S m = 1/2, B de = 2,1 khz Χωρίς προέμφαση Με προέμφαση SNRo DSm SNR = = 2 b 2 SNR o Δf = Sm 640 SNRb Bde Οικονομία κατά 640 σε ισχύ με αύξηση κατά 15 σε εύρος ζώνης σε σχέση με SSB

106 Σύστημα Dolby Η βασική ιδέα των φίλτρων προέμφασης και αποέμφασης βρίσκει εφαρμογή και στην ηχογράφηση σε ταινία, ειδικά, σε κασέτες Εδώ σκοπός είναι να περιορισθεί ο μάλλον ενοχλητικός θόρυβος στις υψηλές συχνότητες Όλα τα μοντέρνα συστήματα ήχου είναι εφοδιασμένα με την τεχνική Dolby

107 Σύγκριση συστημάτων διαμόρφωσης SNR o SNR b

108 Σύγκριση συστημάτων διαμόρφωσης Στην περιοχή αυτή ο θόρυβος δεν γίνεται αντιληπτός Φαινόμενο κατωφλίου SNR o Η απόσταση από την πράσινη γραμμή είναι το κέρδος που έχουμε από το σύστημα διαμόρφωσης SNR b