Transcript Prečo dB? - KEMT FEI TUKE

Návrh satelitnej linky
Joe Montana
IT 488 - Fall 2003
preklad: Janka Benčová – FEI – TU v Košiciach
1
Agenda
• Základná teória prenosu
• Logaritmické miery - decibely
• Energetický rozpočet spojenia
• Výkon šumu systému (Časť 1)
2
Základná teória prenosu
3
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
4
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
Pt
F
2
4pR
W/m2
(4.1)
5
Izotropný vysielač 2
Izotropný zdroj
Vzdialenosť R
Pt Watt
Oblasť povrchu
gule = 4pR2
obklopená Pt.
Sila hustoty toku:
Pt
F
2
4pR
W/m2
6
Zosilnenie Antény
Potrebujeme smerové antény pre smerovanie výkonu
požadovaným smerom.
Definovať zosilnenie antény ako zvýšenie výkonu v
danom smere v porovnaní s izotropnou anténou.
P( )
G( ) 
P0 / 4p
(4.2)
• P() je variácia výkonu v závislosti od uhla.
• G() je zosilnenie v smere .
• P0 je celkový prenesený výkon.
• guľa = 4p radianty
7
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”.
8
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)
9
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 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.
10
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
EIRP
Pt
Pvys
HPA
Lt
Anténa má zosilnenie:
Gt - relatívne k izotropnému vysielaču
To udáva efektívny izotropný vyžarovaný výkon :
EIRP = Pt Gt watt -porovnateľný s 1 watt
izotropným vysielačom
11
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
12
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
13
Prijímaný výkon
Silu hustoty toku môžeme vzhľadom na zosilnenie
vysielajúcej antény prepísať nasledovne :
Pt Gt
EIRP
2
F

W/m
4pR 2 4pR 2
(4.3)
Pre dostupný výkon pre prijímajúcu anténu oblasti Ar
m2 dostaneme:
Pt Gt Ar
Pr  F x Ar 
4pR 2
(4.4, 4.6)
14
Efektívna clona
Reálne antény majú efektívny tok zachytávajúci
oblasti, ktorých je MENEJ ako fyzicky clonených
oblastí.
Definícia efektívnych clonených oblastí Ae:
Ae  Aphy x 
(4.5)
kde Aphy je aktuálna clonená oblasť
 = efektívnosť clony
Veľmi dobre: 75%
Typické: 55%
15
Efektívna clona - 2
• Antény majú nasledujúce (maximálne) zosilnenie
súvisiace s efektivitou clonenia oblasti :
Gain 
4pAe
2
Kde:
Ae je efektivita clonenia oblasti
16
Clonené Antény
• Clonené antény (rohy a zrkadlá) majú fyzické
zachytávanie oblastí, ktoré môžu byť ľahko vypočítané
z ich rozmerov:
D2
Aphy  pr 2  p
4
• Preto použitím vzťahov 4.7 a 4.5, môžeme získať
vzorec pre zosilnenie tienenia antény :
Zosilnenie 
4pAe

2

4pAphy

 pD 
Zosilnenie 
 
  
2
2

Typické hodnoty pre :
-Reflektory: 50-60%
-Rohy: 65-80 %
17
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
18
Typy Reflektorov
Symetrické, čelne
napájané
Offsetové čelné napájanie –
Cassegrain
Offsetové, čelne
napájané
Offsetové čelné
napájanie, Gregorian
19
Reflektorová anténa - 1
• Približný praktický vzorec pre výpočet šírky reflektovaného zväzku lúčov v
danej rovine ako funkcia rozmerov antény v rovine:
75

D
 3 dB
stupňov
(3.2)
• Aproximácia (3.2), spolu s definíciou zosilnenia (predchádzajúca strana),
umožňuje nasledovnú aproximáciu zosilnenia (iba pre reflektory):
2


75p 
  
 3dB H  3dB E

2
 75p
Zisk   
  3dB
• Predpokladajme napr. typickú účinnosť apertúry je 0,55; potom
dostaneme:
Zisk 
30,000
3dB 
2

30,000
3dB H3dB E
20
Šírka lúča antény
Špičkové (t.j. maximálne)
ZOSILNENIE
Uhol medzi 3 dB znížením od
maxima je šírka lúča antény
21
Späť k obdržanému výkonu...
Výkon, ktorý je k dispozícii na účinnej ploche prijímacej
antény Ar = Ae m2 je:
Pt Gt Ae
Pr  F x Ar 
2
4pR
(Rovnica 4.6)
Kde Ar = efektívne miesto pre prijímaciu anténu = Ae
• Prevrátenie rovnice daného zisku (Eq. 4.7) dáva:
Gr 
4pAe
2
Zapíšeme ako…
G r 2
Ae 
4p
22
Späť k obdržanému výkonu...
• Dosadením do rovnice 4.6 dostaneme:
  
Pr  Pt Gt Gr 

 4pR 
2
Friisov prenosový vzorec
(Rovnica. 4.8)
• Inverzný výraz známy ako “Strata Cestou”, tiež známa ako
“Strata vo voľnom priestranstve” (Lp):
 4pR 
Lp  

  
2
Preto…
Pt Gt Gr
Pr 
Lp
23
Viac kompletných formulácii
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)
Pt Gt Gr
Pr 
L p La Lta Lra L pol Lother Lr
24
Prenosový vzorec
Niektoré použité premenné boli tiež predom
definované:
Pt =Pout /Lt
Kde:
EIRP = Pt Gt
Pt = Výkon vyžiarený do antény
Lt = Strata medzi napájacím zdrojom a anténou
EIRP = efektívny izotropný vyžiarený výkon
PG G
t t r
•Teda existuje veľa
Pr 
L p La Lta Lra L pol Lother Lr
spôsobov, ako by mohol
byť vzorec prepísaný.
EIRP x Gr
Máme na výber použiť ten 
L p La Lta Lra L pol Lother Lr
najvhodnejší pre náš
prípad.
P GG

out
t
r
Lt L p La Lta Lra L pol Lother Lr
25
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
26
Prehľad Decibel-a
27
Prečo dB?
Je tu veľký, dynamický rozsah parametrov
satelitnej komunikácie
Typická satelitná anténa má zisk >500
Prijatý tok výkonu je asi jedna časť
100,000,000,000,000,000,000
z prenášaného výkonu
To je ale veľa núl
Nebolo by to pekné, mať lepší spôsob ako
písať tieto veľké čísla?
dB taktiež umožňuje veľa výpočtov v sčítaní a
odčítaní!
28
Čo je to dB?
Decibel (dB) je jednotka pre 10-násobok
základu 10log pre pomer dvoch výkonov
Napríklad: zisk je definovaný ako Pout/Pin (kde
Pout je zvyčajne väčšie než Pin)
 Pout 
 dB
G  10  log
 Pin 
Podobne aj strata:
 Pin
L  10 log 
 Pout
V dB:

 dB

29
Nebezpečenstvo výpočtov v dB!
dB pomer nesmie byť NIKDY počítaný ako 20násobok základu 10log pomeru napätia
Je to však oveľa pohodlnejšie, ale v takomto prípade musíte
byť veľmi, veľmi opatrní. Tu je dôvod:
Vin2
Pin 
Rin
2
Vout
Pout 
Rout
2
 Vout

 Pout 
Rout



G  10 log
 10 log 2

Vin
 Pin 

 Rin
2
 Vout
G  10 log 2
 Vin

R
  10 log in

 Rout






Ak tieto výpočty sú vykonávané pre komunikáciu
(pasivného)transformátora s točivým pomerom
4-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 = 0
Ako sa očakávalo pre ideálne pasívne zariadenie.

V
  20 log out

 Vin
Toto pravidlo je
zvyčajne zabudnuté
(s tragickými
následkami!)

R
  10 log in

 Rout



30
Použitie decibelov - 1
Pravidlá:
Násobenia A x B:
(Pridať dB hodnoty)
•Delenia A / B:
10 log10 ( A x B)
 10 log10 ( A)  10 log10 ( B)
 AdB  BdB
 ( A  B)dB
10 log10 ( A / B)
(Odpočítať dB hodnoty)  10 log10 ( A)  10 log10 ( B)
 AdB  BdB
 ( A  B)dB
31
Použitie decibelov - 2
Pravidlá:
Mocniny:
(Vynásobiť 2-ma)
•Odmocniny:
(Vydeliť 2-ma)
10 log10 ( A2 )
 2 x 10 log10 ( A)
 20 log10 ( A)
 2 x ( A in dB)
10 log10 ( A )
10
 log10 ( A)
2
1
 x ( A in dB )
2
32
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 je naozaj šikovná
kontrola výsledkov.
33
Vyjadrenia v dB
dB hodnoty možno vyjadrovať
štandardne
Štandardne jednoducho pripojenim k dB
Typickými príkladmi sú:
Jednotky
dBi
dBW
dBm
dBHz
dBK
dBi/K
dBW/m2
dB$
Vyjadrenia
izotropný zisk antény
1 watt
1 milliwatt
1 Hertz
1 Kelvin
izotropný zisk antény/1 Kelvin
1 watt/m2
1 dollar
34
Bilancia satelitnej linky
35
Prevod do dBs
Prenosový vzorec môže byť napisaný v dB ako:
Pr  EIRP Lta  Lp  La  Lpol  Lra  Lother  Gr  Lr
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.
36
Energetická bilancia satelitnej
linky
Tx
EIRP
Vysielanie:
+ HPA Výkon
- Straty pri vysielaní
(káble & konektory)
+ Zisk na anténe
Teraz všetky faktory sú
pripravené pre sčítanie a odčítanie
- 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
37
4 Ľahké kroky k dobrej energetickej
bilancii satelitnej linky
Ako prvé, nakresliť náčrt prepojenia liniek
Nemusí to byť umeleckej kvality
Pomôže Vám nájsť veci ktoré by ste mohli zabudnúť
Ďalej, starostlivo premyslieť systém záujmov
Zahrnúť všetky významné vplyvy v energetickej bilancii satelitnej liky
Zapísať 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 straty
Zobraziť si všetky komponenty pre tieto výpočty v detailnom rozpočte
Použiť rozvinutie výsledkov pre zostrojenie prehľadu spojení
Okomentovať bilanciu satelitnej linky
Vždy, vždy, vždy používajte jednotky na parametroch (dBi, W, Hz ...)
Popíšte akékoľvek nezvyčajné prvky (napr. straty spôsobené H20)
38
Jednoduchá energetická bilancia
satelitnej linky
Parameter
Frekvencia
Vysielač
Výkon vysielača
Strata pri modulácii
Strata prenosového vedenia
Vyslaný výkon
Hodnota
11.75
Výsledok
40.00
3.00
0.75
36.25
Jednotky
GHz
dBm
dB
dB
dBm
Prenos antény
Priemer
Celková účinnosť
Zisk prenosovej antény
Spád dráhy
Satelitná výška
Elevačný uhol
Rozsah spádu
Strata vo voľnom
priestranstve
Strata kvôli plynom
Strata kvôli dažďu
(pridelené)
Strata dráhy
0.5
0.55
33.18
35,786
14.5
41,602
206.22
m
none
dBi
km
degrees
km
dB
0.65
dB
3.50
dB
210.37
Parameter
Prijímacia anténa
Radome strata
Priemer
Celková účinnosť
Zisk
Polarizačná strata
Efektivny RX zisk na
anténe
Hodnota
0.50
1.5
0.6
43.10
0.20
Prijatý výkon
Suma
Prenášaný výkon
Prenášaný zisk na anténe
EIRP
Path Loss
Efektívny RX zisk na
anténe
Prijatý výkon
Výsledok
Jednotky
42.40
dB
m
none
dBi
dB
dB
-98.54
dBm
69.43
210.37
dBm
dBi
dBmi
dB
36.25
33.18
42.4
-98.54
dBi
dBm
dB
39
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 položky
pozrieme v ďalších
ročníkoch.
40
Uzavretie spojenia
Musíme 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
Zvyšok < 0
 Spojenie uzavreté
 Spojenie nie je uzavreté
41
Nosná vlna pomeru šumu
C/N: nosná vlna/šum výkon 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 pásma ak nevyhnutne C/N je známy pre
požadovaný typ signálu
Kritické pre výpočet zahŕňajúci nosnú vlnu
zotavenú výkonnostnou slučkou.
42
Systém hodnotenia kvality
G/Ts:
RX zisk antény/systémová teplota
Takisto nazývaný systém hodnotenia kvality, G/Ts
Jednoducho popisuje citlivosť prijímacieho
systému
Musí 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
43
Šum napájacieho systému
44
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):
 
T K   T C  273
0
 

5
T K   T F  32  273
9
0
45
Šum napájacieho systému - 2
Šum 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:
N  kTs B (dBW)
kde k = Boltzmannova konštanta
= 1.38x10-23 J/K(-228.6 dBW/HzK),
Ts is šumová teplota, a B je šírka pásma
Viac sa na počítanie Ts pozrieme nabudúce.
46