1 / 46

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

N ávrh satelit nej linky Joe Montana IT 488 - Fall 2003 preklad: Janka Benčová – FEI – TU v Košiciach. Agenda. Základná teória prenosu Logaritmick é miery - decibely Energetický rozpočet spojenia Výkon šumu systému ( Časť 1). Základná teória prenosu.

Download Presentation

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

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 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.

More Related