34
10. Proračun veze

SKT - Proračun veze

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Proračun veze

Citation preview

Page 1: SKT - Proračun veze

10. Proračun veze

Page 2: SKT - Proračun veze

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13 1

Pregled tema Uvod Odašiljački dio Širenje vala Prijamni dio Komunikacijska ograničenja Zahtjevi na vezu Proračun snage

primjeri

Page 3: SKT - Proračun veze

2

Uvod Komunikacijsku vezu možemo podijeliti na tri dijela:

Odašiljački dio Širenje vala kroz slobodni prostor Prijamni dio

Kod proračuna satelitske veze treba voditi računa o slijedećim pitanjima:

Koliku snagu imamo na raspolaganju? - Domet Koliku širinu pojasa imamo na raspolaganju? – Brzina prijenosa Kolika je tražena pouzdanost (BER)? – Dobitak kodiranja

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 4: SKT - Proračun veze

3

Odašiljački dio Kod odašiljanja veza ovisi o

Odašiljačkoj snazi Gubitcima u kabelima (ili valovodima) Dobitku antene

Odašiljačka snaga definira se u W ili dBm

dBW = 10log10(P(W)) dBm = 10log10(P(W)/0,001) Gubitci u kabelima

Rastu s frekvencijom SUCOFLEX 404 - 5,5 mm promjer (do 26,5 GHz)

f (GHz) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 26,5

Gušenje (dB/m) 0,30 0,42 0,52 0,61 0,68 0,75 0,82 0,88 0,95 1,15

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 5: SKT - Proračun veze

4

Odašiljački dio Dobitak antene

Izotropni radijator zrači jednako u svim smjerovima Dobitak u dBi (u odnosu na izotropni radijator)

Ako je dobitak izražen u odnosu na dipol – dBd Dipol ima dobitak 2,15 dBi

dBi = dBd + 2,15 dBd = dBi – 2,15

Dobitak (gain) pararabolične antene ovisi o površini antene i frekvenciji

G = (πD/λ)2

D – promjer antene (m) λ = c/f (m)

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 6: SKT - Proračun veze

5

Odašiljački dio Dijagram zračenja

Helikoidna antena Rog antena Parabolična antena

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 7: SKT - Proračun veze

6

Širenje vala Gubitci širenja vala

Gubitci u slobodnom prostoru ~ 200 dB za GEO satelite na frekvenciji od oko 10 GHz

L = 20log10(4πd/λ) d – udaljenost od izvora zračenja λ – valna duljina

Gubitci polarizacije Utjecaj kiše

Kolebanje (fading) Rayleighevo kolebanje - utjecaj višestaznog puta – do 30 dB u

urbanim sredinama Ricijevo kolebanje – kod linije vidljivosti – ruralne sredine

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 8: SKT - Proračun veze

7

Širenje vala Gubici scintilacije

(iskrenja) brze promjene

amplitude i faze zbog promjene indeksa loma ionosfere

slika prikazuje primjer scintilacije

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 9: SKT - Proračun veze

8

Širenje vala Dopplerov utjecaj Prijamna frekvencija se povećava kad se satelit približava a smanjuje se

kad se satelit udaljava - bitno kod određivanja širine filtara u prijamniku

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 10: SKT - Proračun veze

9

Prijamni dio Osjetljivost prijamnika

Prijamnici imaju minimalnu donju granicu snage signala koju mogu primiti i dalje obraditi signal bez gubitka informacije

Ako je snaga signala niža, najveća brzina prijenosa podataka će se smanjiti

Tipične vrijednosti osjetljivosti prijamnika su od -60 dBm do -94 dBm

Gubitci u kabelima Slično kao i kod odašiljačkog dijela

Dobitak antene Slično kao i kod odašiljačke antene Ista antena može služiti za odašiljanje i primanje signala

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 11: SKT - Proračun veze

10

Komunikacijska ograničenja RF snaga i širina pojasa određuju kapacitet komunikacijske veze Shannonov teorem kapaciteta kanala

C = Blog2(1+S/Š) C – kapacitet kanala [bit/s] B – širina frekvencijskog pojasa [Hz] S – razina signala [W] Š – razina šuma [W] Primjer: telefonski kanal Primjer: TV kanal B = 3 kHz B = 6 MHz S/Š = 30 dB S/Š = 20 dB C = 3000log2(1+1000) = C = 6000000log2(1+100)= C = 29,9 kbit/s C = 66,6 Mb/s

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 12: SKT - Proračun veze

11

Komunikacijska ograničenja

C00

B[Hz]

C[bit/s]

20 0

0

lim log 1,44B

S SC eN N

ŠNB

∞ →∞= =

=

Ako nema ograničenja u širini pojasa, kapacitet kanala dolazi u zasićenje

N0 – šum u pojasu 1 Hz

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 13: SKT - Proračun veze

12

Komunikacijska ograničenja Mjera kvalitete digitalne komunikacijske veze Eb/N0

Energija bita po jedinici šuma Kod prebacivanja iz Eb/N0 u S/Š treba uzeti u obzir brzinu prijenosa

podataka R i širinu pojasa B : S/Š = (Eb/N0)(R/B)

Eb – energija potrebna po bitu informacije N0 – termički šum u širini pojasa 1 Hz R – brzina prijenosa podataka u sustavu B – širina pojasa sustava

Izbor modulacije utječe na BER

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 14: SKT - Proračun veze

13

Komunikacijska ograničenja Širina frekvencijskog pojasa za različite modulacijske tehnike

Modulacija Širina pojasa

QPSK, DQPSK 1 x brzina prijenosa podataka

MSK 1,5 x brzina prijenosa podataka

BPSK, DBPSK, OFSK 2 x brzina prijenosa podataka

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 15: SKT - Proračun veze

14

Komunikacijska ograničenja Slika prikazuje ovisnost spektralne

učinkovitosti i učinkovitosti snage i spektralne učinkovitosti

MSK ima mali potreban Eb /N0 ali i malu spektralnu učinkovitost.

MPSK i QAM imaju veliku spektralnu učinkovitost ali i veliki potreban Eb /N0.

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 16: SKT - Proračun veze

15

Komunikacijska ograničenja Usporedba modulacija

Modulacija Spektralna učinkovitost Eb/N0 (dB) 16 PSK 4 18 16 QAM 4 15 8PSK 3 14,5 4PSK 2 10,1 4QAM 2 10,1 BFSK 1 13 BPSK 1 10,5

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 17: SKT - Proračun veze

16

Zahtjevi na vezu Zahtjev

Željena brzina prijenosa podataka Domet (km) Željeni BER

Odluka

Frekvencija nositelja Snaga Modulacija Širina frekvencijskog pojasa Osjetljivost prijamnika

Ograničenje

FCC i ETSI norme – frekv. podjela, max snaga, širina frekv. pojasa Šum u sustavu

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 18: SKT - Proračun veze

17

Proračun snage Tok snage na zemljinoj površini stvoren satelitskim postajama ograničen

je CCIR normama

Frekvencijsko područje

(GHz)

Granica površinskog toka snage dB (W/m2)

θ<=5° 5° <= θ<=25° 25° <= θ<=90°

1,7-2,5 -154 -154+0,5(θ−5) -144

2,5-2,69 -152 -152+0,75(θ−5) -137

3,0-8,0 -152 -152+0,5(θ−5) -142

8,0-11,7 -150 -150+0,5(θ−5) -140

11,7-15,4 -148 -148+0,5(θ−5) -138

15,5-23 -115 -115+0,5(θ−5) -105

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 19: SKT - Proračun veze

18

Proračun snage odašiljač valovod valovod prijamnik

ulaz izlaz

Razi

na s

nage

, dB

W

Po

ηo

EIRP

Lo

Go

Ldod

Gp ηp

(PS/PŠ)ul

(PS/PŠ)iz

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 20: SKT - Proračun veze

19

Proračun snage EIRP odašiljačke postaje je PoηoGo

Po - efektivna snaga odašiljanog signala ηo – koeficijent prijenosa valovoda između odašiljača i antene Go – dobitak odašiljačke antene prema izotropnom radijatoru Gušenje u slobodnom prostoru, određeno iz slabljenja gustoće toka snage

(power flux density) s udaljenošću od odašiljača iznosi

L0 = 16πd2/λ2

λ – valna duljina d – udaljenost od odašiljača do prijamnika (antene) Uz gubitke u slobodnom prosoru postoje i dodatni gubitci Ldod na putu

čime ukupni gubitci iznose Luk = L0Ldod

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 21: SKT - Proračun veze

20

Proračun snage Na mjestu prijama, antena ima dobitak Gp i spojena je s prijamnikom

preko valovoda s efikasnošću ηp. Snaga signala na ulazu u prijamnik iznosi

Ako se parametri antene izraze preko efektivnog presjeka Sp, dobitak se može prikazati kao

Potrebna snaga odašiljanja ovisi o datoj snazi ulaznog signala u prijamnik

2

2 2

EIRP16

o p o p op p

o dod dod

G G PPp G

L L d Lλ η η

ηπ

= =

24 dodo p

o p o p

d LP P

G Sπ

η η=

2

4 pp

SG

πλ

=

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 22: SKT - Proračun veze

21

Proračun snage Kod proračuna silazne veze (satelit - zemlja) treba voditi

računa o Geografskoj širini i dužini zemaljske postaje Dužini satelitske postaje EIRP satelita Prijenosnoj frekvenciji Širini pojasa šuma prijamnika Brzini prijenosa podataka za digitalne sustave (FM devijacija za analogne sustave) FEC kodovima za digitalne sustave Veličini antene i iskoristivosti Temperaturnom šumu i gubitcima Atmosferskim gubicima

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 23: SKT - Proračun veze

22

Proračun snage dB6,167log10EIRP

2

+

+−−=

MFaš TB

DLLŠS η

EIRP (dBW) Lš – gubici širenja (dB/m2) La – gubici u atmosferi (dB) η – iskoristivost (0,5-0,75) D – promjer antene (m) T – ukupni temperaturni šum (K) BMF – MF širina širenja (MHz) Gubici širenja Lš su Lš = 10log(1-0,29577xcosϕcosδ)+163,6dB/m2

ϕ – kut prema sjeveru zemaljske postaje (geografska širina), ° δ − kut satelitske istočne dužine – kut zemaljske postaje istočne dužine, °

162,1 dB/m2<Lš<163,4 dB/m2

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 24: SKT - Proračun veze

23

Proračun snage Omjer S/Š je potrebno znati, neovisno o tome radi li se o analognim ili

digitalnim sustavima. Kod digitalnih sustava potrebno je znati Eb/N0, omjer energije po bitu po

gustoći šuma. (Eb/N0)dB = (S/Š)dB -10log10R+10log10BMF+60

Eb/N0=Ws/(W/Hz) R – brzina prijenosa bita bit/s BMF – širina MF pojasa (MHz) S/Š – nositelj prema šumu (dB) log(BER)

-12

Eb/N0 (dB)

-10

-8

-6

-4

-2

4 6 8 10 12 14 FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske

tehnologije 2012/13

Page 25: SKT - Proračun veze

24

Proračun snage Kod analognog sustava, S/Š određuje kvalitetu slike i zvuka.

(S/Š)dB = (C/Š)dB +10log10(BMFxK0x(∆f)2/B3)+A+10,8 dB

BMF – širina MF pojasa, MHz ∆f – maksimalna devijacija, MHz K0 – faktor koji ovisi o sustavu TV-a (napon) B – širina osnovnog pojasa, MHz C – nositelj (carrier) A – faktor poboljšanja, dB

Sustav B (MHz) A K0

525 linija NTSC 5 MHz 14,8 0,714

625 linija PAL 5 MHz 13,2 0,699

625 linija SECAM 6 MHz 14,3 0,699

audio 3,4 kHz 6,5 0,354 FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske

tehnologije 2012/13

Page 26: SKT - Proračun veze

25

Proračun snage Kad zemaljska postaja odašilje

EIRP = s + Lš +La (dBW)

EIRP potreban da zemaljska postaja “osvijetli” satelit s - gustoća toka snage dB/m2

Lš – gubici širenja, dB/m2

La – gubici u atmosferi, dB C/Š – nositelj prema šumu (snaga), dB G/T – dobitak antene prema temperaturnom šumu, dB/K f – frekvencija nositelja, GHz

C/Š na transponderu satelita

(C/Š)dB = (G/T)dB/K +EIRP-Lš-La+10log10(BMFxf2)+147,1

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 27: SKT - Proračun veze

26

Proračun snage Kut elevacije zemaljske postaje

RE - ekvatorijalni radijus 6378 km RS – geostacionarni radijus 42164 km PS – udaljenost zemaljske postaje do satelita, km ϕ – kut prema sjeveru, ° δ – kut satelitske istočne dužine – kut zemaljske istočne dužine, °

°−

−+= − 90

2coselevacijekut

2221

PSRRPSR

E

SE

( ) m,coscos29577,01107,42643 3 δϕ−⋅⋅=PS

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 28: SKT - Proračun veze

27

Proračun snage Primjer 1 – digitalna zemaljska postaja, kompresija za digitalnu televiziju

Geo. širina zem. postaje 41,5° N Geo. dužina zem. postaje 12,5° N

Geo. dužina satelita 19,2° E Kut elevacije 41,6 °

EIRP satelita 55 dBW Gušenje zbog kiše (La) 6,5 dB

Mikrovalni gubici (LM) 0,3 dB Dodatni gubici (Ldod) 1 dB

Promjer antene (zem.) 0,6 m Iskoristivost antene 60%

Temp. Antene 35 K LNB temp. 67 K

C/N na uzlaznoj vezi 20 dB Nositelj/intermodulacija 20 dB

Nositelj/smetnje 20 dB Brzina prijenosa bita R 51,552 Mb/s

Modulacija QPSK α (podignuti kosinus) 0,28

Brzina kodiranja 3/4 Brzina simbola 25,776 Ms/s

Temp. mikrovalnih gubitaka 19 K Temp. kiše 225 K FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske

tehnologije 2012/13

Page 29: SKT - Proračun veze

28

Proračun snage Širina pojasa B = 25,776 x (1+0,28) = 33 MHz Odaslana brzina prijenosa bita R = 3/4 x 51,552 Mb/s = 38,664E6 Ukupna temperatura šuma Tuk = 346 K snaga nositelja

CdbW = EIRP – Lš – La – LM-Ldod + 10logη + 20logD – 1,05 = 55 – 162,52 – 6,5 – 0,3 – 1,0 +10log0,6 + 20log0,6 – 1,05 = -123,03 dBW = 4,98E-13 W snaga šuma Š = kTB = 1,381E-23 x 346 x 33E6 = 1,58E-13 W Snaga uzlazne veze, prema smetnji i intermodulaciji su svaka 20 dB ispod

snage nositelja, znači svaka 4,98e-15 W svaka Ukupna snaga šuma Š = 1,58E-13 + 3x4,98E-15 = 1,73E-13 W Š = -127,62 dB

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 30: SKT - Proračun veze

29

Proračun snage (C/Š)dB = -123,03 + 127,62 = 4,59 dB Dalje je potrebno izračunati Eb/N0 Eb = (C/R) = 4,98E-13/38,664E6 = 1,29E-20 Ws N0 = Š/B = 1,73E-13/33E6 = 5,24E-21 W/Hz Eb/N0 = 1,29E-20/5,24E-21 = 2,46 (Eb/N0)dB= 3,91 dB BER za gore navedeni (Eb/N0)dB (iz slike na slijedećoj stranici) jednak je

10-3, što znači da će slika biti dosta loša. Može se popraviti većom antenom, ili drugom prijenosnom frekvencijom kad pada kiša.

Ako za gušenje kiše uzmemo 4 dB umjesto 6,5 dB, (C/Š)dB = 7,4 dB (prije 4,59 dB).

(Eb/N0)dB= 6,7 dB (prije 3,91 dB). Tada će BER biti 3E-7 (prije 10-3), što je vrlo dobro!

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 31: SKT - Proračun veze

30

Proračun snage

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 32: SKT - Proračun veze

31

Proračun snage Primjer 2 – radioamaterski satelit Hope Oscar 68

Frkvencija odašiljanja (Carrier frequency)

435,675 MHz Širina frekvencijskog kanala B (signal bandwidth)

50 kHz

Snaga odašiljača (Tx power)

0 dbW

Gubitci kolebanja (Fading margin)

30 dB

Dobitak odašiljačke antene (Tx antenna gain)

24,3 dBi

Temperatura 300 K

Dobitak prijamne antene (Rx antenna gain)

13,5 dBi

Odnos signal/šum u prijamniku (Rx detector S/N)

10 dB

Faktor šuma prijamnika (Rx noise figure)

3 dB Parametar propagacije (Propagation law)

2

Apogej (Nominal range)

1200 km

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 33: SKT - Proračun veze

Proračun snage

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13

Page 34: SKT - Proračun veze

33

Proračun snage Primjer 2 – radioamaterski satelit Hope Oscar 68 Tekstualni rezultati programa RFprop PROPAGATION RESULTS (General): Wavelength = 0.688128 [m] Thermal noise at Rx i/p = 2.07e-016 [W] Thermal noise at Rx i/p = -156.84 [dBW] Thermal noise & Rx noise = 4.13019e-016 [W] Thermal noise & Rx noise = -153.84 [dBW] Rx G/T figure of merit = 45.9137 [dB] Path loss at nom. Range = 146.814 [dB] PROPAGATION RESULTS (Minimum receivable signal): Receiver power (Min.) = 4.13019e-015 [W] Receiver power (Min.) = -113.84 [dBm] Rx power density (Min.) = 4.89601e-015 [W/m^2] Rx field strength (Min.) = 1.35858e-006 [V/m] Rx pwr / noise density (Min)= 56.9897 [dB-Hz]

FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13