Upload
krtica1989
View
73
Download
5
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Proračun veze
Citation preview
10. 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
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
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
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
5
Odašiljački dio Dijagram zračenja
Helikoidna antena Rog antena Parabolična antena
FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
30
Proračun snage
FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13
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
Proračun snage
FER-Zagreb, Satelitske komunikacijske tehnologije 2012/13
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