Ισχύς Θορύβου στη είσοδο του Δορυφορικού δέκτη Θόρυβος είναι ένα σήμα χωρίς περιεχόμενο πληροφορίας που προστίθεται στο χρήσιμο σήμα και μειώνει την ικανότητα του δέκτη να αναπαράγει σωστά την πληροφορία που περιέχεται στο χρήσιμο σήμα. Προέλευση του θορύβου: Φυσικές πηγές ακτινοβολίας εντός της περιοχής λήψης Από τα εξαρτήματα του δέκτη Θόρυβος καλείται και οποιαδήποτε εκπομπή (ή φέροντα κύματα) από πομπούς διαφορετικούς του επιθυμητού, ή πολλές φορές καλείται και Παρεμβολή Η τιμή του λόγου Σήματος /Θόρυβο (S/N) στο δέκτη, πρέπει να έχει μεγάλη τιμή για καλή ποιότητα επικοινωνίας. Εξαρτάται από το είδος διαμόρφωσης : ΑΜ, FM, FSK, PSK, etc. Στους δέκτες της τηλεόρασης π.χ απεικονίζεται χιόνι ή κομφετί (χρωματιστό χιόνι) εάν S/N<47 dB (μη ψηφιακούς) Στην ψηφιακή εκπομπή δεν εχουμε σήμα ΘΟΡΥΒΟΣ ΣΤΙΣ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΕΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ
Τον θόρυβο διακρίνουμε σε δύο μεγάλες κατηγορίες : Τον θόρυβο του οποίου οι πηγές βρίσκονται έξω από τον δέκτη (εξωτερικός) και συμπεριλαμβάνεται: ο ατμοσφαιρικός, ο βιομηχανικός και ο εξωγήινος θόρυβος. Τον θόρυβο που δημιουργείται μέσα στον δέκτη (εσωτερικός). Από την μία πλευρά ο εξωτερικός θόρυβος είναι δύσκολο να επεξεργαστεί ποσοτικά και επιπλέον συχνά δεν μπορεί να γίνει κάτι για αυτό, εκτός από το να μετακινηθεί το σύστημα σε άλλη τοποθεσία. Παρατηρείστε πως τα ραδιοτηλεσκόπια τοποθετούνται μακριά από την βιομηχανία, της οποίας η ανάπτυξη συνέβαλλε στην δημιουργία ηλεκτρικού θορύβου. Παγκόσμιοι δορυφορικοί σταθμοί της γης είναι εγκατεστημένοι σε κοιλάδες όσο το δυνατόν απομακρυσμένες από θορύβους. Από την άλλη πλευρά ο εσωτερικός θόρυβος είναι περισσότερο ποσοτικοποιημένος και μπορεί να μειωθεί χρησιμοποιώντας ένα δέκτη κατάλληλου σχήματος.
Χαρακτηρισμός και Ορισμός θορύβου δέκτη Ανεπιθύμητη Ισχύς Θορύβου: αυτή που βρίσκεται μέσα στο εύρος ζώνης Β του χρησιμοποιούμενου διαμορφωμένου κύματος. Μοντέλο Λευκού Θορύβου: σταθερή φασματική πυκνότητα ισχύος Ν 0 (με μονάδες W/Hz) και είναι Ν 0 =kT κ, οπου T κ η θερμοκρασία θορύβου της κεραίας. Ισοδύναμη Ισχύς Λευκού Θορύβου Ν: υπολογίζεται στο εύρος ζώνης (B N ) που μας ενδιαφέρει και δίνεται από τη σχέση, Ν=B N N 0 και μετριέται σε W. O θόρυβος που προκαλείται από τα κυκλώματα του δέκτη χαρακτηρίζεται από : τον συντελεστή θορύβου και την ισοδύναμη θερμοκρασία θορύβου Τ R
Η ισχύς θορύβου σε ένα σύστημα λήψης εκφράζεται με την θερμοκρασία θορύβου Tκ (θερμοδυναμική θερμοκρασία αντίστασης) Αυτή συντίθεται από τρεις παραμέτρους : 1. Θόρυβο κεραίας Τ Α ή Τ κ (T Α =(1/4π)Τb(θ,φ)G(θ,φ)sinθdθdφ )( +διαφ 7,8) 2. Τον θόρυβο σύνδεσης κεραίας και δέκτη Τ 1,Τ 2 3. Θόρυβος δέκτη T R Διαθέσιμη ισχύς θορύβου : k*T*B Output noise from a antena N Α =k * T A * B, k Bolzman constant =1.38* J/K Β: Εύρος ζώνης πηγής ( Bandwith)
Θερμοκρασία θορύβου δίθυρης πηγής θορύβου Φυσική Θερμοκρασία Τ Τυχαία Θερμοκρασία Οπου k η σταθερά Bolzman, T η θερμοδυναμική θερμοκρασία μιας αντίστασης που αποδίδει την ιδία διαθέσιμη ισχύ θορύβου με εκείνη της υπό εξέταση πηγής, Νο (W/Ηz) η φασματική πυκνότητα ισχύος, B το bandwidth Οπου Ν=Νο*Β Ν Β Ν- =Β Η θερμοκρασία θορύβου Τ, μιας πηγής θορύβου, που δίνει μια ισχύ θορύβου Ν ισοδυναμεί
Ενεργός θερμοκρασία θορύβου τετραθύρου Te Te είναι η ενεργός θερμοκρασία ενός τετράθυρου στοιχείου και ισοδυναμεί, με την θερμοδυναμική θερμοκρασία μιας αντίστασης, που υποτίθεται ότι όταν τοποθετείται στην είσοδο του στοιχείου που δεν έχει θόρυβο, προκαλεί την ίδια διαθέσιμη ισχύ θορύβου με εκείνη του πραγματικού στοιχείου χωρίς πηγή θορύβου στην είσοδο. Η Te είναι λοιπόν είναι ένα μέτρο θορύβου που παράγεται από τα εσωτερικά εξαρτήματα του τετράθυρου στοιχείου Εισοδος
Θερμοκρασιακός θόρυβος κεραίας Μια κεραία παίρνει θόρυβο από ακτινοβολούντα σώματα που βρίσκονται μέσα στο διάγραμμα ακτινοβολίας της Η έξοδος θορύβου κεραίας εξαρτάται : 1. Από την διεύθυνση προς την οποία «βλέπει» (γωνία ανύψωσης) 2. Του διαγράμματος ακτινοβολίας της 3. Της κατάστασης του περιβάλλοντος (Ατμοσφαιρικές συνθήκες) Η κεραία θεωρείται σαν πηγή θορύβου με θερμοκρασία θορύβου Τ Α ή T κ (Κelvin)
Τ Α =(1/4π)Τ b (θ,φ)G(θ,φ)sinθdθdφ οπου Τ b (θ,φ) η θερμοκρασία λαμπρότητας ακτινοβολούμενου σώματος που βρίσκεται σε διεύθυνση (θ,φ), και G(θ,φ) η απολαβή κεραίας
Θερμοκρασία θορύβου συστήματος στην είσοδο του δέκτη
Συντελεστής Θορύβου F (Noise Figure - NF) (1) Ορίζεται ως ο λόγος της ολικής διαθέσιμης ισχύος θορύβου στην έξοδο του στοιχείου, προς τη συνιστώσα (κλάσμα, ποσοστό) της ισχύος θορύβου στην έξοδο, που παράγεται από μια πηγή στην είσοδο µε θερμοκρασία θορύβου Τ ο =290 ο Κ Θεωρούµε σύστημα µε κέρδος ισχύος G, εύρος ζώνης B, και ότι συνδέεται µε πηγή θορύβου Τ ο. Η ολική ισχύς θορύβου στην έξοδο είναι: Συντελεστής θορύβου : F=N εξ / GkT 0 B
Συντελεστής Θορύβου F (Noise Figure - NF) (2)
Συντελεστής Θορύβου (Noise Figure - NF)-3 Η συνιστώσα από την πηγή είναι: Άρα ο συντελεστής θορύβου F είναι:
Δίθυρα συνδεμένα στη σειρά Τρία τετράθυρα στοιχείων σε σειρά Συνολική ενεργός θερμοκρασία θορύβου Συντελεστής θορύβου
Θόρυβος κεραίας - Θερμοκρασία θορύβου Η κεραία εισάγει θόρυβο λόγω του ότι συλλέγει και άλλα σήματα εκτός από αυτό που περιέχει την πληροφορία. Ο θόρυβος που προκαλούν αυτά τα σήματα παρεμβολής εξαρτώνται από την γωνία με την οποία προσπίπτουν στην κεραία και με το κέρδος της σε κάθε περιοχή. Η πυκνότητα θορύβου της κεραίας δίνεται από τη σχέση: Και η ισχύς θορύβου που εισάγει:
Θερμοκρασία Θορύβου εξασθενητή T eATT Αν θεωρήσουμε μέσα στο δορυφορικό σύστημα που μελετάμε, μία βαθμίδα εξασθένησης, που προκαλεί εξασθένηση L e, που αποτελείται από παθητικά στοιχεία (π.χ ένα τετράθυρο με αντιστάσεις ) τα οποία όλα βρίσκονται σε θερμοκρασία T ATT η οποία συνήθως συμπίπτει με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος τότε η θερμοκρασία θορύβου του εξασθενητή θα είναι: Και ο συντελεστής θορύβου: για Τ ΑΤΤ = Το Όπου L ATT η εξασθένηση από τον εξασθενητή
Θερμοκρασία θορύβου συστήματος Τ 2 Κεραία Εξοπλισμός λήψης Τ Α θερμοκρασία θορύβου της κεραίας Τ 1 ισοδύναμη θερμοκρασία στην είσοδο εξασθενητή Τ FRX θερμοδυναμική θερμοκρασία εξασθενητή L FRX εξασθένηση από την γραμμή μεταφοράς με απολαβή G FRX = 1/ L FRX <1 Τ 2 ισοδύναμη θερμοκρασία θορύβου στην είσοδο του δέκτη Εξασθενητής Συνολική θερμοκρασία θορύβου στην είσοδο του δέ κτη T eRX =Ενεργός θερμοκρασία θορύβου στην είσοδο του δέκτη
Block Diagram θορύβου στην είσοδο του δέκτη(T eRX )
Όταν η κεραία του επίγειου δέκτη είναι προσανατολισμένη προς τον δορυφόρο, δύο είναι οι κύριες πηγές εξωτερικού θορύβου: 1.Θόρυβος προερχόμενος από τον ουρανό, ο οποίος προκαλείται από το μη ιονισμένο τμήμα της ατμόσφαιρας (σε συχνότητες άνω των 2GHz), και επιπλέον περιλαμβάνει και τον κοσμικό θόρυβο (με τυπική τιμή θερμοκρασίας θορύβου 2.7K). 2. Θόρυβος προερχόμενος από την ακτινοβολία της γης. Παρά το γεγονός ότι η κεραία του δέκτη δείχνει προς τον δορυφόρο, η ακτινοβολία της γης (θερμοκρασία θορύβου 290 Κ), συνεισφέρει στον συνολικό θόρυβο της κεραίας του δέκτη μέσω των δευτερευόντων λοβών του διαγράμματος ακτινοβολίας της.
Λόγος σήματος προς θόρυβο στην είσοδο του δέκτη Ο λόγος σήματος προς θόρυβο στην είσοδο ενός δέκτη, μπορεί να εκφραστεί ως εξής: C/N, όπου C η ισχύς του φέροντος και N η ισχύς του θορύβου. Αδιάστατο μέγεθος. C/No, όπου No η φασματική πυκνότητα ισχύος του θορύβου. Διαστάσεις Hz. C/T, όπου Τ η θερμοκρασία θορύβου, που υπολογίζεται διαιρώντας την No µε την σταθερά k (λέγεται και δείκτης ποιότητας δέκτη). Διαστάσεις Watt/Kelvin
C/N 0 στην είσοδο του δέκτη EIRP πομπού 1/απώλεια διάδοσης Σύνθετη απολαβή λήψης δέκτη Θερμοκρασία θορύβου L POL Απώλεια λόγω μη προσαρμογής των πολώσεων
C/N 0 στην είσοδο του δέκτη
Δείκτης Ποιότητας δέκτη G/T G/T ο λόγος της σύνθετης απολαβής λήψης προς την θερμοκρασία θορύβου L POL Απώλεια λόγω μη προσαρμογής των πολώσεων
Θερμοκρασία θορύβου κεραίας Η κεραία θεωρείται σαν πηγή θορύβου που χαρακτηρίζεται από μια ενεργό θερμοκρασία θορύβου T A (Kelvin). Συνήθως η κεραία συλλέγει θόρυβο από τον ουρανό και ακτινοβολούντα σώματα τα οποία βρίσκονται ¨μέσα¨ στο διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας. Αν T b (θ,φ), είναι η θερμοκρασία λαμπρότητας ενός ακτινοβολούντος σώματος, τότε η συνιστώσα από την πηγή είναι:
Θερμοκρασία θορύβου κεραίας δορυφόρου Η θερμοκρασία κεραίας ενός γεωστατικού δορυφόρου
Θερμοκρασία θορύβου κεραίας επίγειου σταθμού T A (1/4) Εξωτερικός θόρυβος Δορυφορικών ζεύξεων 1.Θόρυβος από τον ουρανό T SKY από το μη ιονισμένο τμήμα της ατμόσφαιρας (f>2GHz) και από τον κοσμικό θόρυβο ( Τ SKY =2,7 Κ 0 ) 2.Θόρυβος από την ακτινοβολία της γης (Τ GROUND =290Κ 0 )
Θερμοκρασία θορύβου κεραίας επίγειου σταθμού (2/4) T SKY : Συνάρτηση της γωνίας ανύψωσης (λόγω μεγάλης κατευθυντικότητας)
Θερμοκρασία θορύβου κεραίας επίγειου σταθμού(3/4) Ακτινοβολία από το έδαφος που λαμβάνεται από τους πλευρικούς λοβούς του διαγράμματος ακτινοβολίας της κεραίας και εν μέρει από τον κύριο λοβό, για μικρές γωνίες ανύψωσης E. Γενικά T GROUND =290 K για γωνία ανύψωσης Ε<-10 ο T GROUND =150 K για -10 ο <Ε<0 ο T GROUND =50 K για 0 ο <Ε<10ο T GROUND =10 K για 10 ο <Ε<90 ο Ε γωνία ανύψωσης
Θερμοκρασία θορύβου κεραίας επίγειου σταθμού (συνθήκες βροχής)(4/4) Τ m =275 Κ (από μετεωρολογικούς σχηματισμούς )
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η συνεισφορά του θορύβου σε ένα σύστημα λήψης (δέκτης) βρίσκεται από την θερμοκρασία θορύβου σε ένα δεδομένο σημείο του συστήματος. Συνήθως οι υπολογισμοί γίνονται στην είσοδο του δέκτη (θερμοκρασία θορύβου του συστήματος στην είσοδο του δέκτη). Βρίσκεται αθροίζοντας, σε εκείνο το σημείο όλες τις θερμοκρασίες θορύβου που αντιστοιχούν στον θόρυβο που παράγεται από την κεραία, μέχρι την είσοδο του δέκτη, και όλες τις θερμοκρασίες που ισοδυναμούν με το θόρυβο που παράγεται από το σημείο που εξετάσαμε και μετά ( βαθμίδες του δέκτη)