Κινητές Επικοινωνίες Ενότητα #1: Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

Παρουσίαση με θέμα: "Κινητές Επικοινωνίες Ενότητα #1: Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Κινητές Επικοινωνίες Ενότητα #1: Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες
Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Θεσσαλίας Κινητές Επικοινωνίες Ενότητα #1: Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες Γεώργιος Καρέτσος Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής Τ.Ε.

2 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στο πλαίσιο του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Τ.Ε.Ι. Θεσσαλίας» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

3 Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες
Σκοποί ενότητας Ο αναγνώστης να μπορεί να: διακρίνει τις πηγές του θορύβου που επηρεάζουν τις τηλεπικοινωνίες, υπολογίζει τον θερμικό θόρυβο στα ηλεκτρονικά κυκλώματα, συγκρίνει την επίδοση διαφορετικών ηλεκτρονικών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων ως προς το θόρυβο, υπολογίζει την αθροιστική επίδραση του θορύβου σε εν σειρά συστήματα. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

4 Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες
Περιεχόμενα ενότητας 1) Εισαγωγή 2) Κατηγορίες θορύβου α) Εξωτερικός θόρυβος β) Εσωτερικός θόρυβος 3) Αθροιστική επίδραση θερμικού θορύβου 4) Παράγοντας και εικόνα θορύβου 5) Θερμοκρασία θορύβου Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

5 Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες
Περίγραμμα Μαθήματος Θόρυβος στις τηλεπικοινωνίες. Γραμμές μεταφοράς. Κεραίες. Περιβάλλον διάδοσης κινητών επικοινωνιών. Τηλεπικοινωνιακή κίνηση. Κυψελωτή δομή. Μελέτη παρεμβολών. Διαχείριση πόρων. Πολλαπλή πρόσβαση. Αρχιτεκτονική συστημάτων κινητών επικοινωνιών. Μηχανισμός διαπομπής. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

6 Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες
Εισαγωγή Θόρυβος στις τηλεπικοινωνίες είναι η παρουσία τυχαίων, απρόβλεπτων, και ανεπιθύμητων ηλεκτρομαγνητικών διεγέρσεων, που μπορεί να συγκαλύψουν το μεταδιδόμενο σήμα πληροφοριών κατά την λήψη και αναπαραγωγή του. Μπορεί να προέρχεται από τεχνητές ή και φυσικές πηγές. Ένα σήμα θορύβου θεωρείται συνήθως, ως μία γραμμική προσθήκη σε ένα χρήσιμο σήμα πληροφοριών. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

7 Γιατί να μελετήσουμε τον θόρυβο;
Θέτει το ελάχιστο όριο για την ανίχνευση ενός σήματος. Θέτει το άνω όριο του κέρδους στα συστήματα ενίσχυσης. Ανάπτυξη μαθηματικών μοντέλων, ώστε ο θόρυβος να λαμβάνεται ορθά υπόψη κατά την ανάλυση των κυκλωμάτων. Εύρεση τρόπων αντιμετώπισης του. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

8 Μέτρηση και χαρακτηρισμός
Η στάθμη θορύβου σε ένα ηλεκτρονικό σύστημα, συνήθως μετράται ως ηλεκτρική ισχύς N σε Watt ή dBm. Ο θόρυβος μπορεί επίσης να χαρακτηρίζεται από μία πιθανοτική κατανομή, και από τη φασματική πυκνότητα θορύβου που δείχνει την ισχύ του θορύβου ανά μονάδα εύρους ζώνης. Μπορεί να υποδιαιρεθεί σύμφωνα µε τον τύπο, την πηγή, την επίδραση, ή την σχέση του µε τον δέκτη. Βασικές κατηγορίες είναι ο θόρυβος του οποίου οι πηγές βρίσκονται έξω από τον δέκτη και ονομάζεται εξωτερικός, και στον θόρυβο που δημιουργείται μέσα στον δέκτη και ονομάζεται εσωτερικός. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

9 Κατηγοριοποίηση ειδών θορύβου
Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

10 Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες
Εξωτερικός θόρυβος Στην κατηγορία των εξωτερικών θορύβων συμπεριλαμβάνονται: ο ατμοσφαιρικός, ο τεχνητός ή βιομηχανικός, και ο εξωγήινος θόρυβος. Ο εξωτερικός θόρυβος είναι δύσκολο να επεξεργαστεί ποσοτικά και να αντιμετωπιστεί. Ο μόνος τρόπος ελαχιστοποίησής του είναι η αλλαγή της θέσης του δέκτη, ή και ολόκληρου του συστήματος λήψης. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

11 Ατμοσφαιρικός θόρυβος (1 από 2)
Ατμοσφαιρικός θόρυβος (1 από 2) Προκαλείται από τις ξαφνικές εκκενώσεις των καταιγίδων και από άλλες φυσικές ηλεκτρικές διαταραχές που εμφανίζονται στην ατμόσφαιρα. Η ενέργεια είναι κατανεμημένη σε όλο το φάσμα συχνοτήτων που χρησιμοποιείται για ασύρματη επικοινωνία. Επομένως, ο ατμοσφαιρικός θόρυβος αποτελείται από ψευδή ραδιοσήματα µε συνιστώσες κατανεμημένες σε µία ευρεία κλίμακα συχνοτήτων. Διαδίδονται πάνω από τη γη κατά τον ίδιο τρόπο, όπως τα επιθυμητά ράδιο κύματα με την ίδια συχνότητα. Συνεπώς σε ένα δεδομένο σημείο λήψης, η λαμβάνουσα κεραία παίρνει όχι μόνο το επιθυμητό σήμα, αλλά και το στατικό θόρυβο από όλες τις καταιγίδες, τοπικές ή απομακρυσμένες. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

12 Ατμοσφαιρικός θόρυβος (2 από 2)
Ατμοσφαιρικός θόρυβος (2 από 2) Η ισχύς του πεδίου του ατμοσφαιρικού θορύβου μεταβάλλεται περίπου αντιστρόφως με τη συχνότητα. Μεγάλος ατμοσφαιρικός θόρυβος παράγεται σε χαμηλές και μέσες ζώνες συχνοτήτων, ενώ πολύ λίγος θόρυβος παράγεται στα VHF και στα UHF. Περαιτέρω, οι υψηλές συχνότητες περιορίζονται στην διάδοση οπτικής (λιγότερο από 80 χιλιόμετρα απόσταση). Για αυτούς τους λόγους, ο ατμοσφαιρικός θόρυβος γίνεται λιγότερο σοβαρός σε συχνότητες άνω των 30 MHz. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

13 Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες
Εξωγήινος θόρυβος Υπάρχουν πολλά είδη εξωγήινων και διαστημικών θορύβων ανάλογα με τις πηγές τους. Ωστόσο, αυτά μπορούν να τεθούν σε δύο υποομάδες: Ηλιακός θόρυβος και κοσμικός ή διαστημικός θόρυβος. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

14 Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες
Ηλιακός θόρυβος Κάτω από κανονικές «ήπιες» συνθήκες, υπάρχει ένας σταθερός ακτινοβολούμενος θόρυβος από τον ήλιο. Αυτό συμβαίνει επειδή ο ήλιος είναι ένα μεγάλο σώμα σε πολύ υψηλή θερμοκρασία (άνω των 6000 ° C επί της επιφανείας), και ακτινοβολεί ηλεκτρική ενέργεια με τη μορφή θορύβου σε ένα πολύ ευρύ φάσμα συχνοτήτων, συμπεριλαμβανομένου του φάσματος που χρησιμοποιείται για ασύρματη επικοινωνία. Η ένταση του θορύβου που παράγεται από τον ήλιο μεταβάλλεται με το χρόνο. Στην πραγματικότητα, ο ήλιος έχει ένα επαναλαμβανόμενο 11- ετή κύκλο ηλεκτρικών διαταραχών. Κατά τη διάρκεια της αιχμής του κύκλου, ο ήλιος παράγει ποσότητα θορύβου που προκαλεί παρεμβολές ραδιοφωνικών σημάτων, τέτοιες που μπορεί πολλές συχνότητες να καταστούν άχρηστες για τις επικοινωνίες. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

15 Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες
Κοσμικός θόρυβος Τα μακρινά αστέρια είναι επίσης ήλιοι και έχουν πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Ως εκ τούτου, αυτά τα αστέρια, εκπέμπουν θόρυβο με τον ίδιο τρόπο όπως ο ήλιος μας. Ο θόρυβος που λαμβάνεται από αυτά τα μακρινά αστέρια είναι θερμικός θόρυβος, και κατανέμεται σχεδόν ομοιόμορφα πάνω στον ουρανό. Μπορούμε επίσης να λάβουμε θόρυβο από το κέντρο του δικού μας γαλαξία (Milky Way), από άλλους μακρινούς γαλαξίες καθώς και από άλλες εικονικές σημειακές πηγές, όπως τα κβάζαρ και τα πάλσαρ. Ο θόρυβος του διαστήματος είναι παρατηρήσιμος σε συχνότητες από 8MHz μέχρι λίγο παραπάνω από1.43GHz, και είναι εντονότερος στις συχνότητες από 20MHz ως 120MHz. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

16 Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες
Βιομηχανικός θόρυβος Είναι ο ηλεκτρικός θόρυβος που παράγεται από πηγές όπως οι αναφλέξεις των αυτοκίνητων και των αεροσκαφών, από ηλεκτρικούς κινητήρες και διακόπτες, διαρροές από γραμμές υψηλής τάσης κ.λπ. Οι λάμπες φθορισμού αποτελούν ισχυρή πηγή βιομηχανικού θορύβου, και για το λόγο αυτό δεν θα πρέπει να χρησιμοποιούνται σε σημεία λήψης ή δοκιμών σήματος. Ο τεχνητός θόρυβος είναι πιο έντονος σε βιομηχανικές και πυκνοκατοικημένες περιοχές. Σε τέτοιες περιοχές ξεπερνά κατά πολύ όλες τις άλλες πηγές θορύβου στο εύρος συχνοτήτων, που εκτείνεται από περίπου 1 MHz έως 600 MHz. Η φύση του βιομηχανικού θορύβου είναι τόσο μεταβλητή, που είναι δύσκολο να την αναλύσουμε σε οποιαδήποτε άλλη βάση εκτός της στατιστικής. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

17 Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες
Εσωτερικός θόρυβος Ο θόρυβος που παράγεται από κάθε ενεργή ή παθητική συσκευή που βρίσκεται μέσα στον δέκτη. Ο εσωτερικός θόρυβος είναι τυχαία κατανεμημένος σε ολόκληρο το ραδιοφωνικό φάσμα. Οι ραδιοφωνικοί δέκτες σχεδιάζονται έτσι ώστε ο θόρυβος που δημιουργείται εσωτερικά, να είναι πολύ χαμηλότερος από τον λαμβανόμενο εξωτερικό θόρυβο. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

18 Θερμικός θόρυβος (1 από 2)
Θερμικός θόρυβος (1 από 2) Θερμικός θόρυβος είναι μία τυχαία διακύμανση στην τάση, που προκαλείται από την τυχαία κίνηση των φορέων φορτίου, σε οποιοδήποτε αγώγιμο μέσο σε θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν. Είναι πάντα παρών στα ηλεκτρονικά κυκλώματα, σε μικρότερο ή μεγαλύτερο βαθμό, και είναι μία κρίσιμη παράμετρος σε πολλά κυκλώματα RF. Είναι μεγάλης σημασίας γιατί όπως και οι άλλες μορφές θορύβου περιορίζει την ευαισθησία του δέκτη. Μπορεί να τον συναντήσουμε και σαν θόρυβο Johnson-Nyquist, θόρυβο Johnson ή θόρυβο Nyquist. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

19 Θερμικός θόρυβος (2 από 2)
Θερμικός θόρυβος (2 από 2) Ο θερμικός θόρυβος υφίσταται ανεξάρτητα από την εφαρμοζόμενη τάση, επειδή οι φορείς φορτίου δονούνται ως αποτέλεσμα της θερμοκρασίας. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο μεγαλύτερες είναι οι δονήσεις και επομένως το θερμικό επίπεδο θορύβου. Ο θερμικός θόρυβος, όπως και οι άλλες μορφές θορύβου, είναι τυχαίος στη φύση. Δεν είναι δυνατόν να προβλέψουμε την κυματομορφή του, και ως εκ τούτου δεν είναι δυνατόν να μειωθούν οι επιπτώσεις του με ακύρωση (cancellation) ή άλλες παρόμοιες τεχνικές. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

20 Θερμικός θόρυβος στα ηλεκτρονικά κυκλώματα
Θερμικός θόρυβος στα ηλεκτρονικά κυκλώματα Ο θερμικός θόρυβος εμφανίζεται ανεξάρτητα από την ποιότητα των ηλεκτρονικών στοιχείων που χρησιμοποιούνται. Το επίπεδό του εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία και την τιμή της αντίστασης. Οι μόνοι τρόποι για να μειωθεί η περιεκτικότητα σε θερμικό θόρυβο ενός κυκλώματος, είναι να μειωθεί η θερμοκρασία λειτουργίας, ή να μειωθεί η τιμή των αντιστάσεων στο κύκλωμα. Άλλες μορφές θορύβου μπορεί να είναι επίσης παρόντες, και συνεπώς η επιλογή του τύπου του αντιστάτη παίζει ρόλο στον καθορισμό του συνολικού επιπέδου θορύβου, αφού τα διάφορα είδη θορύβου θα προστεθούν μαζί. Ο θερμικός θόρυβος παράγεται μόνον από το πραγματικό μέρος της κάθε σύνθετης αντίστασης, δηλαδή το ωμικό. Το φανταστικό μέρος δεν παράγει θόρυβο. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

21 Ισχύς θερμικού θορύβου
Είναι ανάλογη της απόλυτης θερμοκρασίας, και ανάλογη του εύρους ζώνης στο οποίο μετράμε το θόρυβο. 𝑃 𝑛 ∝𝑇𝛥𝑓 𝑃 𝑛 =𝑘𝑇𝛥𝑓 όπου k = σταθερά του Boltzmann J/K (Joules per Kelvin). T = απόλυτη θερμοκρασία σε Kelvin, K = oC. Δf = συχνοτικό εύρος συστήματος. Pn= μέγιστη ισχύς θορύβου. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

22 Αντίσταση ως γεννήτρια θορύβου
Μία συνηθισμένη αντίσταση σε μία συγκεκριμένη θερμοκρασία δημιουργεί τάση στα άκρα της, η οποία μπορεί να εφαρμοστεί στα άκρα μιας άλλης αντίστασης - φορτίου. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

23 Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες
Τάση θορύβου Η τάση θορύβου δημιουργείται από την τυχαία κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα στην αντίσταση. Υποθέτουμε ότι η αντίσταση RLoad δεν παράγει θόρυβο και δέχεται τη μέγιστη ισχύ θορύβου που παράγει η R. Τότε ισχύει: Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

24 Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες
Θόρυβος βολής (1 από 2) Εμφανίζεται σε ενεργά στοιχεία όπως οι δίοδοι και τα τρανζίστορ. Δημιουργείται από τις τυχαίες μεταβολές στους χρόνους αφίξεων των φορτισμένων σωματιδίων (ηλεκτρονίων ή οπών), όταν διέρχονται μέσω επαφών τύπου p-n όπου εκ φύσεως υφίσταται φράγμα δυναμικού. Ο θόρυβος βολής οφείλεται στις διακυμάνσεις του ρεύματος, λόγω του γεγονότος ότι κάθε φορέας διέρχεται του φράγματος δυναμικού ανεξάρτητα από τους άλλους φορείς. Οι RMS τιμές του θορύβου βολής είναι αρκετά μικρότερες από αυτές του θερμικού θορύβου, και στις τηλεπικοινωνιακές διατάξεις γενικά δεν τον λαμβάνουμε υπόψη. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

25 Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες
Θόρυβος βολής (2 από 2) Ο υπολογισμός του ρεύματος που οφείλεται στον θόρυβο βολής, γίνεται με προσεγγιστικές εξισώσεις που διαφέρουν από συσκευή σε συσκευή. Η πιο απλή σχέση είναι για την δίοδο κενού: 𝐼 𝑛 = 2 𝑒 𝐼 𝑝 𝛥𝑓 In= RMS τιμή του ρεύματος του οφειλόμενου στο θόρυβο βολής, e = το φορτίο του ηλεκτρονίου (1.6Ε10-19 Coulomb), Ip = Συνεχές ρεύμα της διόδου, Δf = εύρος ζώνης του συστήματος. Το όνομα shot noise οφείλεται στον Γερμανό φυσικό Walter Hermann Schottky, ο οποίος τον παρομοίασε με τον θόρυβο που ακούγεται όταν ρίξουμε, με αργό ρυθμό, μία χούφτα από σφαίρες μολύβδου πάνω σε μία ατσάλινη επιφάνεια. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

26 Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες
Θόρυβος flicker ή 1/f Ο θόρυβος flicker (τρεμοσβήματος) είναι ενδογενής θόρυβος με ελάχιστα αντιληπτή παρουσία στις χαμηλές ακουστικές συχνότητες. Σχετίζεται με τις ιδιότητες των υλικών στην επιφάνεια αυτών. Αν και παρατηρήθηκε ήδη από το 1925, μόλις το 2013 δόθηκε εξήγηση της προέλευσής του. Ονομάζεται και θόρυβος 1/f ή ροζ θόρυβος (pink noise), επειδή η ισχύς του είναι ανάλογη του 1/fα όπου f είναι η συχνότητα του σήματος, και α μία σταθερά σχεδόν ίση με 1. Υπερισχύει των άλλων θορύβων σε συχνότητες κάτω από 300 Hz, ενώ η παρουσία του είναι σχεδόν αμελητέα σε σήματα µε συχνότητες μεγαλύτερες από1 kHz. Κατά την ενίσχυση χαμηλόσυχνων ασθενών σημάτων, ο θόρυβος flicker ενισχύεται ισοδύναμα, οπότε δεν μπορεί να επέλθει ικανοποιητική βελτίωση του λόγου σήματος προς θόρυβο. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

27 Θόρυβος χρόνου διέλευσης (transit-time noise)
Χρόνος διέλευσης, είναι ο χρόνος που χρειάζεται ένα ηλεκτρόνιο να μεταφερθεί από τον εκπομπό στον συλλέκτη ενός τρανζίστορ. Θόρυβος εμφανίζεται όταν o χρόνος διέλευσης γίνει συγκρίσιμος µε την περίοδο του σήματος το οποίο ενισχύεται (σε συχνότητες πέραν της κλίμακας των VHF (Very High Frequency)). Τότε, κάποιοι από τους φορείς φορτίου διαχέονται προς την πηγή, γεγονός που εντείνεται με την αύξηση της συχνότητας, και τελικά υπερτερεί έναντι των άλλων πηγών θορύβου. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

28 Ανάλυση θορύβου συστημάτων
Οι πηγές θορύβου πρέπει να λαμβάνονται αθροιστικά υπόψη, ώστε να μπορεί να εκτιμηθεί η συνολική τους επίδραση. Χρειαζόμαστε τρόπους που να μπορούν να χαρακτηρίσουν την επίδοση ενός συστήματος σε σχέση με το θόρυβο. Παράγοντας θορύβου. Θερμοκρασία θορύβου. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

29 Προσθήκη θορύβου από πολλές πηγές (1 από 2)
Θεωρούμε δυο πηγές θερμικού θορύβου σε σειρά. Τότε το άθροισμα των ενεργών τιμών αυτών των τάσεων σε σειρά (rms voltages), δίνεται από την τετραγωνική ρίζα του αθροίσματος των τετραγώνων τους. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

30 Προσθήκη θορύβου από πολλές πηγές (2 από 2)
Για να βρούμε την τάση του ολικού θερμικού θορύβου που προκαλείται από διάφορες πηγές σε σειρά, οι αντιστάσεις προστίθενται, και η τάση θορύβου υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την ολική αντίσταση. Αντίστοιχα, υπολογίζεται η τάση του ολικού θερμικού θορύβου στην περίπτωση αντιστάσεων που είναι τοποθετημένες παράλληλα. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

31 Θόρυβος σε εν σειρά συστήματα ενίσχυσης (1 από 2)
Οι τηλεπικοινωνιακές διατάξεις αποτελούνται συνήθως από έναν αριθμό σταδίων ενίσχυσης σε σειρά. Κάθε στάδιο έχει μία αντίσταση εισόδου, μία αντίσταση εξόδου, και ένα κέρδος. Για την διαστασιολόγηση της επίδρασης του θορύβου, θα πρέπει να υπολογίσουμε την ισοδύναμη τάση θορύβου στην είσοδο του συστήματος, την προκαλούμενη από τις αντιστάσεις. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

32 Θόρυβος σε εν σειρά συστήματα ενίσχυσης (2 από 2)
Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

33 Υπολογισμός θορύβου σε εν σειρά συστήματα ενίσχυσης
Εύρεση της ισοδύναμης αντίστασης θορύβου για όλο το σύστημα. Αυτή η αντίσταση θα παράγει τον ίδιο τυχαίο θόρυβο στην έξοδο του συστήματος, όπως και το πραγματικό. Ένα πραγματικό σύστημα αντικαθίσταται από ένα ιδανικό, χωρίς θόρυβο σύστημα, με μία ισοδύναμη αντίσταση θορύβου Req τοποθετημένη στην είσοδό του. Η ισοδύναμη αντίσταση θορύβου μας δίνει την ελάχιστη στάθμη του σήματος εισόδου που μπορεί να ενισχυθεί. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

34 Γιατί ισοδύναμη αντίσταση θορύβου;
Ο υπολογισμός της ισοδύναμης αντίστασης θορύβου ενός ενισχυτή, δέκτη ή συσκευής, μπορεί να έχει δύο σκοπούς. σύγκριση δύο ειδών εξοπλισμού αποτιμώντας την απόδοσή τους, σύγκριση του θορύβου με το σήμα στο ίδιο σημείο, ώστε να εξασφαλιστεί ότι ο θόρυβος δεν είναι υπερβολικός. Στην δεύτερη περίπτωση, και όταν η ισοδύναμη αντίσταση θορύβου είναι δύσκολο να υπολογιστεί, ο λόγος σήματος προς θόρυβο (S/N) χρησιμοποιείται πολύ συχνά. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

35 Λόγος σήματος προς θόρυβο
Η εξίσωση βρίσκει εφαρμογή, οποτεδήποτε η αντίσταση μπροστά από την οποία αναπτύσσεται ο θόρυβος, είναι ίδια με την αντίσταση μπροστά από την οποία αναπτύσσεται το σήμα. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

36 Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες
Παράγοντας θορύβου Η σύγκριση συστημάτων (π.χ. δεκτών ή ενισχυτών) που δουλεύουν σε διαφορετικά επίπεδα εμπέδησης μέσω της ισοδύναμης αντίστασης θορύβου, είναι παραπλανητική. Για παράδειγμα, είναι δύσκολο να καθορίσουμε με μία ματιά αν ένας δέκτης με εμπέδηση εισόδου 75Ω, και αντίστασης Req = 110Ω είναι καλύτερος, από άποψη θορύβου, από έναν άλλο δέκτη του οποίου η εμπέδηση εισόδου είναι 150Ω, και η αντίστασή του Req = 270Ω. Αντί της ισοδύναμης αντίστασης θορύβου, μία ποσότητα γνωστή ως παράγοντας θορύβου καθορίζεται και χρησιμοποιείται. Η έννοια του παράγοντα και της εικόνας θορύβου εισήχθηκε από τον Friis το 1944. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

37 Ορισμός του παράγοντα θορύβου
Ο παράγοντας θορύβου F, καθορίζεται ως η αναλογία της ισχύος του σήματος, ως προς το θόρυβο στην είσοδο ενός συστήματος, προς την ισχύ του σήματος ως προς το θόρυβο στην έξοδο ή στο φορτίο. Θα είναι μονάδα για έναν ιδανικό δέκτη, ο οποίος δεν εισάγει καθόλου θόρυβο. Εκφράζεται σαν καθαρός λόγος. Όταν εκφράζεται σε decibel λέγεται εικόνα θορύβου. 𝐹= ( 𝑆 𝑖 𝑁 𝑖 ) ( 𝑆 0 𝑁 0 ) Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

38 Ανάλυση παράγοντα θορύβου (1 από 2)
Ανάλυση παράγοντα θορύβου (1 από 2) Si είναι η ισχύς του σήματος εισόδου, και So η ισχύς του σήματος εξόδου. Ni είναι η ισχύς του θορύβου στην είσοδο, και No η ισχύς του θορύβου στην έξοδο. Θεωρούμε ότι το σύστημα έχει κέρδος Α, και εισάγει θόρυβο Na. Τότε θα ισχύει: Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

39 Ανάλυση παράγοντα θορύβου (2 από 2)
Ανάλυση παράγοντα θορύβου (2 από 2) Ο θόρυβος Ni είναι ουσιαστικά θερμικός θόρυβος που οφείλεται στην αντίσταση εισόδου του συστήματος. Αν το εύρος ζώνης λειτουργίας του συστήματος είναι B, και η θερμοκρασία Τ, θα ισχύει: Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

40 Εικόνα θορύβου σε εν σειρά συστήματα ενίσχυσης
Αν θεωρήσουμε ότι έχουμε 2 στάδια ενίσχυσης με κέρδη Α1 και Α2 αντίστοιχα, τότε ο συνολικός θόρυβος στην έξοδο του δευτέρου σταδίου, θα είναι: 𝑁 𝑜 = 𝐴 1 𝐴 2 𝑘𝑇𝐵+ 𝐹 1 −1 𝐴 1 𝐴 2 𝑘𝑇𝐵+ 𝐹 2 −1 𝐴 2 𝑘𝑇𝐵 Διαιρώντας και τα 2 μέλη με το Α1Α2kTB. 𝐹 𝑡𝑜𝑡 = 𝐹 𝐹 2 −1 𝐴 1 Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

41 Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες
Εξίσωση του Friis Η διαδικασία μπορεί να επεκταθεί για πλήθος ενισχυτικών σταδίων σε σειρά, με την εξίσωση να παίρνει την παρακάτω μορφή: 𝐹 𝑡𝑜𝑡 = 𝐹 𝐹 2 −1 𝐴 𝐹 3 −1 𝐴 1 𝐴 𝐹 4 −1 𝐴 1 𝐴 2 𝐴 3 + ⋯ Παρατηρούμε ότι ο συνολικός παράγοντας θορύβου, καθορίζεται κυρίως από τον παράγοντα θορύβου του 1ου σταδίου. Για αυτό, το πρώτο στάδιο ενίσχυσης σε οποιοδήποτε τηλεπικοινωνιακό σύστημα, θα πρέπει να είναι ένας ενισχυτής χαμηλού θορύβου (LNA). Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

42 Ισοδύναμη θερμοκρασία θορύβου
Εναλλακτικός τρόπος για την περιγραφή της επίδοσης, όσον αφορά τον θόρυβο που παράγεται ενδογενώς από μία διάταξη ενίσχυσης ανά μονάδα εύρους ζώνης. 𝑇 𝑒 = 𝑁 𝑎 𝑘𝐴=𝑇(𝐹−1) Η ισοδύναμη θερμοκρασία θορύβου είναι παράμετρος του ενισχυτή, όπως ακριβώς είναι το κέρδος. Δεν είναι η πραγματική θερμοκρασία του ενισχυτή, αλλά ένα θεωρητικό μέγεθος, το οποίο παράγει την ποσότητα θορύβου που αυτός προσθέτει. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

43 Θόρυβος καναλιού διάδοσης
Ο συνδυασμός διαφόρων πηγών θορύβου επιδρά στην διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Μοντελοποίηση με χρήση τυχαίας διαδικασίας που ακολουθεί την κατανομή Gauss. Η επίδρασή του είναι προσθετική, και έχει σταθερή πυκνότητα ισχύος σε όλο το εύρος συχνοτήτων. Για αυτό και έχει ονομαστεί λευκός προσθετικός θόρυβος Gauss. Θόρυβος στις Τηλεπικοινωνίες

44 Επεξεργασία: Σοφιανίδου Γεωργία
Τέλος Ενότητας Επεξεργασία: Σοφιανίδου Γεωργία

45 Σημείωμα Αναφοράς Copyright Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Θεσσαλίας, Γεώργιος Καρέτσος Γεώργιος Καρέτσος. «Κινητές Επικοινωνίες». Έκδοση: 1.0. Λάρισα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: 20/11/2015.

46 Σημείωμα Αδειοδότησης
Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons: Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή, 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λπ., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο, που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο, που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο. Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.

47 Διατήρηση Σημειωμάτων
Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς, το Σημείωμα Αδειοδότησης, τη Δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων, το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχουν). μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.