Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Шум в системах связи. Белый шум. Коэффициент шума. Шум-фактор.

Модели расчета средних потерь мощности на трассе распространения. Рекомендации № 370-5 МККР

 

Оценки зоны радиодоступа с учетом различных факторов электродинамики могут выполняться на основе:

- строгой теории поля;

- приближенных математических выражений;

- большого количества феноменологических моделей и эмпирических формул, основанных на статистическом подходе. При проектировании сот мобильной сети уровень сигнала в точке расположения мобильного терминала рассчитывается как разность мощности Рпрд излученной в направлении МС, и потерь L при распространении радиосигнала. Существует достаточно большое количество математических моделей и методов, как правило эмпирических [31, 34, 36, 38, 67, 70], позволяющих производить расчет основных потерь при распространении сигнала для различных условий распространения как для мак-росот, так и для микросот. Среди этих моделей, нашедших широкое применение на практике, следует выделить модели на основе Рекомендации № 370-5 МККР (CCIR).

Рекомендация № 370-5 МККР (CCIR) является одной из первых методик расчета ожидаемой дальности для сухопутных систем связи и наряду с моделями Окамуры-Хаты, Альсбрука-Парсона лежит в основе специализированных геоинформационных систем автоматизированного частотно-территориального планирования сетей подвижной радиосвязи.

Напряженность поля сигнала в сетях подвижной радиосвязи (СПР), будучи случайной величиной по местоположению и во времени, как уже было показано выше, аппроксимируется логарифмически нормальным законом, параметрами которого являются медианное значение напряженности поля по местоположению и во времени (дБ (мкВ/м)) и стандартное отклонение (дБ относительно медианы).

Медианное значение напряженности поля сигнала находят из «кривых распространения» Рекомендации 370-5 и 529 МСЭ [34, 40, 41], которые представляют собой функциональную зависимость

 

E0=f(R,f,hбс,T),

 

где R – длина трассы, км;

f — рабочая частота (диапазон частот), МГц;

hбс – эффективная высота передающей антенны БС, м;

Т – время, в течение которого напряженность поля превышает прогнозируемый уровень, %.

 

Модели расчета средних потерь мощности на трассе распространения. Модель Окамуры-Хаты.

Модель Окамуры-Хаты получила наиболее широкое распространение при расчетах потерь на трассе и используется для расчетов в диапазонах 150, 450 и 900 МГц. Является статистической моделью расчета потерь на трассе распространения и рекомендована МСЭ. Основана на аналитической аппроксимации результатов практических измерений. В рамках этой модели потери L для случая квазиплоского города рассчитывается следующим образом:

 

L = 69,55 + 26,16 1gf - 13,82 1ghB+k(44,9-6,551g hB) lg R - a(hM),

 

где hB – эффективная высота установки антенны BS, в диапазоне (30... 200) м;

d – расстояние от BS до MS, в диапазоне (1... 10) км;

f— частота излучения BS, МГц;

k – поправочный коэффициент, учитывающий протяженность трассы;

a(hM) – поправочный коэффициент, зависящий от высоты мобильной антенны hM км и для большого города при f > 400 МГц определяемый как:

 

a(hM) = 3,2(lg 11,75hM)2-4,97

 

Для потерь передачи в пригороде

 

LS=L - 2 [lg(f/28)2 ] – 5,4

 

Для потерь передачи на открытой местности:

 

L0= L - 4,78(lg f)2+18,33 1g f - 40,94

 

Следовательно, требуемая мощность передатчика мобильной станции в пределах радиусом Лов соответствии с моделью Хаты (16):

 

PMS= PBS+ GBS– 69,55 – 26,16 lg f + 13,82 lg hBS– (44,9 – 6,55 lghBS) lgR

 

где PBS – мощность передатчика базовой станции;

hBS – высота установки антенны базовой станции,

GBS – коэффициент усиления передающей антенны базовой станции, дБ;

R – длина трассы, км.

При наличии данных о морфоструктуре местности вдоль линии распространения радиосигнала, используется модификация модели, учитывающая изменение условий распространения сигнала от одного участка местности с достаточно однородной структурой до другого:

L=69,55+26lg (f) - 13,82 lg (hBS) + 31 lgR +∑∂Bklg(dk2/dk1)+ Ldif (1)

 

где hBS – высота установки антенны BS, м;

dk1 – дальность от BS до начала k-й зоны (участка), км;

dk2 – дальность от BS до конца k-й зоны (участка), км;

∂Bk – поправка к коэффициенту затухания, обусловленная условиями распространения радиосигнала в k-й зоне;

Ldif — дифракционные потери, дБ.

 

Как показано в (1), среди многочисленных экспериментальных исследований, связанных с прогнозом распространения радиоволн для мобильных систем, исследования Окамуры считаются наиболее исчерпывающими. В рамках этих исследований построены кривые измерений напряженности поля радиосигналов на частотах 150... 1500 МГц. Эмпирические формулы, аппроксимирующие кривые Окамуры для медианного значения ослабления радиосигнала между двумя изотропными антеннами (передающей и приемной), были получены М. Хатой и известны как эмпирическая модель для ослабления, в которой коэффициент k позволяет расширить действие модели для протяженной трассы:

 

k=1 для R < 20 км,

 

k= 1 + (0,14 + 1,87x10-4f+ l,07x10-3hBS)(lg(R/10))0,8для 20 км < R < 100 км.

 

Область применения можно расширить для диапазона 1500...2000 МГц (используемый в микросотовых структурах сетей). Согласно этой модели, которая носит название COST 231-Hata Model, городские потери распространения радиоволн LГ определяются формулой:

 

LГ=46,3 + 33,91gf-13,821g(hBS)-a(hMS)+(44,9-6,551g(hBS))lgR + CM

 

где СM= 0 дБ для городов средних размеров,

См = 3 дБ для крупных городов.

 

Для потерь в пригороде: LПГ=LГ-2 [lg (f / 28)]2– 5,4

 

Для потерь в сельской местности: LCM= LГ-4,78(lg(f)) +18,331gf-35,94

 

Потери на открытом пространстве: LОП= LГ– 4,78 (lg (f)) +18,33 lg f – 40,94

 

Согласно данного подхода для статистически однородного города отношение зон покрытия BS для различных рабочих частот определяется формулой: R1/R2= (f2/f1, гдеγ = 2,616/β. Показатель ослабления βлежит в пределах 3 <β< 4 (для низкоэтажной застройкиβ = 3, для плотной высокоэтажной застройки β = 4).

 

Модель Ли

Была предложена в 1982 г. В довольно короткое время она стала популярна среди исследователей и системных инженеров, поскольку параметры модели могут быть просто скорректированы с помощью дополнительных натурных измерений к конкретным условиям распространения. После проведения этой процедуры предсказание уровня сигнала становится довольно точным. Более того, алгоритм предсказания прост для применения и легко вычисляем. Многие системы мобильной связи спроектированы с применением этой модели (AMPS, DAMPS, GSM, IS-95).

Модель состоит из двух частей. Первая часть (регион-регион) используется для предсказания потерь при распространении над относительно плоской поверхностью без принятия во внимание территориальных особенностей. Использование только этой части приводит к недостаточно точным результатам для холмистых регионов. Вторая часть (точка-точка) модели Ли использует результат, полученный в первой части, за основу и получает более точное предсказание. Основанная на данных профиля поверхности вторая часть модели учитывает, удовлетворяется условие прямой видимости или нет. Если прямая видимость между приемником и передатчиком существует, то учитывается влияние отраженных радиоволн. Если условие прямой видимости не удовлетворяется, то моделируется дифракция радиоволн на препятствиях на пути распространения сигнала.

Основная часть потерь при распространении может быть выражена следующей формулой

 

Pr=Pro(r/ro)- γ (f/fo)-nao

 

где Pr – мощность сигнала в ваттах на расстоянии r от передатчика;

f — частота сигнала;

Pro – мощность сигнала в точке пересечения линии распространения с препятствием на расстоянии r0 от передатчика;

γ – учитывает степень кривизны поверхности;

n – показывает степень частотной зависимости;

a0 – поправочный коэффициент, зависящий от высоты установки антенн, мощности передатчика, коэффициентов усиления передающей и приемной антенн.

Эта модель может быть применена для более общего случая, когда радиоволны распространяются в различных условиях. В этом случае должны быть известны коэффициенты кривизны поверхностей γ и границы областей с такими коэффициентами кривизны.

В показано, что данная модель позволяет определить мощность принимаемого сигнала в дБм и выражается соотношением:

Pпp=A - B logR - n log(f/100) + 10 1og a

 

где параметры А и В зависят от характеристик окружающей среды и были определены статистически по измерениям в ряде городов. Для крупных городов А = 55...80, В = 30...43. Для пригородов А = 54, В = 39. Множитель n принимает следующие значения: n = 2 для пригородов и для диапазона f< 450 МГц, n = 3 для городов и для f> 450 МГц. Параметр a вычисляется следующим образом:

 

a=

 

где Рпрд – мощность передатчика, Вт;

Gпрд, Gпрм – коэффициенты усиления антенн;

hB и hM —высоты антенн базовой и мобильной станции; m = 1 при hM<3м и m = 2 при hM> 10 м.

 

Шум в системах связи. Белый шум. Коэффициент шума. Шум-фактор.

Термин «шум» обозначает нежелательные электрические сигналы, которые всегда присутствуют в электрических системах. Наличие шума, наложенного на сигнал, «затеняет», или маскирует, сигнал; это ограничивает способность приемника принимать точные решения о значении символов, а следовательно, ограничивает скорость передачи информации. Природа шумов различна и включает как естественные, так и искусственные источники. Искусственные шумы - это шумы искрового зажигания, коммутационные импульсные помехи и шумы от других родственных источников электромагнитного излучения. Естественные шумы исходят от атмосферы, солнца и др. Хорошее техническое проектирование может устранить большинство шумов или их нежелательные эффекты посредством фильтрации, экранирования, выбора модуляции и оптимального местоположения приемника. Например, чувствительные радиоастрономические измерения проводятся, как правило, в отдаленных пустынных местах, вдали от естественных источников шума. Впрочем, существует один естественный шум, называемый тепловым, который устранить нельзя. Тепловой шум [4, 5] вызывается тепловым движением электронов во всех диссипативных компонентах - резисторах, проводниках и т.п. Те же электроны, которые отвечают за электропроводимость, являются причиной теплового шума.

 

Термин «белый шум» обычно применяется к сигналу, имеющему автокорреляционную функцию, математически описываемуюдельта-функцией Дирака по всем измерениям многомерного пространства, в котором этот сигнал рассматривается. Сигналы, обладающие этим свойством, могут рассматриваться как белый шум. Данное статистическое свойство является основным для сигналов такого типа.То, что белый шум некоррелирован по времени (или по другому аргументу), не определяет его значений во временной (или любой другой рассматриваемой аргументной) области. Наборы, принимаемые сигналом, могут быть произвольными с точностью до главного статистического свойства (однако постоянная составляющая такого сигнала должна быть равна нулю). К примеру,двоичный сигнал, который может принимать только значения, равные нулю или единице, будет являться белым шумом только если последовательность нулей и единиц будет некоррелирована. Сигналы, имеющие непрерывное распределение (к примеру,нормальное распределение), также могут быть белым шумом.

Дискретный белый шум — это просто последовательность независимых (то есть статистически не связанных друг с другом) чисел. С использованием генератора псевдослучайных чисел пакета Visual C++, дискретный белый шум можно получить так:

Коэффициент шума описывает уменьшение соотношения сигналшум по мере прохождения сигнала через приемное устройство или его отдельный каскад (усилитель, смеситель). Фундаментальное определение коэффициента шума следующее:

 

F= (Sin/Nin)/(Sout/Nout),

 

где Sin/Nin – соотношение сигнал/шум на входе устройства;

Sout/Nout – соотношение сигнал/шум на выходе устройства.

 

Поскольку все электронные устройства «шумят» и, соответственно, добавляют некое количество шума к сигналу, величина F всегда больше единицы. Хотя величина F исторически называлась «коэффициентом шума», современный термин «коэффициент шума» обычно подразумевает логарифмический масштаб величины NF, численно равную 10 log10 F (дБ). В зарубежной специальной литературе, публикуемой ведущими производителями измерителей коэффициента шума (Agilent Technologies, Anritsu, Rohde & Schwarz) последовательно разграничиваются два термина: «фактор шума» или F и, собственно, «коэффициент шума» NF. Итак,

 

NF(дБ) = 10 log10 F (3)...............

 

F= (kT0BG +NA)/kT0BG (4) или

NF = 10 log10 [(kT0BG +NA)/kT0BG] (5)

 

Выражение (4) является определением коэффициента шума, которое официально принято международным Институтом Радиоинженеров (сейчас Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)). Если опираться на уравнения (4) и (5), то видно, что измерения коэффициента шума сводятся к измерениям уровня шума, коэффициента усиления и полосы. Однако, несмотря на понятность данных величин, в практических измерениях формулами (4) и (5) пользуются не так уж часто (хотя использовать их можно, о чем мы расскажем ниже). Это связано с тем, что измерить с большой точностью усиление в заданной полосе зачастую не есть тривиальная задача. Большинство систем измерения коэффициента шума элегантно обходят задачу прямого измерения уровня шума и усиления, основывая алгоритмы своей работы на использовании, в первую очередь, линейных свойств тепловых шумов.

 

58. Шум в системах связи. Шум в усилителях. Шумовая температура.

ШУМОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА (эквивалентная) -эфф. величина, служащая относительной мерой спектральной плотности мощности эл--магн. излучения источников шумов. Вводится по аналогии с равновесным излучением (тепловым шумом) согласованного сопротивления, спектральная плотность мощности для к-рого определяется ф-лой Найквиста:(k - постоянная Больцмана, T -абс. темп-pa сопротивления). T. о., под Ш. т. источника шума Тш следует понимать такую темп-ру согласованного сопротивления, при к-рой спектральная плотность мощности теплового шума этого сопротивления будет равна спектральной плотности мощности шумов данного источника. Относительной Ш. т. (или шумовым числом) наз. отношение Тш к "комнатной" темп-ре T0= 290 К.

Понятием Ш. т. широко пользуются в радиотехнике для оценки шумовых свойств эл--вакуумных и полупроводниковых приборов, предназначенных для усиления и преобразования электрич. сигналов, и эталонных шумовых генераторов; в радиоастрономии - для описания источников космич. радиоизлучения. Понятие Ш. т. используется также для определения шумового вклада, вносимого радиоприёмными устройствами в полезный сигнал в процессе его обработки. В этом случае Тш и шума коэффициент (шум-фактор) F связаны ф-лой.

Ш. т. реальных объектов определяется обычно сравнением с эталонными шумовыми генераторами.

Отношение сигнал/шум (S/N) на выходе приёмной системы является очень важным критерием в системах связи. Трудность опознавания или прослушивания радиосигналов в присутствии шумов обычно познаётся на опыте. Возможность интерпретации звуковой информации связана с трудностью количественной оценки, поскольку это зависит от таких человеческих факторов как хорошее знание языка, усталость, натренированность, опыт и характер сообщения. Коэффициент шума и чувствительность могут быть измерены и иметь объективную количественную оценку. Коэффициент шума и чувствительность тесно связаны (см. термин “Чувствительность” в глоссарии). Для цифровых систем связи в качестве количественной меры надёжности часто используется коэффициент битовых ошибок (BER) или вероятность появления битовой ошибки P(e). Коэффициент битовых ошибок нелинейно связан с коэффициентом шума. Например, при постепенном уменьшении отношения сигнал/шум BER резко возрастает вблизи уровня шума, где 1 и 0 приобретают беспорядочный характер. Коэффициент шума характеризует работоспособность системы, тогда как BER показывает, является ли система действующей или неработоспособной. Рисунок 1.1, на котором приведены кривые зависимости вероятности ошибки от отношения несущая/шум для нескольких видов цифровой модуляции, показывает, что BER изменяется на несколько порядков при изменении отношения сигнал/шум всего на несколько децибел.

Отношение сигнал/шум на выходе зависит от двух вещей — от отношения сигнал/шум на входе и коэффициента шума данного устройства. В наземных системах отношение сигнал/шум на входе зависит от мощности передатчика, коэффициента усиления передающей антенны, коэффициента передачи атмосферы, температуры атмосферы, коэффициента усиления приёмной антенны и коэффициента шума приёмника. Снижение коэффициента шума приёмника оказывает такое же влияние на отношение сигнал/шум на выходе, как и улучшение любого другого параметра. В спутниковых системах коэффициент шума может быть особенно важен. Рассмотрим пример снижения коэффициента шума направленного широковещательного спутникового приёмника (DBS). Одним из путей улучшения коэффициента шума приёмника является увеличение мощности передатчика, однако это может оказаться очень дорого. Более приемлемой альтернативой может быть существенное улучшение характеристик малошумящего усилителя приёмника (LNA), Это проще, чем увеличивать мощность передатчика.

На производственной линии, выпускающей спутниковые приёмники, может оказаться достаточно просто уменьшить коэффициент шума на 1 дБ настройкой импеданса или более тщательным подбором определённых транзисторов. Снижение коэффициента шума на 1 дБ даёт приблизительно такой же эффект, как увеличение диаметра антенны на 40 %. Но увеличение диаметра антенны потребовало бы изменения её конструкции и значительного увеличения стоимости самой антенны и её несущей структуры. Иногда шум оказывается важным параметром передатчика. Например, если на базовой станции используется линейный широкополосный усилитель мощности, избыточный широкополосный шум может ухудшить отношение сигнал/шум в соседнем канале и ограничить эффективность работы системы. Коэффициент шума усилителя мощности можно измерить, чтобы удостовериться в его качестве, которое обеспечило бы приемлемый уровень шума усилителя, прежде чем устанавливать его в систему.

 

59. Шум в линиях связи с потерями

 

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...