***** Google.Поиск по сайту:


Лекции по Теоретическим основам цифровой связи   

5. Анализ канала связи

5.5.5. Эффективная температура системы

На рис. 5.18 представлена упрощенная схема принимающей системы, причем указаны те области (антенна, линия связи и предварительный усилитель), которые играют ос­новную роль в ухудшении параметра SNR. Влияние предварительного усилителя уже обсуждалось ранее — оно заключается во введении в линию дополнительного шума. Также рассматривались потери в линии — сигнал поглощается при фиксированном уровне шума (если температура линии меньше (или равна) температуры источника). Оставшиеся источники ухудшения качества сигнала могут быть как естественными, так и искусственными. Естественные источники — это молнии, небесные источники радиоизлучения, атмосферные источники и тепловое излучение от земли и других фи­зических структур. Искусственные — это излучение от автомобильных систем зажига­ния и других электрических приборов, а также радиопередача от других пользовате­лей, использующих ту же полосу, что и приемник. Общий объем шума, вносимого перечисленными внешними источниками, можно описать как , где является температурой антенны. Антенна подобна линзе: вносимый ею шум определяется тем, "на что смотрит антенна". Если антенна нацелена на прохладную область неба, вво­дится крайне малый объем теплового шума. Температура антенны — это мера эффек­тивной температуры, проинтегрированной по всей поверхности антенны.

Рис. 5.18. Основные источники шума прини­мающей системы

Теперь мы можем определить температуру системы Ts°, сложив все вклады в шум системы (выраженные через эффективную температуру). Суммарное выражение вы­глядит следующим образом.

(5.45)

Здесь, ТА° — температура антенны, а Tо6ш° — общая температура линии и предвари­тельного усилителя. В уравнении (5.45) указаны два основных источника шума и ин­терференции, вызывающие ухудшение качества работы приемника. Один источник, описываемый членом ТА°, представляет ухудшение работоспособности, навязываемое "внешним миром", проходящим через антенну. Второй источник, описываемый чле­ном Tо6ш°, — это тепловой шум, вызванный движением электронов во всех проводни­ках. Поскольку температура системы TS° — это новая суммарная температура, вклю­чающая ТА° и суммарную эффективную температуру линии и предварительного уси­лителя, может возникнуть вопрос: почему уравнение (5.45) не содержит тех же множителей последовательного уменьшения, что и в уравнении (5.41)? Мы предпо­лагаем, что антенна не имеет диссипативных частей; ее коэффициент усиления, в от­личие от усилителя или аттенюатора, может рассматриваться как коэффициент рас­ширения спектра сигнала. Какая бы эффективная температура не вводилась при про­ходе через антенну, это не зависит от самой антенны; антенна представляет шум источника (или температуру источника) на входе линии.

Используя уравнение (5.44), мы можем модифицировать уравнение (5.45) следую­щим образом.

(5.46)

(5.47)

Если LF выражено в децибелах, мы должны вначале изменить его размерность, и Ts° приобретет следующий вид.

Уравнения (5.45)-(5.47) описывают температуру системы ТS на оконечных устрой­ствах принимающей антенны, а уравнения (5.10) и (5.11) — мощность Рr, полученную принимающей антенной. Данные определения используются в этой главе; кроме того, их предпочитают разработчики систем, антенн, а также люди, работающие на пере­дающей стороне линии. Важно отметить, что существует альтернативный набор опре­делений, используемых разработчиками систем, которые предпочитают описывать температуру системы и принятую мощность входе приемника. Если предпо­ложить, что антенна и приемник связаны устройством, которое не сложнее линии с потерями, то параметры Ts и отличаются в L раз (напомним, что L— коэффициент потерь в линии). Иными словами, . При вычис­лении принятого SNR (определяемого в следующем разделе) с помощью определений принятой мощности и температуры системы, соотнесенных с приемником, результат не будет отличаться от того, который был получен при использовании определений, связанных со входом приемника. Причина в том, что множитель L входит и в числи­тель, и в знаменатель отношения SNR, поэтому он просто сокращается.

Пример 5.5. Шум-фактор и температура шума

На входе приемника, показанном на рис. 5.19, а, шум-фактор равен 10 дБ, усиление равно 80 дБ, а ширина полосы — 6 МГц. Мощность сигнала на входе Si равна 10-11 Вт. Допустим, что потери в линии отсутствуют и температура антенны равна 150 К. Найдите ТR°, ТS°, Nout, (SNR)in и (SNR)out.

а)

б)

Рис. 5.19. Улучшение входного каскада приемника за счет малошумя­щего предварительного усилителя

Решение

Вначале преобразуем все значения в децибелах в размерные величины.

ТR° = (F- 1)290 К = 2610 К

изолированного уравнения (3.40) при L= 1 для малошумящей линии дает следующее.

= 1,2 мкВт (вклад от источника) + 21,6 мкВт (вклад от входного каскада) = 22,8 мкВт

Заметим, что в приведенном примере шум усилителя значительно больше шума источника и является основной причиной ухудшения параметра SNR.

Пример 5.6. Улучшение параметра SNR с помощью малошумящего предварительного усилителя

Используйте предварительный усилитель, как показано на рис. 5.19, б, с шум-фактором 3 дБ, усилением 13 дБ и шириной полосы 6 МПц для улучшения SNR приемника, описан­ного в примере 5.5. Определите объединения предварительного усилителя и приемни­ка. Найдите и (SNR)out. Потери в линии будем считать нулевыми.

Решение

Как и ранее, вначале все значения, выраженные в децибелах, приводятся к размерному виду.

= 24,8 мкВт (вклад источника) + 69,6 мкВт (вклад входного каскада) = 94,4 мкВт

Итак, при добавлении предварительного усилителя выходной шум увеличивается (с 22,8 мкВт в примере 5.5) до 94,4 мкВт. И все же, несмотря на увеличение мощности шума, более низкая тем­пература системы приводит к улучшению параметра SNR на 6,9 дБ (с 16,4 дБ в примере 5.5 до 23,3 дБ в данном примере). Цена, которую мы платим за это улучшение, — необходимость улуч­шения fo&u на 6 дБ (с 10 дБ в примере 5.5 до.4 дБ в данном примере).

Нежелательный Шум частично вносится посредством антенны (KTA°W) и час­тично генерируется внутренне в входном каскаде приемника (кТ06ш°W). Объем улучшения системы, который может дать проектирование входного каскада, зави­сит от того, какая часть общего шума вносится входным каскадом. Из примера 5.5 мы видели, что входной каскад вносит большую часть шума. Следовательно, как было сделано в примере 5.6, обеспечение малошумящего предварительного усили­теля значительно улучшает системное отношение сигнал/шум (SNR). В следую­щем примере рассматривается, когда большая часть шума вносится посредством антенны; мы увидим, что в этом случае введение малошумящего предваритель­ного усилителя не дает ощутимого улучшения параметра SNR.

Пример 5.7. Попытка улучшения SNR при больших значениях ТA°

Повторите примеры 5.6 и 5.5 с единственным изменением: пусть тA° =8000 К. Другими сло­вами, большая часть шума теперь вносится антенной; допустим, все поле зрения антенны заполняет очень горячее тело (солнце). Вычислите улучшение параметра SNR, которое дает­ся предварительным усилителем, использованным в примере 5.6 (рис. 5.19, б), после чего сравните результат с ответом примера 5.6.

Решение

Без предварительного усилителя

= 66,2 мкВт (вклад источника) + 21,6 мкВт (вклад входного каскада) = 87,8 мкВт

С предварительным усилителем

= 1324,8 мкВт (вклад источника) + 69,6 мкВт (вклад входного каскада)=1394,4 мкВт

Таким образом, в данном случае улучшение параметра SNR равно всего 1 дБ, что значи­тельно меньше полученных ранее 6,9 дБ. Если основные источники шума находятся внутри приемника, улучшить SNR можно за счет введения малошумящих устройств. В то же время, если основные источники шума являются внешними, то улучшение входного каскада при­емника не имеет существенного значения.

Шум-фактор — это определение, основанное на использовании эталонного значения 290 К. Если температура источника отличается от 290К, как в приме­рах 5.5—5.7, то необходимо определить рабочий или эффективный шум-фактор, описывающий реальную зависимость между (SNR)in и (SNR)out. Если в качестве от­правной точки использовать уравнения (5.25) и (5.27), рабочий шум-фактор мож­но выразить следующим образом.

(5.48)




***** Яндекс.Поиск по сайту:



© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.