Скляр Б. Цифровая связь (2003) (1151859), страница 67
Текст из файла (страница 67)
Уравнения (5.10), (5.11) и (5.45)-(5.47) описывают мощность приемника Р„и температуру системы Та соответственно. Оба параметра касаются выхода принимающей антенны„являются популярными и предпочитаются разработчиками системы и антенны, а также работающими на передающем конце линни связи. Разработчиками приемников часто используются другие параметры, которые представлены принятой мощностью Р,' и температурой системы Т;, касающихся входа приемника. Если учесть, что антенна и приемник связаны линией с потерями, то отношение Р, и Р; (также, как и Тг и Тг') равно шум-фактору линии Б Те.
Там 1Т,'и РгшСР,'. Отметим, что отношение мощности приемника к температуре системы, параметр сигнал/шум конструкции приемник-система, является одинаковым для обеих пар параметров. Это так, поскольку Р/Тг = БР,71.Тг'. Пример 5.5. Шум-фактор и температура шума Нв входе приемника, показанном нв рнс. 5.19, а, шум-фактор равен 10 дБ, )сипение равно 80 дБ, в ширина полосы — 6 МГц. Мощность сигнала нв входе 5, равна 10 " Вт. Допустим, что потери в линии отсутствуют н температура антенны равна 150 К. Найдите Т„', Тг', Ф, (8)ЧК) н (8)ЧК) Г;=15ОК В,а10-МВ Выход првдввригвпьного обнаружения Потерямив пинии пренебрегаем в) Г„' = )ВО К 3,=10-м Вг Выход првдввритвпьного обнаружения Погврями в линии првнвбрвгввм б) Рнс.
5 уй Улучшение входного каскада пригмнака за счет малашумящего предварительного усилителя Решение Вначале преобразуем все значения в децибелах в размерные величины: Тв' = (Р— 1)290 К = 2610 К. Использование уравнения (5.46) при Ь = 1 для мвлошумяшей линии дает следующее: Тл = Тл + Тя'и 150 К+ 2610 К=2760К. )чшг = сгкт ' + акт 'УУ= сгкт ')У= = 10 х 1,38 х 10 х 6 х 10'(150 К+ 2610 К) = = 1,2 мкВт (вклад от источника) + 21„6 мкВт (вклвд от входного каскада) = 22,8 мкВт, ЗОВ Б б Кпадьгви~~иаит иго и ~ аин а таыпааатипа г игтаиы 5, 10-" (БМК)м = ' = ы =806,5(29,1дБ), кТл )у 1,24х10 ! 10а . 10-ы (81ЧК)еи = ~ = =43,9(16,4дБ).
!т „22,8х10 в Заметим, что в приведенном примере шум усилителя значительно больше шума источника и является основной причиной ухудшения параметра 8)ЧК. Пример 5.6. Улучшение параметра Я)чК с помощью малошумящего предварительного усилителя Используйте предварительный усилитель, как показано на рис. 5.19, б, с шум-фактором 3 дБ, усилением !3 дБ и шириной полосы 6 МГц для улучшения 8)ЧК приемника, описанного в примере 5.5. Определите Т» ' объединения предварительного усилителя и приемника, Найдите Т;, Рв, Ф и (БХК) в Потери в линии будем считать нулевыми.
Решение Как и ранее, вначале все значения, выраженные в децибелах, приводятся к размерному виа)с Та! ~ = (Р'! — 1)290 К = 290 К, Тхг' = (Рз — 1)290 К = 2610 К, Т,в ' — — Тл,'+ — = 290 К + = 420,5 К, Таз ' 2610 К 20 Тз'ш Тл'+ Тев 'ш150К+420,5Кш570,5К, Рз — 1 Р =Р+ — '=2+ — ш2,5(4дБ) О 20 ! И,=Сктв УУ+Скт „;й'=С тг')Уш = 20 х 10 х 1,38 х 10 ~ х 6 х 10 (150 К + 420,5 К) = = 24,8 мкВт (вклад источника) + 69,6 мкВт (вклад входного каскада) = 94,4 мкВт, 5 „10 !! х 20х10 (5ЛК). = — = = 212,0(23,3дБ).
)Ч,ш 94,4 х10 е Итак, при добавлении прелваритсльнопз усилителя выходной шум увеличивается (с 22,8 мкВт в примере 5.5) до 94,4 мкВт. И асе ке, несмотря на увеличение мошности шума, более низкая температура системы приводит к улучшению параметра 8)ЧК на 6,9 дБ (с 16,4 дБ в примере 5.5 до 23,3 дБ в данном примере). Цена, которую мы платим за зто улучшение, — необходимость улучшения Р» на 6 дБ (с !О дБ в примере 5.5 до 4 дБ в данном примере). Нежелательный шум частично вносится посредством антенны (кТ„')р) и частично генерируется внутренне в входном каскаде приемника (кТ,е„'И').
Суммарное улучшение 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, использование малошумящего предварительного усилителя значительно улучшает системное отношение сигнал/шум (8ХК). В сле- дующем примере рассматривается случай, когда большая часть шума вносится по- средством антенны; мы увидим, что в этом случае введение малошумящего пред- варительного усилителя не дает ощутимого улучшения параметра Зг(К.
Пример 5.7. Попытка улучшения БХК при больших значениях Т„' Повторите примеры 5.6 н 5.5 с единственным изменением: пусть Т„';-8000 К. Другими словами, большая часть шума теперь вносится антенной; допустим, все поле зрения антенны заполняет очень горячее тело (солнце). Вычислите улучшение параметра 3)чк, которое даетея предварительным усилителем, использованным в примере 5.6 (рис. 5.19, й), после чего сравните результат с ответом примера 5.6. Решение ввэ првдваришельного усилишвлл Уцш = ОКИ'(ТА'+ Тв') = = 10 х 1,38 х 10 х 6 х 10 (8000 К+2610 К) = = 66,2 мкВт (вклад источника) + 21,6 мкВт (вклад входного каскада) = 87,8 мкВт (8)ЧК)ош = = л =114(106дБ) . 5,„ 10' х 10сп Мл, 87,8 х 1О л С првдваритвлвним усилимвлем Ф „= 20 х 10 х 1,38 х 10 ~ х 6 х 10 (8000 К + 420,5 К) = = 1324,8 мкВт (вклад источника) + 69,6 мкВт (вклад входного каскада) = 1394,4 мкВт 20х10в х10 " (8)ЧК) = = 14,4 (11,6дБ) . 1,39х10 Таким образом, в данном случае улучшение параметра 8ХК равно всего 1 дБ, что значительно меньше полученных ранее 6,9 лБ.
Если основные источники шума находятся внутри приемника, улучшить 81ч'К можно за счет введения малошумяших устройств. В то же время, если основные источники шума являются внешними, то улучшение входного каскада приемника не имеет существенного значения. з1 ИТАЙ ~5,.1~(йтлур+ 61 .) ктАУУ+ Ил, (г 1)лгтоРА йтл)У йтАУУ 1+ — (Р— 1) . то тА (5.48) И АА ВЯЪ | 307 Шум-фактор — зто определение, основанное на использовании зталонного значения 290 К.
Если температура источника отличается от 290 К, как в примерах 5.5-5.7, то необходимо определить рабочий или эффективный шум-фактор, описывающий реальную зависимость между (Я)ЧК) и (3)ЧК),ы. Если в качестве отправной точки использовать уравнения (5.25) н (5.27), рабочий шум-фактор можно выразить следующим образом: 5.5.6. Шумоаая температура неба Принимающая антенна собирает случайные шумы, излученные галактикой, солнцем и наземными источниками, что вместе составляет фоновый шум неба.
Фон неба появляется как комбинация галактического воздействия, уменьшающегося с частотой, и атмосферного воздействия, которое становится существенным при частоте порядка 10 ГГц (н увеличивается с частотой). Пример температуры неба, измеренной с земли, приведен на рис. 5.20 (учтены оба названных механизма). Заметим, что существует область между 1 и 10 ГГц, где температура достигает наименьшего значения; галактический шум становится достаточно малым при 1 ГГц и для спутниковой связи шум излучения абсолютно черного тела (вследствие поглощения атмосФерой) не является существенным, если он ниже 10 ГГц. (Для других приложений, например пассивной радиометрии, это по- прежнему является проблемой.) Эта область, известная как микроволновое (или космическое) окно, представляет особый интерес для спутниковой связи или космической дальней связи.
Низкий шум неба — это основная причина того, что системы в основном используют несущие частоты, принадлежащие этой части спектра. Кривые на рис. 5.20, показывающие галактический и атмосферный шумы, показаны в виде семейства кривых с разными углами возвышения О. При 0 = 0 принимающая антенна направлена на линию горизонта, и в процессе распространения сигнал проходит наибольший возможный путь через атмосферу. При 0 =90' антенна направлена на зенит, и минимальная часть пути сигнала приходится на атмосферу.
Таким образом, верхняя кривая семейства демонстрирует почти наихудшую (поеии — потому что погода считается ясной) зависимость температуры шума от частоты, а нижняя представляет наиболее благоприятный случай. На рис. 5.20 также показан график зависимости температуры шума от частоты яри дожде. Поскольку интенсивность любого ливня можно выразить только статистически, показанные температуры шума — это значения, когда дожди идут 25% времени (в зените). Какая спектральная область является наиболее благоприятной для космической связи, если принимать во внимание дожди? Это нижняя часть космического окна.
По этой причине системы, подобные БО(.Б (Брасе бгоцпд (лп)с Бцбзуаеш) (военные) и (1п(Г1ед Б-Ванд Те!ешеггу, Тгасрдпй, апд Сопгго1 Буз1ет (ХАБА), расположены в полосе частот 1,8-2,4 ГГц. 308 г а а6 ь а е а а л ъы Зенит е зените е 2азь еремени) емя дождя 1- н 102 Р а Ф с х Ф и о 10' з следстеие ого поглсигения дом и аром 1Оо ю-' 1О' 1О' Честоте(тгц) Рис. 5.20. Шумоаал теияераглура непа 6.0.6.1.
Рв)диоквртв неба си к н-н- Различные исследователи изображали излучение галактического шума как функцию частоты. На рис. 5.21 представлена подобная карта радиотемператур, взятая из работы [12]. На ней изображены температурные контуры неба в частотном диапазоне 250 МГц при рассмотрении с земли.
Вообще, небо состоит из локализированных галактических источников (Солнце, Луна, планеты и т.д.), каждый из которых имеет собственную температуру. Карта — это эффективная взвешенная сумма температур отдельных галактических источников плюс постоянный фон неба. Координаты карты, склонение и лрямае восхождение, можно рассматривать как небесную широту и долготу относительно земной поверхности (прямое восхождение измеряется в часовых углах, причем 24 часа соответствуют полному обороту Земли).
На рис. 5.21 температурные контуры показаны для температур от 90 до 1000 К. Измерения проводились так, чтобы воздействие Солнца было исключено (ночное небо). Луч антенны в центре карты указывает размер области неба, в пределах которой производились измерения (каждое измерение — это усреднение по площади луча). Чем уже луч, тем лучше разрешение температурных контуров; чем шире луч, тем разрешение хуже. На рис. 5.22 представлена другая радиокарта для частоты 600 МГц, взятая из работы (13]. При этой частоте, как было показано на рис.
5.20, галактический шум снижается, по сравнению с рис. 5.21; наиболее низкой из показанных температур является 8 К, наиболее высокой — 280 К. Если внимательно изучить рис. 5.21 и 5,22, то можно обнаружить область наибольшего излучения шума. Она расположена в овальной области в середине правой части каждой карты; продольная ось свана определяет положение на нашей галактической лдаскасаги, где подобное излучение космического шума является наиболее интенсивным.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
