seer 07 bugetul legaturilor de rc

8/13/2019 SEER 07 Bugetul Legaturilor de RC

1/53

8. Analiza bugetului legturilor de8. Analiza bugetului legturilor de

radiocomunicaii digitaleradiocomunicaii digitale

Prof.dr.ing. Ion Marghescu


2/53

nacest capitol vor fi trecute nrevist,prin ctevaexemple, noiunile de baz cu privire la analiza

bugetului de nivel nalt pentru legturile de RCdigitale.

Este prima etap care trebuie parcurs de ctre

orice inginer de telecomunicaii pentru a verificarealizabilitatea unui sistem de RC.

Totodat aceastetapscoate nevidenfactoriiprincipali asupra crora trebuie acionat pentru arealiza un nivel dat din punctul de vedere al

costului ial calitiisistemului;

08.01.2012 16:16 SISTEME I ECHIPAMENTE DE EMISIE /RECEPIE 2


3/53

Analiza legturiiurmretesgseascrspunslatrei aspecte fundamentale:

1. Ce putere de emisie se poate folosi?2. Ce bandde lucru este disponibil?

3. Cum se poate realiza calitatea conexiunii

definitde regulprin rata erorii de bit (BER)

Este cunoscut, conform teoremelor lui Shannon cputerea transmis i banda ocupat determin o

limitsuperioarpentru rata de transmisie:

C=B* log2(1 +RSZ) (8.1)



4/53

Teoretic dacR


5/53

Se urmrete determinarea celorlali parametricare caracterizeazsistemul cum sunt:

Gama de frecvene n care va funciona

sistemul;

Tipul de modulaie;

Puterea de emisie;

Sensibilitatea receptorului;

Se vor folosi cunotineleacumulate cu privire lasemnalele modulate, la propagarea undelor radio,

la performanele de raport semnal zgomot,precum inormele cu privire la alocarea benzilorde frecveni la parametrii specifici unui sistemde comunicaiecare lucreazntr-obanddat;



6/53

Vom ncepe relund pe scurt principalele noiuni

care vor fi folosite:

Zona acoperitipierderile de propagare;

Propagarea multicale irezerva pentru fading;

Tehnicile de modulaieiBER;



7/53


8/53


9/5308.01.2012 16:16 9SISTEME I ECHIPAMENTE DE EMISIE /RECEPIE

0

20

40

60

80

100

120

140

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

Free Space

Indoor

d(m)

L(dB)


10/5308.01.2012 16:16 SISTEME I ECHIPAMENTE DE EMISIE /RECEPIE 10

Reamintim c,aacum s-a evideniatncapitolele 4 i7, un semnal minim utilizabil este un semnal cu un

nivel care asigurun raport semnal zgomot predefinit,notat cuRSZd, la detector.

Ca atare dacpresupunem cde la antenla detector,se realizeaz un ctig pe frecvena central, G,

sensibilitatea este cea mai micputere de semnal caresatisface relaia:

(Sa G)/Nd=RSZd (8.3)

Nd - rezultatul integrriizgomotului termic generat detoate circuitele care preced detectorul, peste banda de

trecere a receptorului vzutla intrarea detectorului.


11/53

1.2 Propagarea multicale i rezervapentru fading;


Fenomenul este bine cunoscut;

ntransmisiunile din interior propagarea multicale

este practic totdeauna prezent i are un caracterdinamic (permanent variabil);

Datoritmodului ncare se combinundele venitepe diverse ci(rezultate datoritreflexiilor) pot srezulte variaiiale nivelului semnalului recepionatde peste 30dB;



Pentru a asigura meninereaconexiunii trebuie casistemul de comunicaie s fie proiectat cu orezervde putere suficient;

Aceast rezerv este cunoscut ca rezerv pentru

fading (fading margin);

Valoarea exact a acestei rezerve depinde decalitatea impuspentru conexiune;

Practic se acceptca o valoare de 20..30 dB sfieconsideratca rezonabil;



Alte metode de combatere a fading-ului sau de

reducere a rezervei pentru fading constau nfolosireaunor sisteme cu:

Diversitate spaial(mai multe antene);

Egalizarea adaptiva canalului;


14/53



Alte soluii constau n alegerea unei tehnici demodulaierezistentla fading:

Spectru mprtiat (cu salt de frecven (FHSS)sau cu secvendirect(DSSS);o n acest caz trebuie amintit un parametru

important - ctigulde prelucrare:

GP= 10log10(C/R) (8.4)unde C este rata secveneide mprtiereiar Rrata de transmitere a datelor originale;

o Acest ctigcorespunde ameliorriiraportuluisemnal zgomot din banda de baz princomparaiecu cel din RF,

OFDM.


16/53

1.3 Alegerea tehnicii de modulaie


Aa cum s-a mai precizat aceasta este una dindeciziile cele mai importante;

Alegerea tehnicii de modulaieinflueneaz: bandaocupat,eficienanfolosirea spectrului, eficienanfolosirea puterii, sensibilitatea icomplexitatea;



Se poate alege:

O tehnicde modulaiemonopurttoare: Cu modulaiede faz:

o PSK,

o DBPSK,

o DQPSK, Cu modulaiede frecven:

o MSK

o OFSK cu deteciecoherento OFSK cu deteciecoherent

O tehnicde modulaiemultipurttoare (OFDM)Variante cu spectru mprtiat;



Pentru analiza bugetului legturii este importantevaluarea raportului semnal zgomot necesar

pentru ca receptorul s realizeze o anumit rataerorii de bit (BER);

nlucrrilecare analizeaz tehnicile de modulaie

se pot gsi expresii care permit evaluarea BERfunciede raportul semnal zgomot;

Deosebit de util este o reprezentare grafic a

acestei dependene aa cum se va observa pediapozitivul urmtorpentru ctevadintre tehnicilemenionatemai sus;



Pentru a trece de la raportul energie per bit/

densitate spectrala zgomotului, o mrimecare nudepinde de rata de transmisie a sistemului la

raportul semnal zgomot este util s fie amintitrelaia:

RSZ = (Eb/No) * (R/B) (8.5)

n fine s reamintim i relaia dintre ratatransmisiunii i banda necesar pentru ctevatehnici de modulaie:

Tehnica de modulaie Banda necesar (de la nulla nul)

QPSK, DQPSK 1x R

MSK 1,5 x R

BPSK, DBPSK, OFSK 2 x R


21/53

1.4 Extras din reglementrile privindutilizarea unor benzi de frecven


n foarte multe aplicaii este preferabil s nu fienecesar s se solicite o licen pentru frecvenafolosit, mai ales dac este vorba de aplicaii careimplictransmisiuni radio de interior.

Benzile care pot fi utilizate nacest scop nEuropa, aanumitele benzi ISM, sunt date n tabelul de pediapozitivul urmtor;

n tabel este menionat i nivelul de putere permispentru comunicaii mono-purttoare (ETSI) sau cuspectru mprtiat;


22/53

08.01.2012 16:16 22SISTEME I ECHIPAMENTE DE EMISIE /RECEPIE

MSonopurttoare Multipurttoaresau

Spectru distribuit

Banda Putere

maxim(ETSI)

Putere

maxim(FCC)

Putere

maximSS (ETSI)

Putere

maximSS (FCC)

433.05434.79MHz 0,75 mW N/A 100mW N/A

2400 -

2483.4MHz

0,75 mW 0,75 mW 100mW 1W

5725 - 5875MHz 0,75 mW 0,75 mW 100mW 1W

nacelaitimp densitatea spectralde putere maximestede 10 mW/MHz


23/53

2. Analiza bugetului pentru un sistem

de comunicaie digital prin satelit


Se considerun sistem de comunicaierealizat njurulunui satelit geostaionar. S se analizeze legtura pecalea descendentcunoscnd:

Frecvena de lucru este din gama de 4GHz iarbanda ocupatde semnalul modulat este de 1 MHz.

Receptorul terestru foloseteo seciune frontalcuctigulde 20dB icu o temperaturde zgomot de127K dupcare urmeazun amplificator cu ctiguln putere de 80dB i cu factorul de zgomot de 12

dB.


24/53


Ctigul antenei de recepie este de 40dB, iartemperatura de zgomot a antenei este de 59K.

Antena satelitului are ctigulde 6dB.

Se cere:

1. Sse calculeze factorul de zgomot itemperatura dezgomot echivalentpentru receptor;

2. Ct este puterea minim,Pt, a emitorului de pesatelit pentru ca raportul semnal zgomot la ieireareceptorului sfie de 14dB;


25/53


1. Factorul de zgomot i temperatura de zgomot

F1 = 1+Pzp/Pzg=1+Ta/To=1+127/290=1,44

F2=1012/10=15,84

F = F1+ (F21)/G1= 1,44+(15,84-1)/100=1,592 dB

Tr= (F-1) To= (1,59-1)290=171 K.


26/53


2. nvederea evaluriiputerii de emisie necesare la satelitse determinsuccesiv:

a. Puterea de zgomot la recepie;b. Semnalul minim detectabil;

c. Pierderile de propagare;

d. Puterea emitorului


27/53


a. Temperatura de zgomot a sistemului de recepie:

Ts=Ta+Tr= 170+59=229K 23,6 dBK

Nz= kTsB= 1.8 x 10-23J/K x 229K x 1x106Hz

23,6dB -228dB K+ 60dBHz= - 115dBm

b. Semnalul minim detectabil la receptor:

Sa=Nz+RSZ=-115+14=-101dBm


28/53


c. Pierderile de propagare folosind relaiapentru propagareanspaiulliber:

d= 35800km

Lfs = 20 * log10(4 * * d*f /c)=20 * log10(4 * *

358*105*2*109/3*108)= 20*(3,47+6) =189,4 dB

Adugndefectul ctigurilorantenelor se obine:

L=Lfs- Gt - Gr= 189,4406 = 143,4 dB

d. Puterea de emisie:

Pt=Sa+L=-101dBm+143,4=42,4dBm=12,4dBWcca

20W


29/53

3 Analiza bugetului pentru un sistem de

comunicaie digital de band ngust


n realizarea unei aplicaii a rezultat necesitatea de aimplementa un sistem de comunicaii care s asigureun debit net de transmitere a informaiei numerice decca 11 kbps, cu o rat a erorii de bit de 10-6 la odistande cca 5 metri.

Dac se ine cont de informaiile auxiliare pentruncadrare,codare etc. se va impune o ratde 15kbps;


30/53


Alegerea tehnicii de modulaie:

Tehnicile mono-purttoare sunt mai sensibile laperturbaii n comparaie cu tehnicile cu spectrumprtiatdar conduc la echipamente mai simple.

Avndnvedere complexitatea nu se ia nconsideraietehnica OFDM.

Totodattehnicile mono-purttoarepot lucra cu puteride maximum o,75 mW iar cele cu spectru pot folosi

puteri depnla 100 mW.


31/53


Alegerea tehnicii de modulaie:

O tehnic simpl i uor de implementat este FSK.Dintre variantele posibile cel mai bun compromis

band ocupat, complexitate modulare/demodulareeste asigurat de FSK cu indicele de modulaie

h=f /Regal cu 1.

Acest caz corespunde aanumitei tehnici de modulaieOFSK (Ortogonal FSK);

Deci ncazul sistemului proiectat rezultf =15 kHziar banda ocupatva fi 2R =30kHz.


32/53


Alegerea gamei de frecven:

Evident fiind vorba de un sistem de micanvergurcurazmicde acoperire se va lucra ntr-obandISM.

Trebuie ales ntre cele trei benzi menionate mai sus.Cu ct frecvena este mai mic cu att condiiile de

propagare sunt mai bune.

Se opteazpentru gama de 433MHz.


33/53


Calculul plafonului de zgomot:

Pentru zgomotul termic rezult:N=kTB=1.8 x 10-23 J/K x 290K x 30,000 Hz=

=1,2 x10 -16 W- 129,2dBm

Acesta ar fi plafonul de zgomot pentru un receptor

ideal; un receptor real adaug la rndul su zgomottermic funciede factorul de zgomot; pentru receptoare

de cost redus o valoare tipica factorului de zgomot arfi:NF=15dB


34/53


Conform definiiei aceast valoare se adaug lazgomotul termic al canalului, deci plafonul de zgomot

real va fi:RNF=N+NF= -129,2+15 = -114,2 dBm

Calculul sensibilitiireceptorului:

Aici trebuie s se determine puterea minim necesarla intrarea receptorului pentru a realiza performaneleimpuse din pdv al BER;

Se pornete de la performanele tehnicii de modulaiepentru care s-a optat OFSK (FSK cu h=1);


35/53


Pentru BER=10-6 rezultEb/No= 14,1 dB (cca 26)


36/53


Cu aceastvaloare se poate determina raportul semnalzgomot folosind relaia(8.5):

RSZ=Eb/No * (R/B)=26*(15/30) =13 11,1 dB

Puterea necesar la recepie, deci sensibilitateareceptorului, este datde relaia:

Prx=RNF+RSZ= -114dBm +11,1 dB=-103dBm


37/53


Calculul atenuriide propagare:

Folosind relaia (8.2 propagarea n spaiul liber) sepoate evalua atenuarea de propagare:

Lfs

= 20 x log10

(4 * * d*f /c)=20 x log10

(4 * *

5*430*106/3*108)=46dB

La aceste pierderi se va aduga rezerva pentru fading

pe care o alegem:RF=30dB;

Calculul puterii emitorului:


38/53



Se consider c, la ambele terminale, se folosesc

antene dipol, omnidirecionalenplan orizontal, cu unctigde cca 2 dB;

n aceste condiii puterea care trebuie livrat de

emitoreste:

Pt=PrGt - Gr + Lfs+RF= -103-2-2+46+30 =

= -31dBm

Concluzii:


39/53


Concluzii:

Se constat c valoarea obinut pentru puterea de

emisie este mai mic dect -1,25dBm ct prevdreglementrile pentru transmisiuni mono-purttoaredeci nu este necesar folosirea unor tehnici demodulaiecu spectru mprtiat;

Deci conexiunea se poate realiza nbanda nelinceniatde 430MHz. Dac se va observa c sunt prea multesisteme n aceastband se poate alege una dintrecelelalte dou dar, evident mrind frecvena, sistemulrezultat va necesita componente mai scumpe deci va fi

maipuineconomic.



40/53


comunicaie digital de band larg


Este necesar s se implementeze un sistem decomunicaii radio care s asigure o legturcompatibil USB ntre un calculator i un dispozitiv

periferic de vitezmic;

Conexiunea USB are dou moduri de semnalare: cuviteza normal 12 Mbps i cu vitez redus de1,5Mbps.

Vitez redus este adecvat pentru a conectadispozitive periferice cum ar fi o tastatur, un oriceletc.


41/53


naceste condiiise considero transmisiune cu o rat

de transfer de 1.5Mbps la o distan de maximum 20m, ninterior.

Dac se introduc n calcul informaiile suplimentare

(sume de control, ncadrareetc. ) care pot ajunge la 25-30% se va impune rata de transfer de 2 Mbps.

Rata erorii de bit (BER) trebuie s fie de maximum10-6.


42/53


Consideraiiprivind alegerea tehnicii de

modulaie:

Se poate face un calcul identic cu cel din exemplul

precedent i se vor considera noile date (rat de

transfer, zonde acoperire) se va constata crezultoputere de emisie care nu respectnormele ETSI pentrutransmisiuni mono-purttoare.

nconsecinse opteazpentru tehnica DSSS;

Alegerea benzii de frecven de lucru:


43/53


Alegerea benzii de frecvende lucru:

Dintre cele trei soluiiconsiderate naceste exemple sepoate observa cgama de 433 MHz are obandrelativngust (cca 1 MHz) deci nu permite o mprtiereeficient;

Dintre celelalte dou,ambele aubandsuficient,deci

se va opta pentru cea cu frecvena mai mic att dinconsiderente de propagare ctidin punctul de vedereal componentelor electronice care pot fi utilizate;

Numai dac se va constata c sistemul nu esterealizabil n aceast gam sau se remarc existenaunor perturbaii importante se va opta pentru gama de5 GHz.


44/53


Detalierea parametrilor tehnicii de modulaie:

Trebuie aleas tehnica de modulaie a purttoarei RFcu semnalul complex format din fluxul de date isecvena de mprtiere i rata secvenei demprtiere;

Pentru a simplifica prelucrarea la recepie se opteazpentru o soluiediferenial;

Se poate folosi DBPSK sau DQPSK; ngeneral pentrurate mai mari de 1Mbps se recomand variantaDQPSK.


45/53


Pentru a putea dispune de puterea limit (100mW)

respectnd i densitatea spectral de putere

(10mW/1MHz) trebuie s se utilizeze o band deminimum 10 MHz; se va opta pentru un ctig demprtieremai mare deci obandctmai larg;

De regul se alege o valoare impar a numrului dechip-uri ale secveneide mprtierepentru fiecare bitde date; alegem un raport de mprtierede 11 situaien care se constat c exist o firm care produce unchip-set cu care se poate realiza echipamentul n ceamai mare msur(PRISM).


46/53


Tehnica de modulaie Banda necesar (de la nul lanul)

QPSK, DQPSK 1x R

MSK 1,5 x R

BPSK, DBPSK, OFSK 2 x R

Rata de transmisie a semnalului mprtiatnbanda debaz este 2x11=22 Mcps, deci banda ocupat de

semnalul modulat, DQPSK, este de 22 MHz;



47/53



Densitatea spectral de putere a zgomotului termic se

calculeaz pentru banda ocupat de semnal dupdezmprtiere:N=kTB=1.8 x 10-23J/K x 290K x 2x106Hz=

=4 x10 -12 mW- 113dBm

Pentru setul de circuite menionat factorul de zgomoteste:NF=7dB

Cu cele douvalori rezultplafonul de zgomot real:

RNF=N+NF=-113+17=-104 dBm


48/53


Pentru BER=10-6

rezultEb/No= 11dB (cca 12,7)

Calculul sensibilitiireceptorului:

Se pornete de la performanele tehnicii de modulaieDQPSK;


49/53


Cu aceastvaloare se poate determina raportul semnalzgomot folosind relaia(8.5):

RSZ=Eb/No * (R/B)=12,7*(2/2) =12,7 11 dB

Puterea necesar la recepie, deci sensibilitateareceptorului, este datde relaia:

Prx=RNF+RSZ= -104Bm +11 dB=-93dBm

Calculul atenurii de propagare:


50/53


Calculul atenuriide propagare:

Se folosete graficul prezentat mai devreme i reluat,pe acest diapozitiv.

0

20

40

60

80

100

120

140

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

Free Space

Indoor

d m

L(dB)

RezultLin=70dB

la care se adaugo rezerv pentrufading: RF=30dB

care pentru un

sistem DSSS estemai mult dectsuficient;


51/53



Se considerc,la fel ca ncazul precedent, la ambeleterminale, se folosesc antene dipol, omnidirecionalen

plan orizontal, cu un ctigde cca 2 dB;

n aceste condiii puterea care trebuie livrat deemitoreste:

Pt=PrGt - Gr + Lfs+RF= - 93dBm22 + 70 + 30 == 7dBm


52/53


Concluzii:

Se constat c valoarea obinut pentru puterea deemisie este mai mic dect 20dBm ct prevdreglementrilepentru transmisiuni DSSS;

Deci conexiunea se poate realiza nbanda nelinceniatde 2,4 GHz. Dac se constat c sunt prea multesisteme n aceastband se poate alege banda de 5

GHz dar, evident mrindfrecvena,sistemul rezultat vanecesita componente mai scumpe deci va fi mai puineconomic.


53/53

Concluzii finale:

Evaluarea bugetului unei legturide comunicaieeste oprocedur util i important npregtireaproiectriiunui sistem de comunicaie;

Se pot folosi calculatoare de buget al legturiicare segsescpe internet:

http://www.satsig.net/linkbugt.htm

Aici se gsesc instrumente att pentru legturi prinsatelit ctiterestre;
http://www.satsig.net/linkbugt.htmhttp://www.satsig.net/linkbugt.htm

seer 07 bugetul legaturilor de rc

Documents