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7/25/2019 Ruido Del Sistema y Parmetros de Diseo de Enlace
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RUIDO DEL SISTEMA Y PARMETROS DE DISEO DEENLACE
SYSTEM AND PARAMETERS NOISE LINK DESIGN
Luis Enri que Jaramil lo Montao:[email protected]
Eduardo Tandazo Gall egos: [email protected]
Jayro M ichel Ar ias Tandazo:[email protected]
Estudiantes del X mdulo
UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA
AREA DE LA ENERGIA, LAS INDUSTRIAS Y LOS RECURSOS NATURALES
NORENOVABLES
Carr era de I ngeniera en E lectrnica y Telecomunicaciones
Resumen:en la actualidad los proveedores de servicios de
comunicaciones han incrementado en sus polticas un factorconocido
como calidad servicio o QoS por sus siglas en ingls, una de las
principales caractersticas de este factor como
su nombre lo enuncia, es el de garantizar un servicio eficiente
y muy optimo, en especial a servicios donde la integridadde datos y
su latencia en cuanto a la transmisin son cruciales, para el caso
de las comunicaciones satelitales este
parmetro es an ms exigido, algo compresivo por su costo de
accesibilidad, por lo que los parmetros de diseo deenlaces y
consideraciones de ruido producido por diferentes factores son muy
importantes, este documento se centra enellos.
Summary: currently providers of communications services have
increased in their policies a factor known as qualityservice or QoS
for its acronym in English, one of the main characteristics of this
factor as its name states , is to ensureefficient service and very
optimal , especially services where data integrity and latency in
terms of transmission are
crucial for the case of satellite communications this parameter
is further required , some compression at costaccessibility , so
the parameters links and design considerations noise produced by
different factors are very important ,this paper focuses on
them.
Keywords: ruido, enlace, diseo, perdidas, distorsin.
I.
INTRODUCCIN
Las consideraciones referentes a los niveles de
potencia con respecto a la seal y el ruido interno y
externo aadido por diferentes factores en el enlace
establecido, define el rendimiento del enlace de RF.
Estas consideraciones nos permitirn tener una
perspectiva mucho ms clara de la eficiencia del
enlace en las peores y mejores condiciones,
identificando fallas y defectos en el sistema de
comunicaciones para corregirlos de inmediato ypoder garantizar
un QoS adecuado.
II.
RUIDO DEL SISTEMALa fuente de ruido en un sistema de
comunicaciones
pueden ser de origen mltiple, existe ruido
introducido por amplificadores en el receptor,
mezcladores, convertidores elevadores ,
downconverters , interruptores, combinadores, y
multiplexores denominado ruido interno del sistemas,
clasificando como ruido externo al sistema al que es
producido en el trayecto de transmisin de las ondas
de radio por las atmosfera.
En trminos tcnicos el ruido ms significativo se
presenta a la entrada del receptor (vase fig. 1), esto
debido a los niveles muy bajos de seal que son
captados en este punto. [1]
Fig.1. Receptor frontal. [1]
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En [1] se definen 4 fuentes de ruido en la zona del
receptor frontal, enumeradas tambin en la fig.1 y
descritas a continuacin:
1.
Extremo frontal del receptor
2. El receptor de la antena
3. Los elementos de conexin entre ellos
4.
El ruido que entra desde el espacio libre, a
menudo referido como el ruido de
radiofrecuencia
Todas ellas estn compuestas por componentes
pasivos y activos, y deben ser diseadas para
minimizar los efectos del ruido sobre el rendimiento
del enlace satelital. [1]
Sin embargo la mayor contribucin de ruido es el
contribuido por las variaciones ascendentes de
temperatura presente en los componentes de cada
dispositivo que conforma el sistema de
comunicaciones, la ecuacin 1 (definida por
Nyquist) esta relacin equivalente del ruido trmico
que provocan:
= . 1dnde:
: 1.39 10/ = =
El ruido del ancho de banda se refiere a la banda enla que se
encuentra la portadora utilizada para la
modulacin
Por otra parte Nyquist enuncia que esindependiente para
frecuencia en el rango de
comunicaciones por radiofrecuencias y que por
encima de ellas, el ruido trmico es opacado por el
ruido cuntico, definindose una frecuencia de
transicin en:
= 21 .2
donde:
: :
En la tabla 1 se encuentran valores de transicin
estandarizados de manera emprica (obtenidos
experimentalmente) para enlaces satelitales, cabe
recalcar que para valores de frecuencias bajas el
ruido trmico es cercano a 5
Tabla 1. Frecuencia de transicin
Trmica en funcin ruido cuntico [1]
Como se puede observar en la tabla 1 los valores defrecuencia
estn por encima que los utilizados en
enlaces satelitales, por lo que se realizara un anlisis
considerando solo el ruido trmico ms no el
cuntico, la ecuacin 3 describe de mejor manera lo
enunciado y lo enuncia como densidad de potencia
de ruido:
= ( ) .3
Obtenindose un parmetro de gran consideracin en
enlaces por satlite. [1]
A.
FIGURA DE RUIDO
Se define de esta manera a un mtodo utilizado para
cuantificar el ruido producido por un amplificador o
un subsistema dentro de los Tx o Rx, relacionando el
los parmetros de seal y ruido tanto a la entrada
como a la salida del sistema, la figura 2 lo muestra.
La figura de ruido del sistema se expresa en funcin
a la ganancia provista por el dispositivo y un ruidoefectivo
igual , y se expresa de las siguientesmaneras:
+ .4
= + = ( 1 + ) .5
Y expresada en dB es igual a:
= 10 (1 + ) .6
Tambin permite expresar el ruido de entrada y de
salida de cualquier dispositvo:
Fig.2. Figura de ruido de un dispositivo [1]
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=+1La parte de color azul corresponde al ruido de
entrada en el dispositivo y la parte del color amarillo
al ruido contribuido por el dispositivo.
La tabla 2 muestra un conjunto de valores que
relacionan la figura de ruido en dB con su respetiva
temperatura de ruido equivalente. [1]
Tabla 2. Valores de figura de ruido y la temperatura deruido
equivalente [1]
B.
TEMPERATURA DE RUIDOSe centra de manera especfica en el anlisis
delruido producido en dispositivos pasivos yactivos as como tambin
el sistema derecepcin de la antena.
_Dispositivos Activos
Se define como dispositivos activos en unsistema de
comunicaciones a los amplificadoresy otros componentes que aumentan
el nivel de
seal, es decir, que proporcionan una potenciade salida que es
mayor que la potencia de
entrada > 1 ; > 0 .La figura 3 describe de manera grfica
el ruido
equivalente de circuito para un dispositivoactivo con ganancia g
y figura de ruido una NF(dB). [1]
E
En este circuito se considera un amplificador
ideal de ganancia g y una fuente de ruido
adicional , basados en que un dispositivocon ganancia g se puede
representar como
1, (: figura de ruido; :temperatura de referencia de entrada),
con lo
que obtiene:
=290 1 .7290 es la tempera de referencia de entrada, al
remplazar se tiene que:
= .8Expresado en dB se tiene:
=290(10 1) .9
_Dispositivos Pasivos
Ejemplos claros de ellos son las guas de onda,tendidos de cable,
diplexores, filtros , y los
interruptores, su caracterstica distintiva es que
reducen el nivel del paso de energa a travs del
dispositivo (es decir, g < 1 , G < 0 dB).
Un dispositivo pasivo se define por el factor de
prdida:
= .10
donde y son potencias del dispositivo,expresado en dB se
tiene:
=10log .11La figura 4 muestra el equivalente a un
dispositivo pasivo con una perdida
Este circuito se compone por una amplificador
ideal de gananciay un ruido de fuente a la
entrada del amplificador ideal.
Donde
Fig.3. circuito de ruido equivalente para un dispositivoactivo.
[1]
Fig.4. Circuito de ruido equivalente para un dispositivo
pasivo. [1]
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=290(10
1) .12
y
1 = 10
.13
_ Ruido de la antena receptora
Su fuente puede ser desde la estructura fsica de la
antena en s, en forma de prdidas de la antena, y de
la trayectoria de radio (vase figura 5).
Las prdidas de antena son las prdidas de absorcin
producidas por la estructura fsica (principal
reflector, puntales, etc.), que reducen eficazmente el
nivel de potencia de la onda de radio. En la antena las
prdidas son por lo general especificadas por una
temperatura de ruido equivalente de la antena. El
equivalente de temperatura de ruido de la antena est
en el intervalo de 10s de grados K (0,5 a 1 dB de
prdida). Las prdidas de la antena suelen ser
incluido como parte de la antena, y no necesita ser
incluidos en los clculos de balance de potencia del
enlace directo.
El ruido de radio se puede introducir en la trayectoria
de transmisin de tanto por fuentes naturales como
inducidas por humanos. Esta potencia de ruido se
sumar a la de ruido del sistema a travs de un
aumento de la temperatura de la antena del receptor.
Para los receptores de ruido muy bajos, el ruido de
radio puede ser el factor limitante en el diseo y el
rendimiento del sistema de comunicaciones. [1]
Los componentes naturales primarios presentes en el
ruido de radio en un enlace va satlite son:
Ruido Galctico: de aproximadamente 2,4 K
para frecuencias por encima de
aproximadamente 1 GHz.
Componentes de la atmsfera: Los componentes
atmosfricos primarios que afectan a las
comunicaciones por satlite enlaces son oxgeno,
vapor de agua, las nubes y la lluvia (afectando
con mayor gravedad a las frecuencias por
encima de unos 10 GHz).
fuentes extraterrestres, incluyendo la luna, el sol
y los planetas.
En la Figura 6 se resume algunos valores
representativos para el aumento de la temperatura de
la antena debido a los componentes de la atmsfera
en el camino, tanto para el enlace descendente y el
enlace ascendente. [1]
Por otra parte las fuentes humanas de ruido de radio
constan de ruido de interferencia en la misma
informacin inducida en su ancho de banda, a
continuacin se describe algunas de ellas:
Enlaces de comunicaciones , tanto por
satlite y terrestre ;
Maquinaria;
Otros dispositivos electrnicos que pueden
estar en el entorno de la terminal de tierra.
_Temperatura de ruido del sistema
Visto de una manera global las contribuciones de
ruido de cada dispositivo se puede referir a una
temperatura de ruido total del sistema, que puede ser
utilizado para evaluar el rendimiento general del
enlace, el proceso de combinacin de las
temperaturas de ruido de un conjunto de elementos
en cascada se describe en la figura 7 esto
considerando un sistema tpico de receptor de
satlite. [1]
Fig. 5. Fuente de ruido en la antena receptora. [1]
Fig.6. Aumento de la temperatura de la antena debido alos
componentes atmosfricos: ( a) sin lluvia; ( B ) conlluvia. [1]
Fig.7. Sistema de recepcin por satlite y la temperaturade ruido
del sistema. [1]
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Aqu se agregan algunas consideraciones adicionales
como las perdidas por ruido presente en la lnea de
trasmisin definida por la ecuacin:
2901 .14
El mismo anlisis se realiza para todo el sistema
presentado en la figura 7 y se obtiene el ruido total
del sistema representado como:
= + + +
+ .15
y expresado en dB se tiene:
=10(1+ 290) .16
_Figura de MeritoEs una de las caractersticas ms importantes en
un
enlace pues La calidad de la eficiencia de las
porciones del receptor de un enlace de
comunicaciones por satlite suelen ser especificados
por una figura de mrito, y se define como la de
ganancia de la antena del receptor a una temperatura
de ruido del sistema de recepcin. [1]
10log .17
III.
PARMETROS DE DISEO DEENLACE
C. RAZN PORTADORA A RUIDO
Es la relacin que existe entre la potencia media de la
portadora de RF, c, a la potencia de ruido, n, en el
mismo ancho de banda, es definida como la relacin
portadora a ruido , es el principal parmetro deinters para
definir el rendimiento general del
sistema de comunicaciones. Puede ser medido en
cualquier punto en el enlace, tal como en los
terminales de antena del receptor, o en la entrada del
demodulador. [1]
La razn portadora a ruido puede ser expresada en
trminos de pire G/T (ver figura 8).
Se agrega tambin las prdidas de trayecto por
espacio libre:
= (4 )
.18
Y todas las dems prdidas producidas por diferentesfactores,
adems se define tambin la potencia de
recepcin en la antenacomo:
= ( 1) .19
as como la potencia de ruido presente en esta:
= .20Con la consideracin de todos los parmetros
mencionados se tiene:
=
(
) (
1) .21
Expresada en dB se tiene:
() = + () +228.6 .22
D. DENSIDAD PORTADORA A RUIDO
Parmetro esencial y necesario para ciertas
consideraciones
, donde
= , obteniendo
como resultado: [1]
( ) = .23
y expresada en dB quedara:
() = (
) .24
E. DENSIDAD DE ENERGIA POR BIT ARUIDO
Para los sistemas de comunicaciones digitales, la
energa de bit , , es ms til que la potencia de laportadora en
que se describe el funcionamiento del
enlace. La energa de bit se relaciona con la potencia
de la portadora por medio de la siguiente relacin:Fig.8.
Parmetro del enlace satelital. [1]
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= .25Donde c es la potencia de la portadora y es laduracin del
bit en segundos.
Entre sus caractersticas ms relevantes, es la de
permitir una comparacin de rendimiento de enlacestanto analgicos
como digitales, tcnicas de
modulacin, y diversas tasas de transmisin, para los
mismos parmetros del sistema de enlace. [1]
Su razn se enuncia como:
() =
.26
Los tres parmetros por lo general se pueden
considerar de manera intercambiable en la evaluacin
de los enlaces por satlite, con respecto a su impacto
en el sistema actuacin.
IV.
CONCLUSIONES
Independientemente del tipo de servicio que
valla a prestar un sistema de
comunicaciones satelitales, las
consideraciones de prdidas o distorsin de
las seales a transmitir debe tomarse con
mayor prioridad para asegurar una
disponibilidad adecuada del enlace.
Se debe optar por alternativas eficientes y
rpidas para la disipacin de calor en los
sistemas de comunicaciones satelitales,
asegurando la disponibilidad de enlaces con
niveles de ruido aceptables.
Dependiendo del tipo de aplicacin, se debe
tomar en cuenta el tipo de potencia de ruido,
si es trmico o cuntico, y as implementar
las precauciones necesarias.
V.
BIBLIOGRAFA
[1] L. J. Ippolito, Satellite Comunicactions
Systems Engineering, Singapore: Wiley ,
2008.
