BER e Link Budget -...
Transcript of BER e Link Budget -...
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 1
BER e Link Budget
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 2
Obiettivo: trasferimento di un messaggio numerico da una sorgente a un destinatario
•Messaggio numerico: sequenza di simboli appartenenti ad un alfabeto a M caratteri emessi con un symbol rate Rs (simboli/secondo) cioè con un bit rate Rb (bit/secondo) con
MRR b
s2log
Modalità, a seconda del canale:1. Trasmissione numerica in banda base (PAM);2. Trasmissione numerica in banda traslata (tecniche di modulazione ASK&PSK&QAM).
CANALE DI
TRASMISSIONE
APPARECCHIATURE DI
RICEZIONE
APPARECCHIATURE DI
EMISSIONE ka kaSequenza di
simboli ricevutiSequenza di simboli trasmessi
Informazione di temporizzazione
• Efficienza spettrale = massimo bit rate che è possibile trasmettere fissata una certa larghezza di banda ovvero banda minima richiesta per le trasmissione di un bit rate fissato =Rb/B bit/s Hz (B: banda segnale trasmesso)
Richiamo sulle trasmissioni digitali
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 3
Efficienza di banda dello schema di trasmissione
Prestazioni delle trasmissioni digitaliCondizioni ideali: unico disturbo è il rumore Gaussiano bianco additivo;
• Probabilità di errore sul bit (Pb(e) = BER)
Quale è il legame fra BER e C/N oppure BER e Eb/N0 ?
TRASMETTITORE
Input Rate Rb=1/Tb (bit/s)
Output Rate RS=1/TS=Rb/m (baud)
PT
GT
RICEVITOREC
Potenza ricevuta
+
n(t)Rumore additivo gaussiano bianco
Densità spettrale unilatera N0.
P(e) & Pb(e)
BR
NE
BNRE
BNTE
NC bbbb
000
Energia per bit divisa per la densità spettrale di rumore monolatera
C/N=Rapporto fra potenza media del segnale ricevuto (C) e potenza media di rumore (N)
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 4
•Probabilità di errore sul simbolo coincide con probabilità di errore sul bit P(e)=Pb(e);
•Ingresso al decisore a soglia somma segnale utile (A) e rumore Gaussiano bianco (n(t))
)1/0()1()0/1()0()0,1()1,0()( txrxPtxPtxrxPtxPrxtxPrxtxPePb
In ingresso al decisore a soglie si ha n-A (tx=0) con n>A (rx=1)
n
n
An
AerfcdneAnPtxrxP n
221
21)()0/1(
2
2
2
TB
N
TEA
nn
b
22
0
2
• n
2: potenza di rumore;
• N0: densità di potenza rumore (unilatera);
• B: banda segnale utile.
000 21
21)1(
21)0()(
NEerfc
NEerfctxP
NEerfctxPeP bbb
b
Efficienza spettrale: caso BPAM
• Rate binario R=1/T=Rb=1/Tb;
• Banda minima richiesta 1/2T; Massima efficienza spettrale =2 bit/sec Hz
Prestazioni BPAM e BPSK
Efficienza spettrale: caso BPSK
Massima efficienza spettrale =1 bit/sec Hz
• Rate binario R=1/T=Rb=1/Tb;
• Banda minima richiesta 1/T;
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 5
Probabilità di errore sul simbolo P(e)
0
22
1log31
NE
MMerfc
MMeP b
a(1)
a(2)
a(3)
a(4)
e(1)
e(2)
e(3)
e(4)
0 Ts 2Ts 3Ts 4Ts
Livelli di sogliaSimboli
dell’alfabeto (es. M=4)
Livelli di tensione associati ai simboli
dell’alfabetoSegnale trasmesso
Volts
Istogramma
2
2
2
21)( n
n
nn enp
Prestazioni PAM (I)
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 6
Probabilità di errore sul bit (Pb(e) = BER)Quanti bit si sbagliano, quando si decide per un simbolo errato?
Legame fra BER e C/N oppure BER e Eb/N0 ?
Efficienza spettrale
• Rate binario Rb =1/Tb= log2MRs= log2M /Ts;
• Banda minima richiesta 1/2Ts (in generale tra 1/2Ts e 1/Ts)
• In caso di utilizzo di codifica di Gray (punti di segnale adiacenti corrispondono a sequenze binarie che differiscono di un solo bit) Pb(e)P(e)/log2M
)()(log
)(
2
ePePM
ePb
Caso peggiore: 1 simbolo errato m bit errati
Caso migliore: 1 simbolo errato 1 bit errato
122 sec/log2log HzbitM
BRM b
usando B = 1/2Ts (1+) 12 sec/log
12
HzbitM
BRb
0
22
1log31
NE
MMerfc
MMePBER b
b
Prestazioni PAM (II)
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 7
Efficienza spettrale: caso M-PSK
•M regioni di decisione: Si decide per il simbolo a distanza minima dal segnale ricevuto.
MNEerfceP
MNEerfc sinsin
21
00
Prossimo alla soluzione esatta per E/N0>>1
• In caso di utilizzo di codifica di Gray (punti di segnale adiacenti corrispondono a sequenze binarie che differiscono di un solo bit) Pb(e)P(e)/log2M
• Rate binario Rb=1/Tb =log2MR= log2M /T;
• Banda minima richiesta 1/T;=log2M bit/sec Hz
L’efficienza spettrale aumenta al crescere del numero di livelli M
Prestazioni M-PSK
)()(log
)(
2
ePePM
ePb
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 8
0)1(2
3112)(NE
Merfc
MeP
Prestazioni M-QAMCostellazioni di segnali rettangolari AM-PM:
• log2M pari QAM: schema di modulazione formato da due canali PAM (Pulse Amplitude Modulation) indipendenti;
•M=4: QPSK e QAM coincidono.
• Regioni di decisione quadrate
Energia media in funzione di M
ogni bit di informazione in più richiede circa 3dB di energia in più per mantenere costante la distanza minima.
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 9
Al crescere di M (efficienza spettrale crescente) P(e) fissata ottenuta aumentando E:•QAM: E aumenta secondo 2(M-1)/3;•PSK: E aumenta secondo 1/sin2(/M);
•Vantaggio AM-PM rispetto PSK in termini di energia per fissata P(e) crescente al crescere di M;
•Svantaggio AM-PM rispetto PSK: modulazione di ampiezza mal tollerata da dispositivi non lineari (TWT);
0
2
0
sin)(&)1(2
3112)(NE
MerfceP
NE
Merfc
MeP
QAM PSK
Confronto M-QAM vs M-PSK
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 10
Trasmissione di segnali• Per inviare il segnale si usano antenne (trasduttore) …
segnale TX RX
• Antenna: trasduttore tra propagazione guidata (linea di trasmissione) e
propagazione nello spazio libero;
• Reciprocità: le proprietà dell’antenna sono le stesse indipendentemente dal suo utilizzo (TX/RX);
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 11
Antenna isotropa e direttivaANTENNA OMNIDIREZIONALE
- Una sorgente isotropa irradia la potenza uniformemente in tutte le direzioni;
- La potenza irradiata si ripartisce uniformemente su sfere concentriche con centro sulla sorgente;
ANTENNA DIRETTIVA
- L’antenna concentra la potenza irradiata in una direzione preferenziale o al contrario assorbe la potenza incidente proveniente da una data direzione;
- La potenza irradiata non è più distribuita in modo uniforme sulla sfera ma ci sono direzioni in cui la densità di potenza è maggiore rispetto al caso di antenna omnidirezionale
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 12
Attenuazione e sfasamento a distanza R Un campo E.M. a frequenza f =c/ generato in prossimità dell’antenna, ad una distanza R da essa si trova:
RdiSfasato
RdiAttenuato
24 2
R
cftf
RA
cRtf
RAtfA
22cos
42cos
4)2(cos
2
- Densità di potenza si distribuisce su superficie sferica di raggio R
- C’è un ritardo di propagazione alla velocità della luce pari a R/c
RjtfjjcRfjtfjjc
Rtfjjtfjj e
ReAee
ReAee
ReAeAe
2
2
22
2
22
2
41
41
4
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 13
Direttività e Guadagno
4max
mediaradiazionediintensitàradiazionediintensitàmax
totaleirradiatapotenzasolidoangolounitàirradiatapotenzaGD
ingresso)in potenzapari(con perditesenzaisotropasorgenteirradiataintensità
radiataintensitàmax4
max iraccettatanettapotenza
solidoangolounitàirradiatapotenzaG
DIRETTIVITA’:
GUADAGNO: perdite considerater efficienza di irradiazioneG = r GD
misura l’area effettiva mostrata da un’antenna all’onda incidente (RX):
22
44
gae AAG
Ae: area efficace; Ag: area geometrica; a: efficienza d’apertura
AREA EFFICACE
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 14
Equazione collegamento TX-RX (I)
a) Antenna trasmittente distanza R con antenna isotropa:
22
/4
),( mWR
PRp tt
b) Antenna trasmittente distanza R con antenna direttiva:
22
/4
)(),( mWR
GPRp ttt
pt (R,) : densità di potenza a distanza R in direzione .Pt : potenza irradiata dall’antennaGt () : guadagno d’antenna in direzione .
c) potenza intercettata dall’antenna ricevente:
WR
GGPARGPP rtte
ttr
2
2 44
Pr: potenza ricevuta antenna rx a distanza R.Pt : potenza irradiata dall’antenna tx.Gt: guadagno d’antenna dell’antenna tx. Ae: area efficace dell’antenna rx.
• Valutazione della potenza ricevuta fissate le caratteristiche del trasmettitore & ricevitore e del mezzo di trasmissione;
pt (R,) : densità di potenza a distanza R in direzione .Pt : potenza irradiata dall’antenna
EIRP
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 15
Fattori di perdita
WL
GEIRPR
GEIRPPp
rrr
24
Potenza ricevuta caso ideale
unica attenuazione considerata: propagazione nello spazio libero
•fattori di perdita dovuti all’antenna trasmittente (Lta);
•fattori di perdita dovuti all’antenna ricevente (Lra);
•fattori di perdita dovuti a propagazione in atmosfera (La);
WLLLLGEIRPP
raatap
rr
Potenza ricevuta caso reale
dB dBradBadBtadBpdBrdBWdBWr LLLLGEIRPP
Path loss
Equazione collegamento TX-RX (II)EIRP: Equivalent Isotropic Radiated Power figura di merito stazione TX
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 16
Attenuazione di propagazione per pioggia/nebbia
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 17
Rapporto potenza segnale a rumore • Il segnale ricevuto è costituito dalla somma del segnale utile (replica attenuata e ritardata del segnale trasmesso) e del rumore termico del ricevitore (sempre presente): all’ingresso del ricevitore si ha
BkTP sn
Pn: potenza rumore rx riportata in antenna;k: costante di Boltzmann;B: banda del ricevitore;Ts: temperatura di rumore di sistema;
WTG
RkBLGP
RBkTLGGP
NC
s
r
A
tt
sA
rtt
22
44
G/T ratiofigura di merito
stazione ricevente
kLTGRGP
NC
As
rtt
dBHz
10101010100
log10log10log104log20log10
EIRP (dBW)
Free Space Loss (dB)
Figura di merito stazione
rx (dBK-1)
Perdite aggiuntive
(dB)
-228.6 dBW K-1 Hz-1
EIRPfigura di merito stazione
trasmittente
EQUAZIONE DEL COLLEGAMENTO
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 18
Valutazione Link Budget
R = 12 km
f = 18 GHzTxTx
Pt = 23 dBm
Lt = 1.5 dB
Gt = 38 dB
RxRx
Gr = 38 dB
Lr = 1.5 dB
Pr = ? dBm
Pr = Pt - Lt + Gt - Lp + Gr – Lr dBm
Lp = 92.45 + 20 log10(18) + 20 log10(12) = 139.14 dB
Pr = 23 - 1.5 + 38 - 139.14 + 38 - 1.5 = -43.14 dBm&
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 19
Dimensionamento collegamento satellitare
Dimensionamento di un sistema di comunicazione satellitare link budget: valutazione del rapporto potenza di segnale a potenza di rumore (C/N) al lato ricezione considerando il mezzo di trasmissione e le caratteristiche del trasmettitore ricevitore:
•Equazione collegamento tra due stazioni di terra attraverso satellite (trasponder non rigenerativo e rigenerativo);
•Dimensionamento down-link e up-link;
•Esempio di valutazione link budget.
Dimensionamento di un sistema di comunicazione satellitare scelte di compromesso tra diversi fattori al fine di massimizzare le prestazioni a costi accettabili fattori di importanza nel dimensionamento:
•Peso payload
•Potenza generabile a bordo
•Larghezza di banda
•Dimensione massima delle antenne a bordo del satellite e nelle stazioni di terra
•Tecnica di accesso multiplo utilizzata
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 20
Collegamento satellitare tra stazioni di terra
Terra satellite: UP-LINK
Satellite terra: DOWN-LINK
•Equazione del collegamento applicabile sia all’up-link che al down-link
•Le prestazioni globali dipendono dalle caratteristiche dell’up-link, del trasponder e del down-link.
Collegamento due stazioni di terra attraverso satellite: due collegamenti
Transponder
Non rigenerativo: trasla il segnale ricevuto dalla frequenza dell’up-link (FU) alla frequenza del down-link (FD) e lo ritrasmette dopo averlo amplificato;
Rigenerativo: effettua a bordo demodulazione e rivelazione prima della elaborazione in banda base e successiva rimodulazione per la trasmissione sul down-link
Prestazioni specificate in termini di rapporto potenza segnale a potenza rumore (convenzionale) o di BER (rigenerativo con trasmissione digitale) alla stazione ricevente.
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 21
•Up-link (C/N0)U;
•Down-link (C/N0)D;Collegamento totale descritto da (C/N0)T
Transponder non rigenerativo
Considerando il collegamento globale:
•Segnale utile pari a
C=CUGsGtGr/Ld
•Spettro densità di potenza del rumore
N0=N0D+N0U(GsGtGr)/Ld
CU: potenza segnale ingresso transponder;
Gs: guadagno transponder;
Gt: guadagno antenna tx satellite;
Gr: guadagno antenna rx terra;
Ld: perdite down-link
N0U: spettro densità di potenza rumore ingresso transponder;
N0D: spettro densità di potenza rumore ingresso stazione rx considerando il solo down-link;
1
0
1
0
1
000
00
0000 )/(
DUTDU
DU
rtsDDU
U
TNC
NC
NC
BNCNCNCNC
GGGLNNC
NC
NC
Stazioni di terra vincoli meno stringenti sulla dimensione delle antenne e sulla generazione di potenza rispetto alla stazione satellitare;
(C/N0)U>>(C/N0)D: le prestazioni globali del collegamento sono determinate dal down-link.
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 22
Transponder rigenerativo
•Up-link BERU;
•Down-link BERD;Collegamento totale descritto da BERT
Considerando il collegamento globale:
DUUDDUT BERBERBERBERBERBERBER )1(1
Stazioni di terra vincoli meno stringenti sulla dimensione delle antenne e sulla generazione di potenza rispetto alla stazione satellitare;
le prestazioni globali del collegamento sono determinate dal link peggiore.
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 23
Tipologie di antenne • Antenne lineari:
- dipoli herziani
- array di dipoli (Yagi, Logaritmiche, … )
• Antenne a telaio:
- Anelli chiusi (loop)
• Antenne ad apertura:
- paraboloidi
- array a slotted waveguide
- phased arrays
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 24
Forma del fascio di antenne ad apertura
• fascio assialmente simmetrico;• larghezza del fascio dell’ordine di pochi gradi o
meno;• utilizzati quando è necessario misurare
continuamente entrambi azimuth e elevazionedel bersaglio (ad es. per inseguimento);
• fascio largo in una dimensione e strettonell’altro;
• utilizzato quando ci sono vincoli sul max scantime;
• radar di ricerca ground based utilizzano fascistretti in azimuth e larghi in elevazione;
• Pencil beam
• Fan beam
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 25
Pattern di Antenne ad aperturaTrasformata di Fourier della corrente sull’apertura di antenna
2
2
2
2
sinsin2
2
2
2
),( ),(),(
x
x
y
y
ea
x
x
y
y
L
L
L
L
yxkjrkj
L
L
L
L
yxRkj dydxeyxIedydxeyxI
exaxrkj
L
L
ykjL
L
L
xkjL
rkj
L
L
L
L
yxkjLL
LL
kLkLe
dyeyrectdxexrectedydxeyrectxrect
yrectxrectyxIy
y
e
y
x
x
a
x
x
x
y
y
ea
yx
yx
sin2
sincsin2
sinc
)()()()(
)()(),(
2
2
sin2
2
sin2
2
2
2
sinsin
a
e
yyeeey
xxaaax
LLkkL
LLkkL
2sinsin2
2sinsin2
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 26
Fascio di antenna
ye L
aa L
xL
yLL
Apertura approx. di antenna
87.9)(1722.018.0031.0 rad
Lye
987.0)(01722.08.1
031.0 radLx
a
Esempio
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 27
Antenne a riflettore parabolico
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 28
Antenne paraboliche a microonde
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 29
Guadagno di Antenne ad apertura
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 30
Pattern di radiazione di antenna
•Apertura del fascio in azimuth A e in elevazione A: ampiezza dell’intervallo angolare che corrisponde ad una diminuzione di 3dB (metà potenza) della direttività o del guadagno rispetto alla direzione di max (Boresight) nel piano azimutale (A/L: L dim. antenna in azimuth) e di elevazione (A /L: L dim. antenna elevazione).
• potenza o intensità di radiazione in funzione delle coordinate angolari (in genere due);
Telecomunicazioni per l’Aerospazio
P. Lombardo – DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” BER e Link Budget - 31
Esempi di pattern di radiazione