Transmissie door de lucht: antennes en satellieten

5. Antenne-uitvoeringen: de satelliet antenne

f. Antenneruis

Algemene kenmerken inzake ruis

Er zijn twee parameters die de prestaties van een satellietsysteem beperken. Anders gezegd: het ruisvermogen bestaat uit 2 parameters:

Elektrische ruis (ruisniveau)
De frequentieband die het signaal mag gebruiken (bandbreedte)

• Elektrische ruis

Men moet er rekenschap van geven, dat een antenne een zeer zwak signaal afgeeft. Dit betekent dat niet alleen het gewenste signaal versterkt zal worden, maar tegelijkertijd ook alle ongewenste signalen of parasieten.

"elektrische ruis" = alle parasitaire elektrische signalen afkomstig van diverse ongewenste verschijnselen

Het facet signaal/ruisverhouding is belangrijk: indien het ruissignaal van dezelfde orde van grootte is als het informatiesignaal, zal het globale signaal onverstaanbaar zijn.

ruis ruisniveau antenneruis signaal ruisverhouding S/N ruissignaal

Ruisvermogen van een AM-zender < ruisvermogen stereo FM-zender

BB = 9 kHz BB = 300 kHz

In een ontvanger spelen 2 types van ruis een rol:

• Externe ruis = ruis die door het transmissiemidden wordt veroorzaakt

• Interne ruis = ruis die door de versterker zelf wordt veroorzaakt

externe interne extren intern ruis LNB now noise block

Externe ruis:

1. Parasieten = door de mens veroorzaakt, wanneer hij toestellen gebruikt die vonken produceren

• explosiemotoren

• elektrische motoren, boormachines,.

• fluorescentielampen

• elektrische schakelaars

• lasposten

• trein, tram

• .

Deze apparatuur gedraagt zich als een elektromagnetische zender. De uitstraling zal door een ontvanger in de buurt worden opgevangen. De karakteristieke frequentie van deze parasitaire ruis heeft een maximale frequentie < 500 MHz. Boven de 500 MHz komt deze ruis niet voor. Dit is zo vastgesteld. Satelliettransmissie gebeurt bij frequenties > 1 GHz. Dus deze ruis is voor satelliettransmissie onbelangrijk.

2. Atmosferische ruis (1/f ruis) en ruimteruis

Atmosferische ruis is ruis veroorzaakt door natuurlijke verschijnselen, zoals de bliksem, die over het complete radiofrequente spectrum, straling produceert, maar met een amplitude die omgekeerd evenredig is aan de frequentie. Boven de 20 MHz wordt de invloed derhalve zeer klein. Men kan zeggen dat atmosferische ruis frequenties heeft < 20 MHz.

2 soorten ruimteruis:

• zonneruis: bereikt een piek om de 11 jaar van de zonnecyclus

• kosmische ruis: afkomstig van andere sterren

Gelegen tussen 8 MHz en 1 GHz: geen problemen bij satellietcommunicatie want:

• satellietcommunicatie begint pas bij 1 GHz

• golven met een lagere frequentie worden door de ionen en elektronen van de ionosfeer geabsorbeerd

3. Grondruis = externe thermische ruis

Bij satelliet-TV is externe thermische ruis, samen met interne ruis, één van de belangrijkste vormen van ruis.

De antenne van een communicatiesysteem vangt de thermische ruis van het aardoppervlak en van de biologische systemen aldoor op en stuurt die door naar de ontvanger.

Zon --> temperatuur --> Brownse beweging = moleculen en atomen bewegen à verplaatsing van lading à onsamenhangende EM-golven worden uitgestraald à diffractie à hoorn

beweging van brown atmosferische ruis grondruis

Deze thermische beweging is bij onze omgevingstemperatuur zeer groot. Ze is onbestaand bij de absolute temperatuur T = 0 K (Kelvin).

Hoe warmer een lichaam, hoe meer ruis het uitstraalt en dan vooral in het microgolfgebied. Het ruisvermogen P dat door een systeem wordt opgewekt of ontvangen, wordt als volgt berekend:

P = k.T.F

Waarin:

• k = constante van Boltzmann

• T = absolute temperatuur

• F = bandbreedte = doorlaatband (in Hz)

De totale externe ruis is de grondruis (= antenneruis). Deze ruis wordt uitgedrukt door een equivalente temperatuur bij 20° C.

Interne ruis

Interne ruis wordt door de ontvanger zelf geproduceerd. Het is ruis van de versterker (LNA = Low Noise Amplifier). Ter hoogte van de antenne wordt dus externe ruis toegevoegd aan het informatiesignaal en aan dit samengestelde signaal wordt nog eens de interne ruis van voornamelijk de eerste versterkertrap van de ontvanger toegevoegd.

externe thermische ruis interne ruis

Het probleem van de signaal/ruisverhouding speelt inderdaad de grootste rol voor de eerste trap van de 3-traps-LNA.

Voorbeeld:

Trap 1 à 8 dB versterking

Trap 2 à 12 dB versterking

Trap 3 à 30 dB versterking

Totaal = 50 dB versterking

N i = externe ruis

G = versterking

N i1 = eigenruis van de versterker

S o ?

S o = U o3 = U i3 .G 3 + N i3

U i3 = U o2 = U i2 .G 2 + N i2

U i2 = U o1 = U i1 .G 1 + N i1 + N i .G 1

S o = ( U i2 .G 2 + N i2 ).G 3 + N i3

S o = (( U i1 .G 1 + N i1 + N i .G 1 ).G 2 + N i2 ).G 3 + N i3

S o = U i1 .G 1 .G 2 .G 3 + N i .G 1 .G 2 .G 3 + N i1 .G 2 .G 3 + N i2 .G 3 + N i3

S o = S i .G + N i .G + N i1 .G 2 .G 3 + N i2 .G 3 + N i3

S o = S i .G + N o

S o = G 1 .G 2 .G 3 .S i + N o

N o = uitgangsruis

Uit de formule blijkt dat de ruis van de eerste trap het meeste wordt versterkt bij een cascadeschakeling. Zorg dragen voor de eerste trap is een noodzaak. Een goede oplossing is:

• 1 e trap moet een zo groot mogelijk versterking G 1 bezitten

• 1 e trap moet zo dicht mogelijk bij de antenne geplaatst worden

• 1 e trap moet een zo klein mogelijk eigenruis N i1 produceren

N i1 .G 2 .G 3 moet zo klein mogelijk zijn à JFET-technologie

Interne ruis wordt nu bepaald door het ruisgetal N .

Het ruisgetal geeft de verhouding aan tussen de signaal/ruisverhouding aan de ingang tot de signaal/ruisverhouding aan de uitgang. Dit getal wordt meestal uitgedrukt in dB.

met:

•

dus:

Het ruisgetal van een bron wordt opgegeven bij een standaardomgevingstemperatuur van 20° C. Het is een maat voor de interne ruis van de antenne-installatie en is altijd groter dan 1. Voor een ruisvrije versterker bekomt men waarde 1.

N = 1 : geen ruis (theorie)

N = 1,5 : normaal

N = 1,2 : zeer goed

Het ruisgetal geeft dus aan hoeveel ruis de versterker zelf produceert.

• Bandbreedte en selectiviteit

De 2 e beperkende factor bij informatietransmissie is de toegestane bandbreedte of transmissiekanaal. Hoe breder de frequentieband, hoe meer informatie er getransporteerd kan worden. We schrijven:

Deze verhouding bepaalt de transmissiecapaciteit per tijdseenheid van een communicatiesysteem. Voor elektrische audiosignalen verandert de frequentie van 20 Hz tot 20 kHz zodat D f = 19980 Hz. Voor beeldtransmissie bekomt men een bandbreedte van 7 MHz voor de VHF-band.

Antenneruis

Ruisfactor van een antenne = maat voor de hoeveelheid parasitaire signalen die door de reflector wordt opgevangen

Parasitaire signalen afkomstig van:

• de ruimte = atmosferische ruis

• de grond = grondruis

Een van deze ruisbronnen is de thermische ruis. De constructeurs in UHF- en microgolftechniek passen het begrip "equivalente ruistemperatuur" toe om de ruis van een antenne te kenmerken.

De ruistemperatuur = het thermisch ruisvermogen dat door een systeem kan opgewekt of ontvangen worden

Een goede antenne dient een lage ruistemperatuur te bezitten, d.w.z. zo weinig mogelijk ruis opvangen. Indien de diameter D groot is, zal de bandbreedte B klein zijn en zal de antenne via haar zijlobben thermische ruis van de aardbodem opvangen.

antenneruis grondruis atmosferische ruis

Ruispatroon van een paraboolantenne

Anderzijds zal de ruistemperatuur van een antenne afnemen, wanneer ze meer naar de lucht toe wordt gericht. Ze ontvangt dan minder grondruis. Wanneer we daarentegen de antenne pal naar de grond toe richten, zal het ontvangen signaal gelijk zijn aan de grondruis, deze laatste heeft een absolute temperatuur van 290° K. Afhankelijk van haar elevatie, ontvangt de antenne rechtstreeks de atmosferische ruis via de hoofdlob en indirect (door diffractie) de grondruis via de parasitaire lobben.

elevatiehoek hoorn

Volgende tabel bevat een aantal voorbeelden van de ruistemperatuur in functie van de elevatie en dit voor antennes met verschillende diameter (werkfrequentie = 12 GHz).

Uit deze tabel kan men 2 conclusies trekken :

• Neem een zo groot mogelijke diameter.

• Maak de elevatiehoek zo groot mogelijk.

Ga naar het volgende hoofdstuk

Keer terug naar het vorige hoofdstuk

Inhoud: Transmissie door de lucht: antennes en satellieten

Inleiding
Overzicht van de gebruikte frequenties
Overzicht kanalen - frequenties - golflengten
Voortplanting elektromagnetische golven
FM- en televisie-antennes:
a. werking
b. afmetingen
c. bandbreedte
d. versterking
e. richtingswerking
f. aansluitweerstand
Antenneuitvoeringen: de dipool antenne
Antenneuitvoeringen: de satelliet antenne:
a. focusseren met een parabolische reflector
b. karakteristieken van een parabool
c. versterking
d. rendement
e. openingshoek en richtingsgevoeligheid
f. antenneruis
g. stralingsbron
h. soorten paraboolantenne