Điều này liên quan đến câu hỏi trước đây của tôi, mà tôi nghĩ rằng tôi đã hỏi sai cách:

• Làm thế nào để chèn nhiễu EM nền vào phương trình pathloss?

Tôi không thực sự quan tâm đến khả năng phát hiện tín hiệu và tôi đã đặt câu hỏi đó rất mơ hồ, vì vậy hãy hỏi tôi những gì tôi thực sự muốn biết.

Câu hỏi:

Điều tôi thực sự muốn biết là có thể thiết lập kênh liên lạc (gửi thông tin) nếu mức công suất nhận được của tín hiệu, được nhận bởi ăng ten máy thu ở dưới mức nhiễu.

Hãy để tôi giải thích:

Tôi đã nghiên cứu thêm về điều này và mức công suất thường được biểu thị bằng dBm hoặc dBW, trong câu hỏi này tôi sẽ biểu thị bằng dBW.

Sau đó, chúng ta có nguồn điện được đưa vào ăng-ten máy phát và chúng ta có phương trình pathloss để xác định mức suy giảm đó theo thời gian tín hiệu truyền đến ăng-ten thu.

Vì vậy, chúng ta có hai giá trị dBW và lý thuyết của tôi là công suất mà anten thu được tính theo dBW phải cao hơn mức nhiễu trong dBW.

1)

Để tranh luận, hãy sử dụng ăng-ten máy phát / máy thu dài 20 cm, ở tần số 5 Ghz cách nhau 1 mét. Một lần nữa tôi đang sử dụng mức tăng tối đa về cơ bản có thể, bởi vì tôi cũng đang xem liệu kênh truyền thông có thể được thiết lập hay không, vì vậy tôi phải chèn các giá trị cực đoan nhất để xác định giới hạn cơ bản. Trong trường hợp này, cả hai anten đều có mức tăng 16.219 dB, mức tăng tối đa mà chúng có thể có ở tần số này, và tối đa tôi có nghĩa là mức tăng cao hơn mức này sẽ vi phạm luật bảo toàn năng lượng. Vì vậy, các ăng-ten trên lý thuyết là ăng-ten lossless hoàn hảo. Đây là một phương trình farfield vì vậy để đơn giản tôi chọn phương thức này, công thức Friis có thể được sử dụng.

Vì vậy, phương trình pathloss cho thấy kênh truyền thông này có đường dẫn ~ -14 dB. Vì vậy, nếu chúng ta đang chèn 1 watt điện, ăng ten thu sẽ không nhận được nhiều hơn -14dBW.

2)

Tôi đã vấp phải một tờ giấy:

• http://www.rfcafe.com/references/electrical/ew-radar-handbook/receiver-sens nhạy-noise.htmlm

Nó tuyên bố độ nhạy tối thiểu cho ăng ten máy thu là:

• S / N = Tín hiệu đến tốc độ nhiễu

• k = hằng số Boltzmann

• T0 = ​​Nhiệt độ của anten thu

• f = tần số

• Nf = hệ số nhiễu của anten

Và đây cũng là một đơn vị dBW. Công thức này sẽ mô tả sàn tiếng ồn ở tần số đó.

Quay trở lại tính toán của chúng tôi, bài báo khuyến nghị, trong trường hợp tốt nhất, khi một người vận hành thủ công lành nghề có tỷ lệ 3 dB S / N (tối đa), chúng tôi sẽ sử dụng 290 Kelvin cho nhiệt độ phòng, tần số 5 Ghz như trên và yếu tố nhiễu tôi sẽ bỏ qua vì chúng tôi giả sử một ăng ten hoàn hảo trước đó.

Điều này sẽ cung cấp cho chúng tôi sàn tiếng ồn -104 dBW.

Do đó, mức công suất nhận được là -14 dBW và mức nhiễu thấp hơn đáng kể ở mức -104 dBW, và điều này giả sử một trường hợp tốt nhất với các ước tính hào phóng, như trong trường hợp tốt nhất.

Vì vậy, trong ví dụ này, giao tiếp là có thể, rất nhiều. Tuy nhiên, nếu mức năng lượng nhận được sẽ thấp hơn mức nhiễu, thì nó sẽ không như vậy.

Vì vậy, giả thuyết của tôi là nếu:

Power Received > Noise Floor , then communication is possible, otherwise it's not

Vì công suất nhận được cao hơn nhiều so với nhiễu nhận được, điều đó có nghĩa là việc liên lạc ở tần số này về mặt lý thuyết là có thể.

Thực tế, tất nhiên các vấn đề có thể phát sinh vì mức tăng sẽ thấp hơn và nhà điều hành ăng-ten sẽ nhận được quá nhiều dương tính giả ở tốc độ S / N nghiêm ngặt như vậy (3 db), vì vậy trong thực tế, mức nhiễu có thể cao hơn 50-60 dB . Tôi đã không tính toán điều đó.

Câu trả lời ngắn gọn : có, có thể. GPS làm điều đó (gần như) tất cả thời gian.

Câu trả lời dài :

SNR mà hệ thống máy thu của bạn cần tùy thuộc vào loại tín hiệu bạn đang xem xét. Ví dụ, nhu cầu TV màu tương tự cũ tốt, tùy thuộc vào tiêu chuẩn, một số SNR 40 dB là "có thể xem được".

Bây giờ, bất kỳ người nhận nào, về mặt toán học, là một người ước tính . Công cụ ước tính là một hàm ánh xạ một quan sát thường bao gồm một biến ngẫu nhiên thành một giá trị cơ bản dẫn đến đại lượng quan sát được . Vì vậy, máy thu TV đó là một công cụ ước tính cho hình ảnh mà đài có nghĩa là gửi. Hiệu suất của công cụ ước tính đó về cơ bản là, bạn có thể "quay lại" thông tin ban đầu như thế nào. "Closely" là một thuật ngữ cần định nghĩa - theo nghĩa TV tương tự, một máy thu có thể là một công cụ ước tính thực sự tốt về phương sai (từ giá trị "thực") của độ sáng hình ảnh, nhưng khủng khiếp về màu sắc. Một số khác có thể là như vậy cho cả hai khía cạnh.

Đối với radar, mọi thứ rõ ràng hơn một chút. Bạn sử dụng radar để chỉ phát hiện một bộ rất hạn chế; Trong số này, chúng ta có thể chọn ra một vài trong số những điều sau đây, mà chúng ta có thể chỉ đơn giản là đại diện như số thực:

• Phạm vi (khoảng cách) của mục tiêu radar (không phải lựa chọn từ ngữ của tôi, nó chỉ đơn giản gọi là "mục tiêu" trong radar)
• Tốc độ tương đối của mục tiêu
• số lượng mục tiêu
• Kích thước của mục tiêu
• Thuộc tính vật liệu / hình dạng của mục tiêu

Nếu bạn giới hạn bản thân trong một điều, giả sử phạm vi, thì công cụ ước tính radar của bạn có thể nhận được một cái gì đó giống như đường cong "phạm vi phạm vi trên SNR".

Chỉ cần nhắc nhở nhanh: Phương sai của công cụ ước tính được định nghĩa là giá trị kỳ vọng của$R$

với là giá trị kỳ vọng của hiện tượng "thực tế" (trong trường hợp này là khoảng cách thực tế, giả sử chúng ta có một công cụ ước tính không thiên vị).$\mu$

Vì vậy, một người có thể nói "OK, đó không thực sự là ước tính có thể sử dụng được cho khoảng cách của ô tô trừ khi phương sai phạm vi giảm xuống dưới 20 mét vuông, vì vậy chúng tôi cần ít nhất SNR là để chúng tôi có phương sai dưới y ", trong khi một người khác, người có thể phát hiện ra một loại vật thể khác (giả sử các hành tinh), có thể sống với phương sai cao hơn nhiều, và do đó, SNR thấp hơn nhiều. Bao gồm SNR nơi nhiễu mạnh hơn tín hiệu.$x$$y$

Đối với nhiều thứ, phương sai quan sát kết hợp của bạn trở nên tốt hơn (== thấp hơn) khi bạn kết hợp nhiều quan sát hơn - và kết hợp là một cách rất phổ biến để có được cái mà chúng ta gọi là mức tăng xử lý , nghĩa là. cải thiện hiệu suất của công cụ ước tính bằng với cải thiện SNR theo một yếu tố cụ thể.

Để quay lại ví dụ GPS của tôi:

GPS sử dụng băng thông ca 1 MHz để truyền tín hiệu ra theo thời gian - tốc độ biểu tượng GPS thực tế thấp hơn nhiều so với băng thông. Điều này xảy ra bằng cách nhân một ký hiệu truyền với một dãy số dài, dài l [ n ] $s$$l[n],\,\, n\in[0,1,\ldots,N]$$N$

Do đó, giả thuyết của bạn

Công suất nhận được> Tầng tiếng ồn, sau đó có thể liên lạc, nếu không thì không

không đứng "Có thể" hoặc "không thể" tùy thuộc vào lỗi mà bạn sẵn sàng chấp nhận (và điều đó có thể khá nhiều!), Và thậm chí còn nhiều hơn về mức tăng xử lý giữa khi bạn nhìn vào tỷ lệ nhiễu nhận tín hiệu và điều chỉnh ước tính thực tế.

Vì vậy, câu hỏi cốt lõi của bạn:

Điều tôi thực sự muốn biết là có thể thiết lập kênh liên lạc (gửi thông tin) nếu mức công suất nhận được của tín hiệu, được nhận bởi ăng ten máy thu ở dưới mức nhiễu.

Vâng, rất nhiều như vậy. Các hệ thống nội địa hóa toàn cầu phụ thuộc vào nó, và các mạng IoT di động, có lẽ cũng vậy, vì công suất truyền tải rất đắt đối với các mạng đó.

Ultra-Wideband (UWB) là một ý tưởng chết trong thiết kế truyền thông (chủ yếu là do các vấn đề quy định), nhưng các thiết bị đó ẩn ví dụ như giao tiếp USB được chuyển tiếp thấp hơn nhiều so với mức mật độ năng lượng phổ có thể phát hiện được. Thực tế là các chất phóng xạ có thể cho chúng ta biết về những ngôi sao ở xa cũng ủng hộ điều này.

Áp dụng tương tự cho các hình ảnh vệ tinh radar được tạo ra bằng các vệ tinh có quỹ đạo thấp hơn. Bạn sẽ khó có thể phát hiện các dạng sóng radar mà chúng chiếu sáng trái đất - và chúng thậm chí còn yếu hơn khi phản xạ của chúng chạm tới vệ tinh một lần nữa. Tuy nhiên, các sóng này mang thông tin (và giống như truyền thông) về các cấu trúc nhỏ hơn 1m trên trái đất, với tốc độ cao (lấy ước tính hình dạng / tài sản thực tế được lưu trữ hoặc gửi trở lại trái đất là một vấn đề rất nghiêm trọng đối với các vệ tinh này - có quá nhiều thông tin được truyền đi với các tín hiệu ở xa, thấp hơn nhiều so với nhiễu nhiệt).

Vì vậy, nếu bạn chỉ cần nhớ hai điều về điều này:

• "Giao tiếp làm việc" là gì, và những gì không, tùy thuộc vào định nghĩa của chính bạn, và
• Các hệ thống thu đơn giản là không nhạy cảm với nhiễu như đối với tín hiệu mà chúng muốn thấy - và do đó, có các hệ thống thậm chí có thể hoạt động với Nhiễu> Năng lượng tín hiệu

Về cơ bản, chúng tôi có công thức Shannon-Hartley cho khả năng giao tiếp của một kênh:

$C$$B$$\rm SNR$

$\rm SNR$

${\rm SNR} < 1$

Điều tôi thực sự muốn biết là có thể thiết lập kênh liên lạc (gửi thông tin) nếu mức công suất nhận được của tín hiệu, được nhận bởi ăng ten máy thu ở dưới mức nhiễu.

Đài phát thanh DSSS (phổ trải chuỗi trực tiếp) có thể có mức công suất dưới mức nhiễu hiện tại và vẫn hoạt động: -

Nó dựa vào "quá trình đạt được".

Một ví dụ đơn giản về mức tăng quá trình sẽ tổng hợp nhiều, nhiều phiên bản tín hiệu và mỗi tín hiệu được chọn từ các điểm khác nhau trong phổ để đạt được SNR nâng cao. Mỗi lần bổ sung tăng gấp đôi biên độ tín hiệu (tăng 6 dB) nhưng nhiễu chỉ tăng 3 dB. Do đó, với hai sóng mang, bạn sẽ tăng SNR 3 dB. Với 4 sóng mang, bạn có thêm 3 dB, v.v. Vì vậy, 4 sóng mang cải thiện SNR thêm 6 dB. 16 sóng mang sẽ được cải thiện 12 dB. 64 sóng mang được cải thiện 18 dB.

Nguồn gốc của nó ban đầu là quân sự vì nó khiến cho việc nghe lén các liên lạc bí mật trở nên khó khăn.

công suất mà anten thu được tính theo dBW phải cao hơn mức nhiễu của dBW

"sàn tiếng ồn" vì hầu hết mọi người sẽ hiểu nó không được đo bằng dBW, hoặc bất kỳ đơn vị năng lượng nào khác. Thay vào đó, tầng nhiễu được xác định bởi mật độ phổ nhiễu , được đo bằng watt trên hertz hoặc tương đương watt-giây.

Tầng tiếng ồn có thể được đo bằng máy phân tích phổ:

CC BY-SA 3.0 , Liên kết

Ở đây, tầng tiếng ồn dường như ở khoảng -97 trên trục Y. Giả sử máy phân tích này được hiệu chuẩn và chuẩn hóa phù hợp, đó là -97 dBm mỗi Hz .

"Dưới mức nhiễu" khi đó có nghĩa là tín hiệu yếu đến mức nó không đăng ký trực quan trên máy phân tích phổ. Thay phiên, bạn có thể định nghĩa "bên dưới sàn tiếng ồn" là yếu đến mức không thể nghe thấy: âm thanh không thể phân biệt được với tiếng ồn.

Vì vậy, sau đó, có thể liên lạc khi tín hiệu ở dưới mức nhiễu? Vâng, đúng vậy.

Giả sử chúng ta chỉ truyền một sóng mang không điều chế, yếu đến mức không thể nghe thấy hoặc nhìn thấy được trên máy phân tích phổ điển hình. Làm thế nào chúng ta có thể phát hiện ra nó?

Một sóng mang chỉ là một tần số. Đó là, nó vô cùng hẹp. Vì vậy, nếu mật độ phổ nhiễu được xác định theo công suất trên mỗi hertz, chúng ta có thể tạo bộ lọc càng hẹp thì càng ít nhiễu. Do sóng mang có độ rộng bằng 0, tần số của bộ lọc có thể được thu hẹp tùy ý và do đó nhiễu có thể được tạo ra nhỏ tùy ý.

$\Delta t$$\Delta \nu$

Do đó, nếu chúng ta muốn giới hạn phép đo của mình ở băng thông cực hẹp (do đó giảm thiểu công suất nhiễu), chúng ta phải quan sát trong một thời gian cực kỳ dài.

Một cách để làm điều này là lấy FFT của tín hiệu, giống như bộ phân tích phổ. Nhưng thay vì hiển thị một FFT sau một cái khác, hãy tính trung bình chúng với nhau. Tiếng ồn, là ngẫu nhiên, sẽ trung bình ra. Nhưng sóng mang cực kỳ yếu đưa ra sự thiên vị không đổi tại một thời điểm, cuối cùng sẽ chiến thắng được tiếng ồn ngẫu nhiên trung bình. Một số máy phân tích phổ có chế độ "trung bình" thực hiện chính xác điều này.

Một cách khác là ghi lại tín hiệu trong một thời gian rất dài, sau đó mất một FFT rất dài. Đầu vào FFT càng dài (trong thời gian), độ phân giải tần số càng cao. Với thời gian tăng dần, chiều rộng của mỗi thùng tần số trở nên nhỏ hơn, cũng như công suất nhiễu trong mỗi thùng. Tại một số điểm, công suất nhiễu trở nên đủ nhỏ để có thể giải quyết được sóng mang yếu.

Mặc dù được cung cấp đủ thời gian, bất kỳ nhà cung cấp dịch vụ đơn giản nào cũng có thể được phát hiện, nếu chúng tôi muốn truyền bất kỳ thông tin nào thì nhà cung cấp dịch vụ không thể tiếp tục mãi mãi. Nó phải được điều chỉnh bằng cách nào đó: có thể bật và tắt, thay đổi theo pha hoặc theo tần số, v.v ... Điều này đặt ra giới hạn về cách truyền thông tin nhanh. Giới hạn cuối cùng được đưa ra bởi định lý Shannon-Hartley :

• $C$
• $B$
• $S$$N$

$S/N$

Như một sự bổ sung thực tế cho câu trả lời xuất sắc của Marcus Müller ...

Ham radio có một số chế độ kỹ thuật số phù hợp để thu tín hiệu thành công dưới mức nhiễu. Những con số này có một cảnh báo, mà tôi giải thích sau đó.

• PSK31 có thể được sao chép chính xác ở 7 dB dưới mức tiếng ồn .
• Olivia có thể được sao chép chính xác ở mức 10 dB dưới mức tiếng ồn.
• WSPR có thể được sao chép chính xác ở mức 28 dB dưới mức tiếng ồn.
• OPERA-32 có thể được xử lý chính xác ở mức 35 dB dưới mức tiếng ồn .

Trên đây là tất cả các ví dụ về tận dụng lợi ích xử lý. Tuy nhiên, chế độ kỹ thuật số radio nghiệp dư lâu đời nhất, CW (mã Morse, điển hình) có thể được sao chép chính xác bằng tai ở mức 18 dB dưới mức tiếng ồn .

Lưu ý rằng các số trên tính toán SNR liên quan đến băng thông 2500 Hz. Điều này cho phép so sánh táo giữa các chế độ, nhưng có thể gây hiểu nhầm cho các tín hiệu rất rộng hoặc rất hẹp (mà việc lọc sẽ cần bao gồm hoặc loại trừ, tương ứng, nhiều nhiễu hơn). Liên kết cuối cùng giải thích rằng E_b / N_0, trong đó E_b là năng lượng trên mỗi bit và N_0 là công suất nhiễu trong 1 Hz là chỉ số chấm điểm tốt hơn (và cung cấp nhiều khớp nối trực tiếp hơn với các số lý thuyết bạn đang tạo). Hạnh phúc thay, Shannon đã chỉ ra rằng có giới hạn dưới tuyệt đối trên E_b / N_0 là -1,59 dB, do đó, bất kỳ chế độ nào gần với điều này là rất tốt. Như bảng tại liên kết đó hiển thị, "BPSK kết hợp trên VLF" có E_b / N_0 là -1 dB ("-57 dB dưới mức nhiễu" so với 2,5 kHz, so với các con số trên).

Bất kỳ phương tiện truyền thông nào cũng sẽ cố gắng phân biệt giữa các trạng thái có thể khác nhau, ví dụ:

• Thiết bị từ xa đang cố gắng truyền "không".
• Thiết bị từ xa đang cố gắng truyền "một".
• Thiết bị từ xa không cố truyền "không" hoặc "một".

Một máy thu không thể chắc chắn 100% về trạng thái thực tế của máy phát. Bất kỳ phương tiện nào mà người nhận sử dụng để xác định trạng thái của người gửi sẽ có xác suất đánh giá sai ít nhất là một số trạng thái như vậy (một người nhận quyết định vô điều kiện người phát không gửi bất cứ điều gì sẽ đánh giá sai trạng thái 0% thời gian đó, nhưng đánh giá sai khác trạng thái 100% thời gian).

Khi các tín hiệu tiếp cận hoặc giảm xuống dưới mức nhiễu, xác suất của các trạng thái đánh giá sai sẽ tăng lên. Điều này trong nhiều trường hợp sẽ hạn chế tính hữu ích của giao tiếp có thể được thực hiện. Mặt khác, nếu một kênh chỉ đáng tin cậy 51% được sử dụng để gửi cùng một bit ba lần, thì nó sẽ có 13,27% cơ hội báo cáo giá trị chính xác cả ba lần, cơ hội báo cáo giá trị đúng hai lần là 38,2% và 36,7% cơ hội báo cáo giá trị sai hai lần và 11,7% cơ hội báo cáo giá trị sai cả ba lần. Không có tỷ lệ cược lớn, nhưng xác suất báo cáo giá trị chính xác sẽ tăng từ 51,0% lên chỉ dưới 51,5%. Điều đó có vẻ không nhiều, nhưng nếu dữ liệu được gửi đủ lần và thất bại là độc lập, xác suất của đa số là chính xác có thể được đưa ra tùy ý gần với một.

Trong RADAR, các máy dò cảnh báo sai có thể điều chỉnh; những người đang xuống ở khu vực 3dB; ở mức 10dB SNR, BER (báo động sai) xảy ra 0,1% thời gian; lưu ý 10dB phụ thuộc vào cách xác định băng thông --- một số sử dụng 1/2 bitrate, một số sử dụng bitrate, gây ra SNR 7dB cho 1/2 bitrate. Các phương pháp điều chế khác nhau có mặt nạ quang phổ khác nhau và do đó sử dụng các tỷ lệ băng thông khác nhau để bitrate, do đó SNR khác nhau.

Khóa: truyền thông cổ điển [trước khi phương pháp sửa lỗi bit đến] cần 20dB SNR để truyền dữ liệu số sạch; ditto cho nhạc FM; video sạch cần 50 hoặc 60dB SNR, để tránh các nốt màu khó chịu khi bò lên màn hình; MorseCode đôi khi hoạt động bên dưới sàn tiếng ồn, bởi vì tai người đang trích xuất tiếng bíp --- tiếng bíp --- tiếng bíp --- tiếng bíp phát ra từ tiếng ồn.

Đây là một đường cong BER từ Wikipedia

Bạn có thể phát hiện và liên lạc với các tín hiệu dưới mức nhiễu bằng cách khai thác sự khác biệt giữa nhiễu và phân phối tần số tín hiệu và bằng cách khai thác các đặc điểm thời gian đã biết của tín hiệu mà nhiễu không chia sẻ. Hoặc máy phát có thể chạy ở công suất rất cao trong thời gian ngắn, do đó mức công suất trung bình thấp. Điều đó có nghĩa là lọc và gating ở cuối nhận. Mã sửa lỗi có thể được sử dụng để đạt được thêm.

Một ví dụ về trường hợp cực đoan là nỗ lực SETI để phát hiện tín hiệu từ các nguồn ngoài trái đất. (Tất nhiên họ chưa tìm thấy gì, nhưng nếu có tín hiệu ở đó, họ sẽ tìm thấy nó.) SETI sử dụng các bộ lọc băng tần cực hẹp để loại bỏ nhiễu. Có một đề xuất cho một SETI quang học sẽ nhìn mọi nơi cùng một lúc và tìm kiếm các tia sáng.

Trong ham radio, chúng ta có một chế độ gọi là JT6M, tạo ra hầu hết các truyền phát công suất rất thấp bằng cách kết hợp băng thông cực hẹp với thời gian đã biết của các bit tín hiệu và mã sửa lỗi. Kiểm tra nó ra.