Współczynnik szumów konwertera

dodano: 2001-01-15 18:48 | aktualizacja: 2001-01-15 18:48
autor: Janusz SULISZ | źródło:

Jak zmierzyć współczynnik szumów? Pomiary w praktyce.

Prosimy o wyłączenie blokowania reklam i odświeżenie strony.

Zwłaszcza w ostatnich latach obserwuje się tendencję do szybkiego spadku współczynnika szumów (NF-Noise Figure) produkowanych konwerterów (LNB-Low Noise Block). Standardowe konwertery zintegrowane, oraz te z falowodem do polaryzatorów i feedhornów mają dziś maksimum 1,2 dB, podczas gdy jedne z najlepszych maksimum 0,6dB. Bardzo ważne jest więc posiadanie odpowiedniej gwarancji w postaci rzetelnego pomiaru współczynnika szumów, lub choćby fachowej informacji na ten temat. Daje to możliwość odróżnienia najlepszych konwerterów od standardowych.

Pomiary i sposób podawania współczynnika szumów konwerterów zwykle powodują nieporozumienia między producentem, pośrednikiem handlowym i ostatecznym użytkownikiem. Gdy klient zdobywa dość drogi konwerter o super parametrach na metryczce lub nalepce, czasem chciałby mieć możliwość ich weryfikacji. Weryfikacja nie jest tak prosta, jakby się mogło wydawać. Większość montażystów robi bardzo proste porównania między konwerterami przy okazji podobnych instalacji anten. Nie jest to co prawda najlepsza metoda porównawcza, bo za każdym razem są nieco inne warunki montażowe. Nie ma też dwóch identycznych anten i dwóch konwerterów o tych samych parametrach, nawet tej samej firmy, typu i serii. Spostrzeżenia z takich porównań są często "wymieniane" między montażystami i handlowcami, co daje "statystycznie" dobrą opinię i popularność danemu konwerterowi. Bardzo liczy się ostatnio niska awaryjność konwerterów.

Coraz częściej narastają nieporozumienia i "oszustwa" związane z podawaniem wartości współczynnika szumów. Polega to głównie na planowej dezinformacji i wprowadzaniu w błąd niezorientowanych klientów. Robi się wszystko, żeby tylko sprzedać taki czy inny konwerter, nie zawsze najlepszej jakości. Kiedyś zaczęło się od prostego pomysłu wprowadzenia na rynek przez jednego z producentów tzw. konwerterów GOLD, o lepszym współczynniku szumów - zwykle o 0,2 dB. Wszystko było dobrze do czasu, gdy kilku dystrybutorów zaczęło wykorzystywać ten pomysł w nie do końca legalny sposób. Naklejali oni (lub przeklejali) swoje "złote" nalepki na zwykłe konwertery, do tego przestarzałej konstrukcji i o sporej awaryjności. Pomysł był "przedni", bo spora liczba konwerterów różnych producentów sprzedała się na rynkach, gdzie nie byłoby szans ich sprzedać.

Zainteresowała nas specjalnie sprawa konwerterów zintegrowanych japońskiej firmy SHARP tzw. Silver (srebrna nalepka) i Gold (złota nalepka). Już przy opracowywaniu tabeli konwerterów zintegrowanych do numeru 5/97 naszego magazynu można było mieć wątpliwości co do wartości współczynnika szumów niektórych konwerterów. W związku z licznymi pytaniami naszych Czytelników wyjaśnić zamierzamy te sprawę na podstawie oryginalnej dokumentacji firmy SHARP. Już sama dokumentacja tej firmy wprowadza niejasność co do wartości współczynnika szumów wszystkich europejskich konwerterów zintegrowanych. W jednej z tabel jest jednakowo wpisane 0,7 dB (typowo !), z czego wynikałoby, że nie ma żadnych podziałów na konwertery Silver (gorsze) i Gold (lepsze). SHARP po prostu wcale nie dzieli w ten sposób konwerterów. W innym miejscu jednak podano, że dla niższego pasma jest to wartość 1,3 dB (typowo !), a dla wyższego 1,1 dB (też typowo !). Świadczy to wyraźnie , że konwertery Sharp serii L30/L42/L33/L70 należą do standardowych konwerterów bez selekcjonowania na lepsze i gorsze. Owszem, można przy dużym zamówieniu (kilku tysięcy sztuk konwerterów), zażądać specjalnych, na przykład złotych nalepek z napisem Gold. Jest to raczej nazwa dla konkretnego dystrybutora i wcale nie oznacza wartości współczynnika szumów. W tym miejscu musimy oświadczyć, że nie mamy nic przeciwko konwerterom firmy SHARP. Najlepiej o tych konwerterach niech świadczy dobra cena i bardzo niska awaryjność.

PODSTAWY

Każdy wzmacniacz (ten w konwerterze także) generuje szum sam w sobie. Suma generowanych szumów określa się przez podanie wartości współczynnika szumów w dB lub temperatury szumowej w K (Kelvin). Większość metod pomiarowych współczynnika szumów NF to pomiar wartości stosunku szumów na wyjściu konwertera dla dwóch znanych wejściowych poziomów szumów. Jeżeli stosunek wyjściowy jest równy stosunkowi wejściowemu, to konwerter nie generuje żadnego szumu i wtedy NF=0 dB. W praktyce jest to niemożliwe, choć kilka lat temu w primaaprilisowym kwietniowym numerze francuskiego TELE-SATELLITE pokazano konwerter SMW 0 dB. Podobno wiele osób nabrało się i poszukiwało takiego konwertera na rynku.

JAK ZMIERZYĆ NF ?

Powinno się podać kolejno na wejście konwertera dwie różne wartości szumów. Pierwszą, niższą wartość oznaczmy jako Pn . Na wyjściu powinniśmy mieć wtedy:

Pwyj1=(Pn +PLNB) x G

gdzie: PLNB - szum wewnątrz konwertera

G - wzmocnienie konwertera.

Podobnie będzie z drugą, wyższą wartością oznaczoną jako Pw:

Pwyj2=(Pw +PLNB) x G

Z powyższych dwóch wzorów należy obliczyć PLNB

PLNB= ((Pn- Pw) x X)/ (X-1) gdzie : X= Pwyj1/ Pwyj2

Mierząc parametr X jako stosunek szumów na wyjściu i znając wartości Pn i Pw można łatwo obliczyć PLNB generowany przez konwerter.

POMIAR NF W PRAKTYCE

Do pomiaru NF wymagany jest bardzo drogi sprzęt pomiarowy np.miernik NF firmy Hewlett Packard HP8970B. Ważna jest także wprawa i wieloletnie doświadczenie. Podczas większości procedur pomiarowych używa się analizatora szumów i wzmocnienia. Układ pomiarowy zawierać powinien dobrze wykalibrowane źródło szumów z wyznaczonymi wartościami Pn i Pw . Analizator przełącza źródło szumów między wartościami Pn i Pw w tym samym czasie, kiedy mierzony jest parametr X i obliczana wartość PLNB dla danego konwertera. NF jest wyznaczany w dB lub K (częściej w K dla pasma C) i wyświetlany na analizatorze. Rysunek pokazuje typowy układ pomiarowy.

BŁĘDY POMIAROWE

Mimo tego, że używany sprzęt pomiarowy jest bardzo drogi i zaawansowany technologicznie, można mieć co do niego pewne wątpliwości, które należałoby rozważyć.

Trzeba sobie zdawać sprawę z błędów pomiarowych poszczególnych elementów układu: analizator ma tolerancję +/- 0, 03 dB, źródło szumów +/- 0,07 dB, i tzw. mismatch

+/- 0,1 dB. Daje to w najlepszym przypadku błąd rzędu 0,2 dB (lub RSS-Root Sum of Squares równy 0,12 dB).

Ale to jeszcze nie wszystko. Jest jeszcze jedno źródło błędów, o którym niewielu ludzi wie.

Impedancja źródła szumów zmienia się nieznacznie między ustalonymi wartościami N i W tak, że konwerter "widzi" różnicę impedancji na wejściu. Zmiana impedancji jest efektem wzmocnienia konwertera, które także zmienia się między punktami N i W źródła szumów. Z tych powodów konwerter zmienia wartości NF i, co jest najgorsze, wzmocnienie podczas samego pomiaru. Wobec tego mierzony analizatorem stosunek wartości między N i W może być obarczony znaczącym błędem od samego sprzętu pomiarowego. Błąd ten może sięgnąć nawet 0,3 dB. Jakkolwiek istnieje metoda eliminująca ten błąd, to należy użyć takiego źródła szumów z bardzo małą różnicą w impedancji między N i W. Istnieją źródła szumów z wbudowanym tłumikiem 10 dB, który redukuje możliwe wahania impedancji.

Wnioski

Pomiar współczynnika szumów jest właściwie o wiele trudniejszy niż pomiar wzmocnienia, ponieważ może być obarczony w większym zakresie błędami, oraz wymaga ogromnej dokładności. Przy ostrożnej kalibracji sprzętu pomiarowego i korekcji temperatury otoczenia można osiągnąć dokładność pomiaru w zakresie +/- 0,15 dB. O ile jest to stosunkowo proste, to często przy takich pomiarach, w sposób zamierzony lub nie zamierzony, robione są błędy mające wpływ na końcowy wynik. Stąd też w katalogach, różnych tabelach i porównaniach tak dużo rozbieżności. Dbający o jakość producent powinien dostarczać do każdego konwertera dokładny wydruk z pomiaru (praktycznie robi to tylko szwedzka firma Swedish Microwave, z której materiałów korzystaliśmy przy opracowaniu tego tekstu). Przeważnie jednak cena takiego pomiaru jest wliczana w cenę konwertera. Przy masowej produkcji stosunkowo tanich konwerterów zintegrowanych pomiar każdego konwertera byłby zbyt kłopotliwy i kosztowny. Nie należy więc "nabierać się" na super parametry lub "złotawe" nalepki na konwerterach. Ważniejsze dla potencjalnych użytkowników powinna mieć niska awaryjność kupowanego konwertera, dobór typu feedhorna do czaszy czy nawet precyzja ustawienia konwertera i anteny, niż 0,1-0,2 dB mniej na "metryczce".

Jak wpływa wzmocnienie konwertera na jakość obrazu ?

Często można usłyszeć pytanie: dlaczego niektóre konwertery mają niskie wzmocnienie (np. 50 dB mają SMW), a inne bardzo wysokie (ponad 60 dB mają MTI lub Gardiner) ? Zdarza się, że użytkownicy życzą sobie konwerterów ze specjalnie bardzo dużym wzmocnieniem, licząc na lepszy odbiór. Okazuje się jednak, że niespodziewanie mają stosunkowo słaby sygnał z satelity.

Odpowiedź jest prosta. Wzmocnienie normalnie nie ma wpływu na jakość obrazu, chyba że trzeba będzie użyć bardzo dużo kabla między konwerterem i odbiornikiem. Niektóre firmy celowo dostarczają konwertery z niskim wzmocnieniem w celu uniknięcia interferencji. Dlaczego ?

Ważne jest teoretyczne wyjaśnienie zależności między współczynnikiem szumów, wzmocnieniem i jakością obrazu. Przypuśćmy, że mamy konwerter ze współczynnikiem szumów, który wynosi NFLNB w dB, oraz wzmocnieniem G w dB. W zestawie satelitarnym jest kabel z tłumieniem L w dB, podłączony do wyjścia konwertera. Kabel łączy się z odbiornikiem satelitarnym ze współczynnikiem szumów NFODB w dB. Jeżeli pominiemy temperaturę szumową anteny, to możemy wyrazić całkowity współczynnik szumów NFSAT całego zestawu:

NFSAT= NFLNB + (NFODB x L-1)/ G

Wyrażając wartości z powyższego wzoru na wykresie widać, że dla szerokiego pasma tłumienia kabla, współczynnik szumów NFSAT i C/N (z ang.Carrier to Noise) całego zestawu nie jest jednakowy. Z drugiej strony będzie poziom wejściowy odbiornika, oddziałujący przez tłumienie kabla tak dobrze, jak wzmocnienie LNB. Nie ma to wpływu na jakość obrazu tak długo, jak poziom wejściowy jest w pewnym zakresie , o którym powiemy poniżej.

Wymagany poziom wejściowy na wejściu konwertera zależy od współczynnika szumów NF i potrzebnego C/N całego zestawu. Pamiętać należy, że rozmiar anteny jest wtedy dobierany do poziomu wejściowego. Przyjmijmy, że konwerter ma współczynnik szumów 1 dB, a potrzebny jest C/N równy 15 dB.

Poziom wejściowy konwertera będzie wynosił wtedy:

Pin = k x T x B x 10 (15/10)

gdzie: k=1,38 x 10 -23 -stała Boltzmana

T =75K=1 dB

B=27 MHz -szerokość pasma

Daje to Pin = 8,85 x 10 -13 W = -90 dBm

Co zdarzy się gdy wzmocnienie konwertera jest zbyt wysokie ?

Odbiorniki satelitarne zwykle są projektowane z poziomem wejściowym w zakresie między -30 i -60 dBm. Powyżej granicy -30 dBm jest maksymalna moc wejściowa, dająca obraz bez nasycenia na wejściu. Gdy odbiera się kilka satelitów z jednej pozycji (np. wszystkie satelity ASTRA z 19 E), gdzie jest dużo kanałów, to w konsekwencji całkowita moc wejściowa konwertera wynosi 2,1 x 10 -11 W = -75 dBm. Bez tłumienia kabla da to wynik maksymalnego wzmocnienia konwertera na poziomie tylko 45 dB !

W rozważaniach tych jest sporo założeń, ale należy tak dobierać w zestawach satelitarnych wzmocnienie konwertera przy odbiorze z Astry, aby nie przekraczać granicy 50 dB plus tłumienie kabla. Z konwerterem o wzmocnieniu 55 dB powinno się mieć przynajmniej 10 m kabla i 5dB tłumienia. Już przy wzmocnieniu konwertera na poziomie 65 dB konsekwentnie jest potrzeba 30 m kabla i 15 dB tłumienia. Jeżeli ktoś nie zastosuje się do tych zaleceń, to może spodziewać efektów w postaci charakterystycznego dropienia jakiegoś programu (często jest to niemiecki program N-TV z Astry). Autor spotkał się z takim efektem przy montażu następującego zestawu: Echostar SR-6500, konwerter MTI Full Band BKU2353 o wzmocnieniu 63 dB na antenie parabolicznej 150 cm i 5-7 metrów kabla. Lekarstwem okazał się stary, nikomu niepotrzebny multiswitch "wpięty" między odbiornik i konwerter.

Dlaczego nie wystarczy wzmocnienie tylko 40 dB ?

Przy niskim wzmocnieniu konwertera tłumienie kabla oraz współczynnik szumów odbiornika będą wpływać tym bardziej na ostateczny rezultat. Spójrzmy na wykres. Przy 50 dB wzmocnienia można mieć spokojnie 50 metrów kabla (przyjmijmy tłumienie kabla 25 dB) bez żadnych efektów wizualnych co do jakości obrazu. Przy 60 dB wzmocnieniu efekty będą widoczne dopiero przy 80 metrów kabla, a przy 40 dB maksymalna długość kabla może wynieść jedynie około 30 metrów. Wniosek o maksymalnym wzmocnieniu na poziomie 50 dB jest dostateczny w większości przypadków przy odbiorze Astry. Jeżeli wzmocnienie jest równe 60 dB odbiornik, prawdopodobnie będzie przesterowany. Zbyt małe wzmocnienie, około 40 dB, da efekt dropienia obrazu przy kablu o długości ponad 30 metrów.

WNIOSEK KOŃCOWY

Gdy poziom wejściowy odbiornika mieści się w ścisłych granicach, a wpływ tłumienia kabla i odbiornika jest nieistotny, to wzmocnienie konwertera nie będzie miało wpływu na jakość obrazu.

PRAKTYCZNE ZASADY:

1. Współczynnik szumów odbiornika plus tłumienie kabla nie powinien przekraczać wzmocnienia konwertera minus 20 dB.

Przykład: wzmocnienie konwertera G=55dB

współczynnik szumów odbiornika = 8dB

tłumienie kabla =0,4 dB/m.

Maksymalne tłumienie kabla: 55-8-20 =27 dB

Można poprowadzić kabel o długości: 27/0,4 =67,5 metra

2. Wzmocnienie konwertera minus tłumienie kabla nie powinno przekraczać 50 dB, gdy chcemy odbierać satelity ASTRA.

Materiał chroniony prawem autorskim - wszelkie prawa zastrzeżone. Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy.