Modello AWGN, SNR e link budget a banda stretta
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Il modello AWGN
Dal punto di vista elettrico un sistema di trasmissione è una catena: canale fisico (impedenze di ingresso e di uscita , ), front-end del ricevitore (impedenze, amplificatore) e il carico (Bipoli, doppi bipoli e adattamento di impedenzaUn generatore con impedenza $Z_S$ che alimenta un carico $Z_L$ trasferisce la massima potenza se $Z_L=Z_S^$ (adattamento): la densità di potenza elettrica è $p_L(f)=\mathcal P_{v}(f)\frac{R_L}{\lvert Z_L+Z_S\rvert^2}$ e vale $\frac{\mathcal P_v}{4R_S}$ nel caso adattato. Il rumore termico di una resistenza ha $\mathcal P_w(f)=2kTR_S$ e, adattato, trasferisce $\frac12kT$ W/Hz. Un doppio bipolo (quadripolo) è adattato se $Z_1=Z_S^$ e $Z_L=Z_2^*$; il guadagno in potenza $g=\frac{P_{out}}{P_{in}}$ coincide con $\lvert G_{ch}\rvert^2$ e in dB è il doppio del guadagno in ampiezza.Bipoli, doppi bipoli e adattamento di impedenza →). Si traduce in uno schema a blocchi di signal processing:
- è il segnale dopo il canale;
- si somma il rumore: ;
- il ricevitore filtra: .
Il rumore rappresenta tutte le non idealità, sia del canale fisico sia del front-endprimo stadio del ricevitore: antenna, filtri, amplificatore. È un processo di tipo AWGN (additive white Gaussian noise):
- Additivo: si somma al segnale;
- White (biancocon la stessa densità di potenza a tutte le frequenze in banda): la densità spettrale di potenza è la stessa a tutte le frequenze (in banda);
- Gaussiano: ha distribuzione gaussiana (è rumore termico: somma di moltissimi contributi indipendenti);
- Noise.
Questo è uno dei modelli possibili (non cattura il fading, le interferenze, il multipath).
La densità del rumore
All'ingresso del front-end il rumore della sorgente ha densità (Guadagno, temperatura e figura di rumore - cascata di quadripoliUn quadripolo reale amplifica il segnale con guadagno $g$ ma aggiunge rumore: lo si descrive con la temperatura di rumore $T_A$ (rumore riferito all'ingresso) oppure con la figura di rumore $F=1+\frac{T_A}{T_0}$, con $T_0=290$ K, cioè $T_A=T_0(F-1)$. La temperatura efficace all'ingresso è $T_{eff}=T_S+T_A$. In cascata i guadagni si moltiplicano e $F_{eq}=F_1+\frac{F_2-1}{g_1}+\frac{F_3-1}{g_1g_2}+\dots$: conta l'ordine, il primo stadio deve avere basso rumore e alto guadagno. Un quadripolo passivo a $T_0$ ha $F=a$ (attenuazione).Guadagno, temperatura e figura di rumore - cascata di quadripoli →); all'uscita, con guadagno e rumore aggiunto dal ricevitore, Per passare alla densità spettrale di potenza statistica (in V²/Hz) del rumore: (Processi aleatori stazionari e densità spettrale di potenzaUn processo aleatorio è un segnale i cui valori a ogni istante sono variabili aleatorie. Se è stazionario in senso lato (WSS) la media è costante e l'autocorrelazione $r_x(\tau)$ dipende solo dalla differenza dei tempi; la sua trasformata è la densità spettrale di potenza $\mathcal P_x(f)$, il cui integrale è la potenza statistica $r_x(0)$. Un filtro LTI dà $m_y=m_xH(0)$ e $\mathcal P_y=\mathcal P_x\lvert H\rvert^2$; se l'ingresso è gaussiano anche l'uscita lo è. Il rumore bianco ha $\mathcal P(f)=\frac{N_0}2$.Processi aleatori stazionari e densità spettrale di potenza →). La si indica dove è la densità di rumore bilatera (convenzione: per essere nella banda "unilatera"). Per una banda (da a , quindi larga , oppure due fette larghe attorno a per un segnale passa-banda):
Rapporto segnale/rumore
L'SNR dice quanto è "buono" il segnale: esistono due definizioni.
- SNR statisticorapporto tra le potenze statistiche (in V quadro) del segnale e del rumore: (per segnale a media nulla);
- SNR elettrico: (potenze in watt).
In una banda in cui l'impedenza è la stessa per segnale e rumore, , i due coincidono: . Si parla di SNR sul segnale o in banda; più è alto, più è bassa la probabilità di sbagliare un simbolo (Modulazione binaria - correlazione, distanza e probabilità di erroreDue segnali $s_1,s_2$ hanno costellazione $\mathbf s_1=(\sqrt{E_1},0)$, $\mathbf s_2=(\rho\sqrt{E_2},\sqrt{E_2(1-\rho^2)})$ con coefficiente di correlazione $\rho=\frac{\langle s_1,s_2\rangle}{\sqrt{E_1E_2}}\in[-1,1]$ e distanza $d_{1,2}=\sqrt{E_1+E_2-2\rho\sqrt{E_1E_2}}$. Con AWGN, simboli equiprobabili e criterio MD, $P[E]=Q\left(\frac{d_{1,2}}{2\sigma_I}\right)$. A parità di energia $E_s$ il minimo errore si ha per $\rho=-1$ (antipodale: $Q\left(\sqrt{2E_s/N_0}\right)$); per $\rho=0$ (ortogonale) $Q\left(\sqrt{E_s/N_0}\right)$, 3 dB peggio.Modulazione binaria - correlazione, distanza e probabilità di errore →).
Link budget a banda stretta
Vogliamo legare l'SNR ai parametri del collegamento, cioè la potenza trasmessa e la banda (il "link budgetbilancio dei guadagni e delle attenuazioni lungo il collegamento che dà l'SNR").
Front-end. Si ipotizza che il guadagno del front-end in banda sia costante, (il ricevitore lo progettiamo noi). Allora, con la potenza elettrica del segnale all'ingresso del ricevitore: (il guadagno del front-end si semplifica: moltiplica segnale e rumore.)
Canale a banda strettail canale ha attenuazione circa costante nella banda del segnale. Si vorrebbe esprimere con : servirebbe integrare sulla risposta del canale. Si considera allora il caso particolare in cui è circa costante nella banda del segnale (la banda è stretta rispetto a come varia il canale): in quella banda il canale è un'attenuazione costante e un ritardo, . Perciò con (guadagno del canale in potenza), e con l'attenuazione:
In decibel. W/Hz dBm/Hz; su MHz dB si ha dBm: . Quindi Se la sorgente è a (, ) il termine è la figura di rumore . È la formula che si usa in tutti gli esercizi di collegamento.
Esempio. Radio locale: mW dBm, attenuazione dB, ricevitore con dB, banda kHz MHz ( dB): (Calcolato in lineare: : dB: Esercizio 11 · radio locale in M-QAM, distanza, SNR, cardinalità e potenza minima (temi d'esame gennaio e agosto 2025).)
Variazione con la distanza
L'attenuazione varia con la distanza e con il mezzo (Mezzi di trasmissione - cavi, fibre e collegamenti radioIl mezzo di trasmissione fissa l'attenuazione $a_{ch}$ nel link budget. Nei cavi $H_{ch}=e^{-\gamma d}$ e l'attenuazione in dB cresce con la distanza ($a=\tilde a,d$, dB/km) e con $\sqrt f$. Le fibre ottiche hanno banda larghissima (10¹⁴-10¹⁵ Hz), attenuazione bassa in tre finestre di lunghezza d'onda e limitazione dalla dispersione. Nei collegamenti radio vale la formula di Friis, $g_{ch}=g_{tx}g_{rx}\left(\frac\lambda{4\pi d}\right)^2$, cioè $a_{ch}=32{,}4+20\log_{10}d_{km}+20\log_{10}f_{MHz}-G_{tx}-G_{rx}$ dB.Mezzi di trasmissione - cavi, fibre e collegamenti radio →); noto l'SNR a una distanza si ricava quello a un'altra dalla sola differenza di attenuazione, perché tutti gli altri termini restano uguali. Esempio (foglio di esercizi). Un drone è comandato con un segnale di banda Hz attorno a MHz; a m l'SNR è dB e non deve scendere sotto dB. La differenza ammessa è dB: in spazio libero , quindi e m.
Errori comuni
- Usare la banda in Hz nella formula in dB (serve in MHz) o la potenza in dBW (serve dBm, altrimenti la costante cambia: per dBW).
- Dimenticare di sottrarre (o la temperatura efficace) dall'SNR.
- Applicare la formula a un canale a banda larga senza verificare che l'attenuazione sia circa costante in banda.
- Confondere con : il rumore in banda vale .
Versione ripasso
- Modello: , (AWGN), . : additivo, bianco, gaussiano, a tutte le non idealità.
- Rumore: all'uscita , . Statistico ( bilatera), potenza in banda .
- SNR: (statistico), (elettrico); uguali se costante in banda.
- Link budget (guadagno front-end costante, canale a banda stretta): .
- In dB: ( dBm/Hz). Es.: dB.
- Distanza: differenza di SNR = differenza di attenuazione; (drone: dB m).
- Errori tipici: banda in MHz; dBm (non dBW); dimenticare ; vs .
Esercizi su questo argomento
- Esercizio 11 · radio locale in M-QAM, distanza, SNR, cardinalità e potenza minima (temi d'esame gennaio e agosto 2025)
- Esercizio 12 · cavo o radio, SNR di riferimento e cardinalità massima della QAM (tema d'esame giugno 2025)
- Esercizio 13 · radio a 90 MHz con banda di 2 kHz, attenuazione e potenza minima per la 4-QAM (tema d'esame giugno 2026)
- Esercizio 14 · Wi-Fi a 16-QAM, densità del rumore, guadagno minimo e impulso triangolare (tema d'esame febbraio 2025)
- Esercizio 15 · cavo di riserva per un collegamento radio e amplificatore in ricezione (tema d'esame febbraio 2026)
- Esercizio 16 · quadripoli in cascata, figura di rumore e ordine degli amplificatori (foglio di esercizi sui mezzi di trasmissione)
- Esercizio 17 · linea con attenuazione che cresce con la radice della frequenza (foglio di esercizi sui mezzi di trasmissione)
- Esercizio 25 · smartphone con PSK adattiva in galleria (foglio di esercizi sulla modulazione digitale)
Teoria collegata
- Bipoli, doppi bipoli e adattamento di impedenza
- Canale numerico, ISI e codifica di Gray
- Confronto tra modulazioni - banda, SNR di riferimento ed efficienza spettrale
- Decibel, dBW e dBm
- Formulario - fondamenti di comunicazioni
- Mezzi di trasmissione - cavi, fibre e collegamenti radio
- Processi aleatori stazionari e densità spettrale di potenza
- Progetto di un collegamento - link budget e modulazione
- Sistemi di telecomunicazioni e modello ISO-OSI