¿Es posible recibir información si la potencia recibida es debajo del piso de ruido?

Question

Esto se relaciona con mi pregunta anterior, que creo que he preguntado en el camino equivocado:

• Cómo insertar fondo EM ruido en pathloss ecuación?

Yo no estaba realmente interesado en la detectabilidad de la señal, y he enunciado de la pregunta muy ambigua, así que me pida lo que me gustaría saber.

Pregunta:

Lo que me gustaría saber es que es posible establecer un canal de comunicación (envío de información) si el nivel de potencia recibida de la señal recibida por el receptor de la antena está por debajo de los niveles de ruido.

Me explico:

Me hizo más investigación sobre este y el nivel de potencia generalmente se expresa en dBm o dBW, en esta pregunta que se expresan en dBW.

Luego tenemos el poder insertarse en la antena del transmisor, y tenemos el pathloss ecuación para determinar cuánto de eso es atenuada por el tiempo en que la señal llega a la antena receptora.

Así que tenemos dos dBW valores, y mi teoría es que la potencia recibida por la antena en dBW tiene que ser más alto que el piso de ruido en dBW.

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1)

Por el bien de este argumento, vamos a utilizar un transmisor/receptor de la antena de 20 cm de largo, en la frecuencia de 5 Ghz a 1 metro de simpatia. De nuevo estoy utilizando la máxima ganancia, fundamentalmente posible, porque yo también estoy buscando si el canal de comunicación puede establecerse a todos, así que tengo que insertar la mayoría de los valores extremos con el fin de determinar el límite fundamental. En este caso la antena tiene una ganancia de 16.219 dB que es la ganancia máxima que puede tener en esta frecuencia, y por la máxima quiero decir una ganancia superior a la que esto violaría las leyes de conservación de la energía. Así que estas antenas son en teoría perfecto sin pérdida de antenas. Este es un farfield ecuación de la simplicidad que elegir esto, la fórmula de Friis puede ser utilizado.

Así que el pathloss ecuación revela que este canal de comunicación tiene un ~ -14 dB pathloss. Así que si estamos inserción de 1 Vatio de potencia, el receptor de la antena debe recibir no más de -14dBW.

2)

He tropezado a través de un papel:

• http://www.rfcafe.com/references/electrical/ew-radar-handbook/receiver-sensitivity-noise.htm

Reclama la mínima sensibilidad de un receptor de la antena es esta:

$$ S_{min} = 10* \log_{10}( (S/N)*k*T_0*f*N_f ) $$

$$where$$

• S/N= relación Señal a ruido de la tasa de

• k = constante de Boltzmann

• T0 = Temperatura de la antena receptora

• f = frecuencia

• Nf= factor de ruido de la antena

Y esto también es una dBW unidad. Esta fórmula describe el piso de ruido en esa frecuencia.

Volviendo a nuestro cálculo, el documento recomienda, en el mejor de los casos, cuando un hábil operador manual está involucrado un 3 dB relación S/N (max), vamos a utilizar 290 grados Kelvin de temperatura ambiente, la frecuencia de 5 Ghz como en el anterior, y el factor de ruido voy a ignorar porque nos supone un perfecto antena anteriores.

Esto nos daría -104 dBW piso de ruido.

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Para ello, desde el nivel de potencia recibida es de -14 dBW y el piso de ruido es mucho menor en -104 dBW, y esto supone el mejor de los casos, con una generosa estimaciones, en el mejor de los casos.

Así, en este ejemplo, la comunicación es posible, mucho. Sin embargo, si el nivel de potencia recibida, sería menor que el piso de ruido, entonces no iba a ser.

Así que mi hipótesis es que si:

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

Dado que la potencia recibida es mucho mayor que el ruido recibido, es decir, la comunicación en esta frecuencia es teóricamente posible.

Prácticamente hablando, por supuesto, los problemas podrían surgir como la ganancia sería menor, y la antena del operador recibirá demasiados falsos positivos en estricta S/N (3 db), por lo que, en realidad, el piso de ruido probablemente sería 50-60 dB más alto. No he calculado que.

Answer 1

Respuesta corta: sí, es posible. GPS hace que (casi) todo el tiempo.

Respuesta larga:

El SNR de su receptor, el sistema de necesidades depende del tipo de señal de que usted está considerando. Por ejemplo, el viejo analógicos de TELEVISIÓN en color necesidades, dependiendo de la norma, a unos 40 dB de SNR a ser "visibles".

Ahora, cualquier receptor que es, matemáticamente, un estimador. Un estimador es una función que se asigna a una observación que por lo general incluye una variable aleatoria con un valor subyacente que condujo a la observada cantidad. Es así, que el receptor de TV es un estimador de la imagen que la estación de intención de enviar. El rendimiento de un estimador es, básicamente, cómo "de cerca" puede volver a la original de la información que se transmite. "De cerca" es un término que en la definición de las necesidades en la TV analógica sentido, un receptor puede ser un muy buen estimador en términos de la varianza (desde el valor "real") de el brillo de la imagen, pero terrible para el color. Otro podría ser así-y-así que para ambos aspectos. La calidad de un receptor por lo tanto depende de lo que usted necesita para optimizar.

Para el radar, las cosas son un poco más claro. Utiliza un radar para detectar sólo un conjunto muy limitado de cosas; entre estos, se pueden elegir algunas de las siguientes cosas, que simplemente podemos representar como números reales:

• Alcance (distancia) de un radar de destino (no es mi elección de palabras, es simplemente llamado "destino" en el radar)
• La velocidad relativa de un objetivo
• número de objetivos
• Tamaño de objetivos
• Materiales/propiedades de la forma de objetivos

Si se limita a una sola cosa, digamos rango, luego de su radar estimador puede conseguir algo parecido a un "rango de variación sobre SNR" de la curva.

Un rápido recordatorio: la Varianza de un estimador \$R\$ se define como la expectativa de valor de

$$\text{Var}(R) = E{(R-\mu)^2}$$

con \$\mu\$ la expectativa de valor de la "real" fenómeno (en este caso, la distancia real, suponiendo que tenemos un estimador imparcial).

Así, una persona puede decir, "OK, no es realmente un utilizable para la estimación de la distancia de los coches de menos rango de variación cae por debajo de 20 m2, por lo que necesitamos al menos una SNR de \$x\$, de modo que obtenemos una variación por debajo de \$y\$", mientras que otra persona, que podría ser la detección de un tipo diferente de la cosa (digamos de los planetas), puede vivir con un mucho mayor varianza, y por lo tanto, mucho menor SNR. Incluyendo SNR donde el ruido es mucho más fuerte que la de la señal.

Para muchas cosas, su combinado de observación de la varianza se pone mejor (==bajar) la más observaciones se combinan – y la combinación es una forma muy común de conseguir lo que llamamos ganancia de procesamiento, es decir,. la mejora de la estimador de rendimiento igual a la mejora de la SNR por un factor específico.

Para volver a mi GPS ejemplo:

GPS utiliza una ca 1 mhz de ancho de banda para transmitir la extensión de las señales en tiempo real de GPS del símbolo de la tasa es mucho menor que el ancho de banda. Esto sucede por la multiplicación de un solo transmitir símbolo \$s\$, con una larga, larga secuencia de números \$l[n],\,\, n\in[0,1,\ldots,N]\$ que luego se transmite. En el receptor, se correlacionan con la misma secuencia, y la suma de las cosas – a través de álgebra lineal, el ruido (que el modelo de como no a cualquier señal) no sume de manera constructiva, mientras que la energía en la secuencia de envío veces recibir secuencia crece con \$N\$. Que es como el GPS no puede ser visto en un espectro de la trama, pero fácilmente recibida por muy barato receptores a la ineficiencia de las antenas, el ruido de los amplificadores, ridículamente baja resolución de los ADCs y sin que nadie tenga a punto de alta ganancia de la antena en la dirección de los satélites.

Por lo tanto, su hipótesis

Potencia Recibida > Piso de Ruido , entonces la comunicación es posible, de lo contrario no

no de pie. "Posible" o "imposible" que depende del error que se está dispuesto a aceptar (y que puede ser bastante!), y más aún, sobre la ganancia de procesamiento entre el lugar donde se mira el recibir el poder–a–ruido y el real de la estimación.

Así, el núcleo de su pregunta:

Lo que me gustaría saber es que es posible establecer un canal de comunicación (envío de información) si el nivel de potencia recibida de la señal recibida por el receptor de la antena está por debajo de los niveles de ruido.

Sí, y mucho. Localización Global de los sistemas dependen de él, y celulares IoT redes, probablemente, también, como la potencia de transmisión es muy caro.

De banda Ultra Ancha (UWB) es una especie de muerto idea en la comunicación de los diseños (principalmente debido a problemas regulatorios), pero los dispositivos de ocultar por ejemplo, un remitido de comunicación USB muy por debajo de la detectables nivel de densidad de potencia espectral. El hecho de que los radioastrónomos son capaces de decirnos acerca lejos las estrellas también respalda esto.

Mismo se aplica para el radar de imágenes de satélite que se producen utilizando inferior de la tierra de la órbita de los satélites. Apenas ser capaz de detectar el radar waveformes con la que iluminan la tierra – y son aún más débiles cuando su reflexión alcanza el satélite de nuevo. Aún así, estas ondas transportan información (y que es la misma que la comunicación) sobre estructuras mucho más pequeño que el de 1m en la tierra, en las altas tasas (conseguir el real de la tierra de la forma de propiedad de las estimaciones almacenados o enviados de vuelta a la tierra es un problema muy serio para estos satélites, hay tanta información transferida con las señales que están lejos, muy por debajo de ruido térmico).

Por lo tanto, si usted necesita para recordar sólo dos cosas al respecto:

• Lo que es un "trabajo de comunicación" es, y qué no lo es, es hasta la definición de sí mismo, y
• Sistemas de receptor simplemente no son tan sensibles al ruido como a la de la señal que desea ver y, por lo tanto, hay sistemas que pueden incluso trabajar con Ruido > energía de la Señal

Answer 2

Fundamentalmente, tenemos el de Shannon-Hartley fórmula de la capacidad de comunicación de un canal:

$$C = B \log_2\left(1+{\rm SNR}\right).$$

\$C\$ es el libre de errores de la capacidad del canal en bits por segundo de información transferida. \$B\$ es el ancho de banda del canal en Hz. \$\rm SNR\$ es la relación señal / ruido del canal.

No hay ninguna estipulación de que \$\rm SNR\$ debe ser mayor que 1.

Con un adecuado esquema de codificación puede comunicarse a través de un canal con \${\rm SNR} < 1\$, pero nunca vas a conseguir un error-libre de tasa de bits mejor que lo que está dado por el de Shannon-Hartley fórmula. Y este límite se aproxima a 0 como SNR se aproxima a 0.

Answer 3

Lo que me gustaría saber es que es posible establecer un canal de comunicación (envío de información) si la potencia recibida el nivel de la señal recibida por el receptor de la antena está por debajo de la piso de ruido.

DSSS (direct sequence spread spectrum) radio puede tener un nivel de potencia por debajo de la imperante nivel de ruido y todavía trabajo: -

Se basa en el "proceso de ganancia".

Un ejemplo simplificado de la ganancia del proceso sería la suma de muchas, muchas versiones de la señal y cada señal se selecciona desde diferentes puntos en el espectro de lograr una mejor SNR. De cada adición se duplica la amplitud de la señal (un aumento de 6 dB), pero el ruido es sólo recaudó en 3 dB. Por lo tanto, con dos portadores de obtener un 3 dB de aumento en la SNR. Con 4 portaaviones consigue 3 dB, etc, etc.. por Lo que 4 de los transportistas mejora la SNR en 6 dB. 16 transportistas obtendría 12 dB de mejora. 64 operadores obtiene un 18 dB de mejora.

Sus orígenes fueron originalmente militar porque se hace difícil escuchar sobre secreto de las comunicaciones.

Answer 4

la potencia recibida por la antena en dBW tiene que ser más alto que el piso de ruido en dBW

"ruido de fondo" como la mayoría de la gente entender que no es medido en dBW, o cualquier otra unidad de potencia. Más bien, el ruido de fondo es definido por el ruido de la densidad espectral, que se mide en vatios por hertz, o, equivalentemente, de vatios-segundos.

El ruido de fondo puede ser medido con un analizador de espectro:

CC BY-SA 3.0, Enlace

Aquí, el ruido de fondo parece ser alrededor de -97 en el eje Y. Suponiendo que este analizador está calibrado adecuadamente normalizado, que -97 dBm por Hz.

"Debajo del piso de ruido" significaría entonces una señal tan débil que no se registra visualmente en el analizador de espectro. Alternativamente, usted puede definir "debajo del piso de ruido", como tan débil que no se puede escuchar: suena indistinguible del ruido.

Entonces, ¿de comunicaciones posible cuando la señal está por debajo del piso de ruido? Sí lo son.

Digamos que estamos transmitiendo sólo una portadora no modulada, tan débil que no es audible o visible en un típico analizador de espectro. ¿Cómo podemos detectar?

Un portador es sólo una frecuencia. Es decir, es infinitamente estrecho. Así que si el ruido espectral de la densidad se define en el poder por hertz, el más estrecho podemos hacer un filtro, el menos ruido. Ya que la compañía tiene un ancho de cero en la frecuencia, el filtro puede ser arbitrariamente estrecho, y por lo tanto el ruido puede hacerse arbitrariamente pequeña.

Sin embargo hay un problema: la más ciertos que acerca de una cosa en frecuencia, el menos seguro de que podemos estar en la frecuencia. Para un tiempo de incertidumbre de \$\Delta t\$ en segundos y una frecuencia de incertidumbre de \$\Delta \nu\$ en Hz, esta relación debe contener:

$$ \Delta t \Delta \nu \ge {1\over 4}\pi $$

En consecuencia, si queremos limitar nuestra medición extremadamente estrecho ancho de banda (lo que reduce la potencia de ruido), debemos observar durante un tiempo extremadamente largo.

Una manera de hacer esto es tomar la FFT de la señal, como el analizador de espectro. Pero en lugar de mostrar una FFT después de otro, un promedio de ellos juntos. El ruido aleatorio, de un promedio. Pero la extremadamente débil portador introduce un sesgo constante en un punto, lo que eventualmente ganar el promedio de ruido aleatorio. Algunos analizadores de espectro tienen un "promedio" de modo que hace precisamente esto.

Otra forma es para grabar la señal por un tiempo muy largo, a continuación, tomar un largo FFT. El tiempo (en el tiempo) la entrada a la FFT, la frecuencia más alta resolución que tiene. Con el aumento de la longitud en el tiempo, el ancho de cada una de las frecuencias de reciclaje se hace más pequeño, como lo hace la potencia de ruido en cada bin. En algún punto de la potencia de ruido se convierte en lo suficientemente pequeño para que el débil soporte puede ser resuelto.

Aunque dado el tiempo suficiente cualquier vehículo sencillo puede ser detectado, si queremos transmitir cualquier información que el transportista no puede durar siempre. Debe ser modulada de alguna manera: tal vez encendido y apagado, cambió en la segunda fase, o en la frecuencia, etc. Esto pone un límite a cuán rápido la información puede ser transmitida. El último límite está dado por el de Shannon-Hartley teorema:

$$ C = B \log_2\left( 1 + {S \over N} \right) $$

• \$C\$ es la capacidad del canal en bits por segundo
• \$B\$ es el ancho de banda del canal, en Hz
• \ $S\$ \ $N\$ son de la señal y el ruido de poderes, respectivamente, en vatios

A partir de esto se puede ver que la comunicación nunca se vuelve imposible con una baja relación señal a ruido (\$S/N\$), aunque existe un límite superior en la cantidad de información que puede ser transmitida.

Answer 5

Como un práctico complemento a Marcus Müller's una excelente respuesta...

Ham radio tiene un número de pantallas de los modos adecuados para el éxito de la recepción de la señal por debajo del piso de ruido. Estos números tienen una salvedad, que voy a explicar después.

• PSK31 puede ser copiado correctamente en 7 dB por debajo del ruido de fondo.
• Olivia puede ser copiado correctamente en 10 dB por debajo del ruido de fondo.
• WSPR puede ser copiado correctamente en 28 dB por debajo del ruido de fondo.
• ÓPEAR-32 puede ser adecuadamente las apañé en 35 dB por debajo del ruido de fondo.

Los de arriba son todos ejemplos de aprovechamiento de la ganancia de procesamiento. Sin embargo, el más antiguo de los aficionados de la radio digital en el modo CW (Morse, código, normalmente) puede ser copiado correctamente por el oído en 18 dB por debajo del ruido de fondo.

Tenga en cuenta que los números de arriba calcular la SNR en relación a 2500 Hz de ancho de banda. Esto permite que las manzanas con manzanas comparaciones de los modos, pero puede ser engañoso para muy ancha o muy estrecha de las señales (para que el filtrado sea necesario incluir o excluir, respectivamente, más ruido). El último enlace se explica que E_b/N_0, donde E_b es la energía por bit y N_0 es la potencia de ruido en 1 Hz es una mejor puntuación (métrica y proporciona un mayor acoplamiento directo a la teórica números que están generando). Felizmente, Shannon ha demostrado que hay una absoluta límite inferior en E_b/N_0 de -1.59 dB, por lo que de cualquier modo que se acerca a esto es muy bueno. Como la mesa de enlace que se muestra, "Coherente BPSK en VLF" ha E_b/N_0 de -1 dB ("-57 dB por debajo del ruido de fondo" en relación a 2.5 kHz, como una comparación con los números de arriba). Que BPSK resultado es más de un experimento heroico, que se repite para transatlántica VLF transmisiones (con más detalles en el enlace de arriba y en sus referencias).