Relatório Técnico PD A.0040A/RT-02-AA. Análise de convivência entre os sistemas FWA e TVRO.

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1 Relatório Técnico PD A.0040A/RT-02-AA Análise de convivência entre os sistemas FWA e TVRO. Comparação entre módulos LNB comerciais e modificados para a situação de convivência entre sistemas terrestres (FWA) e sistemas de recepção de sinais de TV por satélite (TVRO). Resultado dos ensaios em campo realizados no campus do CPqD, em Campinas - SP, em julho de Cotação: NA Cliente: Anatel - Agência Nacional de Telecomunicações Contato: Marcos de Souza Oliveira marcoss@anatel.gov.br Endereço: SAUS Quadra 6 Bloco H Brasília - DF - Brasil CEP: Fone: (61) Fax: (61)

2 PD A.0040A/RT-02-AA 2 / 22 SUMÁRIO Objetivos Introdução Protocolo de ensaios Set-up de ensaio Conjuntos de equipamentos de transmissão e recepção Equipamentos de transmissão Equipamento de referência Equipamentos de recepção (TVRO) Condições de contorno e restrições Comparação entre os LNBs utilizados Conclusões Anexos Histórico de versões deste documento Execução e aprovação... 14

3 PD A.0040A/RT-02-AA 3 / 22 Objetivos Foram realizados ensaios em campo, a pedido da Anatel - Agência Nacional de Telecomunicações, para avaliação das condições de convivência entre sistemas de rádio acesso terrestres (FWA Fixed Wireless Access) de tecnologia 4G e sistemas via satélite de recepção de TV em Banda C - TVRO. Os ensaios realizados tiveram por objetivo quantificar e qualificar as condições de convivência entre os sistemas terrestres e os receptores de sinais de TV, analógicos ou digitais, via satélite. Como parte dos ensaios, também a pedido da Anatel, foram comparados quatro exemplares de módulos LNB comercializados no mercado nacional, sendo dois deles da empresa Greatek. Essa empresa apresentou dois módulos LNB, um com características equivalentes ao seu produto regularmente comercializado e outro com projeto modificado, otimizado para que os sistemas de TVRO tenham melhores condições de convivência com os sistemas terrestres FWA. 1 Introdução A Figura 1 ilustra a condição de convivência entre sistemas FWA em faixa de frequências próxima ao sistema TVRO de recepção de sinais de TV por satélite em banda C. IM FAIXA DESTINADA A RECEPÇÃO DE TV POR SATÉLITE (TVRO) <<< >>>4200 RECEPTORES DOMÉSTICOS DE SATÉLITE (TVRO) NÃO POSSUEM FILTRO DE BANDA ADEQUADO FAIXA DESTINADA A OPERAÇÃO TERRESTRE (FWA) IM = INTER-MODULAÇÃO Figura 1 Condição de convivência entre os serviços Móvel Terrestre (4G) e Fixo Satélite. É importante ressaltar que o sistema terrestre, desde que tenha seus equipamentos homologados, atendendo às normas técnicas quanto à emissão de espúrios (máscara de transmissão), não gera

4 PD A.0040A/RT-02-AA 4 / 22 sinais interferentes na faixa de frequências destinada à recepção de sinais de satélite em Banda C. Esse cuidado, quanto à não-emissão de espúrios, também foi considerado na implementação e calibração do sistema de teste. O fato de os equipamentos de TVRO, principalmente os módulos LNB, não estarem preparados 1 para operação em frequências e distâncias próximas a um sistema terrestre como o FWA (4G), torna tais sistemas suscetíveis a degradações na situação de convivência aqui proposta. 2 Protocolo de ensaios Para a realização dos ensaios propostos, foi então elaborado um protocolo de ensaios considerando a realização de medições em campo, em condições controladas, que permitissem a comparação do desempenho de alguns módulos LNB frente ao sinal interferente. A Figura 2 apresenta o digrama simplificado para realização do protocolo de ensaios. Α = -arcsen(7/40) = -10 graus B = 8 graus S = 120 graus A B L L= ( ) 1/2 = 40,8 m 8m d d = 40,8 x sen(b/2) = 2,84 m D = 40,8 x sen(s/2) = 35,3 m 1m 40m Figura 2 Diagrama do protocolo de ensaios. O protocolo previu: A instalação em campo de: o Uma antena de TVRO, em região desimpedida para acesso ao satélite Star One C2. 1 Preparados com filtros adequados à entrada e à saída, além de contarem com circuitos da amplificação e conversão projetados para níveis mais elevados de ponto de intermodulação.

5 PD A.0040A/RT-02-AA 5 / 22 o Amostras de módulos LNB monoponto disponíveis no mercado. o Amostra de módulo LNB da Greatek modificado. o Amostras de receptores analógicos e digitais disponíveis no mercado. o Um conjunto de equipamentos com características de frequência, potência e modulação equivalentes a uma estação base (BS) de um sistema terrestre 4G (WiMAX por exemplo). o Uma antena omnidirecional de referência, operando na faixa de frequências do sistema 4G, para medida de referência da intensidade do sinal interferente recebido no ponto de recepção do TVRO. Os seguintes procedimentos de ensaio: o Posicionamento da BS na posição de azimute de apontamento da TVRO. A distância entre a BS e o TVRO foi mantida constante em 40m. o Registro da intensidade do sinal interferente no ponto de transmissão, através do nível estabelecido pelo gerador, e no ponto de recepção, através do sinal recebido na antena omnidirecional. o Seleção de canais analógicos e digitais, correspondentes às polarizações horizontal e vertical, no início e no final da Banda C (3,7 a 4,2 GHz) e da Banda Estendida (3,625 a 3,7 GHz). o Incrementos na potência de transmissão da BS, para cada canal selecionado, até a percepção de interferência. Estabelecimento de um padrão visual subjetivo, para os canais analógicos, que permitisse identificar o início da interferência. Para os canais digitais o limiar de interferência foi estabelecido como sendo o ponto de congelamento intermitente da imagem. 3 Set-up de ensaio Conjuntos de equipamentos de transmissão e recepção. 3.1 Equipamentos de transmissão. A Figura 3 ilustra a configuração dos equipamentos e acessórios utilizados no lado da transmissão (BS).

6 PD A.0040A/RT-02-AA 6 / 22 Figura 3 - Diagrama dos equipamentos utilizados no lado da transmissão (BS). ESG Vector Signal Generator: Trata-se de um gerador de sinais complexos que permite a modulação de um sinal de RF a partir de arquivos de dados gerados por aplicativo (SW) específico. Para as finalidades do ensaio pretendido foi construída uma forma de onda equivalente a um sinal OFDM com largura de canal de 10 MHz e comutação TDD (Time Domain Duplex) conforme padrão WiMAX (IEEE e). A frequência central de transmissão foi selecionada no canal central (3,5 GHz) e nos canais extremos (3,405 GHz e 3,595 GHz) da faixa de 3,5 GHz destinada ao Serviço Terrestre pela Resolução Anatel 537/10. A potência de saída do gerador pôde ser programada entre -100 dbm e 0 dbm. Potências superiores a 0 dbm, até +13 dbm são possíveis, mas foram evitadas por acrescentarem ruído lateral ao canal modulado devido a efeitos não-lineares do processo de modulação e amplificação do sinal. Amplifier Research 25S1G4A: Trata-se de amplificador linear de radiofrequência, destinado para uso entre 800 MHz e 4,2 GHz, podendo disponibilizar mais de 20 W quando excitado com 0 dbm em sua entrada. A Figura 4 apresenta a curva de desempenho desse amplificador. Figura 4 Curva característica do amplificador de potência.

7 PD A.0040A/RT-02-AA 7 / 22 Cabo coaxial Belden RF-400: Foram utilizados 13m de cabo coaxial de baixa perda entre o amplificador de potência e a antena. O fabricante especifica 24,4dB/100m@3GHz e 31,1dB/100m@4,5GHz de perda, para esse produto. Aplicando-se a média aritmética sobre esses valores chega-se a 0,2775dB/m@3,75GHz, que corresponde a 3,6dB para os 13m em 3,75GHz. A Figura 5 mostra a curva de resposta do cabo em questão realizada em laboratório, apontando para uma perda de 3,63 db na faixa de interesse. Figura 5 Atenuação em 13m de cabo coaxial Belden RF-400. Antena L-Com HG-3515P-120: Trata-se de antena painel com abertura horizontal de 120 o, polarização vertical e ganho frontal de 15 dbi. O fabricante apresenta os diagramas de radiação, no plano vertical e horizontal, conforme mostrado na Figura 6. Figura 6 Diagramas de radiação da antena HG-3515P-120 da L-Com. A característica de perda por retorno da antena de transmissão utilizada no ensaio em campo, levantada no laboratório de caracterização de antenas (câmara anecóica) do CPqD, está apresentada na Figura 7 e demonstra que a antena está adequada ao uso.

8 PD A.0040A/RT-02-AA 8 / 22 HG-3515P-120 Figura 7 Curva de perda por retorno da antena HG-3515P-120 da L-Com. O conjunto Gerador+Amplificador+Cabo foi caracterizado em laboratório de tal forma a oferecer à antena uma potência 40 db acima do valor de potência entregue pelo gerador. Nessa condição de operação verificou-se que o conjunto não emite espúrios dentro da faixa de interesse (3,4 a 4,2 GHz), quando a potência é de 0 dbm à saída do gerador e 40 dbm à saída do cabo conectado ao amplificador, conforme mostra a Figura 8. Figura 8 Avaliação de espúrios do conjunto de transmissão (BS) a 0 dbm. Portanto, a potência efetivamente radiada (ERP) está 55dB acima da leitura feita à saída do gerador (Gerador+Amplificador+Cabo+Antena).

9 PD A.0040A/RT-02-AA 9 / Equipamento de referência. Como equipamento de referência foi utilizado o conjunto mostrado na Figura 9. Figura 9 Conjunto de referência para medições de sinal interferente. Analisador de sinais MXA: Foi utilizado como analisador de espectro e medidor de potência do sinal recebido no ponto de recepção do TVRO. Antema L-Com HG3511U-PRO: Essa antena omnidirecional foi utilizada para receber o sinal interferente no ponto de recepção do TVRO. O fabricante define seu ganho frontal em 11 dbi e apresenta o diagrama de radiação vertical e horizontal apresentado na Figura 10. Figura 10 Diagrama de radiação vertical e horizontal da antena L-Com HG-3511U-PRO.

10 PD A.0040A/RT-02-AA 10 / 22 A característica de perda por retorno da antena de referência utilizada no ensaio em campo foi levantada no laboratório de caracterização de antenas (câmara anecóica) do CPqD e está apresentada na Figura 11. HG-3511U-PRO Figura 11 - Curva de perda por retorno da antena HG-3511U-PRO da L-Com. Cabo coaxial Belden RF-400: Foram utilizados 19m de cabo coaxial de baixa perda entre o analisador de sinais e a antena. O fabricante especifica 24,4dB/100m@3GHz e 31,1dB/100m@4,5GHz de perda para esse produto. Aplicando-se a média aritmética sobre esses valores chega-se a 0,2775dB/m@3,75GHz, que corresponde a 5,3 db para os 19m em 3,75GHz. A Figura 12 mostra a curva de resposta do cabo em questão, realizada em laboratório, apontando para uma perda de 5,25 db na faixa de interesse. Figura 12 Perda no cabo Belden RF-400 com 19m de comprimento. Adicionalmente, um atenuador de 3 db foi inserido à entrada do analisador de sinais apenas com o objetivo de proteger a rosca do conector N de entrada. Assim sendo, aos valores de potência lidos no analisador de sinais devem ser contabilizados o ganho da antena (11 db) e as perdas do cabo e do atenuador (8,2 db), ou seja, devem ser decrescidos de 2,8 db.

11 PD A.0040A/RT-02-AA 11 / Equipamentos de recepção (TVRO). O conjunto de equipamentos de recepção foi constituído por produtos destinados à recepção de TV por satélite em Banda C (TVRO) disponíveis no mercado local. Uma análise mais ampla envolvendo um número maior de fabricantes e modelos poderia ter sido realizada, não fosse a premência do tempo. A Figura 15 mostra a disposição dos equipamentos. Figura 13 Conjunto de equipamentos de recepção TVRO. Antena parabólica de 1,7m: As antenas parabólicas para recepção TVRO são comercializadas, em sua maioria, na forma de refletores telados. O uso de tela para constituição da parábola tem por objetivo a redução do peso, da resistência ao vento e do custo. Em contrapartida são contabilizados uma pequena perda no ganho e na resistência mecânica do conjunto. No mercado local podem ser encontradas antenas com diâmetro entre 1,7 m e 2,2 m. A antena de menor diâmetro (1,7m) e menor ganho foi escolhida por se caracterizar como situação de pior caso. Módulo LNBF: o LNBF (LNB+Feeder) mais comercializado na região foi escolhido. Para efeito de comparação foram adquiridos dois modelos, um tipo monoponto e outro do tipo multiponto. As especificações técnicas para o LNB estão listadas a seguir: Ganho na conversão 70dB typ. 12º K de Temperatura Frequência de entrada 3,7 4,2 GHz. Frequência de saída / MHz (2ª. FI para o Multiponto) Frequência nominal do O.L.- 5,15 / 5,75 GHz (5,75 GHz para o Multiponto) Divisor de potência: Um divisor de potência de quatro saídas (-6dB@porta) foi utilizado para derivar o sinal proveniente do LNB para dois receptores de TVRO e para o analisador de sinais, simultaneamente. Uma das portas não foi utilizada. Receptor TVRO: Foram utilizados dois receptores de TVRO de marcas diferentes, um apenas para sinais analógicos e outro para sinais analógicos e digitais.

12 PD A.0040A/RT-02-AA 12 / 22 Chave seletora A/V: Para que fosse possível a comutação rápida entre receptores, de tal forma a poder comparar o desempenho de cada um sob as mesmas condições de interferência, foi utilizada uma chave seletora de áudio e vídeo entre os receptores de TVRO e a TV. TV: Para monitoramento do sinal de áudio e vídeo foi utilizada uma TV LCD/LED de 20". 4 Condições de contorno e restrições Em função da premência do prazo, algumas condições de contorno e restrições foram estabelecidas e são listadas a seguir: Variação da elevação e polarização da antena TVRO Os ensaios foram realizados com a antena de TVRO na Latitude de 22 o 48 48,53 S, Longitude de 47 o 02 47,33 O e altitude de 636m. Essa condição geográfica estabelece uma única condição de apontamento para essa antena, tanto para elevação, como para azimute e polarização. A situação de azimute não é relevante, quando se considera que a BS foi posicionada em oito radiais relativas. Mas as condições de elevação e polarização sofrem variações substanciais quando consideradas todas as possibilidade de instalação no território nacional. Limite de potência do sinal interferente A potência efetivamente radiada (ERP) foi limitada a 55 dbm (316 W), pelas características do sistema de transmissão (BS). Em algumas situações essa potência não foi suficiente para gerar interferência sobre o sinal de TV que estava sendo recebido. 5 Comparação entre os LNBs utilizados Foram comparados dois modelos de LNB importados, disponíveis no mercado local, com dois modelos Greatek, todos do tipo monoponto. A Tabela 1 enumera os LNBs testados e identifica os dois modelos Greatek. O modelo SLP3400 corresponde ao produto sem modificação disponível no mercado na época do ensaio. O modelo SLP3700 corresponde ao mesmo produto, modificado para melhor atender às condições de convivência com os sistemas terrestres. Designação Descrição LNB-A Monoponto, importado, adquirido no mercado local. LNB-B Monoponto, importado, de larga comercialização nacional. Greatek SLP3400 Monoponto, nacional, de larga comercialização nacional. Greatek SLP3700 Monoponto, nacional, otimizado, ainda não comercial. Tabela 1 Identificação dos LNBs utilizados no ensaio de campo.

13 PD A.0040A/RT-02-AA 13 / 22 A Tabela 2 apresenta o resultado comparativo entre os LNBs monoponto, utilizando um único receptor analógico e digital no modo analógico. Os dados estão ordenados pela potência do limiar de interferência. Tabela 2 Comparação entre LNBs no modo analógico. A Tabela 3 apresenta o resultado comparativo entre os LNBs monoponto, utilizando um único receptor analógico e digital no modo digital. Os dados estão ordenados pela potência do limiar de interferência. Tabela 3 Comparação entre LNBs no modo digital. É possível notar que as amostras de LNBs da Greatek apresentaram melhor desempenho, sendo que a máxima potência radiada pelo conjunto de transmissão (BS) não foi suficiente para gerar interferência perceptível sobre o modelo modificado SLP3700. O Anexo III apresenta os resultados registrados durante os ensaios de comparação de desempenho entre os LNBs. 6 Conclusões Os ensaios realizados até o momento demonstram claramente que a eventual dificuldade de convivência entre os sistemas, não está associada à emissão de espúrios pelo sistema terrestre, desde que este atenda aos requisitos técnicos estabelecidos pela regulamentação, mas sim pela não-existência de filtros e circuitos adequados a essa convivência nos atuais receptores de TVRO. Foi também possível verificar pelo menos três modelos diferentes de interferência, que podem ocorrer conjunta ou separadamente, função das características de cada ponto de recepção de TVRO. Para cada um dos modelos de interferência listados existe uma solução técnica possível de ser implementada, ou no módulo LNB, ou no receptor de TVRO. Os ensaios realizados com

14 PD A.0040A/RT-02-AA 14 / 22 alguns modelos e fabricantes diferentes de LNB, conforme aqui relatados, demonstram que ajustes de baixo custo poderão disponibilizar módulos LNB mais adequados à convivência entre sistemas no curto espaço de tempo. Por não ter sido disponibilizado a tempo, o uso de filtro em banda L, na interconexão coaxial entre o LBN e o receptor, não pode ser qualificado. Entretanto, a aplicação desse dispositivo de baixo custo e fácil instalação poderá mitigar boa parte das interferências detectadas em campo. 7 Anexos Anexo I - Fotos do campo de ensaio. Anexo II - Avaliação da intermodulação à saída do LNB. Anexo III - Comparação de desempenho entre LNBs. 8 Histórico de versões deste documento Data de emissão Versão Descrições das alterações realizadas 26/ago/11 AA Documento original. 9 Execução e aprovação Executado por: Verificado por: Aprovado por: Ralph Robert Heinrich Onésimo Ferreira Fabrício Lira Figueiredo Gerente Gerência de Comunicação Sem Fio Data da emissão: 26/ago/11

15 PD A.0040A/RT-02-AA 15 / 22 Anexo I - Foto do campo de ensaios. Foto 1 - Antena TVRO e Omnidirecional de referência. Foto 2 - Estação nômade de transmissão (BS).

16 PD A.0040A/RT-02-AA 16 / 22 Foto 3 - Antena de transmissão (BS) com down-tilt de -10 o. Foto 4- Equipamento de transmissão (BS) - Gerador e Amplificador de Potência.

17 PD A.0040A/RT-02-AA 17 / 22 Foto 5 - Veículo de apoio com os equipamentos de recepção, antena TVRO com antena de referência e sistema de transmissão (BS). Foto 6 - Receptores de TVRO, TV e Analisador de Sinais, demonstrando limiar de interferência em sinais de TV digital.

18 PD A.0040A/RT-02-AA 18 / 22 Foto 7 - Limiar de interferência em um sinal de TV analógico. Foto 8 - Conjunto de transmissão e recepção na radial de 0 o.

19 PD A.0040A/RT-02-AA 19 / 22 Anexo II - Avaliação da intermodulação à saída do LNB. Um dos modelos de interferência verificados durante os ensaios em campo é a intermodulação causada pelo sinal interferente ao gerar os produtos de batimento com o sinal desejado, quando ambos são processados pelos circuito misturador e amplificadores do LNB. Esse efeito foi registrado para algumas situações específicas do sinal interferente e é apresentado neste anexo. A Figura 14 apresenta o espectro, em Banda L, do sinal entregue pelo LNB ao receptor. Para módulos LNB do tipo monoponto a faixa de frequências correspondente à Banda C - Estendida (3.625 MHz a MHz) é de 950 MHz a MHz. Para os módulos LNB multiponto, que trabalham com dois conversores de frequência, um para cada polarização do sinal recebido, a mesma faixa corresponde às frequências de 950 MHz a MHz e 1.550MHz a MHz. São destacadas também as frequências correspondentes ao sinal interferente quando na frequência de MHz, MHz e MHz, convertidos por esses dispositivos. Mono Multi Figura 14 - (a) Distribuição das faixas de frequência em Banda L entregues pelo LNB ao receptor. (b) Espectro real demonstrando as duas faixas de frequência em Banda L, para um sinal recebido sem interferência.

20 PD A.0040A/RT-02-AA 20 / 22 A análise da Figura 14 aponta para os seguintes destaques: Para módulos LNB monoponto, o sinal interferente, contido na faixa de 3,4 GHz a 3,6 GHz, aparece convertido fora da faixa de interesse, entre MHz e MHz. Essa característica viabiliza a introdução de filtro passa-baixas à saída do LNB monoponto, reduzindo a intensidade do sinal interferente à entrada do receptor. Para módulos LNB multiponto, o sinal interferente, contido na faixa de 3,4 GHz a 3,6 GHz, aparece convertido em dois segmentos da Banda L. Um segmento está fora da faixa de interesse, entre MHz e MHz, permitindo a aplicação de filtro passa-baixas à saída do LNB. Entretanto, a mesma faixa de sinais interferentes é convertida pelo outro oscilador local para o segmento entre MHz e MHz, comprometendo a recepção dos sinais na segunda polarização. A análise do espectro real aponta para um patamar de ruído de -75 dbm e potencia de pico dos melhores canais da ordem de -40 dbm, apontando para uma relação Portadora/Ruído (C/N) muito boa, da ordem de 35 db. A Figura 15 apresenta o mesmo sinal de referência apresentado na Figura 14, agora na presença de sinais interferentes sem modulação (CW), nas frequências de MHz, MHz, MHz e MHz. Figura 15 - Interferente (CW) em 3510, 3.550, e MHz.

21 PD A.0040A/RT-02-AA 21 / 22 De uma forma qualitativa, é possível verificar o aparecimento de forte ruído de intermodulação. A amplitude e a densidade espectral desse ruído aumenta substancialmente conforme a frequência do sinal interferente aumenta, aproximando-se da faixa de interesse (Banda C). A Figura 16 apresenta a distribuição espectral do sinal interferente, conforme recebido no ponto de referência ao lado da estação TVRO, na frequência central de 3,5 GHz, transmitido com potência ERP de 45 dbm. Figura 16 - OFDM - Ptx=-10dBm (3,5GHz) A Figura 17 mostra a relação Sinal-Desejado/Sinal-Interferente, no limiar de interferência, para um sinal de TV analógico e outro digital. Figura 17 - Limiar de interferência com OFDM a -10 dbm (3550 MHz) (a) para um sinal de TV analógico e (b) para um sinal de TV digital.

22 PD A.0040A/RT-02-AA 22 / 22 Anexo III - Comparação de desempenho entre LNBs. O sistema TVRO foi re-alinhado com o LNB-C (multiponto). O resultado em Banda L, do sinal entregue pelo LNB ao receptor é apresentado na Figura 18. Destaca-se a relação C/N = 40dB para esse LNB nessa condição de alinhamento, com um patamar de ruído de -80 dbm e picos de algumas portadoras superando -40 dbm. Figura 18 - LNB-C - Referência durante o re-alinhamento do TVRO. (a) (b) (c) (d) Figura 19 - Comparação em Banda L dos LNBs - (a) LNB-A, (b) SLP3400, (c) SLP3700 e (d) LNB-B. Nesta comparação destacam-se os seguintes pontos: As características de amplitude do sinal convertido e a relação C/N para os três LNBs de mercado (LNB-A, LNB-B e SLP3400) são equivalentes. O SLP3700, que teve seu projeto alterado pelo fabricante para mitigação das interferências, apresentou ganho de conversão menor em cerca de 15 db. Essa redução de ganho não afetou a qualidade dos sinais analógicos e digitais de TV, mas contribuiu para que o sistemas se apresentasse mais robusto às interferências.