Capítulo 2. Estações Terrenas em Comunicações Via Satélite com Órbita Geo-Estacionária

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1 Capítulo Estações Terrenas em Comunicações Via Satélite com Órbita Geo-Estacionária Enlace Ponto-Ponto em apenas um sentido Satélite Enlace de subida (Up-Link) Enlace de Descida (Down-Link) Estação de Transmissão Estação de Recepção

2 Enlace Ponto-Múltiplos Pontos em apenas um sentido Satélite Enlace de subida (Up-Link) Enlace de Descida (Down-Link) Estação de Transmissão Estações de Recepção Enlace Ponto-Ponto nos dois sentidos Satélite Enlace de subida (Up-Link) Enlace de descida (Down-Link) Estação de Transmissão Estação de Recepção

3 Enlace Ponto-Múltiplos Pontos nos dois sentidos Satélite Enlace de subida (Up-Link) Enlace de subida (Down-Link) Estação de Transmissão Estação de Recepção Estação de Transmissão para Operação em apenas um Sentido FI 70MHz ou 40MHz Informação (Análoga ou Digital) Modulador Conversor de Freqüência ( Up-Converter) Amplificador (HPA) Antena

4 Estação de Recepção para Operação em apenas um Sentido Banda L LNA Down-Converter Down Converter Demodulador Antena LNB FI 70MHz ou 40MHz Informação (Análoga ou Digital) Estação Terrena para Operação Bidirecional 4

5 Antenas Empregadas nas Estações Terrenas. Antenas Cornetas (Horn Antenna) Rede de Antenas em Fase (Phased Array Antenna) Antenas Parabólicas (Parabolic Antennas) Antena Prime-Focus Iluminador (Alimentador) ø 0 Transbordamento (Lóbulos Laterais) Refletor Parabólico Distância Focal D Diagrama do Iluminador Ψ 0 Superfície Terrestre 5

6 Antena Prime-Focus com Montagem Off-Set Transbordamento (Lóbulos Laterais) Iluminador (Alimentador) ø 0 Distância Focal Refletor Parabólico Ψ 0 Vértice do Refletor Parabólico Superfície Terrestre Antena Casegrain B ø 0 Refletor Parabólico Iluminador (Alimentador) ø 0 Sub-Refletor Hiperbólico Radiação espalhada pelo sub-refletor Ψ 0 Superfície Terrestre 6

7 Refletor Principal Estrutura para reflexão da onda eletromagnética para redução de perdas, evitando o uso de cabos e guias. Quarto D Refletor Plano Primeiro Refletor Plano A Ponto Virtual do Iluminador em configuração convencional C B Terceiro Refletor Curvado Segundo Refletor Curvado Iluminador Modelo Equivalente da Antena Casegrain d s A ø 0 B d h ø e D f d f a f e 7

8 A refletor auxiliar da antena casegrain causa obstrução do sinal e provoca a redução de ganho, a diminuição da largura de feixe e o aumento dos lóbulos laterais. Estes efeitos podem ser minimizados se as relações apresentadas abaixo forem atendidas. f f a d = d d a h d a = f dλ ηa Antena Gregoriana Iluminador S S Iluminador S S Refletor Auxiliar Hiperbólico Refletor Auxiliar Elíptico Refletor Parabólico Principal Refletor Parabólico Principal 8

9 Refletor Auxiliar Elíptico Antena Gregoriana com Montagem Off-Set Iluminador Refletor Parabólico Principal Eficiências Parciais e Total de Antenas Casegrain Fator de Eficiência Símbolo Perda (%) Perda (db) Eficiência (%) Alimentador η,4 0,059 98,66 Refletor hiperbólico auxiliar Refletor parabólico principal Perdas por obstrução do refletor auxiliar Erros de Fase e erros de superfície Erros de Polarização a ηh,7 0,54 88,7 η p 4,00 0,77 96,00 ηoh 7,40 0,4 9,60 ηefs 7,56 0,40 9,44 ηep,5 0,050 98,85 Eficiência Total η ,74 Perda Total - -,50-9

10 Parâmetros Elétricos das Antenas Polarização Este parâmetro é de grande importância na antena, pois os satélites geo-estacionários utilizam como forma de múltiplo acesso as polarizações contrárias, exigindo que as antenas ofereçam elevados valores de isolação entre polarizações. Polarização Linear Polarização Horizontal e Polarização Vertical Polarização Circular Polarização circular horária e anti-horária Diagrama de Irradiação. Diagrama Retangular Diagrama Polar Meia Potência Largura de Feixe Abertura de Feixe 0

11 = D db λ θ 5 58, Abertura de Feixe para Iluminações Uniformes 58,5 = db G θ π η ( ) = db db G G θ θ θ Abertura de Feixe para Iluminações Não Uniformes = D db λ θ = db G θ π η ( ) = db db G G θ θ θ

12 Temperatura Equivalente de Ruído Temperatura (k) Elevação (o) T = Tb ( θ, φ ) G( θ φ ) sinθ dθ dφ 4π A, Modulação e Demodulação FM (Analógica) BPSK, QPSK e 8PSK 6QAM FSK

13 Modulação FM em Sistemas Analógicos Saída de FI 70MHz (40MHz) Filtro Banda Básica Pré ênfase Modulador de FM Filtro de FI Filtro de Loop Buffer PLL Demodulação FM em Sistemas Analógicos Filtro de FI 70MHz (40MHz) Limitador de FI Discriminador de FI Filtro passa baixa Dê-ênfase Filtro da Banda Modulante

14 Pré-ênfase e dê-ênfase empregadas na modulação e demodulação FM Transmissão V V V Sinal modulante Sinal f Recepção V Sinal modulante após a pré- ênfase f Ruído Sinal demodulado f Sinal e ruído após a dê-ênfase f Estrutura Básica do Processo de Modulação e Demodulação Digital Dados Codificação Externa Codificação Interna Modulador FI 70MHz (40MHz) FI 70MHz (40MHz) Demodulador Decodificação Interna Decodificação Externa Dados 4

15 Equipamentos de Transmissão FI 70MHz ou 40MHZ BANDA L BANDA C BANDA X BANDA Ku BANDA Ka FILTRO DE BANDA L FILTRO DE BANDA L HPA Antena (Iluminador) X OL X OL ª Conversão ª Conversão Equipamentos de Recepção BANDA C BANDA X BANDA Ku BANDA Ka Antena (Iluminador) LNA BANDA C BANDA Ku FILTRO DE BANDA L OL BANDA L MHZ OL FILTRO DE CANAL BW=500khZ BW=500khZ FI CANAL DE RECEPÇÃO FI 70MHZ LNB RECEPÇÃO DE SINAIS DE TV E RÁDIO ª Conversão ª Conversão DOWN CONVERTER REDES PARA COMUNICAÇÃO DE DADOS VIA SATÉLITE RECEPTOR 5

16 Capítulo Técnicas de Múltiplo Acesso em Comunicação Via Satélite. Múltiplos Acessos SDMA e PDMA Cobertura por Zona Cobertura Hemisférica Polarização Vertical Polarização Horizontal SDMA Mesma Freqüência em Áreas Diferentes PDMA Reuso de Freqüências com Difentes Polarizações Sátelite com Múltiplas Coberturas em Diferentes Bandas de Operação 6

17 Múltiplo Acesso por Divisão de Freqüência - FDMA FDMA t t Transponder N Freqüência Antena t B FDMA Tempo Antena Antena Múltiplo Acesso por Divisão de Tempo - TDMA TDMA t Transponder Freqüência Antena t t B N TDMA Tempo Antena Antena 7

18 Múltiplo Acesso por Divisão de Código - CDMA CDMA Transponder Code t Freqüência Antena N t N B Antena CDMA Tempo Antena Múltiplo Acesso por Divisão de Freqüência FDMA 8

19 FDM-FM-FDMA Satélite Manaus Rio de Janeiro Buenos Aires Área de Cobertura do Satélite T x R x Rio de Janeiro para Manaus e Buenos Aires Manaus e Buenos Aires para Rio de Janeiro FDM-FM-FDMA MULTIPLEXAÇÃO ANALÓGICA CANAIS DE ENTRADA N MOD. FM UP CONVERTER HPA CANAIS DE SAÍDA N MUX FDM DEM. FM DEM. FM DOWN CONVERTER DOWN CONVERTER LNA LNA DIV Antena 9

20 FDM-FM-FDMA Manaus Rio de Janeiro Buenos Aires De: MHz Portadoras de Uplink Transponder BW De: Manaus Rio de Janeiro Buenos Aires MHz Portadoras de Down-link Transponder BW FDM-FM-FDMA 84 Circuito de voz 68 Circuito de Voz 4 Circuito de voz 4 Circuito de voz 6 Circuito de voz 0

21 TDM-PSK-FDMA Multiplexação digital CANAIS DE ENTRADA N MOD. PSK UP CONVERTER HPA MUX TDM (PCM) Antena CANAIS DE SAÍDA N DEM. PSK DOWN CONVERTER LNA Feixe de dados digital Transmissão de Sinais de Som e Imagem para TV e Rádio Audio Modulação FM Sub-portadora F Audio Modulação FM Sub-portadora F... Σ Modulação FM Audio n Modulação FM Sub-portadora N F n Vídeo Banda Básica FI (70MHz ou 40MHz) Filtro de Vídeo

22 Transmissão de Sinais de Som e Imagem para TV e Rádio Amplitude... 0 Banda de Vídeo F F F F n Freqüência 4, MHz Transmissão de Sinais de Som e Imagem para TV na Concepção Digital. Video Multiplexação digital ADI ADG Encoder MPEG MOD. QPSK UP CONVERTER HPA Antena Dados Feixe MPEG-

23 Sistema INTELSAT SCPC Piloto 99 (400) (40) KHz 8.045MHz Freqüência Central 6MHz Sistema SPADE Piloto (40) (40) (40) 99 (799) (800) CSC 60KHz 8.045MHz Freqüência Central 8.045MHz 6MHz

24 Sistema SPADE 800 G: Número de Estações com G/T = 5 db/k N(G): Número máximo de canais admitido por transponder N(G) G Múltiplo Acesso por Divisão de Tempo TDMA 4

25 Frame R A B C R A B C R TDMA A A R R C B A R C B A Estação Referência B C D TDMA Frame Frame Frame R From A From B... From Y From Z Reference burst Preâmbulo Tráfico de dados G CBR BCW SIC G CBR BCW SIC OW To B To C... To Z Q Burst de Referência Tempo de Guarda Recuperação de Portadora e Relógio Palavra de Código de Burst Código de Identificação de Estação 5

26 Comparação das Técnicas FDMA e TDMA As técnicas FDMA e TDMA apresentam a mesma capacidade de transmissão, como pode ser observado nas equações R FDMA = M b T R TDMA = b T M = M b T 6

27 A diferença significativa entre as técnicas FDMA e TDMA é o tempo médio de atraso. D = T + TDMA M D FDMA = T Graficamente esta diferença fica mais evidente. Comparação das Técnicas FDMA e TDMA. 0.9 D FDMA D TDMA M 7

28 Técnicas de Múltiplo Acesso Empregando Algoritmos com Processo Aleatório. ALOHA Necessidade de transmissão de dados Modo de transmissão Contagem Randômica Modo de Escuta Fim da Transmissão Time out 8

29 ALOHA Pacote Y Pacote W Pacote A t 0 t 0 + τ t 0 + τ Período de Vulnerabilidadedo Pacote A S-ALOHA Pacote A t 0 t 0 + τ t 0 +τ t 0 +τ Período de Vulnerabilidade do Pacote A 9

30 R-ALOHA M V Slots Subslots Satelite time Request ACK Envio do 0 slot Estado Quiescente round trip Desempenho das Técnicas de Múltiplo Acesso Empregando Algoritmos com Processo Aleatório. 0

31 ρ ALOHA ρ S-ALOHA ALOHA ρ = G G e G S-ALOHA ρ = G e G Técnica Vazão Normalizada Vazão (%) ALOHA ρ = 0,84 ρ = 8,4 S-ALOHA ρ = 0,68 ρ = 6,8 R-ALOHA ρ = 0,670 ρ = 67,0

32 Capítulo 4 Análise do Comportamento Não Linear do Transponder de Satélite, como Repetidor de Sinais de Rádio Freqüência. Representação da Função de Transferência dos Transponders Séries de Taylor; Funções de Saleh Modelo de Blum e Jeruchim Séries de Volterra

33 Representação da Função de Transferência dos Transponders Comportamento Ideal 7 6 V out (t) 5 Comportamento Real V in (t) Representação da Função de Transferência dos Transponders V V out n j ( t) = K V ( t) j= j 4 n ( t) = K V ( t) + K V ( t) + K V ( t) + K V ( t) + K V ( t) out in in in 4 in + in n in

34 Análise do Comportamento Quadrático V out ( t) = K V ( t) K V ( t) in + in V out (t) V in (t) Análise do Comportamento Quadrático K A K A V out ( t) = K A cosω t + + cos( ω t) 0 8 Sinal de Saída 6 4 V out (t) 0 - Sinal de Entrada V in (t) 4

35 Análise do Comportamento Quadrático A A f Entrada f f (f ) f Saída Ponto de Interseção de Segunda Ordem 0 4 V out (t) 0 0 Ponto de Interseção de Segunda Ordem Segunda Harmônica Portadora Fundamental V in (t) 5

36 Análise do Comportamento Cúbico V ( t) = K V ( t) K V ( t) out in + in V out (t) V in (t) Análise do Comportamento Cúbico ( t) = K A cosω t + K A cos( ω t) + K A cos( ω t) V out Sinal de Saída 4 V out (t) 0 - Sinal de Entrada V in (t) 6

37 Análise do Comportamento Cúbico A A f f f (f ) f Ponto de Interseção de Terceira Ordem 0 0 Portadora Fundamental 0 0 Ponto de Interseção de Terceira Ordem V out (t) Terceira Harmônica V in (t) 7

38 K V in Ponto de Compressão de db K V ( t) 4 N ( t) + K V ( t) + K V ( t) + K V ( t) + + K V ( t) in in = in 4 in n in ( db) Vout(t) 4 db Vin(t) Produtos de Intermodulação de Ordens Elevadas A Tempo 40 A Freqüência 8

39 Produtos de Intermodulação de Ordens Elevadas Zona DC Zona Fundamental Zona da Segunda Harmônica Zona da Terceira Harmônica A f c f c f c f Fundamental Harmônicas Intermodulações decorrentes da Soma Intermodulações decorrentes da Diferença Conversões AM-AM e AM-PM em amplificadores não lineares A (f -f ) f f (f -f ) f 9

40 Conversões AM-AM e AM-PM em amplificadores não lineares A (f -f ) f f (f -f ) f Conversões AM-AM e AM-PM em amplificadores não lineares A (f -f ) f f (f -f ) f 40

41 Determinação dos Níveis de Intermodulação Lema da Não Coincidência 4

42 δ δ δ δ A... f f f f 4 f 5 f 6 f n f n A... f f f f 4 f 5 f 6 f n f δ 4 δn 4

43 Lema Não Coincidência: Considere o tráfego de N portadoras múltiplas pelo transponder de um satélite. Seja I = {,,,..., N} N e f i a freqüência de cada portadora, i I. Se i = f i+ - f i, i I {N} é o espaçamento entre elas, então existe a não coincidência dos produtos de intermodulação se e somente se: i j δ i = α ; α N* δ j i j ; i, j I 4

44 Lema Relação Portadora/Ruído de intermodulação: Assumindo verificadas as hipóteses do Lema. Se as portadoras têm amplitudes satisfazendo: A i = A i+ = A i I - {N}, Então, a relação portadora/ruído de intermodulação satisfaz: 44

45 45 ( ) [ ] 4 6! 9 4 A K N A K K N C IMD + = Lema atendido ( ) [ ] ( ) = + = 4! 9 4 N n IMD n A K N A K K N C Lema não atendido N= N> V in (t) V out (t)

46 Capítulo 5 Equacionamento de um Enlace Via Satélite em Condição Geo-Estacionária (G/T) SAT N u + Conversor de Freqüência (Down-Converter) TWTA ou SSPA EIRP SAT Enlace de subida (Up-Link) (C/N) u (C/N) IMD Enlace de Descida (Down-Link) (C/N) d P TX N d HPA Estação de Transmissão GTX Estação de Recepção + LNA 46

47 = IMD d u T N C N C N C N C = B R N C N E b 0 Equações para Desempenho do Enlace = 0 N E f BER b [ ] ( ) B K T G A EIRP db N C SAT u u u + = log 0 Análise do Enlace de Subida 4 4 d EIRP d G P u TX TX SAT = = Ψ π π

48 Valores deψ SAT do Satélite EIRP SAT BO out EIRP NOM BO in 0 Ψ NOM Ψ SAT BO [ ] = ΨSAT ΨNOM BOout[ db] = EIRPSAT EIRPNOM in db 48

49 Relação Portadora Ruído de Intermodulação C N IMD = K K K ( ΨSAT GRX SAT ) ( ) [ 9 +!( N ) ] 0, BO 0 ( Ψ G ) SAT 0 in RX SAT ( 0, BO ) in ( N ) n= n (C/N) IMD (C/N) u (C/N) (C/N) d (C/N) T 0 0 Fluxo de Potência de Entrada Ψ SAT BO in 49

50 Valores de G/T do Satélite Análise do Enlace de Descida C N d G T [ db] = EIRP BO A + 0 log ( K B) SAT OUT d d 50

51 Valores de EIRP SAT do Satélite Cálculo do BO OUT no Enlace de Descida BO OUT = 0 ( 0,05 BO ) in K K K K ( Ψ G ) [ 9 +!( N ) ] SAT ( ΨSAT GRX SAT ) ( ) [ 9 +!( N ) ] 0, BO 0 RX SAT in 5

52 Atenuações nos Enlaces Via Satélite Atenuações por Espaço Livre A e 4, log f + 0 log d Atenuações por Desapontamento de Antenas θ T θ R Antena de Transmissão Antena de Recepção A A TX θ T = θ db A A RX θ R = θdb 5

53 Atenuações por Erros de Polarização. A POL = 0 log( cosξ ) Efeito Rotação de Faraday Freqüência. Dependência 0,GHZ 0,5GHz 0,5GHz GHz GHz 0GHz /f 0 4,8, 08 o o. o rotações rotações rotações Atenuação por Chuva γ R (db/km) Freqüência(GHz) 0 0 Pol. Horizontal, Pol. Vertical, Pol. Circular 5

54 Atenuação por Chuva 0 γ R (db/km) R 0,0% Atenuação dos Componentes Passivos... HPA Guia de Onda... Guia HPA Circulador Recepção... Guia... LNA Guia de Onda... Circulador Guia... LNA Guia 54