Feixes de Comunicação Satélite

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1 Sistemas de Telecomunicações Feixes de Comunicação Satélite Rui Macelino Abil 008 Engenhaia Electica e Electónica - TIT

2 Sumáio 1. Teoia Básica da tansmissão. Pojecto do feixe 3. Potência de uído do sistema 4. Refeências Sistemas de Telecomunicações 008

3 1 Teoia Básica da Tansmissão 3 Sistemas de Telecomunicações 008

4 Paâmetos a considea no pojecto de feixe Potência tansmitida pela antena Ganho da antena EIRP Densidade de fluxo (potência) no ecepto Pedas no espaço live Tempeatua de uído do sistema (ecepto) Figua de méito do sistema ecepto Relação Potadoa Ruído Témico Relação potadoa densidade de uído Relação potadoa uído 4 Sistemas de Telecomunicações 008

5 Radiado Isotópico Considee-se uma fonte isotópica (adiado pontual) que iadia Pt Watts unifomemente paa o espaço live. À distancia R, a áea de uma esfea com cento no adiado é 4πR A densidade fluxo à distancia R é dada po: F P t = W/m 4πR 5 Sistemas de Telecomunicações 008

6 Radiado Isotópico R Fonte isotópica Pt Watts F Pt 4πR = W/m Áea da supefície da esfea = 4πR Potência tansmitida Pt é englobada pela esfea. Powe Flux Density: 6 Sistemas de Telecomunicações 008

7 Ganho da Antena Po definição o ganho da antena é o aumento de potência de um sinal numa deteminada diecção quando compaada com um antena isotópica. São necessáias antenas diectivas paa diecciona o sinal numa deteminada diecção G ( θ ) = P(θ ( θ ) / 4π P 0 P(θ) Vaiação da potência com o ângulo G(θ) ganho na diecção θ. P 0 Potência total tansmitida esfea = 4π adianos sólidos 7 Sistemas de Telecomunicações 008

8 EIRP Uma antena isotópica iadia em todas as diecções de igual foma Po definição o ganho da antena é elativo ao adiado isotópico Uma antena é um dispositivo passivo - Não é geada potência adicional - O ganho é conseguido dieccionando a potencia tansmitida O EIRP (Effective Isotopic Radiated Powe) é a quantidade de potencia que o tansmisso deve poduzi se petende adia em todas as diecções de igual 8 Sistemas de Telecomunicações 008

9 EIRP Potência de saída do tansmisso HPA (High Powe Amplifie) é: P out watts Alguma potência é pedida antes da antena: P t =P out / t watts é a potência que chega à antena P t = Potência pesente à antena A antena tem um ganho: G t elativo ao adiado Isotópico O que esulta numa potencia adiada efectiva de: EIRP = P t G t watts elativo a 1 watt de um adiado isotópico EIRP P out t P t HPA 9 Sistemas de Telecomunicações 008

10 Densidade de Fluxo de Potência Qual a densidade de potencia no ecepto? A potencia é consevada num meio sem pedas A potencia adiada de um tansmisso deve atavessa a esfea na supefície da qual se enconta o ecepto A Áea da esfea é 4πR A pedas po espalhamento na supefície da esfea é 1/4πR 10 Sistemas de Telecomunicações 008

11 Densidade de Fluxo de Potência Densidade de Fluxo de Potencia (p.f.d.) é a medida da potencia po unidade de áea Este é um paâmeto do sistema que é egulamentado ITU egula limites paa do p.f.d. paa qualque sistema de satélite Pemite contola intefeências Com a polifeação sistema EO aumenta a impotância de contola este paâmeto. 11 Sistemas de Telecomunicações 008

12 Potência ecebida Podemos eesceve a densidade de fluxo de potencia consideando o ganho de tansmissão da antena: F = EIRP PG 4πR 4πR t t = W/m A potencia disponível paa a antena de áea A é: P = F x A = PG t t A 4πR 1 Sistemas de Telecomunicações 008

13 Abetua efectiva Numa Antena eal a áea da antena que etia enegia da onda electomagnética é meno que a áea da antena. A essa áea dá-se o nome de áea efectiva da antena. Define-se áea efectiva ou abetua efectiva Ae: A = e A phy x η Onde: A phy áea física da antena η Eficiência da abetua Muito bom: 75% típica: 55% 13 Sistemas de Telecomunicações 008

14 Abetua efectiva As antenas têm um ganho (máximo) G elacionado com a abetua efectiva: Gain = 4πA A λ π e onde: A e é a aea da abetua efectiva. 14 Sistemas de Telecomunicações 008

15 Abetua das antenas A abetua da antenas (Hons e Reflectoes) apesentam uma áea física que pode se facilmente calculado a pati das suas dimensões: A phy D = π = π 4 Abetua das antenas pode se definida po: Gain Gain 15 Sistemas de Telecomunicações 008 πa e 4πA = λ λ 4 phy = πd = λ η η Valoes típicos de η: -Reflectoes: 50-60% -Hons: %

16 Tipos de abetua das antenas HORN Eficiência, Baixo ganho, feixe lago REFECTOR Concenta a potencia numa estita zona de foma a aumenta o ganho nessa diecção Ganho elevado, feixe esteito 16 Sistemas de Telecomunicações 008

17 Tipos de eflectoes Symmetical, Font-Fed Offset, Font-Fed Offset-Fed, Casseganian Offset-Fed, Gegoian 17 Sistemas de Telecomunicações 008

18 Antenas com eflecto Rega paa calcula a lagua de feixe de uma antena paabólica num deteminado plano é dado em função da dimensão das antena θ 75 λ D 3 db gaus (Eqn. 3.) O ganho da antena paabólica é dado po: Gain 75π η = η θ 3dB θ ( 75π ) 3dB H θ 3dB E Consideando uma abetua típica com eficiência de 0.55 esulta em: Gain 30,000 ( θ ) θ 3dB θ H 3dB E 3dB = 30, Sistemas de Telecomunicações 008

19 Abetua de feixe da antena Peak (i.e. maximum) GAIN O ângulo ente -3 db define a abetua de feixe ou ângulo de meio potência 19 Sistemas de Telecomunicações 008

20 Potência ecebida A potência disponível paa a antena eceptoa com áea efectiva A = A e [m ] é dada: P = F x A = PG t t A 4πR e Onde (A = abetua efectiva da antena eceptoa), áea = A e Invetendo a equação: 4πA G e = λ Inveting A = e Gλ 4π 0 Sistemas de Telecomunicações 008

21 Potência ecebida P = PG G t t λ 4πR Fomula de Fiis (Eqn. 4.8) pedas no espaço live (p): p = 4πR λ Theefoe P = PG t tg p 1 Sistemas de Telecomunicações 008

22 Potência ecebida Outos paâmetos a te em conta paa a expessão a = Pedas devido a atenuação na atmosfea ta = Pedas associadas com a antena tansmissoa a = Pedas associadas com a antena eceptoa pol = pedas devidas a desalinhamento d polaização othe = (quaisque outas pedas) = Pedas adicionais no ecepto (depois da antena eceptoa) P = p a ta Pt G tg a pol othe Sistemas de Telecomunicações 008

23 Potência tansmitida P t =P out / t EIRP = P t G t Onde: P t = Potencia tansmitida à antena t = Pedas ente a fonte de potência e a antena EIRP = effective isotopic adiated powe P = = = p p t a a p a ta P EIRP ta P t ta G a a out t G x G a pol pol G t G pol othe othe othe 3 Sistemas de Telecomunicações 008

24 Pojecto do Feixe 4 Sistemas de Telecomunicações 008

25 Dimensionamento da Potência do feixe Tx EIRP Tansmissão: - Potência HPA -Pedas Tansmissão (cabos & conectoes) -Ganho da Antena -Pedas po desalinhamento das antenas de Tx e de Rx -Pedas no espaço live -Pedas atmosféicas (gases, nuvens, chuva) Recepção -Ganho da antena -Pedas de ecepção - (cabos & conectoes) -Tempeatua de uído Rx P 5 Sistemas de Telecomunicações 008

26 Cálculo do feixe Potadoa mínima C min é o limia que pemite defini definem a potencia mínima que deve se ecebida no desmodulado paa que a comunicação funcione coectamente. Depende de: Do tipo de modulação usado. Da qualidade de comunicação deseja. Ganho de codificação. agua de banda do canal. Potência de uído témico. 6 Sistemas de Telecomunicações 008

27 Fecha o feixe Pecisamos de calcula a Potência ecebida paa sabe: P >= C min Feixe fechado P < C min Feixe abeto Podemos ve de outa foma, como a magem do feixe: Magem = P C min De modo equivalente: Magem > 0 Feixe fechado Magem < 0 Feixe abeto 7 Sistemas de Telecomunicações 008

28 Relação Potadoa/ Ruído (C/N) C/N: Potadoa / Ruído no ecepto BW (db) Pemite calcula a magem se: Fo conhecida a agua de banda do ecepto Relação C/N fo conhecida paa deteminado tipo de sinal C/N o :Potadoa / Ruído p.s.d. (dbhz) C é a potencia ecebida e N 0 epesenta a densidade espectal de potência de uído e N 0 epesenta a densidade espectal de potência de uído ( isto é, potência de uído po lagua de banda, Watts/Hz ou db W /Hz ). 8 Sistemas de Telecomunicações 008

29 3 Potência de Ruído do Sistema 9 Sistemas de Telecomunicações 008

30 Tempeatua de Ruído Um sistema de comunicações é tipicamente constituído po: - Tansmisso - Canal de comunicação - Recepto A foma mais comum de degadação é o uído témico (uído geado pelos pópios componentes). A potência de uído geada P N pode se descita e atibuída a uma Tempeatua de uído T N P N = kt N B Num sistema de ecepção a tempeatua de Ruído é dada T N =T ant. + T sys T ant. - Tempeatua de uído visto pela antena T sys Tempeatua de uído do ecepto 30 Sistemas de Telecomunicações 008

31 Tempeatua de Ruído em cascata A Tempeatua de uído equivalente de múltiplos componentes em cascata. É limitada pela Tempeatua de Ruído do 1ª componente 31 Sistemas de Telecomunicações 008

32 Potência de Ruído A potencia de uído é dada: N = kt B e Onde: K constante de Boltzmann Te- Tempeatua equivalente de uído em gaus Kelvin B agua de banda em Hz A densidade de potencia de uído: N N 0 = = B kte A EIRP é definida po: EIRP = W t Gt A Fómula de Fiis é: W = W G G t t λ 4 π 3 Sistemas de Telecomunicações 008

33 Relação Potadoa/ Ruído (C/N) Reescevendo a Fómula de Fiis : C = ( EIRP) G λ 4 π Dividendo ambos os membos dessa equação po N 0, temos: C 1 G λ = ( EIRP) satelite 0 4 N k Te π fato de qualidade do teminal teeste Peda espaço live Expessando em decibéis, obtemos: C N 0 db W = 10 log G T ( EIRP) + 10 log + 10 log 10log k e λ 4 π 33 Sistemas de Telecomunicações 008

34 Relação Potadoa/ Ruído (C/N) Em temos de unidades a equação anteio significa, simplesmente: C N 0 db Hz = G λ 4π ( EIRP) + k db + db / K Hz W T e db / K db W No lado dieito da equação anteio, temos pimeiamente a EIRP do satélite expessa em dbw, o fato de qualidade do temina teeste de satélite, G /T e em decibéis po gau Kelvin, o teceio temo epesenta a peda po espaço live, nomalmente denotada como: fs 10 λ log 4 = π 34 Sistemas de Telecomunicações 008

35 Pedas no espaço live Se a fequência fo expessa em GHz e a distancia em quilômetos, a peda de espaço live pode se escita numa foma mais pática paa o tabalho de pojeto de sistemas de satélite, dada po: fs = 9,4 + 0log f + 0log [ db] Paa um dado satélite geoestacionáio, a peda po espaço live tona-se uma constante. Tambem o ultimo temo é uma constante igual a: 3 10 log k = 10 log1,38 x 10 = 8,6 dbw K Hz 35 Sistemas de Telecomunicações 008

36 Magem O valo da seguança da ligação depende da banda de fequência de opeação, gealmente adota-se o seguinte citéio: M = 4 db paa a banda C 6 db paa a banda Ku valoes maioes paa bandas supeioes 36 Sistemas de Telecomunicações 008

37 Figua de Méito do sistema G/T s : ganho da antena Rx/Tempeatua do sistema Designa-se Figua de Méito G/T s Desceve a sensibilidade de ecepção do sistema 37 Sistemas de Telecomunicações 008

38 Potencia de uído do sistema Desempenho do sistema é dada pela elação C/N Paa um bom funcionamento da comunicação C/N > 10 db. Ou C > N + 10 db É peciso conhece a Tempeatua de uído do ecepto paa o calculo de N, Potência de Ruído(N = P n ). T n (tempeatua de uído) em Kelvins (K): T 0 + [ K] = T C 73 5 T + 9 [ ] 0 K = T F Sistemas de Telecomunicações 008

39 Potencia de uído do sistema O uído é causado po fontes de uído témico EXTERNO AO SISTEMA DE RECEPÇÃO - Ruído tansmitido no feixe - Ruído obsevado pela antena INTERNO AO SISTEMA DE RECEPÇÃO A Potência devida ao uído témico é: N = ktsb (dbw) Onde k = constante de Boltzmann = 1.38x10-3 J/K(-8.6 dbw/hzk), T s Tempeatua de uído efectiva dos sistema B agua de banda efectiva do sistema 39 Sistemas de Telecomunicações 008

40 4 Refeências 40 Sistemas de Telecomunicações 008

41 Refeências - Michael O. Kolawole, Satellite Communication Engineeing, (00) [Cap. 4] 41 Sistemas de Telecomunicações 008