Dimensionamento de Enlace. Comunicação por Satélite

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1 Dimensionamento de Enlace Prof. Cláudio Henrique Albuquerque Rodrigues, M. Sc. 1

2 Dimensionamento de Enlace Atenuação de espaço livre - prox. a 400 db Equipamentos: antenas, HPA, LNA EIRP, G/T Transponder no satélite Ruído Térmico Enlace de subida/descida Processamento de sinal - modulação, codificação Atenuação por chuva Intermodulação - Satélite/Terra Interferência Pot. de saída Saturação Pot. de entrada 2

3 Ganho de antena G 4 2 G(1m 2 ) =(4/ 2 ) D D f A c Ganho (máximo) da antena em relação à antena isotrópica Área de abertura do refletor, A Diâmetro do refletor da antena, D Frequência, f = (c/) 2 2 Eficiência da antena, O ganho aumenta com 20 log (f. D) Largura de feixe de meia potência: 70 c f D 3

4 Ganho de antena Ganho de Antena (dbi) = 10 log [ ( D f / c ) 2 ] - = 0,6 f (GHz) D = 1,2 m D = 1,8 m D = 2,4 m D = 3,6 m D = 6 m D = 9 m 4 31,8 35,3 37,8 41,3 45,8 49,3 6 35,3 38,8 41,3 44,9 49,3 52, ,3 44,9 47,4 50,9 55,3 58, ,7 46,2 48,7 52,2 56,7 60,2 42 dbi 3dB 45 dbi 42 dbi 3dB - Largura (graus) de feixe de meia-potência = 70 c /(f D) f (GHz) D = 1,2 m D = 1,8 m D = 2,4 m D = 3,6 m D = 6 m D = 9 m 4 4,38 2,92 2,19 1,46 0,88 0,58 6 2,92 1,94 1,46 0,97 0,58 0, ,46 0,97 0,73 0,49 0,29 0, ,25 0,83 0,63 0,42 0,25 0,17 VSAT HUB Antena do satélite: 20 dbi para feixe global, a 38 dbi para feixe spot. Ir para o Artigo /Palestra. 4

5 EIRP? $$$? HPA EIRP = (Potência transmitida). (Ganho da Antena) em db: EIRP = P T + G T A EIRP é geralmente expressa em unidades logaritmicas, em dbw EIRP - Effective Isotropically Radiated Power O valor da EIRP varia com a direção considerada com respeito à antena, e esta variação é dada pelo diagrama de radiação EIRP: Fator de mérito de Transmissão 5

6 EIRP - Mapa de Cobertura Mapa de cobertura do satélite Brasilsat B2, feixe spot Mercosul combinado, com 1 transponder 36dBW O valor de 36 dbw é a EIRP máxima de saturação emitida pelo satélite no centro do feixe 6

7 Atenuação de espaço livre S P i 4d Comprimento do enlace, d 20 log (d max /d min ) = 1,32 db Frequência, f = (c/) A perda isotrópica aumenta com 20 log (f. d) P i = 195,4 db a ,9 GHz P i = 204,9 db a 206,2 11,7 GHz P i = 92, log (d km. f GHz ) db 2 4fd c 2 T d MIN d MAX 7

8 Distância entre a estação terrena e o satélite Coordenadas esféricas S Satélite: S = (r s, s s = (R+h, /2, Long s ) Estação: P = (r P, P P ) = (R, /2 - Lat P, Long P ) R = 6378 Km - h = Km - R + h = Km d = [(R+h) 2 +R 2-2R(R+h)sen p cos( s - P )] 1/2 P 8

9 Característica de transferência de enlace P TX Antena TX (D 1 ) Canal (d) Antena RX (D 2 ) P RX P RX P G G P i 1 2 / 1 2 TX 4 D D d A característica de transferência do enlace (subida ou descida) aumenta com 20 log(f D 1 D 2 / d) Banda Ku: antenas menores que as de banda C 9

10 A potência recebida será: P R = P T + G T - P i + G R = EIRP - P i + G R = C Fator de mérito de recepção A densidade espectral de ruído na recepção é função da temperatura equivalente de ruído do receptor, T R : N o = KT R K = 1,38 x J/K 10 log K = -228,6 dbj/k (C/N o ) = EIRP - P i + G R + 228,6-10 log T R G R /T R = FATOR DE MÉRITO DE RECEPÇÃO 10

11 BER Uma vez estabelecido o valor de BER a ser atendido, o valor de (C/N o ), ou E b /N o, ou (C/N), para o enlace, está determinado na curva de desempenho do modulador E b = C/R b N = N o B N B N = Banda de ruído do receptor BPSK: B N = R b QPSK: B N = R b /2 BER 10-5 Para modulações analógicas busca-se determinar o valor de C/N a atender. 8 E b /N o (db) 11

12 BER Note que: E b = C/R b, ou C = E b R b também: N = N o B N, e B N R b, portanto, quer se considere a BER em função de E b /N o ou de C/N (o que é equivalente), a potência de transmissão requerida é proporcional à taxa de bits que se quer transmitir Conclusão: VSATs se prestam inerentemente à transmissão de baixas taxas 12

13 Ruído Ruído térmico de um resistor N = KT 0 B K = 1, J/K T 0 = temperatura do resistor (K) 10 log(k) = -228,6 db J/K B = largura de faixa de medição (Hz) Duas representações para o excesso de ruído, referido à entrada de um dispositivo: Temperatura equivalente de ruído, T (K) - mais usual em comunicações por satélite Figura de ruído, F (razão de potências ou db) - mais usual em radiocomunicação terrestre 13

14 Normalmente adotase T 0 = 290 K Temperatura de ruído x figura de ruído N i R T 0 G T e N s Ruído esperado na saída: N S = KT 0 GB mas, o ruído medido é maior... N s = K(T 0 +T e )GB N S = FKT 0 GB N K T T B i 0 e Ni F K T0 B F 1 T T e 0 T T F e

15 Ruído de uma cadeia de elementos F N 1 F 2 i N S G 1 G 2 R T 0 T 1 T 2 T i T T T T1 G1 G1 G2... Ta = 20 K Guia Perda = 0,1 db G = 50 db T LNA = 55 K LNA G G = 10-0,01 T G = (10 0,01-1)290 K = 6,75 K TLNA T Ta TG... G G T = ,75 + (55 x 10 0,01 ) T = , ,28 T = 83,03 K Note: T referenciada à entrada de G1 ou à interface antena-guia 15

16 Temperatura de ruído de uma antena A antena é um gerador com resistência interna (resistência de radiação) não-ohmica, e idealmente não geraria ruído térmico. Na prática, a antena tem componentes ohmicas (baixas) que contribuem para a temperatura de ruído. A antena capta ruído presente no seu ambiente. Todo objeto com temperatura física acima de 0 K irradia energia, função de sua emissividade e temperatura molecular (física): T B (,) = (,)T m T A T B 2 0 0, G, sindd G, sindd N A kt A B Potência de ruído numa banda B T A = Temperatura equivalente (fictícia) de ruído da antena. É importante definir o ponto ao qual T a é referenciada 16

17 Temperatura de ruído da antena em terra, com céu claro Antenas diretivas apontadas para o espaço Fontes de ruído de antena: Ruído da Terra (290 K) - lóbulos secundários - spill over Ruído do céu - troposfera, cósmico: ~8 K em 4 GHz e 10 K em 12 GHz, com elevação de 35 o Ruído de planetas e estrelas - Sol objetos próximos, edifícios, radomes, elementos da antena T a tipicamente menor que 30 K - se a mesma antena for empregada em um enlace terrestre, ela apresentará temperatura de ruído maior 17

18 Temperatura de ruído da antena em terra, com chuva Influência da chuva em T A - A chuva não apenas atenua o sinal recebido do satélite, mas também aumenta o ruído de sistema da estação terrena - degrada G/T Com chuva Com céu claro T A =T Céu +T Solo +T RES Céu T A =T Céu /A Ch +T Ch (1-1/A Ch )+T Solo +T RES Céu Nuvem de chuva T RES T Céu T Solo T Céu /A Ch T RES T Ch (1-1/A Ch ) Solo T Solo Solo 18

19 Temperatura equivalente de ruído de antena, T A - valores típicos para céu claro Antena offset de 1,8 m 20 K/28 K com elev. de 90 o /30 4 GHz 18 K/23 K com elev. de 90 o /30 12 GHz Antena duplo-refletor simétrica gregoriana 14 K/16 K/18 K com elev. de 90 o /30 o /20 4 GHz 16 K/ 18 K/26 K com elev. de 90 o /30 o /20 12 GHz Exemplo de variação de T A com chuva T Céu = 8K; T Solo = 15 K; T RES = 10 K; A Ch = 4 (6 db); T Ch = 278 K (5 o C); T RX = 100 K Com céu claro: T A = 33 K; T S = 133 K Com chuva: T A = 8/ (1-1/4) + 25 = 235,5 K ; T S = 335,5 K Degradação em T S : 10 log(335,5/133) = 4,0 db Degradação em C/N: 6 + 4,0 = 10,0 db Temperatura de ruído da antena em terra, com chuva 19

20 Temperatura de ruído da antena do satélite Oceano Pacífico Oceano Atlântico África BRIGHTNESS TEMPERATURE T Be (K) 30E 60E 90E 120E 150E W 120W 90W 60W 30W LONGITUDE América do Sul Njoku & Smith

21 Temperatura de ruído da antena do satélite As curvas da figura anterior mostram para várias frequências, a temperatura ponderada de brilho da Terra, calculada sob determinadas condições, para uma antena de cobertura global A temperatura de ruído de uma antena embarcada específica é calculada como o produto do valor indicado pela curva acima por um fator de eficiência de feixe, (diferente da eficiencia de radiação) que apresenta valores típicos entre 0,5 e 0,6 Uma antena embarcada com feixe mais estreito e apontada para regiões continentais terá maior valor de temperatura de ruído do que uma antena de cobertura global, cuja cobertura também abrange regiões oceânicas, de menor temperatura. Valores de temperatura de ruído da antena do satélite se situam entre 60 K e 240 K, dependendo da frequência, da longitude subsatélite e do tipo de feixe (global, hemisférico, zonal ou spot) e seu apontamento 21

22 Temperatura de ruído da antena do satélite A temperatura de ruído da antena do satélite, T AS, praticamente não sofre influência da chuva pois: T AS recebe contribuição de ruído emitido por toda a região na Terra que tem cobertura, e a chuva não acontece simultaneamente em toda esta área A diferença entre a temperatura da Terra e das nuvens é pequena Deste modo, o efeito de chuva no enlace de subida se resume na atenuação introduzida no sinal transmitido para o satélite 22

23 Ruído de Planetas e estrelas Eclipse solar na estação terrena Em uma região na Terra, o Sol é visto alinhado com o satélite e por trás deste Tamanho angular do sol: 0,53 o 23

24 Eclipse solar na estação terrena O Sol passa por trás do satélite, na visada da estação terrena receptora O Sol visto da Terra compreende um ângulo de 0,53 o : (0,53/360) (24x3600) =127 s Temperatura de ruído da antena aumenta quando o sol entra no lóbulo principal função do tamanho (ganho) da antena e da frequência de operação 4000 K 4 GHz / K 11 GHz Em 4 GHz, 4000 K corresponde a degradação de 17 db em um sistema com Para antenas de ~4 m T = 75 K em céu claro A comunicação pode ser interrompida Ocorrência previsível - permite prover diversidade se necessário em dois períodos anuais - equinócios em março e setembro Datas, duração e intensidade dependem da localização do satélite e da estação terrena, e do tamanho da antena em terra em um período de cerca de 6 dias, duas vezes no ano, as interrupções acontecem 1 vez por dia, com duração crescente, de zero até o máximo de 8 min, e depois vão decrescendo até desaparecer 24

25 Cálculo de enlace Objetivo: Determinar C/N 0 (ou C/N, ou E b /N 0 ) na recepção, ou ajustar parâmetros do sistema para satisfazer requisitos de desempenho Parâmetros do enlace: P T, G T, G R, d, características dos HPAs de terra e dos transponders, Temperaturas equivalentes de ruído de antenas e de receptores em terra e embarcadas Grande variedade de problemas e de situações 25

26 Enlace de subida - 1 Duas equações básicas no enlace de subida... C/N 0 recebido no satélite EIRP necessária da estação terrena... em função de duas quantidades que caracterizam o receptor no satélite: SS - densiddade de fluxo de potência de saturação do transponder G/T do receptor no satélite 26

27 Enlace de subida - 2 P R (dbw)= P T + G T - P is + G R Os dois primeiros termos são a EIRP (C/N) S = (EIRP) E - P is + G R +228,6-10 logt s - 10 log B RF (C/N 0 ) S = (EIRP) E - P is + G R +228,6-10 logt s 64 Kbit/s 128 Kbit/s f Para modulação QPSK, o valor de B RF a ser usado é o da taxa bruta de bits de informação transmitida, dividida por 2 B RF1 B RF2 QPSK 27

28 Enlace de subida - 3 G R = G(1 m 2 ) + 10 log (A ef ) Aef = Área efetiva da antena G(1m 2 ) =(4/ 2 ) A densidade de fluxo de potência recebida no satélite é: S = P R - 10 log(a ef ) em db(w/m 2 ) S = (EIRP) E - P is + G(1 m 2 ) P R = A ef (C/N 0 ) S = S - G(1 m 2 ) + (G/T) S +228,6 G/T = Fator de mérito de recepção (db/k) 28

29 Enlace de subida - 4 S1 G R S2 SAT A ef1 A ef2 S2 > S1 Se (C/N 0 ) S1 = (C/N 0 ) S2 Se S1 = S2 (C/N 0 ) S1 > (C/N 0 ) S2 TX1 TX2 Área de serviço 29

30 Enlace de subida - 5 BO = (P SAT - P OPER ) BO > 0 Levando em conta SS, a densidade de fluxo de potência de saturação do satélite, e o back-off na entrada do transponder, (BO) E, temos: S = SS - (BO) E (EIRP) E = SS - (BO) E + P is - G(1 m 2 ) (C/N 0 ) S = SS - (BO) E - G(1 m 2 ) + (G/T) S +228,6 30

31 Enlace de subida - 6 Vantagem Geográfica Tanto P is como SS (ou S ) variam com a posição da estação terrena. Tomando como referência uma estação (ou posição) no contorno de menor ganho (máximo SS ) e o mais distante possível do satélite (máximo P is ), define-se vantagem geográfica de uma estação como: VG S = SSMAX - SS + P ismax - P is Para uma estação genérica, com parâmetros e d,temos: VG S = G R () - G R ( ) + 20 log(d MAX /d), onde e d MAX são parâmetros da estação de referência em questão. Assim, temos em termos de VG: (EIRP) E = SSMAX - (BO) E + P ismax - G(1 m 2 ) - VG S 31

32 BO E x BO S Pot. de Saída - EIRP 0 BO S O back-off de saída é menor que o back-off de entrada BO E Potência de entrada

33 Enlace de descida - 1 Geralmente a antena do satélite tem menor ganho e maior temperatura de ruído que as antenas das estações terrenas - menor fator de mérito G/T em recepção, menores EIRPs em transmissão O menor ganho decorre de se projetar a antena para ter cobertura em uma área grande, por exemplo, todo o Brasil A maior temperatura de ruído se deve a que a antena do satélite está apontada para a Terra e não para o espaço A intermodulação é em geral mais crítica no PA do transponder que no HPA das estações terrenas pois nestas existe a possibilidade de dimensionar adequadamente o HPA Para calcular o enlace de descida, o ponto de partida é a EIRP lançada pelo satélite para a Terra: EIRP S. A não-linearidade do transponder dificulta uma determinação precisa de EIRP S, principalmente quando o transponder é compartilhado por portadoras de diferentes sistemas. 33

34 Enlace de descida - 2 De modo similar ao enlace de subida, (C/N) D = (EIRP) S - P id + G R +228,6-10 logt E - 10 log B RF (C/N 0 ) D = (EIRP) S - P id + G R +228,6-10 logt E (C/N 0 ) D = (EIRP) SS - (BO) S - P id + (G/T) E +228,6 VANTAGEM GEOGRÁFICA DE DESCIDA No caso do enlace de descida, a vantagem geográfica é definida de modo similar, mas em função da EIRP de saturação do satélite VG D = [(EIRP) SS - (EIRP) SSMIN ] + (P idmax - P id ) VG D = G T () - G T ( ) + 20 log(d MAX /d) 34

35 Enlace de descida - 3 Calculado o valor de C/N para o enlace de descida, deve ser adicionado o valor de (C/N) calculado para o enlace de subida, de modo a considerar o efeito do ruído nos dois enlaces: N = N S + N D N/C = N S /C + N D /C C/N = 1/(N S /C + N D /C) N/C = 10 -(C/N)/10 db (C/N) db = -10 log[10 -((C/N)S/10) ((C/N)D/10) ] 35

36 Exemplo Brasilsat B1 EIRP = 36 dbw G/T = - 2,5 db/k SMIN = - 92 db(w//m 2 ) Sinal BPSK Rb = 64 Kbit/s BER = 10-7 E b /N 0 = 11,3 db sem codificação Codificação 1/2 com ganho de codificação de 5,5 BER = 10-7 Eb/N 0 = 5,8 db Perda de espaço livre na descida em 3,9 GHz: 195,7 db / na subida = 199,6 db Eficiência espectral: 0,7 bit/s/hz; Banda ocupada = (128 K x 1,2/0,7) = 219,4 KHz ( Banda de guarda de 20% ) Número possível de portadoras no transponder: /219,4 K = 164,06 10*log(164,06) = 22,15 db = Fator de potência por portadora C/N 0 = 5, log(64 K) = 53,86 dbhz ( folga de 3 db ) C/N 0 = 56,86 dbhz 36

37 Lance de subida G/T = - 2,5-0,5 = - 3,0 db/k (EIRP) E = (C/No)S + Pi S - G R' /T - 228,6 = 56, , ,6 = 30,86 dbw Antena de 1,2 m e 60% de eficiênca em 6 GHz: G T = 35,3 dbi P T =- 4,44 dbw G(1m 2 6 GHz = 37,19 dbi S =30,86-199,6 + 37,19 = -131,5 db(w/m 2 ) SP = ,15 = -114,5 db(w/m 2 ) Está longe da saturação BOE PORT = -114, ,55 = 17,05 db. na curva do transponder, o BO S é 4 db menor que o BOE PORT BO S = 17,05-4 = 13,05 db; EIRP SP = 36-13,05-22,15 = 0,8 dbw No lance de descida: G R = 31,8 dbi; T S = 60 K G/T = 14,02 db/k (C/N 0 ) D = 0,8-195,7 +228,6 +14,02 = 47,72 dbhz Para se ter a mesma folga do lance de subida, falta (56,86-47,72) = 9,14 db Ant. RX com G R = 31,8 + 9,14 = 40,9 dbi Antena de 3,6 m 37

38 Considerações adicionais Imperfeições de equipamento/ajustes Margens de implementação, erros de apontamento e de ajuste de tilt de polarização Intermodulação Interferências - intra e extra-satélite Propagação - multipercursos Perdas atmosféricas Chuva, vapor d água, nuvens e nevoeiros Sempre presente, mesmo na condição de céu claro (sem chuva) Depende da frequência e do ângulo de elevação Para ângulos de elevação maiores que 10 o, é desprezível na banda C e menor que 0,5 db na banda Ku Cintilação ionosférica 38

39 Brasilsat B4 39