diseño de enlaces ascendente y descendente - upm · 2008. 11. 23. · comunicaciones por...

CSAT 40

Comunicaciones por SatComunicaciones por SatééliteliteCurso 2008Curso 2008--0909

Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo

DiseDiseñño de enlaces ascendente y o de enlaces ascendente y descendentedescendente

Ramón MartínezMiguel Calvo

CSAT 41Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo

• Cadena del radioenlace Tierra-Satélite-Tierra• Cálculo de la potencia recibida (fórmula de Friis)• Modelos de atenuación atmosférica y de lluvia• Cálculo de la potencia de ruido. • Temperatura de ruido de antena

• Combinación de enlace ascendente y descendente• Calidad de estaciones terrenas• Objetivos de calidad y disponibilidad• Amplificación no-lineal. Intermodulación. Optimización del

punto de trabajo• Coordinación• Ejemplos

ÍÍndicendice


ApR

R LLGPIREP

⋅⋅

=

IFkTBN =

La potencia recibida es:

El ruido total en recepción es:

Por tanto la C/N será:

IFAp

R

IFAp

RBkLLT

GPIREkTBLLGPIRE

NC 1111)()(

)(⋅⋅⋅⋅⋅=

⋅⋅⋅

=

RelaciRelacióón C/Nn C/N

También puede caracterizarse el enlace a partir de la C/N0:

dBHzkTC

NC

=0

dBBNC

NC

IF0=


• Es la relación GR/T la que caracteriza la calidad del receptor.

• Cuanto mayor sea la ganancia de la antena, mayor calidad.

• Cuanto menores sean las pérdidas entre la antena y el amplificador LNA mayor calidad.

• Cuanto menor sea la temperatura de ruido del LNA, mayor calidad. – Su ganancia debe ser grande para reducir la contribución del

mezclador.

• El valor de G/T es independiente de donde se mida. Se suele tomar como referencia la entrada del LNA.

Factor de Calidad del ReceptorFactor de Calidad del Receptor


DiseDiseñño del Enlace Ascendenteo del Enlace Ascendente• La densidad de potencia a la entrada del transpondedor está

fijada (densidad de flujo de saturación). Debe controlarse con la potencia transmitida por la estación terrena.

• El coste de los transmisores es de 10 a 15 veces el de los receptores. Por ello, son mucho más económicas las estaciones de sólo recepción de los sistemas de difusión (punto a multipunto).

• El coste de los transmisores en bandas bajas es más razonable, lo que justifica la asignación de la banda L para comunicaciones móviles.

• Para eliminar las interferencias sobre los sistemas satélite adyacentes y optimizar el uso de la órbita GEO debe controlarse el nivel de lóbulos secundarios de las antenas (COORDINACIÓN).

• La atenuación de lluvia disminuye la potencia recibida C pero no aumenta significativamente la T (ya alta de unos 270 K). Se contrarresta controlando la potencia transmitida.


DiseDiseñño del Enlace Descendente (1)o del Enlace Descendente (1)

• El enlace descendente está limitado por la potencia a bordo:– Deben usarse esquemas de modulación eficientes en potencia (FM,

M-PSK)– Las antenas deben proporcionar áreas de cobertura pequeñas para

aumentar su ganancia y por tanto la PIRE.

• Para aliviar los problemas de interferencia sobre sistemas terrenales, la densidad de flujo de potencia (flujo por 4 kHz de banda) está limitado. Por ejemplo, entre 1 y 10 GHz:

Fmáx = -152 + Elev/15 (dBW/m2)

– En caso necesario hay que usar señales de dispersión para que no pueda transmitirse, por ejemplo, la portadora sin modular.


• Los demoduladores funcionan por encima de un umbral mínimo de C/N:– FM de banda estrecha: (C/N)mín ≈ 5 dB– FM de banda ancha : (C/N)mín ≈ 11 dB (umbral extendido 8.5 dB)– BPSK/QPSK (BER=10-6): (C/N)mín ≈ 12 dB → Es/No=(C/N)(B/Rs)

0.1

0.000001

PB( )EbNo

120 EbNo C/N

BER

• La atenuación por lluvia disminuye la C y aumenta la T y por tanto la N.• Se requiere un MARGEN adicional para un determinado porcentaje de

disponibilidad sobre la C/N de cielo claro (depende de la frecuencia, zona climática, elevación del trayecto, etc.).

DiseDiseñño del Enlace Descendente (2)o del Enlace Descendente (2)

30

35

40

45

50

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

S/N b.e.S/N b.a.

S/N


En este caso el enlace es doble y consta de un enlace ascendente con una (C/N)U y un enlace descendente con una (C/N)D .

El transpondedor tiene una ganancia Gs.

La potencia de señal recibida será: C C G G G LU S T R=

La potencia de ruido es: N N N G G G LD U S T R= +

Por tanto:

( )[ ] RTSUD

URTS

DU

U

RTSUD

RTSU

T

GGGCLN

CN

GGGLNN

CLGGGNN

LGGGCNC

NC

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=+

=+

==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

1

TranspondedorTranspondedor TransparenteTransparente

Gs

CU NU

CD ND

GT

GRUplink Downlink


Teniendo en cuenta que (CUGS) es la potencia transmitida por el satélitePT, (CUGS)GT será la PIRE transmitida por el satélite. Por lo tanto,(CUGS)GTGR/L será la potencia recibida en el enlace descendente.

( )[ ]

CN N

CN L

C G G GNC

NC

T

U

D

U S T R U D

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

=⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

+=

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

+ ⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

1 1

Por tanto:111 −−−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

DUT NC

NC

NC

Y si el ruido se distribuye uniformemente en el ancho de banda B (N=N0B):

1

0

1

0

1

0

−−−

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛=⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛

DUT NC

NC

NC

Balance de Enlace CompuestoBalance de Enlace Compuesto


TranspondedorTranspondedor regenerativoregenerativo

• El satélite demodula, decodifica, detecta y corrige errores, modula y amplifica la señal, y la transmite a tierra (requiere on-board processing, OBP)

• La caracterización del enlace (en ausencia de corrección de errores a bordo) viene dada por:

• Ejemplo: en un enlace simétrico (Eb/No)u= (Eb/No)d , un satélite regenerativo ofrece un ahorro de 2.6 dB para una BER=10-4.

• El satélite regenerativo permite introducir el ahorro en el balance en el enlace con peores condiciones

• El efecto de la intermodulación se reduce y el HPA del satélite puede operar cerca de la saturación

DUT BERBERBER +=


Objetivos de calidad y disponibilidadObjetivos de calidad y disponibilidad

0.001 0.01 0.1 1.0 10.0 100%

Porcentaje de tiempo en que se mide la BER

BER

10-8

10-6

10-4

10-10

Umbral de prestacionesBER


Objetivos de calidad y disponibilidadObjetivos de calidad y disponibilidad• Los enlaces por satélite se dimensionan para compensar

posibles pérdidas de señal (desvanecimientos o fading) debidos a la lluvia respecto del enlace en condiciones de cielo claro

• Se denomina margen de enlace (link margin, fade margin)• La relación entre margen de enlace, nivel de potencia y BER

dependerá de la modulación usada

0.001 0.01 0.1 1.0 10.0 100%

Porcentaje de tiempo en que se mide la atenuación

Atenuación (dB)

8

6

4

10

Umbral de disponibilidadAtt


Especificaciones del SatEspecificaciones del SatééliteliteEl punto de trabajo, para potencia máxima de salida, es el punto de saturación.Para establecer el punto de trabajo se definen los back off de entrada y salidacomo:

FF

PIREPIREBO satsati ==

PIREPIRE

BO sat,so =

PIREsat es la PIRE que debe transmitir la estación terrena para saturar al TWTA del satélite. Fsat es la correspondiente densidad de flujo de potencia.PIREs,sat es la PIRE producida por el satélite en saturación.

Teniendo en cuenta que: ( ) ( ) ( )F PIRE R PIRE Lp= = ⋅4 42 2π π λ

( )[ ] [ ] [ ] [ ] ( )[ ] [ ] [ ]CN PIRE BO L GT k BU sat i U s IF= − − + − −( )[ ] [ ] [ ] [ ] ( )[ ] [ ] [ ]CN PIRE BO L GT k BD s sat o D e IF= − − + − −,

BOo

BOiPisat

Posat

Pi (dBm)

Po (dBm)


Los efectos no-lineales del TWTA generan productos de intermodulación quepueden considerarse como ruido aditivo. La relación C/IM depende delnúmero de portadoras, de sus características de modulación y frecuencia yde las características de transferencia de amplitud y fase del TWTA.La figura muestra las características típicas de un TWTA.

TranspondedorTranspondedor nono--lineallineal


Modelo de Modelo de SalehSaleh

• El modelo de Saleh es un método sencillo basado en dos parámetros para caracterizar los efectos AM/AM y AM/PM

• Modelo basado en cuatro parámetros que se integran uenexpresiones cerradas que caracterizan el efecto del amplificador

• Modelo AM/AM y AM/PM • Efecto en fase y cuadratura

( ) 21 rrrAa

aβ

α+

=

( ) 22

1 r

rr

φ

φ

β

α

+=Φ

( ) 21 rr

rPp

p

β

α

+=

( )( )22

3

1 r

rrQ

q

q

β

α

+=

( ) ( ) ( )[ ]tttrtx ψω += 0cos( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]{ }

( )[ ] ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]tttrQtttrPtrtttrAty

ψωψωψω

+−+==Φ++=

00

0sincos

cosTWTA


Modelo de Modelo de SalehSaleh

0 0.5 1 1.50

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Amplitud de entrada (normalizada)

Am

plitu

d de

sal

ida

AM/AM

0 0.5 1 1.50

5

10

15

20

25

30

35

40

45


Dis

toris

ón d

e fa

se (º

)

AM/PM

0 0.5 1 1.50

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1


Am

plitu

d de

sal

ida

AM/AM

0 0.5 1 1.50

5

10

15

20

25


Dis

toris

ón d

e fa

se (º

)

AM/PM

0033.41587.2

==

φααa

1040.91517.1

==

φββa

5293.29638.1

==

φααa

8168.29945.0

==

φββa


Aún cuando el espectro de portadoras moduladas FM y PSK tienen forma decampana, pueden aproximarse de forma rectangular por efecto del filtradoy adición de señales de dispersión. La figura muestra un ejemplo de cargade un transpondedor con portadoras digitales y el espectro de intermodulaciónresultante.

frecuencia

Espectro Aproximado de Portadoras e Espectro Aproximado de Portadoras e IntermodulaciIntermodulacióónn


Modelo de Modelo de BerettaBerettaUna aproximación de la C/IM para un TWTA típico amplificando n portadorasiguales puede obtenerse de las expresiones (modelo de Beretta):

( )C IM BO nr i= + =10 0 0 82 6. . ,( )C IM BO nr i= + =9 48 0 82 12. . ,( )C IM BO nr i= + =8 60 0 82 500. . ,

( )( ) i.-r

ir

BOn.IMC

BOnnIMC

8204275910

82010710905321003143890

24

.*=

....

+

+×+−= −

Comparación de ambosmétodos propuestos

30

0

CIM( ),500 Pti( )BOi

CIMb( ),500 BOi

CIM( ),6 Pti( )BOi

CIMb( ),6 BOi

012 BOi

Beretta

Analítico

C/IM


Considerando el ruido de intermodulación como ruido blanco (caso peor)su contribución al balance de enlace puede tenerse en cuenta como:

( ) ( ) ( ) ( )C N C N C N C IMT U D− − − −

= + +1 1 1 1

La variación típica de los tres términos y de la C/N total en función del punto de trabajo (BOi) del transpondedor es como se indica en la figura.

Hay un punto óptimo deoperación del transpondedorque depende del número deportadoras a través de C/IM.

Punto de Trabajo Punto de Trabajo ÓÓptimoptimo

Boi

(C/N)

C/IM (C/N)U

(C/N)D

(C/N)T

0 dB-3 a -16 dB


• Las señales interferentes degradan la calidad.• Se producen interferencias entre sistemas de satélites y

entre estos y sistemas terrenales.• Se hace necesario regular los niveles interferentes y

coordinar entre sí los sistemas.

Si se consideran los efectos de las interferencias como ruido blanco aditivo (caso peor), y se producen con niveles (C/I)U y (C/I)Den el enlace ascendente y descendente, respectivamente, la (C/N)total puede obtenerse como:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )C N C N C N C IM C I C IT U D U D− − − − − −

= + + + +1 1 1 1 1 1

CoordinaciCoordinacióónn


Dado el gran número de parámetros que caracterizan un sistema, la UIT ha preparado un método sencillo para determinar la necesidad de coordinación entre dos redes de satélite. El método está descrito en el Apéndice 29 del Reglamento de Radiocomunicaciones.

Se evalúa el “incremento aparente de la temperatura de ruido equivalente del enlace” ∆T causado por la emisión interferente.

La “temperatura equivalente de ruido del enlace” se denomina T.

Si la relación ∆T/T es inferior o igual al 4% no será necesaria la coordinación entre las dos redes de satélite.

DeterminaciDeterminacióón de la Necesidad de Coordinacin de la Necesidad de Coordinacióónn


( / ) ( ) ( )C I E e L L G g Yd dw di d= − − − + − +4 4

( / ) ( ) ( ) ( ) ( )C I P P G g L L G g Yu tw ti uw ui u= − + − − − + − +1 1 2 2La relación lóbulo principal/lóbulos secundarios de las antenas es el principalparámetro que permite controlar la interferencia entre sistemas.

GeometrGeometríía C/Ia C/I


InterferenciaInterferencia

S1 S2

E1 E2

Deseado

Interferente

( )θ2TG21θ21φ

2EP

2SP ( )φ2tg

( )θ1RG

( )φ1rg

12θ12φ

12ET∆

12ST∆

Los incrementos de temperatura de ruido por interferencia son respectivamente:

( ) ( )21

121212212

ES

rTEE kL

gGPT φθ ⋅⋅=∆

( ) ( )12

121212212

ES

RtSS kL

GgPT θφ ⋅⋅=∆

121212 ES TTrT ∆+∆=∆

r es la ganancia total desde la antena de recepción a la de transmisión en el satélite S1.


G dBi para=−

−⎧⎨⎩

≤ <≤ ≤

32 2510

1 4848 180

logθ θθ

GD

DdBi para

D=

− −−

⎧⎨⎩

≤ <≤ ≤

52 10 2510 10

100 4848 180

log( / ) loglog( / )

( / )λ θλ

λ θθ

• Se producen por la radiación a través de los lóbulos secundarios.

• La envolvente de lóbulos secundarios debe cumplir la Rec. ITU-R S-465-5 para frecuencias entre 2 y 30 GHz.

Para antenas con D/λ > 100:

Para antenas con D/ λ < 100:

Interferencias generadas por las estaciones terrenasInterferencias generadas por las estaciones terrenas


Diagrama TDiagrama Tíípico de una Antena pico de una Antena DiamondDiamond ShapedShaped

AperturaCircular

Apertura Extendida

Polarización horizontalCorte φ= 90

0 dB

-10 dB

-30 dB

-35 dB

X-polar

29 -25 log θ

23 -25 log θ

19 -25 log θ

-3.0 -1.5 0 1.5 3.0

Angulo θ (grados)

ITU-R S.580-5


Balance de Enlace. Ejemplo 1Balance de Enlace. Ejemplo 1

( ) ( )Flujo PIRE

R

dBW m

=

= + − − ⋅

= −

48 16 10 4 20 4 10

139

2

7

2

ππlog log

/

Pt=8 dBWGborde=16 dBi

BOo=3 dB

( ) { }( )CN dB umbral dB C N dB⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

= + ↓ ↑ =11 7 3 3 18Margen ,

( ) ( )N kT B dBWs= = − + + + ⋅ = −228 6 10 20 50 10 36 10 134 66. log log .[ ] ( )[ ] [ ] [ ] [ ]C C N N Flujo Ar= + = + η

[ ] ( ) ( )ηA dBmr = + − − − − =18 134 6 139 3 25 4 2. .( )

A m D mr = = ⇒ =−

10 533 4 2625 4 10 0 65

10 2. log .

.

( )[ ] ( ) ( ) ( )G T D dBK= + − = −10 0 65 20 10 70 40 5 1log . log log .π λ

Ta=50ºKTLNA=20ºK

η =65%

40000 km

Banda C4 GHz


Balance de Enlace. Ejemplo 2Balance de Enlace. Ejemplo 2

G dBis = ×⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

=10 0 62 483603 6

32log .

G dBiborde = − =32 3 29

( ) dBiGHzmGe 463.046log2065.0log10 =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ××+=

π

( ) ( )G T dBKe = − = −46 10 120 24 8 1log .

( ) ( ) ( ) ( )

( )( )

C NR m f GHz

dB

= + + −⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

− − + ⋅ =

10 5 29 24 8 204

0 3

228 6 10 36 10 17 36

log . log.

. log .

π

Margen = 17.3 - 11 = 6.3 dB

Por tanto, pueden usarse antenas de 3 m con Margen de 2.8 dB.

3ºx6º

Pt=5 W

D=6 mTs=120 ºK

Si D=3 m Ge 6dB y Margen 6 dB. Si extendemosumbral a 8.5 dB Margen 2.5 dB


DOWN-LINK DBS

Satélite Potencia de RuidoPotencia transmitida por canal (W) 200 Constante de Boltzman (DBW/K/Hz) -228,6Frecuencia (GHz)* 12,2 Temp.Ruido Sistema (700K) dBK 28,45Ancho de Haz Horizontal (grad) 2 Ancho de Banda (27 MHz) (dBHz) 74,31Ancho de Haz Vertical (grad) 3 Potencia de Ruido N (dBW) -125,84Ganancia (62% eficiencia) (dBi) 36,99 Balance de EnlaceDistancia media Est.T.-Sat. (km) 38000 C/N (dB) 10,89Elevación mínima (grad) 9 Márgen (sobre umbral 9 dB) (dB) 1,89Pérd. Atmosf. cielo claro (dB) 0,48 Calidad Estación Receptora G/T

Densidad de Flujo (dBW/m2) -103,07 Ganancia antena (dBi) 36,81Estación Receptora G/T (dBK-1) 8,36

Diámetro de antena (m) 0,7Eficiencia (%) 60Area Efectiva (m2) 0,23

Potencia Recibida (FxAe) dBW -109,44Pérdidas

Estación Borde Cobertura (dB) -3Desacoplo Polarización (dB) -0,5Error Apuntamiento (dB) -1Pérdidas Alimentador (dB) -1

Potencia Recibida C (dBW) -114,94

Ejemplo 3: DBS (Ejemplo 3: DBS (DirectDirect BroadcastBroadcast SatelliteSatellite))

Pt=200 W

2ºx3º


CANAL VOZ INMARSATDownlink Satélite-Barco

Banda de Frecuencias (MHz) 1535-1543.5Ancho de Banda RF ocupado (MHz) 2Número de Canales 40Ancho de Banda RF por canal (kHz) 30Potencia salida transpondedor (W) 10Potencia por canal (dBW) -6,02G Ant.Satélite Borde Cobertura (dBi) 17Pérd. Espacio Libre (38000 km) (dB) 187,8G/T Est.Receptora (dBK-1) -4Ancho de Banda de ruido (kHz) 20

C/N (dB) 4,8Uplink Barco-Satélite

Banda de Frecuencias (MHz) 1636.5-1645PIRE Barco (10W 2m diam) (dBW) 37,0Pérd. Espacio Libre (38000 km) (dB) 188,3G Ant.Satélite Borde Cobertura (dBi) 16Temp.ruido sitema Transp (500K) (dBK) 27,0

G/T satélite (dBK-1) -8,0C/N por canal (dB) 21,5

Ejemplo 4: Sistema INMARSATEjemplo 4: Sistema INMARSAT

4-6 GHz

1.5-1.6 GHz

Estación Costera

Móvil Marítimo

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