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7/25/2019 REDES VASAT

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Captulo 3Estaciones Terrenas

Hasta el momento se ha explicado qu es y cmo est construido un satlite, sin embargo, paraque este pueda lograr el fin por el que fue construido, es necesario establecer un enlace con unaestacin en tierra conocida como estacin terrena, y tiene el objetivo de permitir una comunica-

cin directa con el satlite para mandar o recibir informacin.

Estas estaciones consisten de una serie de equipos interconectados entre s con una antena o unconjunto de antenas, que puede tener un extremo de entrada y salida de seales de comunicacinen banda base o en frecuencia intermedia y otro de transmisin y recepcin de radiacin hacia ydesde uno o ms satlites. Por ellos realiza funciones como la modulacin, demodulacin, conver-sin de frecuencias, codificacin, multiplexacin, conversin analgico-digital, etc. Adems, algu-nos tipos de estaciones terrenas solo tienen la capacidad de transmitir o recibir y pueden ser elpunto de origen o final de seales o estar enlazadas tambin por medio de redes terrenales consitios distantes de origen y destino. Por ello la designacin de estacin terrena es utilizada indistin-tamente para indicar todo equipo terminal que se comunica desde la Tierra con un satlite, sin

importar si est fijo en algn punto, o si est instalado en un barco, avin, o cualquier vehculoterrestre como un autobs, un auto o un camin de carga.

Una estacin terrena consta de 4 bloques o subsistemas principales que organizados tienen laestructura mostrada en la figura.

Figura 3-1: Estructura general de una estacin terrena.


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3.1 Subsistema de antena

Las antenas utilizadas en estaciones terrenas deben tener ciertas caractersticas que permitan uncorrecto enlace con el satlite deseado, estas son:

Alta directividad, en la direccin de la posicin nominal del satlite.

Baja directividad en las dems direcciones, en especial en las cercanas al satlite.

stas dos caractersticas requieren el uso de antenas directivas, por ello es que se utilizan soloantenas de apertura para las estaciones terrenas con configuraciones como las explicadas conanterioridad en el tema de subsistema de antenas de los satlites.

En cuanto al patrn de radiacin, debe tener lbulos laterales con niveles bajos, de modo que seaminimizada cualquier posible interferencia con otros sistemas de microondas, sean terrestres osatelitales. As que dichos patrones deben cumplir con ciertos requerimientos mnimos estableci-dos por agencias regulatorias.

Figura 3-2: Patrn de radiacin que muestra las limitaciones de lbulos laterales de una antena de estacin terrena.

Ganancia y eficiencia de la antena lo ms grandes posibles para las frecuencias tanto de bajadacomo de subida.

Como se explic anteriormente, la ganancia de una antena determina tanto la potencia de salidaal transmitir, utilizando una frecuencia de subida (uplink), como la sensibilidad en la recepcin deseales con frecuencia de bajada (downlink), por ello es importante que sea alta debido a que lasseales viajan muchos kilmetros para llegar a su destino.

Entre los factores que afectan a la eficiencia total de la antena se encuentran el desbordamientodel reflector, el gradiente de iluminacin no uniforme, prdidas hmicas y ondas estacionarias,

obstruccin causada al reflector por el alimentador y su soporte o por el subreflector si es el caso,irregularidades de la superficie del reflector y polarizacin cruzada por acoplamiento a la polariza-cin ortogonal.

Aislamiento entre seales con polarizaciones ortogonales.

Esto asegura que en la recepcin tanto en las antenas de los satlites como en las antenas de lasbases terrenas, se puedan separar seales con polarizaciones ortogonales, permitiendo un correc-to funcionamiento cuando se realiza un reso de frecuencias por este mtodo.


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La menor temperatura de ruido posible en la antena

La temperatura de ruido de la antena de una estacin terrena se integra partir de la temperaturade ruido proveniente de cada direccin del espacio y de la Tierra, ya que adems de captar el ruidode lbulo principal recibe ruido por los lbulos laterales y el posterior. Se reciben el ruido de fondocsmico de aproximadamente 2.8 K, el ruido de la Tierra tpicamente de 290 K en diversos lbuloslaterales y el producido por la tropsfera en cielo despejado. Tambin puede existir ruido por con-ceptos de prdidas hmicas que llega a ser de 7 K adicionales. Por ltimo, es importante conside-rar la variacin del ruido con respecto al ngulo de elevacin de la antena, la Figura 3-3, muestralos valores caractersticos de sta relacin.

Figura 3-3: Temperatura de ruido vs ngulo de elevacin.

El Sol y la Luna aumentan considerablemente la temperatura de ruido de la antena en los interva-los de tiempo en que inciden sobre el lbulo principal o los lbulos secundarios mayores. La tem-peratura de ruido que produce el Sol cuando incide en el eje principal de una antena, cuya anchu-ra de haz sea 0.5 o menor es extraordinariamente alta e impide toda comunicacin; Su efectocuando el haz es mayor a 0.5 disminuye exponencialmente. En el caso de los sistemas geoesta-cionarios los intervalos en que ocurre la interferencia del Sol dependen de la ubicacin geogrficade las estaciones terrenas que tengan antenas de alta ganancia, de la posicin del satlite en larbita y de la combinacin de movimientos de la Tierra respecto del Sol, por lo que se presenta en2 periodos anuales de 21 das cada uno durante los equinoccios o cerca de ellos. Cada interferen-cia puede durar minutos y ocurre a cada antena en distinto intervalo de tiempo, siendo el nmerode das de afectacin en cada periodo aproximadamente 5 veces la anchura del haz de la antenaen grados.

Limitacin, lo ms posible, de efectos provocados por condiciones meteorolgicas locales. Apuntamiento continuo en direccin del satlite con la precisin requerida.

El sistema de montaje de la antena debe permitir cuando menos un movimiento de ajuste mnimopara el apuntamiento hacia el satlite en el proceso de instalacin que incluye algunas pruebaspara recepcin y en el caso de estaciones con capacidad de transmisin las necesarias para obte-ner autorizacin de acceso. Obviamente las antenas que necesitan reapuntarse con frecuencia o


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deben operar con satlites que no utilizan la rbita geoestacionaria requieren de mecanismos quepermitan realizar movimientos con la facilidad que le caso haga necesario, ya sea manualmente opor medios automticos.

Para realizar los ajustes necesarios y poder recibir y/o transmitir adecuadamente, el subsistema deantenas se conforma como se muestra en la Figura 3-4.

Figura 3-4: Subsistema de antena.

Para la instalacin y funcionamiento de una antena que se enlazar con un satlite geoestaciona-rio, se definen 3 conceptos importantes:

Orientacin

Montaje

Rastreo

3.1.1 Orientacin

La orientacin de la antena de una estacin terrena hacia un satlite geoestacionario es realizadaajustando dos ngulos, en elevacin y acimut. Estos ngulos son medidos tomando como referen-cia a la lnea sobre la cual la antena tiene ganancia mxima, y en el caso de una antena parablica,

dicha referencia es el eje del plato parablico. El ngulo de elevacin se define como el nguloformado por el plano horizontal local y la lnea de vista entre la estacin terrena y el satlite (Figu-ra 3-5).


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Figura 3-5: ngulos de Acimut y elevacin de la antena de una estacin terrena.

Tanto el valor del ngulo de elevacin como el ngulo de acimut dependen de las coordenadasgeogrficas de la estacin terrena y de la posicin orbital del satlite. Las coordenadas geogrficasson la latitud y la latitud.

Figura 3-6: Longitud y latitud.

La longitud geogrfica es el ngulo, en el plano ecuatorial, entre el meridiano de referencia (Meri-diano de Greenwich) y el meridiano de la ubicacin, en este caso particular, de la base terrena.Toma valores positivos hacia el este de 0 a 360.

La latitud geogrfica es el ngulo vertical entre la ubicacin de la estacin terrena y el plano delecuador, expresado en grados de -90 (Polo Sur) a +90 (Polo Norte).

El ngulo de acimut es el ngulo medido en el sentido de las manecillas del reloj entre la lneaque une a la estacin terrena con el norte geogrfico y la proyeccin horizontal local de la lnea demxima radiacin de la antena, que debe apuntar en la direccin hacia el satlite.


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Figura 3-7: Relacin entre la longitud relativa y latitud de una estacin terrena.

Para el clculo tanto del acimut, como del ngulo de elevacin se usa la familia de curvas presen-tada en la Figura 3-7.

Para calcular el ngulo de elevacin se utiliza:

Donde:

= Latitud de la estacin terrena

= | Longitud del satliteLongitud de la estacin terrena |= radio de la Tierra = 6,378 kmH = radio de la rbita geoestacionaria = 42,164 km

Y para el acimut:

Dependiendo de la localizacin de la estacin terrena con relacin al satlite, el ngulo de acimutser:

= 180 - Estacin en el hemisferio norte y al oeste del satlite.= 180 + Estacin en el hemisferio norte y al este del satlite.= Estacin en el hemisferio sur y al oeste del satlite.= 360 - Estacin en el hemisferio sur y al este del satlite.


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Figura 3-8: Acimut y elevacin de una antena de base terrena.

3.1.2 Montaje

Los desplazamientos del satlite y el tipo de la estacin terrena (fija o mvil), as como su posicingeogrfica, sus aplicaciones y las necesidades que se tengan para pruebas y mantenimiento fre-

cuentes, determinan la estructura del montaje que la antena (cuando es directiva) debe tener.

Existen tres tipos de montaje cuya forma de funcionamiento se muestra esquemticamente en laFigura 3-9.

Figura 3-9: Tipos de montaje.

a) Montaje elevacin-acimut (El-Az): En este montaje la antena tiene su eje primario fijo en ladireccin vertical, y al girar alrededor de l se efectan los cambios del ngulo de acimut; sueje secundario es horizontal y con l se orienta la antena en elevacin. El montaje es sencillo ytiene la ventaja de que slo el giro en elevacin puede producir deformaciones en la geometr-a de la antena debida a su peso. La mayora de las antenas que requieren gran precisin de laantena o gran libertad de movimiento utilizan este montaje, como las empleadas para el se-

guimiento de satlites en rbita de transferencia, pero por lo general no puede apuntar muycerca del cenit.

b)

Montaje X-Y: Tiene su eje primario colocado horizontalmente, y el eje secundario es perpendi-cular a l. La configuracin es prctica para rastrear con facilidad a un satlite cuando ste pa-sa por el cenit, puesto que se evita hacer desplazamientos de la antena tan rpidos como losque s se necesitaran hacer con el montaje El-Az; pero resulta inadecuado para rastrear satli-


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tes en el horizonte. En general, el montaje X-Y es ms apropiado para las antenas que se co-munican con satlites de rbita baja que con satlites geoestacionarios.

c)

Montaje ecuatorial: Tiene su eje primario (horario) paralelo al eje de rotacin de la Tierra, y lesecundario es un eje perpendicular de declinacin; como el eje primario es paralelo al eje po-lar de la Tierra, a este montaje se le llama polar. Normalmente se usa para montar radioteles-copios, pues permite que la antena siga a un objeto celeste con slo girarla sobre su eje hora-rio. La ventaja del montaje polar para los sistemas geoestacionarios de poder mantener fijo elajuste de declinacin y solo tener movimiento sobre el otro eje no puede aplicarse a estacio-nes terrenas grandes, porque aunque la antena apunte con gran precisin a la rbita, debido alo agudo de su lbulo principal, los movimientos del satlite ocasionaran prdidas de conside-racin y por tanto requieren sistemas de seguimiento con movimiento en dos ejes., por estarazn es que se utilizan los otros dos tipos de montaje para satlites no solo geoestacionarios,sino tambin de rbitas bajas.

3.1.3 Rastreo

Cuando es necesaria la reorientacin ocasional hacia otros satlites o el seguimiento de un satlite

geoestacionario operando en rbita inclinada, es comn el empleo de motores que se controlanremotamente o se programan para un movimiento previsto. Cuanto ms angosto sea el ancho delhaz de la antena, y sta est ms cerca del ecuador, el apuntamiento se vuelve ms importante,en especial s el satlite est directamente encima de la estacin. En cambio, si la estacin est

en una latitud alejada del ecuador, la amplitud de los movimientos del satlite tiene un impactomenor en los ajustes necesarios de la orientacin de la antena para seguirlo. Si el ancho del haz dela antena es mucho ms grande que la ventana del satlite, entonces no necesita un sistema derastreo, por el contrario, si se necesita apuntar con una precisin del orden de 0.01 para mante-ner la comunicacin fiable, es recomendable utilizar un sistema de rastreo que no permita unadiferencia en el ngulo mayor a la establecida. Existen dos tipos de sistemas de rastreo, el prepro-gramado y el automtico, este ltimo se divide en rastreo por pasos y rastreo monoimpulso.

Rastreo preprogramado: Consiste en determinar con anticipacin los movimientos del satlite yprogramar acordemente el mecanismo de orientacin de la antena de la estacin terrena para quelo siga. El satlite no se mueve arbitraria o aleatoriamente, sino de acuerdo con la influencia de lasfuerzas perturbadoras en el espacio; por lo tanto, con programas de computadora, sus movimien-tos y las efemrides de su rbita pueden ser predichos. Esta tcnica se utiliza en estaciones me-dianas en sistemas nacionales.

Rastreo por pasos: Tambin conocido como de ascenso. A intervalos regulares, la antena detectala intensidad de una seal gua (radiobaliza o radiofaro) emitida por el satlite; a continuacin giraun poco (da un paso) alrededor de uno de sus ejes de montaje y compara la intensidad de la sealrecibida con la anterior; si el nivel de la seal baja, entonces se mueve ahora en direccin opuesta,y su aumenta en ese sentido, continua dando pasos hasta detectar el nivel mximo. Se utiliza en

estaciones medianas, estaciones grandes y estaciones de barcos.

Rastreo monoimpulso: Es el ms preciso y fiable para las antenas grandes, especialmente si fun-cionan en las bandas Ku y Ka. Su forma de operacin proviene de la tecnologa del radar, puesahora la bsqueda es por un nivel mnimo de recepcin de la seal gua, y para esto la antena pa-rablica necesita un alimentador especial. Los primeros diseos de sistemas monoimpulso utilizancuatro antenas de bocina colocadas simtricamente alrededor del foco geomtrico de la parbola;stas reciben simultneamente la seal gua o radiobaliza emitida por el satlite y las detecciones


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de las cuatro son comparadas para determinar seales de error en el apuntamiento y efectuar lascorrecciones necesarias. Su inconveniente es que conducen al uso de alimentadores aparatosos ycomplicados. As que los sistemas ms modernos, conocidos como monoimpulso multimodo, so-lamente utilizan un acoplador especial de microondas que va insertado en el mismo alimentadorprimario o corneta de la antena parablica; cuando hay una desviacin en la orientacin de la an-tena en relacin con la seal gua del satlite, el acoplador extrae del alimentador seales de pro-pagacin de modo superior que permiten determinar el error de apuntamiento y efectuar, enconsecuencia, las correcciones que sean requeridas.

3.2 Subsistema de Radiofrecuencia

Una estacin terrena es capaz, al igual que un satlite, de recibir y transmitir, por lo que debe es-tar adaptada para realizar las dos funciones. Como se vio, la antena tiene la funcin de recibir ytransmitir seales, interactuando con los satlites, sin embargo, en el lado opuesto, tiene un dis-positivo conocido como duplexor. Como su nombre lo indica, se encarga de separar, en este caso,el sistema transmisor del receptor. Si una seal viene del espacio y es recibida por la antena, elduplexor mandar la seal hacia el sistema receptor, por el contrario, si una seal se desea trans-

mitir, pasar por el sistema transmisor hacia el duplexor y de sta hacia la antena para su transmi-sin.

El subsistema de radiofrecuencia se divide en dos partes:

La parte del transmisor, compuesta por el equipo amplificador de potencia y el combina-dor de canalizacin.

La parte del receptor, compuesta por el equipo amplificador de bajo ruido y el divisor decanalizacin.

Figura 3-10: Subsistema de Radiofrecuencia.

Para el caso del transmisor, en la etapa de RF, la seal tiene la frecuencia adecuada para ser en-viada, sin embargo su nivel de potencia es muy bajo, por lo que es preciso amplificarla antes de


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entregarla a la antena; por esto se utiliza un amplificador de potencia, del cual existen fundamen-talmente tres tipos: Los de estado slido (SSPA), el Tubo de Ondas Progresivas (TWT) y el tuboKlystron.

Los amplificadores de estado slido son los ms convenientes y econmicos para estaciones queoperan con poca anchura de banda total de su o sus portadoras y los ms utilizados en las estacio-

nes remotas de las redes de terminales de muy pequea abertura (VSAT), ya que tienen una gamade potencias hasta de 20 watts, mejor linealidad y menor factor de ruido (aproximadamente 10dB) que los otros tipos aunque son menos eficientes.

Un TWT es un amplificador de microondas de ancho de banda muy grande, que abarca todas lasfrecuencias utilizables del satlite, por lo que puede amplificar simultneamente seales dirigidashacia distintos transpondedores del mismo con una amplia gama de opciones de potencia hasta 3kW. El TWT es un tubo al vaco que necesita dos elementos para funcionar: un haz de electrones yla seal que ser amplificada. El haz de electrones es producido por un calefactor que inyecta elec-trones los cuales se desplazan junto con la seal de RF que viaja a travs de una hlice, por mediode la interaccin de las dos seales, se da una transferencia de energa del haz de electrones a laseal de RF, logrando amplificarla durante el recorrido por hlice que entra de un lado del tubo ysale por el otro.

Los TWT de potencias ms bajas emplean enfriamiento por conduccin, los de potencias mediasventilacin forzada y los de las ms altas enfriamiento por agua. Esta caracterstica les da una ma-yor versatilidad por lo que pueden aplicarse a diversidad de requerimientos. Los TWT de estacio-nes terrenas emplean fuentes de energa complejas y precisas con altos voltajes y tienen una vidarelativamente corta de unos poco aos.

Los Klystron son amplificadores de banda estrecha; consisten en mltiples cavidades resonantesque deben ser sintonizadas a sus frecuencias centrales correspondientes. Su ancho de banda essuficiente para manejar uno o dos canales de televisin analgica, varios cientos de canales tele-

fnicos o algunos canales de datos de muy alta velocidad de transmisin. Tienen una eficienciaalta (40%) de aprovechamiento de energa elctrica; son muy confiables y robustos, duran muchotiempo en servicio y, adems, son ms econmicos que un TWT. Para su refrigeracin general-mente se utiliza la ventilacin forzada de aire hasta potencias de 3 kW.

Tipo Banda Potencia de Salida [W]

Estado slido C 50350

Ku 2080

Ka 10

TWT C 15012 000

Ku 183 000

Ka 20100

Klistrn C 4003 400

Ku 2 7003 000

Ka 350450Tabla 1: Valores tpicos de la potencia mxima entregada por los amplificadores de potencia.

Dada la posible prdida de todo un enlace de comunicaciones, si es que el amplificador de poten-cia falla, por norma general es comn encontrar sistemas operativos en los que hay amplificadoresde redundancia. La estacin terrena puede tener una o varias configuraciones posibles de redun-


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dancia, por ejemplo, dos a uno (uno operando y otro de reserva) o tres a dos, etc. y en cada casolos amplificadores que operan y el amplificador de reserva son conectados entre la etapa anteriorde comunicaciones y la antena con un conmutador de entrada y otro de salida. Generalmente, elnivel de potencia a la salida del convertidor de frecuencias es bajo comparado con el que debeaplicarse a la entrada del amplificador de potencia para que ste funcione adecuadamente. Parasolucionar esto, se aade un amplificador excitador (driver) entre el convertidor de frecuencia y elamplificador de potencia, como una etapa de preamplificacin a niveles de potencia intermedia.

Para el caso del receptor, no es viable utilizar amplificadores de potencia por una razn en particu-lar. Las seales que son transmitidas por el satlite hacia la base terrena viajan casi 36,000 km, loque provoca que lleguen con un nivel de potencia muy bajo que puede llegar a ser comparable alruido del ambiente, por lo que, si se llegara a colocar un amplificador de potencia a continuacinde la antena, no solo se amplificara la seal del satlite, sino que se tendra una amplificacin delruido del ambiente el cual tendra un nivel de potencia comparable al de la seal deseada y com-plicara la recepcin. Para evitar esto, lo primero que se hace es colocar un amplificador de bajoruido (LNA) a continuacin de la antena.

El amplificador de bajo ruido trabaja con temperatura de ruido muy baja, lo que permite que seaada poco ruido a la seal y as lograr una mayor calidad de recepcin. Adems de la temperatu-ra de ruido del amplificador de bajo ruido, tambin se tiene una temperatura de ruido de la ante-na; la suma de estas dos temperaturas de ruido (antena y LNA) determinan casi completamente latemperatura total T de ruido del sistema de recepcin, para condiciones de cielo despejado, siem-pre y cuando las prdidas producidas por los conectores sean bajas.

Considerando la temperatura de ruido T y la ganancia G de la antena se puede obtener el valor delcociente G/T, cantidad que se utiliza comnmente para definir las cualidades de recepcin de unaestacin terrena. Esta relacin G/T se conoce como factor de calidad, o figura o cifra de mrito, sesuele representar como dB/K, debido a las unidades de las parmetros.

El amplificador de bajo ruido debe ser altamente sensible, es decir, que el ruido interno generadopor l sea lo ms bajo posible. Si la temperatura fsica se logra reducir, entonces la temperatura deruido tambin bajar; por lo tanto, es deseable enfriar al amplificador lo ms que se pueda.

Muchos de los amplificadores de bajo ruido actualmente instalados y en operacin son paramtri-cos (circuito de microondas con diodo varactor), amplificadores de efecto de campo (FET) de arse-niuro de galio (GaAs) o de transistores ms avanzados conocidos como HEMT (High Electron Mobi-lity Transistor).

El gran aumento de la temperatura de ruido de la antena en las bandas Ku y Ka se debe principal-mente al comportamiento de la atmsfera en esas frecuencias y a la atenuacin de la seal causa-da por la lluvia; en cambio, las seales que se propagan en la banda C son atenuadas muy poco por

la lluvia, y la temperatura efectiva de ruido de la antena es relativamente baja. Debido a lo ante-rior, cuando un enlace de comunicaciones funciona en las bandas Ka y Ku, es necesario disearlocon un buen margen de operacin para que cuando llueva, la seal no se degrade a niveles depotencia insatisfactorios; a este margen de diseo se le da precisamente el nombre de margen delluvia.

La temperatura del amplificador de bajo ruido puede ser controlada por diversos medios: refrige-racin criognica, termoelctrica o por compensacin de temperatura.


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La refrigeracin criognica consiste en un sistema de circulacin de helio gaseoso, alcanzndosetemperaturas cercanas a los -250C. Se dejo de usar en la dcada de los setentas debido a que escostosa y su mantenimiento es complejo.

La refrigeracin termoelctrica permite reducir mucho la temperatura de los componentes sensi-bles del amplificador; tiene la ventaja de que no requiere ninguna parte mvil, adems de que se

instala dentro del dispositivo, en una caja sellada hermticamente, lo cual le da mucha robustez yfacilidad de mantenimiento. La refrigeracin opera con diodos que aprovechan el efecto Peltier.Este efecto consiste en que cuando se aplica una corriente elctrica en un circuito hecho con launin de dos conductores distintos, uno se caliente y el otro se enfra, y el efecto es mayor cuandolos materiales de la unin son semiconductores.

La refrigeracin por compensacin de temperatura se utiliza cuando no es necesario que la tem-peratura de ruido sea muy baja; emplea sistemas de control ms sencillos que los de la refrigera-cin termoelctrica, es muy confiable y tambin puede usrsele a la temperatura ambiente.

Tipo segnelectrnica

Enfriamiento Banda Temperatura de ruido[K]

Paramtrico Termoelctrico C 30

Ku 90

Sin enfriamiento C 40

Ku 100

GaAs FET Termoelctrico C 50

Ku 125


Ku 125

HEMT Termoelctrico C 2330

Ku 5070

Ka 110


Ku 65100

Ka 150300Tabla 2: Valores tpicos de temperatura de ruido para amplificadores de bajo ruido.

La contribucin de ruido de un amplificador se suele expresar en funcin de un factor denominadofigura de ruido F, en lugar de su temperatura de ruido equivalente T, expresada en grados Kelvin:Los dos parmetros son vlidos, sin embargo, para diseo, se utiliza a T para la banda C y a F paralas bandas Ku y Ka como factores de ruido. La relacin entre estos dos parmetros se define como:

En el subsistema de radiofrecuencia se suele utilizar un combinador de canales para el caso latransmisin y un divisor para la recepcin. En el caso del combinador, suele colocarse despus delos amplificadores de potencia, ya que su funcin es nicamente juntar todas las seales prove-nientes de cada canal en una sola que pasar a travs del duplexor para ser enviado por la antena.Por otro lado, el divisor se coloca al contrario a continuacin del amplificador de bajo ruido, per-mitiendo separar las seales en canales distintos dirigidos hacia los dispositivos de comunicacio-nes.


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3.3 Subsistema de Comunicaciones

Figura 3-11: Subsistema de Comunicaciones de una estacin terrena.

Este subsistema es el encargado de convertir la frecuencia, aumentndola para la transmisin odisminuyndola para la recepcin, modular, demodular y realizar un procesamiento de las seales,analgica y digitalmente. La Figura 3-11, muestra los bloques tanto en la recepcin como en latransmisin.

En la transmisin, el subsistema de comunicaciones se encarga de convertir las seales en banda

base a seales de radiofrecuencia. Sus funciones son:

Modulacin de portadoras a frecuencia intermedia

Filtrado y ecualizacin de seales en frecuencia intermedia

Conversin de portadoras moduladas a radiofrecuencias

En el caso de tener seales digitales, usando TDMA se agrupan los bits de la seal en banda base yse acomodan en paquetes que son insertados en ranuras de tiempo (time slots) para su transmi-sin.

El modulador de la estacin combina la forma de la seal en banda base con la seal portadora,modificando el ancho de banda de frecuencias y la posicin de la informacin dentro del espectro

radioelctrico, la cual es transferida a frecuencias ms altas. Este paso de la seal modulada a fre-cuencia intermedia (FI) es el primero en su ascenso de conversin a microondas. Aunque el modu-lador coloca la seal modulada en una regin ms alta del espectro radioelctrico, la frecuenciaintermedia no es adecuada todava para radiarla eficientemente a travs de la atmsfera.

En la etapa en que la seal est en frecuencia intermedia, se tienen amplificadores, filtros, y ecua-lizadores que preparan la seal para ser convertida en una seal de microondas.


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Para poder enviar la seal hacia el satlite, es necesario utilizar un convertidor elevador de fre-cuencia que transfiere la seal de la frecuencia intermedia a una posicin dentro del espectro ra-dioelctrico en donde las nuevas frecuencias que la integran son mucho ms altas que cuandosalieron del modulador. La seal tiene ahora las frecuencias apropiadas para poder ser radiadahacia el satlite.

Para la recepcin, el subsistema de comunicaciones se encarga de convertir las seales de radio-frecuencia a seales en banda base. Sus funciones son:

Conversin de portadoras de radiofrecuencia a frecuencias intermedias

Filtrado y ecualizacin de seales en frecuencia intermedia

Demodulacin de portadoras en frecuencia intermedia a banda base

Despus del amplificador de bajo ruido van conectados en cadena un convertidor reductor defrecuencias y un demodulador, contando los filtros, amplificadores y ecualizadores intermedios. Laseal de salida del amplificador contiene toda la informacin radiada por el satlite en una bandade operacin con ancho de 500 MHz, situada an en la misma regin del espectro radioelctrico;

el convertidor reductor tiene como funcin transferir toda esa informacin de 500 MHz a una re-gin ms baja del espectro, centrndola en una frecuencia intermedia de recepcin.

La conversin de reduccin de frecuencia se puede hacer en un solo paso, bajando de la frecuen-cia de llegada de la antena hasta la frecuencia intermedia que se le debe entregar al demodulador.El proceso tambin puede ser realizado en dos pasos, y se prefiere as cada vez ms en las estacio-nes terrenas, porque es ms fcil sintonizar los equipos de recepcin de cualquier regin del anchode banda de transmisin del satlite. Esto es importante, porque el plan original del uso de lasfrecuencias de transmisin del satlite puede variar con el tiempo, en uno o en todos sus trans-pondedores, o tal vez bajo circunstancias drsticas sea necesario cambiar de satlite, y la frecuen-cia de trabajo del convertidor reductor puede ser ajustada ms fcilmente si se usa doble conver-sin.

La seal de frecuencia intermedia que sale del convertidor reductor an est modulada (FM, PSK,etc.) y el paso siguiente para recuperarla en su forma en banda base es precisamente demodular-la. En realidad, la seal nunca es recuperada exactamente como era en su forma original, ya quediversos factores (ruido trmico, intermodulacin, etc.) se encargan de distorsionarla, adems elruido de cuantizacin y la interferencia entre smbolos en los sistemas digitales.

Para conocer la calidad de la recepcin se utiliza el concepto de relacin seal a ruido (S/N), estoes, el cociente de la potencia de la seal deseada dividida entre la potencia del ruido presente.

La relacin seal a ruido es la medida de calidad para enlaces analgicos; en una transmisin digi-tal dicha relacin no se utiliza, sino que se emplea la probabilidad de error P e. La seal digital est

compuesta por una secuencia de unos y ceros; el ruido, al aadir a ellos en diferentes etapasdel enlace, ocasiona que algunos unos y ceros sean mal interpretados por el receptor. Cuantosms errores cometa el aparato por efecto de la superposicin del ruido, ms difcil es reconstruirla seal en su forma original, y en consecuencia, la calidad del servicio se degrada.

Para que un demodulador funcione bien necesita que la seal modulada que entre a l lo hagacuando menos con un nivel de potencia superior al mnimo permisible (umbral), en relacin con elruido que lleva consigo. Para diferenciar los cocientes de la potencia de la seal entre el ruido,tanto en la entrada como en la salida del demodulador, se utiliza la notacin C/N a la entrada y


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S/N (Pe) a la salida. Donde C es la potencia de la seal todava modulada y N es la potencia delruido distribuido en todo el ancho de banda de la seal modulada. El cociente C/N se denominarelacin portadora ruido. Es conveniente utilizar un cierto grado de duplicacin o redundancia enlos equipos, para que el enlace no se interrumpa aunque algunos de ellos fallen, dependiendo porsupuesto del tipo de estacin de que se trate.

3.4 Subsistema de Interface Terrestre

Figura 3-12: Subsistema de Interface Terrestre.

Las seales en banda base que entran a los moduladores de la estacin terrena estn divididas porcanales, estos canales se originan a partir del multiplexador que se encuentra en el bloque delsubsistema de interface terrestre. Este dispositivo se encarga de recibir la seal proveniente de lared terrestre y acomodarlo en distintos canales, de acuerdo a la configuracin de y uso de la baseterrena. Por el contrario, el demultiplexor se encarga de juntar las seales de todos los canalesprovenientes del receptor para enviarlos por un solo medio hacia las redes terrestres. Por estemotivo, los dos dispositivos se muestran en un solo bloque en la Figura 3-12.

Las interfaces con las redes terrestres se requieren cuando las seales en banda base no se origi-nan o no tienen como destino final la propia estacin terrena. Ejemplos de estaciones que no re-quieren dichas interfaces son las de recepcin directa de televisin, las mviles y muchas de lasremotas de las redes VSAT.

Las interfaces permiten adaptar y sincronizar las seales entrantes desde una red terrenal a lasrequeridas en la estacin terrena y viceversa, en cuanto a voltajes, polarizacin, sealizacin,tiempo y otras caractersticas. Para la conexin a la red terrenal necesariamente debe encontrar-se en la estacin terrena un equipo terminal de aquella como parte de un enlace.


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La terminal de la red terrenal puede en un caso enlazar por fibra ptica grupos primarios de unared telefnica pblica con el otro extremo en un centro de conmutacin, o en otro ser parte de unenlace por microondas con los estudios de una cadena de televisin. En un telepuerto puede darseservicios a diversos usuarios con trfico de datos y el enlace con las instalaciones de cada uno deellos puede hacerse, por ejemplo, por medio de lneas fsicas dedicadas de calidad especial, pormedio de una red digital que opere a travs de fibras pticas o por medio de una red de radio deacceso mltiple por paquetes, de corto alcance.

3.5 Infraestructura General y Sistema de Energa

La infraestructura de una estacin terrena incluye en el caso ms amplio los edificios con localespara equipos, para oficinas y para habitacin, entre otras obras. Los edificios, los equipos e instala-ciones que sirven funciones de apoyo para la operacin de las estaciones terrenas equivalen a loque en un satlite constituye su plataforma. Dadas las extremas diferencias entre estaciones te-rrenas de distintas capacidades y servicios, dicha infraestructura puede ser importante, como en elcaso de una estacin transmisora receptora de alto trfico o insignificante y hasta inexistente,como en el caso de terminales mviles pequeas en transportes o porttiles, o de solo recepcin

de televisin directa a los usuarios finales. Para hablar de la infraestructura de las distintas confi-guraciones de bases terrenas, es conveniente hablar un poco de cada una de ellas.

Las estaciones ms grandes de gran capacidad de trfico con mltiples servicios de transmisin deseales de video, voz y datos abiertas al servicio pblico se conocen como telepuertos y se instalanen ciudades grandes, en otras poblaciones que se encuentran en una etapa de gran desarrolloeconmico o en sitios cercanos a stos enlazados por redes terrenales. En los casos en que se en-lazan con ms de un satlite o con ms de una banda del mismo requieren ms de una antena,cada una asociada con sus correspondientes cadenas de transmisin y recepcin, teniendo encomn solo algunos elementos, como pueden ser parte de las interfaces con las redes terrenales yde los sistemas de monitoreo y supervisin.

Figura 3-13: Telepuerto en Banda C y Ku.


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La infraestructura ms compleja se encuentra en los telepuertos de gran capacidad cuando seutilizan varias antenas. Pueden existir antenas pesadas con sistemas de seguimiento y estarninstaladas cada una en un edificio especial, en tanto que antenas fijas de tamao medio podrncontar con soporte metlico apoyado directamente sobre el suelo en bases de concreto. En unedificio o rea central donde se controlan todas las operaciones y se hacen las conexiones de in-terface y el encaminamiento de las seales estarn alojados tambin los equipos de telemando ysupervisin. Las conexiones de enlace entre las antenas y el edificio central pueden realizarse pormedio de guas de onda o cable coaxial, segn la distribucin de los equipos. Es comn que serequiera al menos una torre para soportar antenas de microondas y de radio enlace de sealescon el exterior y otros casos hay tambin terminales de redes de fibra ptica.

El diseo debe realizarse de acuerdo a las necesidades y condiciones requeridas de operacin,como puntos importantes se tiene:

Instalaciones y equipos de climatizacin

Adecuacin al terreno de las instalaciones y antenas para soportar sismos, mnima distanciaentre conexiones, y lnea de vista libre para las antenas hacia los satlites.

Los subsistemas de alarma y proteccin contra incendios.

Vas de acceso y estacionamientos

Sistema de alimentacin de energa

Los equipos para el suministro de energa, con capacidades tpicas de cientos de kVA, se ubican enuna seccin separada cercana a las salas principales de transmisin y recepcin para que sea pocala longitud de los cables de alimentacin. Se debe asegurar la continuidad del suministro de energ-a para que exista una alta disponibilidad del servicio por satlite. Se deben tomar las precaucionespara asegurar dicha continuidad y utilizar energa elctrica de alta calidad disponiendo de:

Sistema de suministro de energa ininterrumpible. Este sistema debe tener capacidad cuandomenos para las cargas crticas que permiten mantener las comunicaciones por satlite y los

enlaces terrenales. Generadores de emergencia de arranque rpido y con capacidad cuando menos para las car-

gas crticas y esenciales, movidos por motores de combustible hidrocarburo para sustituir laenerga elctrica comercial en periodos de interrupcin prolongados.

Banco de bateras tanto para el sistema ininterrumpible como para los dispositivos que vayana ser alimentados por corriente continua.

Otras instalaciones que requieren consideracin especial comprenden la tierra general de la esta-cin, que comnmente deber ser menor de 5 ohm, y los pararrayos, as como las medidas de con-tencin de fuego en el sistema de energa.

Las redes privadas o pblicas de estaciones de abertura muy pequea conocidas como VSAT tie-nen una amplia diversidad de aplicaciones y deben disearse y optimizarse para cada una. Unacaracterstica comn de ellas, adems del reducido dimetro de los reflectores de antena de susestaciones remotas, consiste en que tanto para transmisin como para recepcin abarcan todas ocasi todas las etapas necesarias de conversin y tratamiento de las seales desde banda base enun extremo hasta banda base en el otro. No obstante, se logran algunas ventajas y simplificacionesnotables debido al poco nmero de canales que manejan y a su poca anchura de banda.


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Figura 3-14: Estacin remota VSAT.

Cuando las estaciones remotas transmiten una sola portadora la potencia necesaria puede ser solouna fraccin de watt, la demanda total de energa mnima, la seal no sufre efectos de intermodu-lacin en la propia estacin, y son innecesarios divisores o combinadores. En estas condiciones, losamplificadores de potencia usados son normalmente los de estado slido aun para las estacionesmaestras con varias portadoras. Estas ventajas, que implican menor costo por estacin, alta fiabi-lidad, mnimo espacio requerido, simplificacin del equipo y de su instalacin y facilidad de opera-cin se aprovechan frecuentemente en redes de estrella que enlazan una estacin maestra demayor capacidad con remotas de poco trfico. Usualmente los equipos se dividen en dos partes:una unidad exterior compacta que incluye toda la terminal de radiofrecuencia, generalmente aco-

plada a la propia antena, y una unidad interior con los elementos para procesar en frecuencia in-termedia y banda base. Las VSAT tienen los elementos bsicos de una base terrena, con excepcindel subsistema de seguimiento, y en muchos casos no cuentan con la interface hacia redes terre-nales, sino hacia equipos terminales instalados localmente.

Su sistema de suministro de energa es muy simplificado debido al bajo consumo, pero normal-mente cuentan cuando menos con un sistema ininterrumpible compacto de corta autonomacuando estn conectadas a las redes comerciales de energa. Algunos de estos tipos de estacionesfijas, debido a su bajo consumo de energa pueden usarse otros mtodos de suministro, como lasclulas solares o generadores termoelctricos pequeos de alta autonoma que peridicamenteson abastecidos de combustible por personal tcnico visitante.

3.6 Sistema de supervisin y control

Los sistemas de supervisin y control incluyen funciones de comprobacin, alarma y mando remo-to, tanto para hacer ms eficiente la operacin de una red reduciendo la duracin y el nmero defallas como para reconfigurar los enlaces manual o automticamente, o determinar otras carac-tersticas de su operacin

Las estaciones de mayor tamao pueden contar con medios para comprobar parmetros de lasseales y el ruido tanto en radiofrecuencia como en banda base, los del sistema de energa, los de


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la antena y su sistema de seguimiento, los estados de actividad de los equipos, algunas de las con-diciones de avera en elementos especficos y las variables del medio ambiente exterior a interior.Las comprobaciones tiene la finalidad de detectar degradaciones de las seales o de los subsiste-mas de apoyo, las posibles relaciones entre el medio ambiente y parmetros de los equipos o ten-dencias hacia fallas que puedan evitarse antes de que ocurran.

Figura 3-15: Centro de control satelital de SATMEX.

La funcin de control comprende realizar en forma remota la conexin y desconexin de los equi-pos que no lo hacen en forma automtica y determinar sus combinaciones, conmutar los trayectosde transmisin o establecer la conectividad entre las estaciones de la red y establecer las restric-

ciones de cada una de ellas, as como las prioridades en una secuencia automtica.

En algunas redes es posible desde una estacin central conocer diversos parmetros de operacinde todas las dems estaciones terrenas y almacenarlos, as como producir automticamente listasde sus valores y de las fallas, e informes derivados de su procesamiento, independientemente delos que produzca localmente en la misma forma cada estacin sobre su propio desempeo. Lainformacin registrada para supervisin de la operacin es diferente de la informacin de trficode cada estacin que en los sistemas de acceso por demanda se emplea para facturarles el servicioque se les proporciona en funcin del uso que hagan de la capacidad disponible.

Las estaciones de menor trfico como las redes VSAT cuentan con alarmas sencillas y como opcinmedios de comprobacin, registro y control, generalmente desde una microcomputadora instala-

da en una de ellas. Entre las opciones pueden incluir el diagnstico remoto de fallas en la red y laincorporacin de las estadsticas de trfico a la recoleccin general de datos de operacin. Lasredes AMDT de banda angosta utilizan un sistema centralizado de control de su configuracin, quepuede ser activado manualmente desde su terminal de supervisin o ser programado en el mismopara que se active automticamente, alternando configuraciones con determinada periodicidad.

redes vasat

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