Bilan de liaison terre-satellite
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Bilan de liaison
Dans une liaison sans fil, le signal envoyé par l’émetteur est atténué et la fraction arrivant au récepteur est réduite, malgré les gains des antennes et de l’amplificateur. Le signal est donc dégradé. En outre, divers éléments introduisent une puissance de bruit qui va également dégrader les performances.
OBJECTIFS
BILAN DE LIAISON RADIO
Identifier et évaluer tous les éléments de gain ou de perte de puissance
Déterminer la taille des antennes d'émission et de réception
Déterminer la puissance d'émission
Déterminer le rapport signal à bruit nécessaire pour pouvoir effectuer la transmission avec la qualité requise
Prédire si un lien radio va fonctionner ou pas
Pouvoir ajuster les équipements en fonction des besoins de projet
Bilan de liaison
Le bilan de liaison permet d'établir une relation entre le rapport signal à bruit dans le canal de transmission et les caractéristiques des équipements en orbite et au sol.
Etablir le bilan de liaison revient à comparer le niveau de signal reçu à l'entrée du récepteur satellite au bruit de l'installation de réception.
4
Bilan de liaison
•
En comparaison avec les FH terrestre, la transmission par satellite est
confrontée à des conditions plus défavorables.
Longueur du bond de 36000 Km à à 41000 Km au au lieu d'environ 50 Km;
•
La puissance d'émission à partir du satellite est limitée;
•
Le gain de l'antenne satellite est modeste ( 20dB) pour couvrir toute la
•
partie visible de la terre.
5
Bilan de liaison
6- Liaison
Désadaptations
atténuation, dispersion
atténuation, dispersion Milieu de propagation
A
feeder
désadaptation Réflexions, diffractions, trajets multiples, évanouissement, AEL, conditions météos...
A
feeder
désadaptation obstacles,
bruit des composants
diffusion,
Et tous ces paramètres varient en fonction de la fréquence, du temps et même de la polarisation de l’onde. Les pertes de puissance par réflexion entre le système et les antennes sont à prendre en compte (particulièrement dans les systèmes large bande). bande)
7- Liaison
Sources de pertes
Bilan de liaison
Les pertes dans une telle liaison peuvent être dues : à l’affaiblissement en espace libre; à des désadaptations; au bruit; aux réflexions multiples; à la diffraction; au climat (pluie, brouillard…) à de la végétation…
Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente (PIRE) Soit une antenne directive illuminée par une onde de puissance PE. Un récepteur placé dans le faisceau reçoit une quantité d'énergie identique à celle qu'il recevrait dans le cas où l'antenne d'émission serait une antenne isotrope illuminée par une onde de puissance PE x GE (> PE). PE). GE est le gain de directivité de l'antenne dans la direction considérée et il est maximal dans l'axe du diagramme de rayonnement. rayonnement.
PIRE=PExGE On exprime souvent la PIRE en dBW
PIRE (dBW)=10log(PE)+10logGE
8
dBW
dB
Bilan de liaison
Densité du flux reçue au sol
La densité de flux de puissance traversant une surface de 1m2 placée à une distance d de l'antenne est égale à:
PIRE 4 d 2
En pratique, ce flux est exprimé en dBW/m dBW/m2 et et est affecté par l'affaiblissement atmosphérique
PIRE 10 log( 4 d 2 ) A W/m2
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dBW
dBm2
dB
EIRP Puissance isotrope rayonnée effective - Effective isotropic radiated power power EIRP:: EIRP
EIRP
P T GT
P TI
LT Puissance isotrope effective reçue: P RI
P R L R G R
puissance envoyée dans le canal
puissance en sortie du canal
Pertes d’espace ou canal:
P TI EIRP G R 10 log L 10 log P RI P R L R
Distance Terre Terre--Satellite (d) Pour un satellite situé sur l'orbite géostationnaire, d est approximativement de 36000Km. Mais il faut tenir compte du fait que d augmente au fur et à mesure que le lieu de réception se déplace de l'équateur vers l'un des pôles. Pôle nord d2 d1 d1
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Bilan de liaison
Les courbes ci-après permettent de déterminer avec précision le facteur d'étalement (10 log 4π d2 ) en fonction de la latitude du lieu de réception et de la longitude relative (différence entre la longitude au satellite et celle du lieu de réception).
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Bilan de liaison Rapport signal à bruit S/N
La grandeur intéressante pour l’évaluation de bilan de liaison est le rapport signal à bruit S/N. La probabilité d’erreur sur les symboles binaires reçus doit être raisonnable, compte tenu de l’ensemble des dégradations.
L’évaluation du rapport S/N au récepteur se fait à l’aide du bilan de
liaison qui recense l’ensemble des dégradations aux divers endroits de la liaison. 13
RAPPORT SIGNAL A BRUIT (C/N) AVANT DEMODULATION
Puissance disponible à l’entrée de l'antenne : C (Carrier)
C =. Se avec
2
Se
G
C
4
G 2 4
Rapport C/N avant démodulation Connaissant donc C et N, on déduit :
C N
, et
G
2
T 4 kB
B sont des paramètres donnés par les caractéristiques du canal de transmission et par le lieu de réception.
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. Bilan de liaison
15- Liaison
Réflexions multiples
Emetteur
E1
Obstacle : mur, bâtiment,sol…
E2 Récepteur
E total E 1 E 2 E 0 e L1
j L1
R e j E 0 e
j L2
L2
Selon les valeurs des coefficients de réflexion et des distances relatives, le champ peut être soit renforcé soit atténué. De plus, les trajets peuvent s’effectuer dans des milieux d’indices différents.
. Bilan de liaison
16- Liaison
Diffraction
Le point d’une arête frappé par un rayon de champ devient source de plusieurs rayons (principe de Huyghens). Cela va également modifier les amplitudes des champs rayonnés ainsi que leur direction.
Modélisation de la propagation des ondes EM Pertes de propagation en espace libre – Formule de Friis
La formule de Friis donne la puissance électrique reçue par une antenne de gain Gr.
P r
P eGeGr d
4
2
PIRE .Gr
4
d f c
La transmission en espace libre conduit à un affaiblissement géométrique dépendant uniquement de la fréquence et de la distance
4
d f c
L0 (d , f )
Free space Path Loss:
17
2
L0 (dB) 32.4 20 log d km
20 log f MHz
2
Bilan de liaison
Pour compenser ces effort, la puissance d'émission de la station terrienne est importante et le gain des son antenne est d'environ 60 dB. En plus le répéteur satellite assure une amplification de l'ordre de 100 dB.
satellite
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Bilan de liaison
19
Bilan de liaison
P r P e .Ge .Gr .G s1 G s 2
g .
1
.
1
A01 . A0 2 A p
avec: Pe : puissance d'émission de la station terrienne; Ge, Gr : gains des antennes terriennes à l'émission et à la réception; GS1 , GS2: gains des satellites abord du satellite à l'émission et à la réception;
A01 , A0 2 : Affaiblissement en espace libre pour les deux trajets montant (à la fréquence f pm) et descendant (à la fréquence f pd ); : pertes dans les feeders; Ap : puissance reçue par la station terrienne P r 20
g
: gain du répéteur ( amplificateur);
OU encore
BILAN DE LIAISON RADIO PUISSANCE RECUE
Satellite
Lda
Lua G su Perte de Propagation
Gain
G s
G sd Perte de Propagation
Ld
Lu Gt
Gr
Lta
Lra
Station de base en transmission Liais on montante
Station de base en réception Liaison descendante
Pr Pt G t L ta G su L u L ua G s G sd Lda Ld G r L ra
BILAN DE LIAISON RADIO PUISSANCE RECUE 22
Gt : Gain de l’antenne de la station de base de transmission relative à une antenne isotrope Lt : Perte du guide d’onde d’alimentation (feeder), perte d’une désadaptation de la polarisation de l’antenne de la station de base de transmission.
Lt : Perte de la propagation de la liaison montante incluant les pertes dans l’espace libre, atmosphérique, et l’atténuation par par la pluie pluie.. l’absorption atmosphérique,
Gsu,, Gsd : Gain de l’antenne de réception et de transmission du satellite Gsu Gt : Gain de l’antenne de la station de base de transmission relative à une antenne isotrope Gt : Gain de l’antenne de la station de base de transmission relative à une antenne isotrope Gt : Gain de l’antenne de la station de base de transmission relative à une antenne isotrope
PERTES ESPACE LIBRE
4 d L0 (d , f ) c
f
2
PERTES ESPACE LIBRE
LES PERTES DE PROPAGATION DANS L’ESPACE LIBRE LIBRE A 5 GHz D’UN LIEN LIEN ENTRE UN SATELITTE ET UNE STATION DE BASE SEPARES PAR UNE DISTANCE EGALE A 36500 km SONT EGALES A :
197.71 dB
PERTES ESPACE LIBRE
PERTE PAR ABSORPTION ATMOSPHÉRIQUE
Les molécules gazeuses sont les principaux facteurs de l’atténuation des ondes radio sous forme de dispersion et d’absorption par Résonance :
OXYGENE VAPEUR D’EAU PARTICULES DE GLACE GOUTTELETTES D’EAU
PERTE PAR ABSORPTION ATMOSPHÉRIQUE
BILAN DE LIAISON RADIO PUISSANCE RECUE
29- Liaison
Bilan de liaison
Le bruit
A
feeder
feeder
Deux types de bruits : ►bruit
dû à l’environnement (bruit atmosphérique, bruit cosmique, parasites dus aux appareillages électriques); ►
bruit dû au système (interférences, bruit des amplis…).
A
Bilan de liaison
Rappel concernant le bruit
Le bruit thermique est dû au mouvement des électrons dans les conducteurs.. Dans les systèmes de communication, on considère le bruit conducteurs comme blanc, additif et Gaussien (AWGN). (AWGN). Le bruit thermique fourni par une résistance s’écrit, dans le cas où la fréquence obéit à (hf hf<
N=kTB N= kTB
En Watt
Les formules de mise en cascade de quadripôles sont d’application.
Température de bruit d’une antenne (TA) L’antenne capte les signaux parasites provenant du ciel mais aussi et surtout de la surface du sol
Ce bruit thermique est dû à l’agitation des molécules. C’est le mouvement Brownien. Il est nul à 0° K (-273° C) et augmente avec la température. La puissance de bruit générée ou reçue est donnée par la relation :
N= k TB avec N : puissance de bruit en watts k = constante de Boltzmann (k = 1,38.10 -23 WHz WHz-1 K K-1) T31: température absolue en degrés Kelvin
BILAN DE LIAISON
Pour terminer le bilan de liaison il faut prendre en compte le bruit additif du canal et du récepteur No : No = K T
La puissance de bruit dans une bande de fréquence F est alors égale à : PB = No * F
En introduisant l'énergie par bit E b dans la bande de réception et le débit binaire Db il vient : Pr = Eb * Dr
BILAN DE LIAISON Le rapport
est alors égal à : 1 Pr Eb No Db No
Pour obtenir un taux d'erreurs spécifié lors de la démodulation, il est nécessaire d'avoir un rapport
BILAN DE LIAISON
Il faut donc ajuster la puissance d’émission et les tailles des antennes afin que :
Pr
N o
Db (
Pr
N o
) req
BILAN DE LIAISON
EXEMPLE Considérons un satellite Géostationnaire :
Puissance d’émission : 100 Watts (20 dBW). Fréquence porteuse : 4 GHz Gain d’antenne d'émission : 20 dB. PIRE : 40 dBW. Gain d’antenne de station terrienne : 40dB Perte en espace libre est égale : 196 dB On suppose qu'il n'y a ici aucune autre perte atmosphérique à prendre en compte = 20 + 20 – 196 + 40 = - 116 dBW
Puissance reçue : Pr
EXEMPLE La température de bruit du récepteur est égale à 300°K, la densité de bruit est alors :
D’où :
Pr
No
116 203.9 87.9 dBHz
EXEMPLE
Débit maximum
10 dB
20 dB
61.6 Mbit/s
6.1 Mbit/s
30 dB
616 Kbit/s
40 dB
61.6 Kbit/s
OPTIMISATION DE LA CAPACITE
OPTIMISATION DE LA CAPACITE
OPTIMISATION DE LA CAPACITE
OPTIMISATION DE LA CAPACITE
BRUIT D ’UNE COMMUNICATION PAR SATELLITE
BRUIT D ’UNE COMMUNICATION PAR SATELLITE
BRUIT D ’UNE COMMUNICATION PAR SATELLITE
T° DE BRUIT D’UN RECEPTEUR
La puissance du bruit thermique par unité de largeur de bande No : No = K T
K désigne la constante de Boltzmann
T désigne la température de bruit
TEMPERATURE DE BRUIT DE L’ANTENNE
On utilise souvent la température équivalente de bruit (T) pour caractériser le bruit des antennes.
►Le bruit (Ts ) associé a l’antenne en provenance du ciel
)T 0: ►(1-
la température de bruit Thermique
FACTEUR DE BRUIT D’UN AMPLIFICTEUR
F = (S/B)in / (S/B)out
TEMPERATURE DE BRUIT EQUIVALENTE A L’ENTREE D’UN CIRCUIT PASSIF
TEMPERATURE DE BRUIT D’UN RECEPTEUR
Si G1 (gain (gain du premier premier amplificateur) est élevé l’expression de Ts peut se simplifier simplifier.. Le premier premier amplificateur amplificateur est appelé Low Noise Noise Amplificator (LNA) Amplificator (LNA)..
T s
T a L1
T L1 T G1
T a L feed
T 0 (1 1 L feed ) T LNA
Figure de mérite G/T
Gs Ts
G a / L feed Ts
Ga Ta
To (Lfeed 1) TLNA Lfeed
Gain incluant la perte perte dans le circuit d’alimentation. d’alimentation.
IIndice
base
de performance performance de la réception au niveau de la station de
Qualité Qualité d d’un lien de communication par satellite
Qualité d’un lien de communication par satellite
Liaison montante
C / N o U Pou t, b L feed , b G t , b L f G r ,s L feed ,s Ts,s k EIRP b Lf G r ,s Ts,s L feed ,s 228.6
dBHz
Liaison descendante
C / N o D Pou t,s Lfeed ,s G t ,s Lf G r , b Lfeed , b Ts, b k EIRPs Lf G r , b Lfeed , b Ts, b 228.6
dBHz
Qualité d’un lien de communication par satellite Exemple
EIRP b
60.7 dB
Pertes de propagation ( 6 GHz, d=37270 km)
199.4 dB
Gain de l’antenne du satellite
21.7 dBi
Pertes de l’alimentation L feed , s
3.0 dB
Température de bruit équivalente à l’entrée 300 K de l’amplificateur faible bruit du satellite
C EIRP b L f Gr , s L feed , s N o
60.7 199.4 21.7 3 120.0
dB
10 log(k ) 10 log(T s, s ) 228.6 10 log(300) 203.8
(C / N o )U
120.0 203.8 83.8
dBHz
dB / Hz
Qualité d’un lien de communication par satellite
Exemple
EIRP du satellite
30.5 dB
Pertes de propagation ( 1.5 GHz, d=41.097 km)
199.4 dB
Gain de l’antenne du AESS
14.0 dBi
Pertes de l’alimentation
L feed ,b
Température de bruit équivalente à l’entrée de l’amplificateur faible bruit de la station de base
C EIRP b L f Gr ,b L feed ,b
3.0 dB 300 K
30.5 188.5 14.0 3 148.0 dB N o 10 log(k ) 10 log(T s, b ) 228.6 10 log(300) 203.8 dB / Hz
(C / N o ) D
148.0 203.8 55.8
dBHz
Qualité d’un lien de communication par satellite
Exemple
(C / N o )U
120.0 203.8 83.8
dBHz Terme dominant
(C / N o ) D
148.0 203.8 55.8
dBHz
1
1 1 1 1 C N o T 83.8 55.8 379587.790 55.7 C N o U C N o D 10 10 10 10 1
dBHz
