Comunicações Via Satélite

Si s tem tem as de de Telecomunicações Fi x ed-Sa d-Sat el l i te Se Ser v i c e (FSS)

GEO’s

Comuni Comunicações cações via Saté S atéli lite te Comu omuni nicações Sa Satélite télite Geoestacionário

Defifini nição ção de Fix ixe ed-S d-Sa atell tellitite e Se Serv rvic ice e (FSS) 











É um se s erviço rvi ço de d e radio radiocom comuni unicaçã cação o entre pontos pon tos espe sp ecíficos cífico s à supe sup erfície da Te Terra rr a, qua qu ando nd o sã s ão uti u tililisados sados um ou ma m ais satélit satélite es. As A s est es t açõ aç õ es c o l o c adas ad as em p o n t o s f i x o s em Terr Ter r a são s ão chama ch amadas das de d e Est Esta açõe çõ es Terr Terre enas. Esta st açõe çõ es colo co locada cadass a bordo bor do dos d os sa s atélites são chama chamada dass de Estaçõe staçõess Espa Espacia ciais is (transpond transponde ers e antenas). Sistema is tema Satéli atélite te = Estações st ações Terrena Terrenass + Est Estações ações Esp Espaciais aciais Rede de Saté Satélit lite e = Est Estações ações Terr Terrena enass + Estação Esp Espacial acial Carga útil = Ca Canais activos activos de tele telecomuni comunicaçõe caçõess abordo,incluindo alimentação de d e energi energia. a.

Sistemas de Telecomunicações

2


Ass p ec A ectt o s a co c o n s i d er erar ar(1) (1)


3

Comunicações via Satélite Geoestacionário

Aspectos a considerar(2)


4


Características de uma Ligação Espacial



A ligação entre dois pontos fixos em Terra via satélite quer-se: O mais económico possível  O mais fiável possível 



Parâmetro que define a qualidade da ligação (C/N) 

C - Portadora N - Ruído de varias fontes


5


Ganho das Antenas 

Uma antena isotrópica radia potência de forma esférica uniformemente (Po/4πr 2) com r = 1 





Po -> potência à entrada da antena

Uma antena directiva radia potência P(θ, ϕ) na direcção (θ, ϕ) Assim o ganho de uma antena define-se:

G(θ θ, ϕ ϕ) = P(θ θ, ϕ ϕ) /4π π  Pmax = > θ θ = ϕ ϕ = 0  Gmax = Pmax / Po / 4π π 





Ganho => G = 10 logG (dBi - dB relativa à isotrópica) Para a antena receptora as definições anteriores são igualmente válidas (Teorema da Reciprocidade)


6


Abertura efectiva de uma Antena



Se uma antena fosse perfeita: 



(A e) área efectiva = (A) área projectada (m2)

Na prática A e = η.A η - eficiência ou rendimento da antena  (η<1) valores típicos segundo UIT-R(0.6 a 0.8) 

 

Gmax = 4π A e/ λ2 λ = c / f - comprimento de onda (m) λ=300/f com f expresso em MHz


7


Diagramas de Radiação e Largura dos Feixes



A largura do feixe a metade da potência (-3 dB) é dado por: 

θ0 = k λ / D

k - depende da abertura; k ≈ 65º ; D - diâmetro da antena (m)  Exemplo: 





f = 4 GHz => λ = 0.075 (m); D = 10 (m) θ0 = 0.49º => -3 = 10 * log 0.49 (dB)


8


Antena - Lobos



Antena emissora: O lobo principal radia a maior parte da potência  Potência residual é emitida pelos lobos secundários segundo direcções que não interessam para a ligação radio 



Na antena receptora o processo vai ser idêntico O diagrama de radiação é idêntico ao da antena emissora  Na recepção vai-se receber o sinal que provem da antena emissora e outros sinais indesejados que se propagam na direcção dos lobos secundários 


9


Diagramas de uma parábola cassegrain


10


Polarização de um Sinal RF (Emitido ou recebido) 









A polarização de um sinal RF é definida pela orientação do vector E (eléctrico) da Onda. O vector E é perpendicular á direcção de propagação pode variar de direcção e intensidade durante um período de onda T. Durante um período T o vector E não só oscila de intensidade como também “ roda” (polarização elíptica caso geral). Polarização linear => E apenas oscila de intensidade. Polarização circular => a elipse é circular!


11


Polarização de um Sinal RF (Emitido ou recebido) cont... 



Dois sinais de frequência igual com polarizações ortogonais (ex: vertical e horizontal) são distinguíveis. Pode-se enviar e receber sinais de frequências iguais utilizando polarizações cruzadas ou ortogonais.


12


Potência radiada e potência recebida por uma Antena 

Antena Isotrópica:  power flux-density (pfd)i também chamada ’’intensidade de radiação’’ U( θ,φ )  (pfd)i = Pe/(4πd 2) 





d = raio da esfera ou distancia

Antena directiva (ganho):  (pfd) = Pe .Ge /(4πd 2)  O produto Pe .Ge é chamado de equivalent isotropically radiated power , ou E.I.R.P. Antena receptora  Pr = Pe .Ge /(A e/4πd 2) 2 Gr - ganho da antena de recepção  Pr = Pe .GeGr /(λ/4πd) Sistemas de Telecomunicações

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Diagrama de radiação em c.esféricas e aberturas

Lobo principal

Coordenadas rectangulares Lobos secundários

U( )

Os diagramas de radiação representam a distribuição de potência no espaço tridimensional para r >>...>>  Sistemas de Telecomunicações

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Ganho/abertura a (-3dB)/Diâmetro em função da frequência


15


Máscara de qualidade de parábola – REC. 465 UIT-R


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BRASILSAT 1

Brasil 1 (T) 63° W Began Service: 1985 Transponders: 8 Ku Band Coverage: Middle region of Brasil, including Sao Paulo, Rio de J aneiro and Brasilia


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ESTRELA DO SUL 1 – COBERTURA BRASIL

Brasil Beam •18 transponders in standard Ku band (130-W linearized TWTAs) •Up to 3 more transponders in extended Ku band (100-W linearized TWTAs)


18


Angulo de elevação para um satélite em 30º ESTE


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Atenuação devido à distância 

Atenuação em espaço livre entre duas antenas isotrópicas: 

Em números naturais L = (4πd / λ) 2 Em decibels L = 20 log (4πd / λ) Atenuação esp aço liv re para GEO (36000 km ) 220 215 ) 210 B d ( 205 o ã ç 200 a u n 195 e t A 190

185 180 1

11

21

31

41

F (GHz)


20


Ângulo de elevação versus DISTÂNCIA AO SATÉLITE


21


Atenuações adicionais 

Atenuação na atmosfera e na ionosfera Atenuação de poucas dezenas de dB a 4 GHz, a varias dezenas de dB a 30 GHz, dependendo das condições de precipitação e da elevação do satélite.









Perdas devido a problemas de polarização na interface da antena. Perdas devido a má orientação das antenas perdendo assim a directividade (alterando os ganhos das antenas). Perdas relativas à própria alimentação das antenas.


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Temperatura de Ruído 

Potência do Ruído - N 

N=KTB 







K - constante de Boltzmann (1.38 x 10-23 Joule/ºKelvin) T - graus Kelvin = graus Celcius +273 B - Largura de Banda(Hz)

Densidade Espectral de Ruído – No 



[Watt]

No = N / B

[Watt/Hz]

Em decibeis… N = 10 log k + 10 log T + 10 log B  No = 10 log k + 10 log T 


dB (W) dB (W/Hz)

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Temperatura de Ruído da Antena





A temperatura de ruído de uma antena obtémse,adicionando todo o ruído externo recebido por ela. As fontes externas de ruído dividem-se em duas categorias: 

Ruído Terrestre (factor dominante) Atenuação atmosférica (oxigénio, vapor de água, nuvens, chuva e o solo)





Ruído galáctico 

Estrelas, Sol, Lua e os Planetas...


24


Temperatura de ruído versus frequência em função de E<>


25


Link Budget 

A qualidade da ligação é determinada, depois da desmodulação ,por: Relação Sinal/Ruído (S/N) – transmissão de sinais analógicos ;  Probabilidade de erro de bit (BER) – transmissão de sinais digitais.  Ambos são determinados pela relação portadora/ temperatura de ruído (C/T) antes da função desmodulação. 



Os sistema considera-se indisponível quando se atingem determinados valores mínimos de qualidade na ligação. S/N = signal to noise ratio BER = Bit error rate


26


Link Budget - Up link (C/T)u O nível da portadora recebido à entrada do receptor do satélite é aproximadamente dado por: P .G .G C u = e et sr Lu

Onde:

Pe.Get

- E.I.R.P da estação terrena

Lu

- atenuação em espaço livre

Gsr

- ganho da antena no satélite

Relação portadora(sinal)/(temperatura de) ruído em up link é dado por:

(C / T ) u = (G / T ) s .(λ 2 / 4π ).( pfd ) u


(G/T)s - Figura de mérito da estação espacial

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Link Budget - Down link (C/T)d O nível da portadora recebido à entrada do receptor da estação terrena é dado por: P .G .G C d = s st er Ld

Onde:

Ps.Gst

- E.I.R.P da estação espacial

Ld

- atenuação em espaço livre

Ger

- ganho da antena em Terra

Relação portadora/ruído de temperatura em down link é dado por:

(C / T ) d =

(G / T ) e .( EIRP ) s Ld

(G/T)e - Figura de mérito da estação terrena(*) (*)Neste valor de G intervém apenas o ganho da antena de recepção –estação terrena


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Ruído de Intermodulação do Transponder (C/T)i





O sinal emitido pelo satélite é condicionado pelo sinal de up link. A unidade de amplificação dos transponders usa (TWT) “ travelling wave tube” A relação input-output do TWT não é linear  Provoca ruído de intermodulação em down link quando várias portadoras são amplificadas pelo mesmo transponder 


29


Outras fontes de Ruído (C/T)p



Nos cálculos entramos com o ruído total - será necessário contabilizar todas as fontes que contribuem para a potência de ruído do canal. Ex: Interferência de outras redes de satélites adjacentes  Ex: Sinais com polarização ortogonal da mesma rede 

−1 −1 (C / T ) p−1 = (C / T ) −adj1 . freq. + (C / T ) co ( / ) + C T . freq other


30


Link Budget Total (C/T)total



O link budget total da ligação obtém-se da expressão seguinte: −1 (C / T ) total = (C / T ) u−1 + (C / T ) −d 1 + (C / T ) i−1 + (C / T ) p−1


31


Exemplo Uplink 







Frequência fu = 14 GHz, GEO a 40 000 Km A direcção da antena do satélite é ideal => ganho max Antena terrestre com diâmetro D = 4m, potência Pt = 100 W A eficiência das antenas 





Satélite é 55 % ; θ3dB =2º; parabólica da estação - 60%

Qual a densidade de fluxo de potência(Intensidade de radiação)? Qual a potência recebida pelo satélite?


32


Exercício 1 - Parâmetros de uma parabólica


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Abertura efectiva e Ganho Comprimentos de onda

D1 = 1 m


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Aberturas a 3dB (cont.)


35


D2 = 4 m (contº.)


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Variação de Ganho com D e f em antenas parabólicas


37


Exercício 2


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Cálculo de EIRP e pdf


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Atenuação em espaço livre


40


Exercício 4 – Potência recebida no satélite

Calcule: -EIRP da estação terrestre; -Atenuação em espaço livre; -Potência de recepção; Sistemas de Telecomunicações

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Cálculo de EIRP


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Distância e atenuação


43


Cálculo de PR


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Figura de Ruído (enunciado)


45


Temperatura de ruído do Sistema


46


F - Figura de ruído


47


F – Figura de ruído


48


Ruído no transponder


49


Cálculo de TR e F

Cálculo de TR

Cálculo de F


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Exemplo Downlink









Frequência fd = 12 GHz, GEO a 40 000 Km Antena a bordo com potência Pt = 10 w A direcção da antena do satélite é ideal => ganho max A eficiência das antenas 





Satélite é 55 % θ3dB =2º; terrena - 60% D = 4 m

Qual a densidade de fluxo de potência em Terra? Qual a potência recebida em Terra?


51


Caso Prático 

É necessário considerar outros factores de atenuação Perdas associadas à atmosfera L = L L  Perdas devido ao equipamento receptor 

FS A

PTX = PT LFTX 

P RX = P R / LFRX

Perdas devido ao imperfeito alinhamento das antenas 2

2

L R = 12(α R / θ 3 dB )

LT = 12(α T / θ 3dB ) 

Perdas devido a problemas de polarização LPOL


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Potência do Ruído no Receptor 

O que é? Sinal sem informação que é adicionado ao sinal útil  Reduzindo a capacidade do receptor reproduzir a informação 



Origem do ruído Ruído emitido por fontes naturais  Ruído gerado por componentes electrónicos 



Sinais transmitidos por outros sistemas também é classificado como ruído, sendo este ruído descrito como INTERFERÊNCIA


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Caracterização e definição de ruído



Potência do ruído N 



[W]

Densidade Espectral de Ruído - No 



N = No * B No = N / B

[W]

Temperatura de ruído 

T = N / k B = No / k 



k = Constante de Boltzman =1.379 x 10 -23 T - Representa a temperatura termodinâmica de uma resistência que “ gera” ruído equivalente ao que se está a analisar.


54


Caract racte eri rizzação e defi defini nição ção de ru ruído ído (co (cont nt..) 

Tempera mp eratu tura ra de ruí ru ído da ant ante ena T A T A =  





1

T (θ , ϕ ).G (θ , ϕ ).d Ω ∫∫ 4π b

Tb => ruído ruído re r ecebido numa num a dada dada direcção direcção G => => Ganho Ganho da d a ant antena ena numa dada di recção recç ão

Tempe mp eratura ratu ra de ruído do d o adaptador adaptado r da d a antena TF Tempe mp eratura ratur a de ruí ru ído do recept receptor or TR T 1 = T A + ( LFRX − 1)T F + T 2 =

T A LFRX

+ T F (1 −


1 LFRX

T R GFRX

) + T R 55


Caract racte eri rizzação e defi defini nição ção de ru ruído ído (co (cont nt..) 

Relação Relação Sinal Sin al Ruído C/N C/N

 PTX GT max  1  G R max       LT LFTX  LFS L A  L R LFRX LPOL   1   C / N =    T A     k  1   + T F 1 −  + T R    LFRX   LFRX   

Figura Figur a de mérit mérito o G/T G/T

 G R max     L R LFRX LPOL  G / T =  T A    1   + T F 1 −  + T R    LFRX   LFRX   Sistemas de Telecomunicações

56


Relação Sinal / Ruído Ruído ent ntre re est esta açõ çõe es te t err rre est stres res 

Calc lcul ulo o tot t ota al da d a ligaçã li gação o (Uplink e Downlink)


57


Repetidor 



O repetidor tem duas funções:  Amplificar o sinal recebido  Mudar a frequência da port adora

( Pi1 )

Potência de entrada (i) com uma (1) portadora

( Po1 )

Potência de saída (o) com uma (1) portadora

A relação entre as duas grandezas não é linear, existindo saturação na Input e output back-off entrada ou na saída.

IBO = ( Pi1 ) /( Pi1 ) sat Sistemas de Telecomunicações

OBO = ( Po1 ) /( Po1 ) sat 58


Ganho de Potência 

Como o repetidor não é linear, a potência do ganho Gsl depende do ponto de operação (Gsat ) SL = ( Po1 ) sat /( Pi1 ) sat

Para ganho máximo de saturação

Para qualquer ponto de operação do repetidor

GSL = ( Po1 ) /( Pi1 ) = OBO / IBO (Gsat ) SL

( EIRPsat ) SL = ( Po1 ) sat GT max / LT LFTX


59


Expressão para (C/N)T (sem interferência de outros sistemas) 

Com os parâmetros relativos ao repetidor do satélite: −1 (C / N o )T −1 = (C / N o )U + (C / N o ) D−1



em que: (C / N o )U = IBO (C / N o )U , sat

(C / N o ) D = OBO( EIRPsat ) SL (1 / L D )(G / T ) ES (1 / k )

= OBO (C / N o ) D , sat


60


Expressão para (C/N)T (com interferência de outros sistemas) 

O sinal interferente soma-se ao ruído térmico N o = ( N o ) sem_inter. + ( N o ) I −1 −1 (C / N o )U = (C / N o )U

−1 ( / ) C N + o I ,U sem_inter.

(C / N o ) D−1 = (C / N o ) D−1

−1 ( / ) C N + o I , D sem_inter.

−1 (C / N o )T −1 = (C / N o )U + (C / N o ) D−1 + (C / N o ) I −1


61


Estudo do downlink


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Temperaturas de ruído no downlink


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Temperatura de ruído da antena com céu limpo


64


Temperatura de ruído/Atenuação com chuva


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Cálculo da temperatura de ruído do Sistema


66


Projecto do down link


67


Dados da ligação

Outros dados :


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G/T da estação terrena


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C/N0 do downlink


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G/T com chuva – 0,01% de qualquer ano

Cerca de 2,5 vezes menor que na alínea (a)


71



72


C/N0 do link total - Expressões


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Link Total


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(Contº)


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Ligação ponto a ponto

Pretende-se calcular: (a) (C/N0)T (b)

(C/N)T


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Solução


77


Segmento espacial - Estrutura 

A estrutura do satélite está sujeita a: Turbulência no lançamento (mais problemático )  Vibrações mecânicas e acústicas etc...  Turbulência no disparo do motor de apogeu  Problemas com os painéis solares  Instabilidade dos reflectores das antenas 


78


Segmento espacial - Sistema de Controle Térmico 



O Satélite está sujeito a rápidas variações de temperatura  Radiação solar por um lado e frio por outro O sistema de controlo mantém a temperatura dentro dos limites  O excesso de temperatura é dissipado por radiação no vácuo via estrutura do satélite  Fontes externas de energia recebidas no satélite   



Radiação Solar Radiação Terrestre Reflexão do Sol na Terra (lado iluminado)

Caso dos GEO’s  Duração máxima do período eclipse 72 min  Flutuações de intensidade solar


79


Segmento espacial - Estrutura (INTELSAT - V)


80


Segmento espacial - Estrutura (Telecom - I)


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Segmento espacia spaciall - Sist iste ema de Cont ontrol role e Térmi rmico co 

Soluções olu ções para suport sup orta ar cond c ondiçõ içõe es extre xtr emas rígid os OSR (O (Optical Solar olar Re Reflector flector ) ou SSM SSM  Uso de rígidos (Second co nd Surfa urf ace Mir Mirro ror r ) sup erfí rf íci cie es de d e alt alta a conduç cond uçã ão té t érmic rm ica a (e (ex:  Uso de supe Magnésio) TWT com co m dir d ire ecta ct a radia radi ação de d e calor calo r  Uso de TW Li mitação tação da tempera temp eratu tura ra da ante nt ena atr atra avés de  Limi superfície su perfíciess espe sp elha lh adas


82


Segme gmento nto espa spacia ciall - Contro ontrolo lo de d e Orbita e Alti Altitude tude 

Controlo de Altitude O objecti ob jectivo vo do sist si ste ema é manter a ant antena ena de RF RF apontada apon tada para as as áreas áreas pretend p retendid idas as em em Terr Terra. a.  O procedimento pro cedimento de contr co ntrolo olo de d e altitu lt itude de envolve: nvo lve: 



medir a altit altitude ude do satélite satélite por sensores (infra-ve (infra-vermelho) rmelho) • Mede Mede a diferença dif erença ent entre re as emissõ emis sões es de Terr Terra a e Espaço









compara com para os resultados co m os esperados esperados calcula calcu la as as corr co rrecções ecções a fazer fazer introd int roduz uz a alterações lterações de forma a volta volt ar ao “ normal” nor mal”

Contro on trolo lo da direcção das antenas antenas 

Corrige orr ige a direcção direcção da d as antenas antenas a bordo bor do em funç f unçã ão do do nível nível de sina sin al recebido recebid o


83


Segme gmento nto espa espacia ciall - Controlo de d e Orbita (Inte ntelsa lsatt - VI)


84


Segmento espacial - Controlo de Orbita (Intelsat - V)


85


Segmento espacial - Controlo de Orbita 





Um GEO está sujeito a perturbações orbitais que o levam a “ cair” em orbitas erradas, etc… O objectivo do controlo de órbita é manter o satélite na posição correcta latitude/longitude (limite imposto +/0.1º ) Fontes de perturbação são: Atracção da Lua e do Sol  Variações de gravidade devido “ imperfeições” da zona equatorial  Efeitos de radiação solar (varia ao longo do dia) 



São feitas correcções periódicas usando motores dos fo uetes a bordo limitando o mais ossível o consumo86



Segmento espacial - Fonte de Alimentação 

O sistema de alimentação é complexo devido:     



Painel Solar 



Converte directamente energia solar para eléctrica (+/- 11% efi.)

Fontes secundárias 



Limitado volume e massa Restrições mecânicas (no lançamento) Restrições de temperatura (em órbita) Radiação Exigência de fiabilidade

Baterias de nickel-cadmium (longevidade, relação potência/peso)

Períodos de Eclipse 

O satélite encontra-se na sombra da Terra


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Segmento espacial - Motor de Apogeu Produzir uma órbita circular Eliminar a inclinação da órbita

Exemplo de um Motor de Apogeu com combustível sólido (mistura de percloreto de amónio e alumínio) Sistemas de Telecomunicações

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Segmento espacial - Controlo de Orbita O motor de apogeu deve incrementar a velocidade entre 1500 m/s (ARIANE de Kourou) e 1850 m/s (Cape Canaveral)

Exemplo de Motor de Apogeu com combustível bi-liquid (nitrogen tetroxyde and methylated hydrazine)


89


Segmento espacial - Componente Activa (Antenas) 

Antenas  Antenas omnidireccionais para quando o satélite não está na “ posição correcta” - receber e transmitir comandos telemetria 

antenas bi-cónicas

O desenho da antena depende da estrutura do satélite  No caso do satélite giratório não há antenas viradas para Terra  No caso do satélite fixo, existe um painel virado para Terra que é usado para fixar a antena  Variações de gravidade devido “ imperfeições” da zona equatorial  Efeitos de radiação solar (varia ao longo do dia) São feitas correcções periódicas usando os motores de bordo. 




90


Segmento espacial - Componente Activa (Antenas)

Exemplo de uma antena do satélite Morelos


91



Estrutura em Torre O mastro suporta a alimentação, sendo o reflector montado virado para terra. Desvantagem: O comprimento desde a aliment ação da antena ao transponder . Exemplo : Intelsat - V


Estrutura orelhas “ Mickey Mouse” Os reflectores podem ser montados a Este ou Oeste do satélite, desta forma os alimentadores ficam colocados jun to do satélite. Desvantagem: Mecanismos de abertura são necessários devido ao período de lançamento . Exemplo : Eutelsat II

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Diplexers/Combinadores –Sistema de antenas Horn no foco


93


Multiplo Horn /múltiplo feixe (p/ reutilização de frequências)


94



Sistema de Antenas do Tipo “ Mikey Mouse” Sistemas de Telecomunicações

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Segmento espacial - Componente Activa (Antenas) Alguns satélites (Morelos, Arabsat) usam sistemas que radiam directamente; Este tipo de estrutura elimina a necessidade de reflectores ou mecanismos de abertura

Exemplo: Satélite Arabsat Sistemas de Telecomunicações

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Segmento espacial - Componente Activa (Transponders)

Diagrama típico simplificado de um transponder Sistemas de Telecomunicações

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Segmento espacial - Componente Activa (Transponders) 

Os sinais que chegam aos satélites são muito fracos 

a amplificação do sinal é na ordem dos 100 - 110 dB podendo ser na ordem dos 120 dB para satélites de Teledifusão(broadcast ) 



No interior do transponder os sinais são degradados devido principalmente a:  não linearidade do amplificador (intermodulação)  interferência entre sinais transmitidos em freq. vizinhas  variações de fase e amplitude causado pelos filtros (distorção de sinal) Sistemas de Telecomunicações

98


Segmento espacial - Transponders - (Receptor banda larga) 

Onde se dá a primeira fase de amplificação do sinal 











Ganho na ordem 50-60 dB

Translação de frequência do receptor para o transmissor Existem em redundância:vários por satélite. Precedidos de filtros passa banda Amplificadores constituídos por FET’s (Field Efect Transistors) em 4 GHz; para a banda de 20/30 GHz são usados HEMT (High Electron Mobility Transistors) Osciladores “ imunes” à temperatura(introdução de ruído térmico) Sistemas de Telecomunicações

99


Segmento espacial - Transponders - (Receptor banda larga)


100


Segmento espacial - Transponders - (Amplificador de canal) 





Onde se dá a segunda fase de amplificação do sinal na banda de transmissão A saída do receptor de banda larga é canalizada para a entrada do demultiplexer , aqui o sinal sofre nova amplificação (potencia) sendo recombinado à saída do transponder por filtros conhecidos como multiplexers Amplificador tipicamente TWT Banda dos 4GHz - 5 @ 10 W  Banda dos 11-12 GHz 







baixa potencia 10 @ 20 W média potencia 40 @ 65 W alto potencia até 250 W (broadcast)


101


Segmento espacial - Transponders - (Demultiplexer)


102


Segmento espacial - Transponders - (Multiplexer)


103


Segm gme ent nto o Te Terr rre est stre re - Est sta ação Te Terr rre ena 





A est es t ação aç ão t err er r ena en a é o t erm er m i n al d e tr t r ans an s m i s s ão e recepç recepçã ão da d as te t elecomun lecom unic ica açõe çõ es via v ia satélite. satélite. Devi vido do a fort fo rte e atenu atenua ação de d e espaço liv l ivre re (cerc (cerca a 200 dB) dB ) é exi xigi gido do à est estaçã ação o te t erre rr ena uma alt alta a perfor perf ormanc mance e. Uma est esta ação terrena é cons co nstit tituída uída por:    

   

sistema si stema da ant antena ena amplifi mpl ificadores cadores de recepção recepção (baixo (baixo ruído) amplifi mpl ificadores cadores de transm transmiss issã ão (potencia) equipame qui pamento nto de telecomu telecomunic nica ações (conversore (conversor es de d e freq. modems) equipame quipamento nto de desmultiple desmultiplexa xage gem m e multiplexa multiplexage gem m equipame equip amento nto de ligaçã lig ação o à rede rede terr terrestre estre equipame qui pamento nto auxiliar uxi liar font fo nte e de alim alimentaçã entação o


104


Segm gme ent nto o Terr Terre est stre re Est sta ação Terr rre ena (si sist ste ema da ant ante ena)


105


Segm gme ent nto o Terr Terre est stre re - Est sta ação Te Terr rre ena (si (sist ste ema da antena)


106


Segmento Terrestre - Estação Terrena (sistema da antena) 



O diâmetro da antena que pode variar entre 3 e 33 m . As antenas das estações terrenas são usadas para transmissão e recepção alto ganho na emissão e na recepção  diagramas de radiação dentro do standard.  radiação com bom nível de polarização  na recepção baixa sensibilidade ao ruído térmico devido ao ruído do solo  o sistema mecânico consiste: 

reflector principal, a base de suporte, sistema de movimento a fonte do sinal transmitida pela corneta o receptor do dispositivo automático de “ tracking” O amplificador de baixo ruído por vezes é incluído no sistema da antena 








107


Segmento Terrestre - Estação Terrena (sistema da antena) As estações terrestres na banda 6/4 GHz e 14/11 GHz são normalmente classificadas pela dimensão da sua antena



grandes estações : antenas de 15 @ 33 m  estações medianas : antenas de 7 @ 15 m  estações pequenas : antenas de 3 @ 7 m  microestações para VSAT : antenas de 0.7 @ 4 m 

Note-se que este tipo de classificação inclui todos os outros sistemas da estação terrena, sendo a complexidade destes “ função da antena’’ uma vez que depende desta, o desempenho da estação terrena.





É porém desejável seguir o estabelecido pelas normas


108


Segmento Terrestre - Estação Terrena (sistema da antena) Desenho do reflector


109


Segmento Terrestre - Estação Terrena (sistema da antena)

Alimentação no vértice

Distribuição de campo em antenas Cassegrain Sistemas de Telecomunicações

110


Segmento Terrestre - Estação Terrena (sistema da antena)


111


Segmento Terrestre - Estação Terrena (amplificador de baixo ruído) 





Para receber sinais muito fracos do satélite, a antena da estação terrestre tem de ser ligada a um receptor de grande sensibilidade (receptor com baixa sensibilidade ao ruído térmico) O parâmetro que classifica a sensibilidade da estação terrena é G/T Grande evolução no equipamento que constitui este tipo de amplificador 



No inicio o amplificador era arrefecido para baixar o ruído térmico Com a evolução tecnológica já se conseguem boas performances para estes amplificadores


112


Segmento Terrestre - Estação Terrena (amplificador de potência) 



A ordem de potência por cada canal telefónico é de 1 W e 1 KW por portadora de TV Os dois principais tipos de amplificadores usados são: 

TWT (Travelling Wave Tube)  



Intrinsecamente possui uma banda da ordem de 500 MHz Problemas de intermodulação para mais de uma portadora

Klystrons

são essencialmente filtros passa banda,de 40 MHz para 6GHz e de 80 MHz para a banda de 14 GHz. Adequado para FDMA e inadequando para TDMA usados para sistemas de controlo mais económicos que os TWT, mais simples, maior tempo de vida, baixo consumo Sistemas de Telecomunicações 113 

 


Segmento Terrestre - Estação Terrena (equipamento de telecomunicações) 

Este equipamento é responsável por modular frequências altas (portadoras) com frequências baixas (sinais) no caso da emissão e desmodular estes sinais de baixa frequência na recepção  Os sinais de baixa frequência podem ser:   



sinais telefónicos analógicos (multiplexados) sinais digitais de dados video (TV)

Equipamento conversor de frequências  Up Converters : converte sinais de frequência intermédia (IF) 70 MHz, 140 MHz, 1 GHz -para sinais de RF  Down Converters : converte sinais RF 4 GHz ou 11 GHz para sinais de frequência intermédia (IF) ;estes sinais são transladados para a frequência de banda base pelo desmodulador


114


Segmento Terrestre - Estação Terrena (equipamento de telecomunicações) 

Equipamento de modulação e desmodulação (Modem)

Algumas modulações utilisadas



 







Modulações Analógicas : FM Modulações Digitais : 4-PSK; 2-PSK; etc...

Cada portadora dispõe de um canal de transmissão (modulador e conversor) . Existe ainda mais um canal redundante por cada portadora para backup. Anàlogamente cada portadora recebida tem um caminho (desmodulador e conversor) É necessário desmodular todos os sinais recebidos uma vez que alguns podem ser enviados para a rede terrestre,em banda de base. Sistemas de Telecomunicações

115


Segmento Terrestre - Estação Terrena (processamento de sinais) 

Para comunicações digitais é necessário equipamento que faça o processamento de sinais que usem TDM, com as funções:  Na transmissão, formata os dados do input stream para o modulador na trama TDMA.  Na recepção, o processo é inverso, recebe o stream de bits do desmodulador e formata-os.  Sincronização da transmissão e recepção, colocação e remoção dos bursts na trama.  Operações de codificação/descodificação  Outras operações de processamento de dados que tornam mais eficientes as comunicações (ex: códigos, protocolos, etc…) Sistemas de Telecomunicações

116


Segmento Terrestre - Estação Terrena (Multiplex/Demultiplex)







Transmissões analógicas (telefone)  Inserção e extracção de canais (grupos, super-grupos) Transmissões televisão  multiplex/demultiplex são usados para inserir ou extrair canais de áudio numa sub-portadora (FM) ao mesmo tempo que o vídeo Transmissões Digitais (telefone) 

canais PCM agrupados em tramas TDMA


117


Segmento Terrestre - Estação Terrena (ligação à rede terrestre) 

Para telefone  Ligação a um centro de comutação terrestre  O equipamento envolvido nesta ligação é: 







a ligação pode ser feita por cabo ou através de rádio caso necessário supressores de eco Inserção e extracção de canais (grupos, super-grupos)

Para televisão  ligação aos estúdios para funções de retransmissão  ligação pode ser feita via rádio à rede de televisão


118


Segmento Terrestre - Estação Terrena (equipamento auxiliar) 



Equipamento de supervisão e comando:  sinais de alarme dos vários sistemas  controlo de comutação (ligar/desligar)  controlo para operação de sub-sistemas  memorizar os acontecimentos mais importantes  apresenta-se como uma consola de computador Equipamento de fornecimento de energia  fornecimento directo da rede c/ capacidade de ficar em standby 



possibilidade de fornecimento por um ou mais geradores

UPS (uninterrupted power supply)


119


Partilha de Espectro - Reserva de Frequências 

Muitas bandas de frequências são reservadas por vários serviços

Estas frequências dizem-se: partilhadas





Existem 3 categorias de reservas de frequências:

Primaria (prioritário) Permitida (igual à anterior excepto quando em conflito) Secundária (não tem qualquer direito sobre as anteriores ) 



Quando uma banda de frequência é reservada para um único serviço é necessário assegurar que a interferência com outras redes do mesmo serviço se encontre limitada Sistemas de Telecomunicações +

120


Partilha de Espectro - Reserva de Frequências 

Métodos que evitam altos níveis de interferência:  Performance mínimas das ligações são bem definidas Sendo típico a definição de um nível máximo de ruído ou de erro de bit  As fontes de interferência são conhecidas, sendo por vezes negociado as características das estações com vista a diminuir a interferência a níveis aceitáveis  Quando o número de estações é grande e a sua localização indeterminada, torna-se necessário aplicar restrições a todas as estações que usem a banda de frequência em questão 


121


Tipos de Interferência Interferência interna

Interferência Externa

(transmissões feitas pelo próprio satélite)

(transmissões feitas por outros sistemas que patinham a mesma banda de frequência)

Dentro da cobertura de um dado satélite Entre satélites da mesma constelação Interferência dentro de um

Interferência com sistemas não-GEO Interferência entre sistemas GEO

beam

Interferência entre beam


122


Partilha de Espectro - Modos de Interferência A1 - Estação > Estação terrestre A2 - Estação terrestre > Estação C1 - Estação Espacial -> Estação C2 - Estação > Estação Espacial B1 - Estação Espacial> Estação terrestre doutra rede B2 - Estação terrestre> Estação Espacial> doutra rede E - Inter satélites F - Inter Estações terrenas


123


Partilha de Espectro - Limitações de Radiação 







Emissões da estação terrena  As recomendações obrigam as estações a não efectuarem transmissões abaixo de determinados ângulos de elevação (3º, 5º) de forma a evitarem interferência  A potencia radiada para um dado satélite também deve ser limitada Emissões da estação espacial/satélite  Restrição na densidade de potência radiada na superfície terrestre Outras emissões terrestres  Limitações ao nível da potência radiada, e da sua directividade em relação aos satélites  A máxima potência (EIRP ) não deve exceder os 55 dBW Existem tabelas, regulamentos(Recomendações,ETS’s) e instituições (UIT-R,ETSI,ANATEL..) que regulam a utilização do espectro para além da coordenação que existe entre as Organizações de telecomunicações via satélite(EUTELSAT;INTELSAT,INMARSAT...)


124


Partilha de espectro entre redes de serviço fixo 





Coordenação entre as redes existentes e as novas redes Estima-se o nível de interferência da nova rede verificando se este se encontra dentro de valores estabelecidos nas Recomendações.O nível de interferência é visto como sendo mais uma componente adicional ao ruído - não sendo por exemplo considerado o tipo de modulação Técnicas de redução de interferência:

Aumento da separação entre satélites Minimizar a sobreposição entre portadoras criticas (+ usado) Melhores diagramas de radiação das antenas (lobos secundários)evitando Sistemas de Telecomunicações assim radia ão es úria acima de certos 125 


Partilha de espectro entre redes de serviço fixo e outros serviços 

Partilha entre FSS (Fixed satellite Service)e BSS (Broadcast satellite Service)

partilha Intra-Regional  partilha Inter-Regional 



Partilha entre FSS e serviços de exploração e condução (passivo) 



Partilha entre FSS e serviços de exploração (activos) 



sensores (passivos) sujeitos à interferência doutros satélites FSS (Uplink) e EES (Downlink) partilham a banda dos 8025-8400 MHz

Partilha entre FSS e serviços móveis

Caso das bandas : [email protected] ; [email protected] ; Sistemas de Telecomunicações 20.2 21.2 GHz 

126


Interferência Interna - Devido a Partilha de Recursos O nível de Interferência devido às técnicas de partilha de recursos FDMA, TDMA e CDMA depende de: Em FDMA : da banda de frequências de guarda entre portadoras. Em TDMA : do tempo de guarda entre slot’s. Em CDMA : da interferência entre utilizadores que usem códigos na vizinhança uns dos outros (número de utilizadores no sistema). Sistemas de Telecomunicações

127


Interferência Interna - Entre Feixes do mesmo satélite(beams)

Interferência co-canal (CCI), resulta da reutilização de frequências. A interferência co-canal depende dos diagramas de radiação das antenas e do plano de distribuição de frequências. Na figura estão represntados dois feixes com os mesmos grupos de frequências em up e downlink Sistemas de Telecomunicações

128


Interferência Interna - Entre Satélites multibeam Interferência entre satélites de uma dada constelação.


129


Interferência Externa Interferência p.ex. com sistemas não GEO.

Satélite GEO

Satélites LEO’s


130


Interferência Externa - Entre Sistemas Móveis e GEO Interferência uplink de um GEO num LEO.

Interferência uplink de um LEO num GEO. Sistemas de Telecomunicações

131


Interferência Externa - Entre Sistemas Móveis e GEO (cont.) Interferência downlink de um LEO num GEO.


Interferência downlink de um GEO num

132


Interferência Canal Adjacente A largura de banda do transponder é usada por várias portadoras que são todas retransmitidas para terra  Os filtros receptores facilmente separam estas portadoras se estas estiverem bandas de guarda largas  O uso de grandes bandas de guarda leva à pouca eficiência espectral o que implica custos  Tem que existir um compromisso técnico/económico 


133


Tráfego - Introdução 

O tráfego A (Erlang) mede a intensidade de ocupação de um recurso (circuito,canal,...) 0...1 Erlang => ocupação a 0...100% do tempo de um dado canal  A = R . T (Erlang) 







R –Nº médio de chamadas por unidade de tempo T - duração média da chamada

Exemplo : R = 60 chamadas por hora T = 30 segundos de duração média A= 30*60/3600 = 0.5 Erlang








134


Múltiplo Acesso - Introdução





O satélite comporta-se como um nó de comunicações concorrido pelas várias estações partilhando várias portadoras . Existem várias técnicas que resolvem o problema do acesso múltiplo aos recursos disponibilisados(portadoras,tempo,código) a saber: Frequency Division Multiple Access (FDMA)  Time Division Multiple Access (TDMA)  Code Division Multiple Access (CDMA) 


135


Múltiplo Acesso - Principio do Múltiplo Acesso 

Deveremos considerar dois aspectos no múltiplo acesso:  Múltiplo acesso dos utilizadores,através de Multilpexagem ,a um canal particular do repetidor  Múltiplo acesso das diversas estações terrenas a um repetidor do satélite suportando diversos canais (portadoras) Sistemas de Telecomunicações

136


Técnicas básicas de Acesso Múltiplo 

(a) FDMA



(b) TDMA



(c) CDMA Sistemas de Telecomunicações

137


Múltiplo Acesso - Combinações Possíveis 

Combinação dos três tipos fundamentais


138


Múltiplo Acesso a um repetidor do satélite 





O acesso ao repetidor do satélite é conseguido em função da frequência e polarização da portadora Por cada portadora (repetidor) o acesso é necessáriamente FDMA Assim temos FDMA para aceder ao vários repetidores do satélite e temos FDMA/TDMA/CDMA para aceder aos vários canais da portadora do repetidor


139


Frequency Division Multiple Access (FDMA) 

A largura de banda associada a cada repetidor é dividida em sub-bandas que são usadas pelas várias estações terrestres


140


Time Division Multiple Access (TDMA) 





As estações terrestres transmitem descontinuamente durante um tempo Tb (duração de um burst) A transmissão de um burst é inserida numa estrutura de maior duração chamada de frame com duração Tf (período de frame) A transmissão de um burst ocupa a totalidade da largura de banda da FRAME = TRAMA portadora Sistemas de Telecomunicações

141


(TDMA) Geração de Burst 

R = Rb (Tf/Tb) (bit/s)

Rb - ritmo de utilizador  Tf - tempo de frame  Tb - tempo de burst  Tf/Tb - nº de burst’s na frame  R - ritmo “ real” da ligação 


142


(TDMA) Est Estru rutu tura ra da tra tr ama 

O burst é constituido constituido por dois campos campos principa princi pais: is:

header o header o u preamble permite:











que qu e as est estações ações recept receptoras oras re r ecuperem cu perem a port po rtadora adora gerada pelo oscilador osc ilador local lo cal do emis emissor sor (sequência (sequência de bits portadora por tadora fixa) obter sincron ismo de bit (padrão (padrão de bits) que as estações estações terrestres terrestres identifiquem identifiq uem o inicio inic io de um burst através através de d e uma palavra palavra únic ún ica a (U (UW-unic word wor d ) sinaliza si nalização ção entre entr e estaçõ estações es

dados



informação inf ormação pod erá estar estar estrutur estru tura ada em em sub-burst q u e correspond cor responde e à inform inf orma ação transmitid transmi tida a pela pela estaçã estação o às outras out ras estações estações Existem també também m burst’s burst’ s na trama de refe referê rência, ncia, transmiti transmitidos dos por Sistemas de Telecomunicações estações de referência (sincronismo+sinalização) (sincronismo+sinalização) 143 




(TDM (T DMA A ) Recepç Recepção ão de d e Burst 



E m downlink as estações recebem todos os bursts na trama, extraindo o sub-burst que lhe é destinado A informação é recebida ao ritmo R, tem que converter para o rit ritmo Rb, atra atrav vés de memória (buffer )


144


(TD (T DMA) Sin Sincr cron onização ização



Cad Cad a es es t ação transmite transmit e o seu burst burst de forma forma a che ch egar ao satéli satélite te com co m o atra tr aso d n refe referid rido o ao burst burs t Bo .


145


(TDMA) Sincronização 

Dn = m.Tf –2.Rn/c



m = nº escolhido Tf = tempo de frame Rn = Distancia c = velocidade da luz Dn = atraso,



(Dn = SOTFn - SORFn

   



)

Exemplo:

m = 14  Tf = 20 ms  2Rn/c = 280 ms máx. 


146


(TDMA) Aquisição de sincronização - circuito fechado Quando uma estação entra na rede, mede o tempo entre a detecção da palavra única e do seu próprio burst (gerado aleatóriamente) que foi transmitido anteriormente.

Sincronização em circuito fechado Sistemas de Telecomunicações

147


(TDMA) Aquisição de sincronização - circuito aberto 







Usado em redes onde a posição dos burst’s das estações são controlados pela estação de referência Este método necessita do conhecimento da posição do satélite e da distância a que este se encontra Este método tem a desvantagem de ter tempos de guarda superiores ao de circuito fechado Depende de várias estações para calcular os valores anteriores (determinação da distância)


148


Reutilização de frequências – caso do INTELSAT V -Na banda 6/4 os 500 MHz destes satélites são reutilizados quatro vezes o que significa que a banda de frequências efectiva é de 2 590 MHz. -Na banda 6/4 GHz: 375 MHz são reutilizados 4 vezes e 125 MHz 2 vezes. -Na banda 14/11 : 420 MHz são reutilizados 2 vezes -Casos mais interessantes ver-se-ão p.ex.no satélite japonês CS-s usando as bandas 30/20 GHz. Sistemas de Telecomunicações

149


-Entre feixes com 1seta e feixes com 2 setas Reutilização dupla de frequênci as por separação de feixes.São utilizadas as mesmas bandas de frequências: . num primeiro tempo para emissão de A e recepção em B (linhas com 1 seta) . num segundo tempo para emissão de B e recepção em A (linhas com 2 setas)

-Entre linhas contínuas e linhas tracejado Dupla reutilização das frequências por polarização cruzada ortogonal.São utilizadas as mesmas bandas de frequências: .num primeiro tempo para emissão em polarização circular esquerda(LHCP) e recepção em polarização circular direita(RHCP)-linhas a cheio. . Num segundo tempo para emissão em polarização circular direita(RHCP) e

recerção em polarização circular esquerda(LHCP)


150


Code Division Multiple Access (CDMA) - Introdução 





Em CDMA as estações transmitem continuamente na mesma frequência, existindo assim interferência entre as várias estações A interferência entre as várias estações é resolvida no receptor que identifica a “ assinatura” de cada transmissão das diferentes estações. A “ assinatura” apresenta-se como uma sequência binária, chamada de code com as seguintes características:

cada código (code) tem que ser facilmente distinguido:





de uma réplica shiftada no tempo

de outros códigos Sistemas de Telecomunicações 

do si stema ou rede

151


(CDMA) Direct Sequence DS-CDMA


152


(CDMA) Direct Sequence DS-CDMA Seja m(t) a mensagem binária a ser transmitida a um ritmo Rb codificada com o código NRZ de forma que m(t) = +/- 1 Seja p(t) também codificada com NRZ p(t) = +/- 1 a um ritmo Rc em que cada bit tem o nome de “chip” Rc = 1 / T c >> Rb = 1 / T b Rc >> Rb

Na ordem de 100 a 1 000 000 vezes maior

O sinal m(t)p(t) depois de modulado em BPSK fica:

s (t ) = m(t ) p (t ) cos(ω c t ) Sistemas de Telecomunicações

153


(CDMA) Direct Sequence DS-CDMA No receptor s(t) é multiplicado pela réplica da portadora

r (t ) = m(t ) p (t ) cos(ω c t )(2 cos(ω c t ))

= m(t ) p (t ) + m(t ) p (t ) cos(2ω c t ) O sinal r(t) depois de filtrado e multiplicado por p(t) fica:

u (t ) = m(t ) p (t ) p (t ) = m(t ) p (t ) 2 = m(t )


154


(CDMA) Direct Sequence DS-CDMA Realização de múltiplos acessos. O receptor recebe um sinal sobreposto com sinais de outros utilizadores sobrepostos:

r (t ) = s (t ) + ∑ si (t )

i= 1, 2,…, N-1

s (t ) = m(t ) p (t ) cos(ω c t )

∑ si (t ) = ∑ mi (t ) pi (t ) cos(ω ct )

No receptor:

x(t ) = m(t ) p (t ) 2 + ∑ mi (t ) pi (t ) p (t ) = m(t ) + ∑ mi (t ) pi (t ) p (t ) Se houve cuidado com a escolha dos códigos e a correlação cruzada for baixa, então temos um nível de interferência baixo, a multiplicação por p(t) ainda irá espalhar mais o espectro, assim a densidade espectral de “ruído” é baixa. Sistemas de Telecomunicações

155


(CDMA) Direct Sequence DS-CDMA - Interferência entre sistemas

Outros sistemas que usem a mesma frequência também vão interferir, assim x(t) após o multiplicador fica:



x (t ) = m(t ) + J (t ) p (t ) 





J(t) = portadoras interferentes

O sinal interferente é também espalhado no espectro o que faz baixar a sua densidade de potência Esta propriedade é útil para aplicações militares  Evitar interferência do inimigo  Transmissões de sinais “ discretos” dada a sua baixa densidade de potência Para uso civil a interferência doutros sistemas é minimizada, uma vez que o sinal não se concentra numa dada banda que pode estar congestionada


156


(CDMA) Frequency Hopping FH-CDMA 

A frequência que é modulada pela mensagem m(t) é controlada pelo gerador de códigos


157


(CDMA) Frequency Hopping FH-CDMA A portadora é determinada por log 2 N chips. - N é o número de possível de portadoras

r (t ) = m(t ) cos(ω c t )t 2 cos(ω c t )t = m(t ) + m(t ) cos 2ω c (t )t O segundo termo é retirado pelo filtro passa baixo 

A protecção contra interferência de outros sistemas é semelhante à técnica (Direct Sequence)


158


(CDMA) Frequency Hopping FH-CDMA Sincronização 



Sincronização é fundamental para o receptor colocar a sequência certa nos seus códigos, só assim é possível o múltiplo acesso A sincronização consiste em duas fases: Aquisição







O hardware “ procura o máximo possível na correlação”

Tracking 

O processo de aquisição é duplicado: • existe um processo de aquisição em avanço • existe um processo de aquisição em atraso • é feito um ajuste para corrigir a diferença dos dois


159


(CDMA) Frequency Hopping FH-CDMA (sincronização aquisição)



Quando o detector de envolvente encontra máximo na correlação, o nível de threshold inicia o processo de tracking, se não, é tentado um código diferente.


160

Comunicações Via Satélite

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