CAPITULO 6 ESTACION TERRENA 6.1
INTRODUCCION En este capítulo se caracteriza y dimensiona la estación terrena que transmite y/o recibe hacia o desde una estación espacial. El dimensionamiento considera un enlace típico de baja, media y alta capacidad empleados en el Servicio Fijo por Satélite. Por otra parte las especificaciones se encuentran enmarcadas dentro de los requisitos típicos de la Organización INTELSAT y que ha sido adoptada por otras compañías de servicios satelitales, principalmente para satélites geoestacionarios. Estas especificaciones son fácilmente aplicables a otros sistemas satelitales, incluyendo los no-geoestacionarios.
6.2
ESTACION TERRENA Una estación terrena queda caracterizada por los parámetros de la estación espacial empleada. Asimismo está altamente influenciada por la cantidad y tipo de información que se desea transportar; los requerimientos son diferentes si se trata de servicios analógicos o digitales y si se trata d aplicaciones de telefonía, audio, video o datos. Finalmente el equipamiento empleado dependerá de los probables esquemas de codificación utilizados, los sistemas de multicanalización, la técnica de modulación y las características de acceso al espectro de frecuencia, tiempo, código y la forma en que se accede a éste. E n
SUBSISTEMAS EN ESTACION TERRENA
En atención a lo anterior una estación terrena incluye diversos subsistemas. Adicionalmente pueden considerarse subsistemas de apoyo. 6.3
SUBSISTEMA DE ANTENA
6.3.1 General Muchas veces es el elemento mas destacable por sus dimensiones y costo, aún cuando depende del sistema empleado. Para las bandas de frecuencia empleadas actualmente, por lo general se emplean antenas parabólicas (paraboloide), aún cuando hay aplicaciones en que se deben usar otros tipos de antenas, como por ejemplo en aplicaciones aeronáuticas, en donde se priorizan los requerimientos aerodinámicos. Aquí solamente se profundizan las antenas parabólicas. Del capítulo anterior se desprende que su dimensionamiento generalmente es muy crítico.
6.3.2 Características principales Sus características más importantes son: a) Alta ganancia: En general se requieren ganancias elevadas, dadas las altas pérdidas de espacio libre. Para lograr suficiente ganancia y directividad se debe emplear un reflector de gran tamaño. El más elemental consiste en colocar un elemento emisor en el foco de un paraboloide. El resultado es la obtención de un área efectiva mucho mayor. La ganancia de la antena respecto a un radiador isotrópico está dada por:
G 20.4 20 * log(dm ) 20 * log(fGHz ) 10 * log( 0 / 1 ) [dBi] con:
D: diámetro de antena λ: longitud de onda η: eficiencia de la antena lf: pérdidas del alimentador de antena
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1 * D g= * * lf
b) Baja temperatura de ruido: Esta componente en conjunto con la del primer amplificador (LNA) constituyen la temperatura de ruido de sistema. La temperatura de antena depende del diagrama de radiación, del ángulo de elevación y de las pérdidas debido a los componentes gaseosos de la troposfera y del propio alimentador de antena. Su rango varía ente los 35 y 5 K a medida que aumenta el ángulo de elevación. c) Razón axial: Debe ser capaz de diferenciar la polarización de la señal. Las aislaciones para polarización circular son del orden de los 30 dB. Generalmente se expresa como una razón axial de voltaje, la cual oscila entre 1.06 y 1.3. d) Diagrama de radiación: Debido a imperfecciones del alimentador de antena y de las superficies reflectoras y a los efectos de
borde de los diferentes elementos de la antena, se genera una emisión parásita fuera del lóbulo principal. El diagrama de radiación está definido en las respectivas Recomendaciones del CCIR. d) Característica de banda ancha: La antena debe ser capaz de manejar por lo menos 500 MHz de ancho de banda, para operar con los satélites actuales. e) Movilidad: Debe tener la capacidad de reubicar la antena si es que se desea cambiar de satélite operativo o para rastrearlo.
f) Alta exactitud mecánica: Debe mantener sus características eléctricas, debido tanto a los efectos de la propia movilidad como a agentes externos (viento, lluvia, nieve o sismos). Este factor se hace más crítico a medida que crece el diámetro de la antena.
X–Y
Azimut sobre Elevación
Polar
6.3.3 Sistema de montaje Está relacionado con la movilidad del reflector principal de la antena. Básicamente hay tres tipos de montaje: Acimut-Elevación, X -Y y Polar. En las aplicaciones típicas se utiliza el montaje Acimut-Elevación, dado que permite obtener montajes mecánicamente equilibrados, aspecto que es muy importante si la antena tiene grandes dimensiones. Para antenas más pequeñas puede emplearse Montaje Polar, el cual tiene la ventaja de mover un solo eje mientras se monta la antena en un plano inclinado de acuerdo a la latitud local. 6.3.4 Sistemas de irradiación Hay diversos tipos de sistemas de irradiación entre los que se tienen: antenas parabólicas, Cassegrain, Gregorianas, Beam Waveguide, Torus, Horn Reflector, etc. El sistema más empleado es el Cassegrain. El caso Gregoriano se emplea cuando la antena es más pequeña para evitar los problemas de campo cercano en el alimentador de antena. Con el sistema Torus se puede conectar con varios satélites a la vez. 6.3.5 Otras características a) Descongelador: Cuando la estación terrena opera en climas con caída de nieve, se deben adoptar medidas para producir el descongelamiento de ésta. Los sistemas empleados utilizan calefactores con aire forzado o por resistencias adosadas al reflector principal, subreflector y alimentador. Eventualmente pueden emplearse radomos que cubren totalmente a la antena.
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b) Estructura de rotación de acimut: Dependiendo del tamaño de antena se emplean rodamientos, ruedas que se desplazan en riel circular (wheel on track) o con una estructura rígida para soportar el acimut y rodamiento para la carga vertical (King Post). 6.3.6 Temperatura de antena La contribución de potencia de ruido de la antena considera todas las componentes captadas por la antena desde la tropósfera y del terreno circundante, las pérdidas del alimentador de antena, etc. Aún cuando la temperatura de ruido equivalente de antena depende de muchos factores, una aproximación para estimarla está dada por:
T a = a + b * sec(90 - Elv)[K]
6.4
con a y b constantes que dependen del sistema considerado Ta es la temperatura de antena para el ángulo de elevación Elv.
SUBSISTEMA DE RASTREO Las características y complejidad dependen del tamaño de la antena y de la capacidad de transmisión de la estación terrena. Consiste en disponer de un sistema manual o automático para mantener apuntada la antena hacia el satélite. Para ello se dispone de un mecanismo (tornillos sinfín) que permite ajustar los ejes de acimut o elevación a través de una manivela o de un motor eléctrico; este último es accionado desde un control manual o automático eléctrico. El desajuste se produce, en el caso de los satélites geoestacionarios, debido a la inclinación de la órbita del satélite, cuando el ancho del haz de la antena es menor que la inclinación de la órbita. De esta manera debe activarse el rastreo, antes que pierda el apuntamiento al satélite.
6.4.1 Tipos de sistemas Los sistemas de rastreo automático pueden ser de los siguientes tipos: a) Monopulso: Es un sistema de rastreo continuo, apto para satélites con órbitas de gran inclinación. Por lo general consumen gran cantidad de energía. La señal de control se obtiene mediante antenas ubicadas fuera pero cerca del foco de la antena, para acimut y elevación. Con este sistema se puede controlar a los respectivos motores y realizar instantáneamente la corrección de los desajustes resultantes. b) Step track: El Rastreo por pasos se presta para satélites con poca inclinación de la órbita. Para detectar el desajuste se da comienzo cada cierto tiempo a un algoritmo que desajusta sistemáticamente la antena con pequeños movimientos para así identificar el sentido del desajuste y finalmente apuntar exactamente la antena hacia el satélite.
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c) Rastreo programado: Cuando se conocen los parámetros orbitales, es posible predecir el desajuste desde la estación terrena en cuestión y por consiguiente rastrear al satélite en forma predeterminada. 6.4.2 Error de rastreo Dadas las características de la antena y del tipo de sistema rastreador, se produce un error de apuntamiento que debe ser considerado como un margen en el cálculo de enlace. Este error está dado en función del HPBW o Ancho
STEP TRACK de haz de media potencia el que, para una antena parabólica, está dado aproximadamente por: con: HPBW, (Half power beamwidth) ancho del haz en los puntos de media potencia, en grados. f, frecuencia en GHz. D, diámetro del reflector principal de la antena en m.
HPBW=
21 f *D
Si se desea conocer el error de rastreo, en dB, se puede hacer una aproximación conocido el HPBW, el que ocurre a -3 dB. 6.5
SUBSISTEMA DE RECEPCION Es el encargado de realizar la primera amplificación de la débil señal recibida desde el satélite con un pequeño aporte de potencia de ruido (LNA: Low Noise Amplifier). Esta amplificación puede ir acompañada de una conversión a la banda L de 1 GHz (LNB: Low Noise Block Converter). Este equipo se instala lo más cerca posible de la puerta de salida del alimentador de antena. Luego se conecta a través de cable coaxial de bajas pérdidas o guía de ondas hasta las instalaciones en una sala de equipos, en donde se conecta a la etapa de recepción y demodulación (si se usa LNB) o a un conjunto de Convertidores de Frecuencia de RF a FI para distribuirse a los demoduladores (si se usa LNA). Cuando se desea recibir múltiples señales se utiliza un divisor de potencia coaxial o de guía de ondas.
6.5.1 LNA o LNB Es el encargado de realizar la amplificación con un mínimo aporte de ruido. La temperaturas de ruido típicas, actualmente oscilan entre 20 K y 90 K. En los inicios de los sistemas satelitales se emplearon tecnologías que, trabajando a temperaturas criogénicas, realizaban amplificaciones paramétricas. Para ello se emplean amplificadores del tipo varactor que reciben energía para realizar la amplificación desde una fuente de bombeo de muy alta frecuencia (50 a 60 GHz). Utilizando enfriamiento criogénico se lograban 5
temperaturas de ruido equivalentes en su entrada del orden de los 17 K. Posteriormente se lograron temperaturas del orden de 30 a 50 K enfriando el varactor, mediante efecto Peltier, a alrededor de -70 1C. En la actualidad se pueden utilizar amplificadores del tipo GaAs FET o HEMPT con o sin enfriamiento Peltier y obteniendo temperaturas de ruido entre 35 y 45 K ó 40 a 70 K respectivamente.
LNA (Low Noise Amplifier)
En general la temperatura de ruido del sistema receptor Tr considera la contribución del LNA y del resto del sistema receptor, sin embargo si la ganancia de la primera etapa es suficientemente grande (entre 50 y 60 dB) esta segunda contribución puede ser despreciable. En el caso de los LNB se pueden utilizar osciladores locales para realizar la conversión del tipo DRO (Dielectric Resonator Oscillator) o PLL (Phase Lock Loop) dependiendo de la estabilidad de frecuencia deseada.
LNB (Low Noise Block Converter)
6.5.2 Convertidores de frecuencia de bajada Los Down-Converters convierten una banda de 36 MHz o 72 MHz de los 500 MHz recibidos desde el LNA a una FI de 70 MHz o 140 MHz. Para permitir agilidad en la sintonía de éstos, considerando el problema de frecuencia imagen, generalmente se emplea doble conversión de frecuencia. Debe tenerse en cuenta que en este caso, el Ruido de fase aportado por cada proceso de conversión de frecuencia, no debe exceder algún límite, que compartido con el resto de las contribuciones, sea aceptado por el demodulador, sin pérdida de información. 6.5.3 Características del subsistema a) Figura de mérito: Si consideramos la antena de recepción y el LNA se define la temperatura de ruido de sistema Ts como la suma de Ta y Tr. Si se considera que Gr es la ganancia de la antena receptora, en dBi, se define la figura de mérito del sistema receptor o G/T, a la siguiente expresión: Generalmente las estaciones terrenas estandarizadas por INTELSAT deben cumplir un G/T mínimo al ángulo de elevación de operación.
G GTx 10 * log(TS ) dB(1 / K ) T 6
b) Ancho de banda: Generalmente el subsistema de recepción es de banda ancha o sea recibe toda la banda que transmite el satélite, o sea 500 MHz. En el caso de los convertidores de frecuencia se disponen anchos de banda de 36 o 72 MHz para una Frecuencia Intermedia FI de 70 o 140 MHz. c) Linealidad del subsistema: Dado el ancho de banda utilizado y la gran ganancia del LNA, la linealidad debe ser cuidadosamente diseñada. Esto significa elegir apropiadamente el punto de operación para evitar los productos de intermodulación, lo cual se logra con dispositivos lineales con un Punto de Intercepción (IP: Intercept Point) suficientemente elevado. d) Amplitud y retardo de grupo: La respuesta amplitud frecuencia y fase frecuencia deben ser suficientemente lineales. 6.6
SISTEMA DE TRANSMISION Consiste en un sistema de combinación de las portadoras generadas por los sistemas de modulación de la estación terrena, un conjunto de convertidores de frecuencia de FI a RF, de los amplificadores de alta potencia (HPA) y de las respectivas líneas de transmisión que llevan las portadoras amplificadas hasta la entrada del alimentador de antena.
6.6.1 Convertidores de frecuencia de subida Los Up-Converters convierten una banda de 36 MHz o 72 MHz de una FI de 70 MHz o 140 MHz a la frecuencia de la portadora o del centro de la banda del transpondedor, dependiendo del sistema utilizado, dentro de los 500 MHz que son recibidos en el satélite. Para permitir agilidad en la sintonía de estos y considerando también el problema de frecuencia imagen, generalmente se emplea UP Converter doble conversión de frecuencia. Debe (IF to RF) tenerse en cuenta que en este caso el Ruido de fase aportado por cada proceso de conversión de frecuencia no debe exceder algún límite, que compartido con el resto de las contribuciones, sea aceptado por el demodulador del extremo receptor distante, sin pérdida de información. 6.6.2 HPA El HPA o amplificador de alta potencia (High Power Amplifier) es el encargado de imprimir la potencia necesaria para recibir la señal apropiadamente en el satélite (define el C/Nup). Dependiendo del nivel de potencia pueden emplearse tres tipos de tecnologías: a) SSPA: Solid State Amplifier, en los cuales se emplean amplificadores transistorizados. Típicamente alcanzan potencias máximas, dependiendo de la banda de frecuencia, entre 20 y 200 W con el avance actual de la tecnología. Se caracterizan por su mejorada linealidad con respecto a los tubos. Tienen muy buena respuesta de frecuencia. b) TWTA: Travelling Wave Tube Amplifier o Amplificador con tubos de onda progresiva. Es una tecnología ampliamente empleada. Su eficiencia DC/RF es pequeña comparada con los SSPA de media y baja potencia. Son de banda ancha y tienen buena respuesta de frecuencia. Se tienen productos comerciales desde los mW hasta 10 kW de potencia RF. Sobre los 1000 W tienen un costo más significativo. Su linealidad es pobre debiendo operarse con unos 4 a 6 dB de backoff, para asegurar una baja contribución de productos de intermodulación . 7
c) Klystron: Tubos que funcionan en base a cavidades resonantes; por consiguiente son de ancho de banda limitado a 40 a 80 MHz. Su eficiencia DC/RF es superior a los TWTA. La respuesta de frecuencia es mediana, debido al funcionamiento con cavidades resonantes. Las potencias alcanzables son similares a los TWTA pero son más alcanzables en costo.
TWTA Tubo de onda progresiva
TUBO KLYSTRON
SSPA (Estado Sólido)
Debido a las tecnologías y potencias empleadas, el MTBF o Tiempo Medio Entre Fallas de estos subsistemas es inferior a otros subsistemas, por lo cual generalmente se implementan en configuración redundante. Otra limitante importante es la falta de linealidad, debido a la generación de productos de intermodulación que interfieren a otros usuarios del satélite. 6.6.3 Caracteristicas del subsistema a) EIRP requerido: Al combinarse con la antena de transmisión, la potencia del HPA configura el EIRP requerido por cada una de las portadoras a transmitir desde la estación terrena. Este dependerá del cálculo de enlace para la portadora transmitida. Los valores típicos oscilan entre 50 y 85 dBW. Se requiere que la estabilidad de EIRP sea mejor que .5 a 1 dB. Las fuentes de error para esta estabilidad son el error de rastreo y la estabilidad de ganancia del HPA, convertidor de frecuencia y del modulador, todos sumados como RSS1. b) Emisión fuera de canal: Son restricciones impuestas por los operadores de la red de satélite supeditados a la reglamentación internacional. Dos factores que frecuentemente se especifican son: Señales no esenciales y Productos de intermodulación. c) Tolerancia de frecuencia: Está relacionado con la estabilidad de frecuencia de la portadora transmitida, de modo de evitar la interferencia a la portadora adyacente.
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RSS: Root sum square o suma vectorial. Supone sucesos independientes.
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d) Linealidad de amplitud: Puede provenir de tres factores: Diafonía inteligible, modulación de amplitud residual, no-linealidad de amplitud. e) Ecualización de retardo de grupo: Proviene de la no-linealidad fase-frecuencia. Este proviene principalmente de los dispositivos con respuesta de frecuencia limitada, como por ejemplo filtros o tubos Klystron. 6.7
SUBSISTEMA DE MODULACION
6.7.1 General Consiste en los equipos que realizan el proceso de modulación y demodulación para los subsistemas de transmisión y recepción respectivamente. Estos generalmente incluyen procesos de codificación de canal, como esquemas para corrección de errores o redes de pre-acentuación o subsistemas para la operación entre estaciones terrenas como canal de servicio (ESC) o para la transmisión de las alarmas remotas (Backward alarms), etc. 6.7.2 Moduladores Representan el proceso de modulación. Este puede ser analógico (FM) o digital (PSK). La frecuencia intermedia (FI) empleada puede ser 70 o 140 MHz. Los equipos moduladores traen incorporados procesos de banda base o FI asociados. Para el caso de FM incluyen por ejemplo: - Malla de preacentuación necesario para mantener la razón (S/N) constante con la frecuencia de bandabase. - Señal de dispersión de energía, para mantener constante la desviación de frecuencia, de manera de mantener una densidad de potencia constante e independiente de la actividad de los canales de bandabase y para evitar la correlación entre las portadoras que accesan el transpondedor y así optimizar los productos de intermodulación. Para el caso digital incluyen por ejemplo: - Proceso de scrambling en bandabase, para mantener una densidad de potencia constante e independiente de la aleatoriedad de la transición entre los 0 y 1 de la señal de información. - Codificación de canal FEC o de otro tipo para la detección y control de errores en el extremo receptor. - Overhead, para la adición de otras funciones entre el modulador y demodulador. Esta gestión adicional incluye: sincronismo de trama, intercambio de alarmas y canal de servicio 6.7.3 Demodulador Realiza el proceso inverso ya analizado en el punto anterior. Incluye funciones adicionales como es el caso de la detección del piloto de bandabase de 60 KHz para FM y medición de una tasa de error aproximada (raw BER) y memoria buffer para absorber el efecto Doppler o las diferencias plesiócronas, para PSK.
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SUBSISTEMAS AUXILIARES
6.8.1 Sistemas eléctricos Incluyen sistemas de distribución de energía eléctrica a los diferentes subsistemas. En las estaciones terrenas grandes se incluyen hasta cuatro tipos de barras de distribución: - Barra DC, para distribución de corriente continua, usualmente -48 VDC. Incluye rectificadores AC/DC y batería de almacenamiento y regulación.
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- Barra AC ininterrumpida o UPS. Se emplean inversores estáticos con tiristores o transistores. Operan en forma trifásica 380/220 VAC 50 Hz con capacidad de hasta 200 KVA; también puede ser monofásico, para cuando haya más que adquirir. El diseño de la batería de almacenamiento puede ser dimensionada de acuerdo a las necesidades para algunos minutos hasta 1 hora. Aquí pueden conectarse todos los equipos que están en línea o que sean críticos. - Barra AC Técnica. Es generalmente respaldada por un generador eléctrico diesel, que comienza a operar cuando hay un corte de energía. -Barra AC de apoyo. También es respaldado por el mismo generador pero tiene menor prioridad para tomar la carga. Tiene un sistema de distribución independiente. 6.8.2 Aire acondicionado Dependiendo de la cantidad de equipamiento se podrá requerir de sistemas especiales para acondicionar el ambiente. Una estación terrena incluye desde HPA de alta potencia y baja eficiencia hasta sistemas computacionales de proceso o soporte, de modo que este es un factor que debe analizarse cuidadosamente. 6.8.3 ESC Corresponde al sistema de comunicación entre los operadores del sistema satelital. Puede requerir de una pequeña central para controlar en forma automática la entrada y salida de comunicaciones. Con el avance de la tecnología no ha sido ahora necesarias estas redes especiales, usándose las aplicaciones existentes sobre internet. 6.8.4 Centro de control Dependiendo del tamaño del complejo a emplear se podrá utilizar una consola para controlar y monitorear los diferentes subsistemas de la estación terrena. En ella se instala el centro de comunicaciones con el resto de las estaciones terrenas, analizadores de espectro para monitorear las señales transmitidas y recibidas y otros subsistemas de apoyo a la operación de la estación. Desde este punto además pueden remotizarse las funciones de monitoreo y control, integrándose a un sistema de control y supervisión de mayor jerarquía.
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6.9
APLICACIONES Existen diversas aplicaciones que emplean satélites. Estas dependen del tipo de servicio que desean ofrecer, de la topología, del tipo de satélite empleado, del tamaño de antenas razonablemente implementados, etc.
Satélite Geoestaciona rio
La figura siguiente muestra una aplicación para contribución de señales de televisión.
• Redes de contribución • Estaciones fijas • Móviles Transportables
• Head End DTH • Programadores • Canales de TV
CONTRIBUCION DE TV: DSNG
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La siguiente figura muestra una aplicación que es emitida desde una antena grande hacia estaciones terrenas más pequeñas. La aplicación más conocida es la de los sistemas de TV directa al hogar (DTH). En estos casos la estación terrena instalada directamente en el usuario residencial, se simplifica a un extremo. Como antena se emplea una antena Offset, el alimentador de antena se integra con el LNA y con un convertidor a una frecuencia intermedia en banda L (LNBf). Una vez en el interior del hogar, conectado mediante un cable coaxial al dispositivo de recepción (STB), el que realiza el proceso de demodulación, decodificación de la señal de video y audio y desencriptación de la información. La señal es entregada en diversos formatos ya sea en forma analógica o digital para señales de calidad SD o HD.
Antena Offset
LNBf twin
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STB
Otra aplicación que dispone de estaciones muy pequeñas en el recinto de los usuarios VSAT (Very Small Antenna Terminal) y de una estación grande en el punto central. La topología de esta red generalmente es de una estrella. Los flujos que se reciben en ráfaga desde las estaciones pequeñas son usado bajo distintas modalidades de operación que van desde accesos aleatorios hasta accesos preasignados. Desde la estación central se emite un flujo de gran velocidad.
Antena Offset transmisión.
con
LNB
en
recepción
y
Amplificador
outdoor
Terminal de datos bidireccional de usuario
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en
