ComSat-Aula05

Dimensionamento de

Enlace

Prof. Cláudio Henrique Albuquerque Rodrigues, M. Sc.

Prof. Cláudio Henrique Albuquerque Rodrigues, M. Sc.

Dimensionamento de

Enlace

Pot. de saída

Pot. de entrada

Saturação

Atenuação de espaço livre - prox. a 400 dB

Equipamentos: antenas, HPA, LNA EIRP, G/T Transponder no satélite

Ruído Térmico

Enlace de subida/descida

Processamento de sinal - modulação, codificação Atenuação por chuva

Intermodulação - Satélite/Terra Interferência

Ganho de antena

Ganho (máximo) da antena em relação à antena isotrópica



Área de abertura do refletor, A



Diâmetro do refletor da antena, D



Frequência, f = (c/)



Eficiência da antena, 



O ganho aumenta com 20 log (f

.

D)

G

A

D

D f

c

















 

















 



































4

2 2 2 Largura de feixe de meia potência:

70

_

c

f D

G(1m

2

_{) =(4/}

2

₎

Ganho de antena

45 dBi 42 dBi 42 dBi



_3dB

Ganho de Antena (dBi) = 10 log [  (  D f / c )2 ] -  = 0,6

f (GHz) D = 1,2 m D = 1,8 m D = 2,4 m D = 3,6 m D = 6 m D = 9 m

4 31,8 35,3 37,8 41,3 45,8 49,3

6 35,3 38,8 41,3 44,9 49,3 52,8

12 41,3 44,9 47,4 50,9 55,3 58,8

14 42,7 46,2 48,7 52,2 56,7 60,2



3dB - Largura (graus) de feixe de meia-potência = 70 c /(f D) f (GHz) D = 1,2 m D = 1,8 m D = 2,4 m D = 3,6 m D = 6 m D = 9 m 4 4,38 2,92 2,19 1,46 0,88 0,58 6 2,92 1,94 1,46 0,97 0,58 0,39 12 1,46 0,97 0,73 0,49 0,29 0,19 14 1,25 0,83 0,63 0,42 0,25 0,17

VSAT

Antena do satélite: 20 dBi para feixe

global, a 38 dBi para feixe spot. Ir para o

Artigo /Palestra.

EIRP = (Potência transmitida)._{(Ganho da Antena)}

em dB: EIRP = P_T + G_T

A EIRP é geralmente expressa em unidades logaritmicas, em dBW

EIRP - Effective Isotropically Radiated Power

O valor da EIRP varia com a direção considerada com respeito à antena, e esta variação é dada pelo diagrama de radiação

EIRP: Fator de mérito de Transmissão

EIRP

HPA

EIRP - Mapa de Cobertura

36dBW

36dBW

_-2

_-2

-4

-4

-6

-6

-20

-20

-10

-10

Mapa de cobertura

do satélite

Brasilsat B2, feixe

spot Mercosul

combinado, com 1

transponder

O valor de 36 dBW é a

EIRP máxima de

saturação emitida pelo

satélite no centro do

feixe

Atenuação de espaço

livre

Comprimento do enlace, d



20 log (d

_max

/d

_min

) = 1,32 dB

Frequência, f = (c/)

A perda isotrópica aumenta com 20 log (f . _d)



P

_i

= 195,4 dB a 196.7 dB @ 3,9 GHz



P

_i

= 204,9 dB a 206,2 dB @ 11,7 GHz

2 2

4

4





























c

fd

d

P

_i







S

d

_MAX

d

_MIN

T

S

P

Distância entre a estação

terrena e o satélite

Coordenadas esféricas

Satélite: S = (r_s, _s_s = (R+h, /2, Long_s) Estação: P = (r_P, _P_P) = (R, /2 - Lat_P, Long_P)



R = 6378 Km - h = 35 886 Km - R + h = 42 264 Km

d = [(R+h)2_+R 2 _{-2R(R+h)sen }

Característica de transferência

de enlace



A característica de transferência do enlace (subida ou

descida) aumenta com 20 log(f · D

₁

· D

₂

/ d)



Banda Ku: antenas menores que as de banda C





P

P

G G

P

D D

d

RX TX i































1 2 1 2 1 2 2

4

/

 





Canal

(d)

P

_TX Antena

P

_RX TX (D₁) Antena RX (D₂)

Fator de mérito de

recepção

A potência recebida será:

P_R = P_T+ G_T- P_i + G_R = EIRP - P_i + G_R = C

A densidade espectral de ruído na recepção é função da temperatura equivalente de ruído do receptor, T_R : N_o = KT_R

K = 1,38 x 10-23_{J/K 10 log K = -228,6 dBJ/K}

(C/N_o) = EIRP - P_i+ G_R+ 228,6 -10 log T_R

Uma vez estabelecido o valor de BER a ser atendido, o valor de

(C/N

_o

), ou E

_b

/N

_o

, ou (C/N), para o enlace, está determinado na

curva de desempenho do modulador

E

_b

= C/R

_b

N = N

_o

B

_N

B

_N

= Banda de ruído do receptor

BPSK: B

_N

= R

_b

QPSK: B

_N

= R

_b

/2

Para modulações analógicas busca-se

determinar o valor de C/N a atender.

BER

E

_b

/N

_o

BER

8

10

-5

(dB)

Note que: E

_b

= C/R

_b

, ou C = E

_b

R

_b

também:

N = N

_o

B

_N

, e B

_N

 R

_b

, portanto, quer se

considere a BER em função de E

_b

/N

_o

ou de C/N (o

que é equivalente), a potência de transmissão

requerida é proporcional à taxa de bits que se quer

transmitir

BER

Conclusão: VSATs se prestam

inerentemente à transmissão de

Ruído

Ruído térmico de um resistor



N = KT

₀

B



K = 1,38

.

₁₀

-23

_{J/K 10 log(K) = -228,6 dB J/K}



T

₀

= temperatura do resistor (K)



B = largura de faixa de medição (Hz)

Duas representações para o excesso de ruído, referido à entrada de um dispositivo:



Temperatura equivalente de ruído, T (K) - mais usual em

comunicações por satélite



Figura de ruído, F (razão de potências ou dB) - mais usual em

radiocomunicação terrestre

F

T

T

e

 

1

0





N

_i



K



T

₀



T

_e



B

Temperatura de ruído x figura

de ruído





T

_e



T

₀



F



1

G

R

T

₀

N

_i

N

_s

N

_i



F K T





₀



B

T

_e Normalmente adota-se T₀ = 290 K

Ruído “esperado” na saída:

N

_S

= KT

₀

GB

mas, o ruído medido é

maior...

Ns = K(T

0

+

T

e

)GB

Ruído de uma cadeia de elementos

N

_i

G

₁

R T

₀

G

₂

T

₁

_T

2

F

₁

_F

2

_N

S

Ta = 20 K

...

2 1 3 1 2 1 0













G

G

T

G

T

T

T

T

_i

Perda = 0,1 dB

G

_G

= 10

-0,01

T

_G

= (10

0,01

-1)290 K = 6,75 K

G = 50 dB T_LNA= 55 K

T

T

T

T

G

a G LNA G







...

T = 20 + 6,75 + (55 x 10

0,01

₎

T = 20 + 6,75 + 56,28

T = 83,03 K

LNA

Guia

Temperatura de ruído de uma antena

A antena é um gerador com resistência interna (resistência de radiação) não-ohmica, e idealmente não geraria ruído térmico. Na prática, a antena tem componentes ohmicas (baixas) que contribuem para a temperatura de ruído.

A antena capta ruído presenteno seu ambiente.

Todo objeto com temperatura física acima de 0 K irradia energia, função de sua emissividade e temperatura molecular (física):

T_B(,) = (,)T_m

 T_A = Temperatura equivalente (fictícia) de ruído da antena.



 







 

 



_{ }  

























2 0 0 2 0 0

,

,

,

d

d

sin

G

d

d

sin

G

T

T

B A

N

_A



kT

_A

B

Potência de ruído numa banda B

Temperatura de ruído da antena

em terra

, com céu claro

Antenas diretivas apontadas para o espaço Fontes de ruído de antena:

Ruído da Terra (290 K) - lóbulos secundários - spill over

Ruído do céu - troposfera, cósmico: ~8 K em 4 GHz e 10 K em 12 GHz, com elevação de 35o

Ruído de planetas e estrelas - Sol

objetos próximos, edifícios, radomes, elementos da antena

T_a tipicamente menor que 30 K - se a mesma antena for empregada em um enlace terrestre, ela apresentará temperatura de ruído maior

Temperatura de ruído da antena

em terra, com chuva

Influência da chuva em T_A

- A chuva não apenas atenua o sinal recebido do satélite, mas também aumenta o ruído de sistema da estação terrena - degrada G/T

T

_Céu

T

_Solo

Solo

T

_A

=T

_Céu

+T

_Solo

+T

_RES

Céu

Com céu claro

T

_RES

T

_Solo

Solo

T

_Céu

/A

_Ch

T

_Ch

(1-1/A

_Ch

)

Céu

T

_A

=T

_Céu

/A

_Ch

+T

_Ch

(1-1/A

_Ch

)+T

_Solo

+T

_RES

Com chuva

Nuvem de chuva

Temperatura equivalente de ruído de antena, T_A - valores típicos para céu claro – Antena offset de 1,8 m

• 20 K/28 K com elev. de 90o_/30o_{, @ 4 GHz}

• 18 K/23 K com elev. de 90o_/30o_{, @ 12 GHz}

– Antena duplo-refletor simétrica gregoriana

• 14 K/16 K/18 K com elev. de 90o_/30o_/20o_{, @ 4 GHz}

• 16 K/ 18 K/26 K com elev. de 90o_/30o_/20o_{, @ 12 GHz}

Exemplo de variação de T_A com chuva

T_Céu= 8K; T_Solo= 15 K; T_RES= 10 K; A_Ch = 4 (6 dB); T_Ch = 278 K (5 o_{C); T}

RX = 100 K

Com céu claro: T_A = 33 K; T_S = 133 K

Com chuva: T_A = 8/4 + 278(1-1/4) + 25 = 235,5 K ; T_S = 335,5 K Degradação em T_S: 10 log(335,5/133) = 4,0 dB

Degradação em C/N: 6 + 4,0 = 10,0 dB

Temperatura de ruído da antena

em terra, com chuva

Temperatura de ruído

da antena do satélite

Njoku & Smith 1985 BRIG HT NE SS TE MP ER A TU RE TBe (K) LONGITUDE

30E 60E 90E 120E 150E 180 150W 120W 90W 60W 30W

Oceano Pacífico Oceano Atlântico

África

Temperatura de ruído

da antena do satélite

As curvas da figura anterior mostram para várias frequências, a

temperatura ponderada de brilho da Terra, calculada sob determinadas condições, para uma antena de cobertura global

A temperatura de ruído de uma antena embarcada específica é calculada como o produto do valor indicado pela curva acima por um fator de eficiência de feixe, (diferente da eficiencia de radiação) que apresenta valores típicos entre 0,5 e 0,6

Uma antena embarcada com feixe mais estreito e apontada para regiões continentais terá maior valor de temperatura de ruído do que uma antena de cobertura global, cuja cobertura também abrange regiões oceânicas, de menor temperatura.

Valores de temperatura de ruído da antena do satélite se situam entre 60 K e 240 K, dependendo da frequência, da longitude subsatélite e do tipo de feixe (global, hemisférico, zonal ou spot) e seu apontamento

A temperatura de ruído da antena do satélite, T_AS, praticamente não sofre influência da chuva pois:

– T_AS recebe contribuição de ruído emitido por toda a região na Terra que tem cobertura, e a chuva não acontece

simultaneamente em toda esta área

– A diferença entre a temperatura da Terra e das nuvens é pequena

Deste modo, o efeito de chuva no enlace de subida se resume na atenuação introduzida no sinal transmitido para o satélite

Temperatura de ruído

da antena do satélite

Ruído de Planetas e estrelas

“Eclipse” solar na estação terrena

Tamanho angular do sol: 0,53

o Em uma região na

Terra, o Sol é visto alinhado com o satélite

“Eclipse” solar na estação terrena

O Sol passa por trás do satélite, na visada da estação terrena receptora

O Sol visto da Terra compreende um ângulo de 0,53o_{: (0,53/360) (24x3600) =127 s}

Temperatura de ruído da antena aumenta quando o sol entra no lóbulo principal função do tamanho (ganho) da antena e da frequência de operação

4000 K max @ 4 GHz / 10 000 K max @ 11 GHz

 Em 4 GHz, 4000 K corresponde a degradação de 17 dB em um sistema com

T = 75 K em céu claro A comunicação pode ser interrompida

 Ocorrência previsível - permite prover diversidade se necessário

 em dois períodos anuais - equinócios em março e setembro

 Datas, duração e intensidade dependem da localização do satélite e da estação terrena, e do tamanho da antena em terra

 em um período de cerca de 6 dias, duas vezes no ano, as interrupções

acontecem 1 vez por dia, com duração crescente, de zero até o máximo de 8 min, e depois vão decrescendo até desaparecer

Cálculo de enlace

Objetivo: Determinar C/N

₀

(ou C/N, ou E

_b

/N

₀

) na recepção, ou ajustar

parâmetros do sistema para satisfazer requisitos de desempenho

Parâmetros do enlace: P

_T

, G

_T

, G

_R

, d, características dos HPAs de terra

e dos transponders, Temperaturas equivalentes de ruído de antenas

e de receptores em terra e embarcadas

Enlace de subida - 1

Duas equações básicas no enlace de subida...

C/N₀ recebido no satélite

EIRP necessária da estação terrena

... em função de duas quantidades que caracterizam o receptor no satélite:

_SS - densiddade de fluxo de potência de saturação do transponder

Enlace de subida - 2

P_R (dBW)= P_T + G_T - P_iS + G’_R Os dois primeiros termos são a EIRP

(C/N)_S = (EIRP)_E - P_iS + G’_R +228,6 - 10 logT_s - 10 log B_RF (C/N₀)_S = (EIRP)_E - P_iS + G’_R +228,6 - 10 logT_s

Para modulação QPSK, o valor de B_RF a ser usado é o da taxa bruta de bits de informação

transmitida, dividida por 2

f

QPSK

128 Kbit/s

64 Kbit/s

Enlace de subida - 3

G’

_R

= G(1 m

2

_{) + 10 log (A}

ef

)

A densidade de fluxo de potência recebida no satélite é:



_S

= P

_R

- 10 log(A

_ef

)

 em dB(W/m

2

)



_S

= (EIRP)

_E

- P

_iS

+ G(1 m

2

₎

(C/N

₀

)

_S

= 

_S

- G(1 m

2

_{) + (G/T)}

S

+228,6

G/T = Fator de mérito de recepção (dB/K)

Aef = Área efetiva da antena

G(1m

2

_{) =(4/}

2

₎

Enlace de subida - 4

Se 

_S1

= 

_S2

(C/N

₀

)

_S1

> (C/N

₀

)

_S2

SAT



_S1



_S2

A

_ef1

A

ef2



_S2

> 

_S1

Se (C/N

₀

)

_S1

= (C/N

₀

)

_S2

G’

_R

Área de serviço

TX1

TX2

Enlace de subida - 5

Levando em conta _SS, a densidade de fluxo de potência de

saturação do satélite, e o back-off na entrada do transponder, (BO)_E, temos: _S = _SS - (BO)_E (EIRP)_E = _SS - (BO)_E + P_iS - G(1 m2₎ (C/N₀)_S = _SS - (BO)_E - G(1 m2_{) + (G/T)} S +228,6 BO = (P_SAT - P_OPER) BO > 0

Enlace de subida - 6

Vantagem Geográfica

Tanto P_iS como _SS (ou _S) variam com a posição da estação terrena.

Tomando como referência uma estação (ou posição) no contorno de menor ganho (máximo _SS) e o mais distante possível do satélite (máximo P_iS), define-se vantagem geográfica de uma estação como:

VG_S = _SSMAX - _SS + P_iSMAX - P_iS

Para uma estação genérica, com parâmetros  e d ,temos: VG_S = G’_R() - G’_R(_) + 20 log(d_MAX/d), onde _ e d_MAX são

parâmetros da estação de referência em questão. Assim, temos em termos de VG:

(EIRP)_E = _SSMAX - (BO)_E + P_iSMAX - G(1 m2_{) - VG} S

BO

_E

x BO

_S

O back-off de saída é menor que o back-off de entrada

Potência de entrada -  Pot. de Saída -EIRP 0 0 BO_E BO_S

Enlace de descida - 1

Geralmente a antena do satélite tem menor ganho e maior temperatura de ruído que as antenas das estações terrenas - menor fator de mérito G/T em

recepção, menores EIRPs em transmissão

 O menor ganho decorre de se projetar a antena para ter cobertura em uma área grande, por exemplo, todo o Brasil

 A maior temperatura de ruído se deve a que a antena do satélite está apontada para a Terra e não para o espaço

A intermodulação é em geral mais crítica no PA do transponder que no HPA das estações terrenas pois nestas existe a possibilidade de dimensionar

adequadamente o HPA

Para calcular o enlace de descida, o ponto de partida é a EIRP lançada pelo satélite para a Terra: EIRP_S. A não-linearidade do transponder dificulta uma determinação precisa de EIRP_S, principalmente quando o transponder é compartilhado por portadoras de diferentes sistemas.

Enlace de descida - 2

De modo similar ao enlace de subida,

(C/N)_D = (EIRP)_S - P_iD + G’_R +228,6 - 10 logT_E - 10 log B_RF (C/N₀)_D = (EIRP)_S - P_iD + G’_R +228,6 - 10 logT_E

(C/N₀)_D = (EIRP)_SS - (BO)_S - P_iD + (G/T)_E +228,6

VANTAGEM GEOGRÁFICA DE DESCIDA

No caso do enlace de descida, a vantagem geográfica é definida de modo similar, mas em função da EIRP de saturação do satélite

VG_D = [(EIRP)_SS - (EIRP)_SSMIN] + (P_iDMAX - P_iD) VG_D = G’_T() - G’_T(_) + 20 log(d_MAX/d)

Enlace de descida - 3

Calculado o valor de C/N para o enlace de descida, deve ser adicionado o valor de (C/N) calculado para o enlace de subida, de modo a considerar o efeito do ruído nos dois enlaces: N = N_S + N_D N/C = N_S/C + N_D/C C/N = 1/(N_S/C + N_D/C) N/C = 10-(C/N)/10 (C/N)_dB = -10 log[10-((C/N)S/10)_{+ 10}-((C/N)D/10)_] dB

Exemplo

Brasilsat B1 EIRP = 36 dBW G/T = - 2,5 dB/K _SMIN = - 92 dB(W//m2₎ Sinal BPSK Rb = 64 Kbit/s BER = 10-7 _{ E} b/N0 = 11,3 dB sem codificação

Codificação 1/2 com ganho de codificação de 5,5 dB @ BER = 10-7

 Eb/N₀ = 5,8 dB

Perda de espaço livre na descida em 3,9 GHz: 195,7 dB / na subida = 199,6 dB Eficiência espectral: 0,7 bit/s/Hz;

Banda ocupada = (128 K x 1,2/0,7) = 219,4 KHz ( Banda de guarda de 20% ) Número possível de portadoras no transponder: 36•106_{/219,4 K = 164,06}

10*log(164,06) = 22,15 dB = Fator de potência por portadora

G/T = - 2,5 - 0,5 = - 3,0 dB/K

(EIRP)_E = (C/No)S + Pi_S - G_R'/T - 228,6 = 56,86 + 199,6 + 3 -228,6 = 30,86 dBW Antena de 1,2 m e 60% de eficiênca em 6 GHz: G_T = 35,3 dBi  P_T =- 4,44 dBW G(1m2_{) @ 6 GHz = 37,19 dBi}

_S =30,86 - 199,6 + 37,19 = -131,5 dB(W/m2₎

_SP = - 92 - 22,15 = -114,5 dB(W/m2_{)  Está longe da saturação}

BOE_PORT = -114,5 + 131,55 = 17,05 dB.

na curva do transponder, o BO_S é 4 dB menor que o BOE_PORT BO_S = 17,05 - 4 = 13,05 dB; EIRP_SP = 36 - 13,05 - 22,15 = 0,8 dBW

No lance de descida: G_R = 31,8 dBi; T_S = 60 K  G/T = 14,02 dB/K (C/N₀)_D = 0,8 - 195,7 +228,6 +14,02 = 47,72 dBHz

Para se ter a mesma folga do lance de subida, falta (56,86 - 47,72) = 9,14 dB Ant. RX com G_R = 31,8 + 9,14 = 40,9 dBi  Antena de 3,6 m

Considerações adicionais

Imperfeições de equipamento/ajustes

Margens de implementação, erros de apontamento e de ajuste de tilt de polarização

Intermodulação

Interferências - intra e extra-satélite Propagação - multipercursos

Perdas atmosféricas

Chuva, vapor d’água, nuvens e nevoeiros

Sempre presente, mesmo na condição de céu claro (sem chuva)

Depende da frequência e do ângulo de elevação

Para ângulos de elevação maiores que 10o_{, é desprezível na banda}

C e menor que 0,5 dB na banda Ku