Diseño de enlaces ascendente y descendente

Comunicaciones por Satélite
Curso 2008-09
Diseño de enlaces ascendente y
descendente
Ramón Martínez
Miguel Calvo
Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
CSAT 40
Índice
• Cadena del radioenlace Tierra-Satélite-Tierra
• Cálculo de la potencia recibida (fórmula de Friis)
• Modelos de atenuación atmosférica y de lluvia
• Cálculo de la potencia de ruido.
• Temperatura de ruido de antena
• Combinación de enlace ascendente y descendente
• Calidad de estaciones terrenas
• Objetivos de calidad y disponibilidad
• Amplificación no-lineal. Intermodulación. Optimización del
punto de trabajo
• Coordinación
• Ejemplos
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CSAT 41
N
El ruido total en recepción es:
=
R
=
⋅
LA
F
Lp BI
T
k
PR
La potencia recibida es:
G
E
R
I
P
Relación C/N
⋅
Por tanto la C/N será:
C
PIRE ⋅ GR
GR 1 1 1 1
=
= ( PIRE) ⋅ ( ) ⋅
⋅
⋅ ⋅
N L p ⋅ LA ⋅ (kTBIF )
T L p LA k BIF
También puede caracterizarse el enlace a partir de la C/N0:
C
C
=
N0 kT
dBHz
C
C
=
N N0 BIF
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dB
CSAT 42
Factor de Calidad del Receptor
• Es la relación GR/T la que caracteriza la calidad del
receptor.
• Cuanto mayor sea la ganancia de la antena, mayor
calidad.
• Cuanto menores sean las pérdidas entre la antena y el
amplificador LNA mayor calidad.
• Cuanto menor sea la temperatura de ruido del LNA,
mayor calidad.
– Su ganancia debe ser grande para reducir la contribución del
mezclador.
• El valor de G/T es independiente de donde se mida. Se
suele tomar como referencia la entrada del LNA.
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CSAT 43
Diseño del Enlace Ascendente
• La densidad de potencia a la entrada del transpondedor está
fijada (densidad de flujo de saturación). Debe controlarse con
la potencia transmitida por la estación terrena.
• El coste de los transmisores es de 10 a 15 veces el de los
receptores. Por ello, son mucho más económicas las
estaciones de sólo recepción de los sistemas de difusión
(punto a multipunto).
• El coste de los transmisores en bandas bajas es más
razonable, lo que justifica la asignación de la banda L para
comunicaciones móviles.
• Para eliminar las interferencias sobre los sistemas satélite
adyacentes y optimizar el uso de la órbita GEO debe
controlarse el nivel de lóbulos secundarios de las antenas
(COORDINACIÓN).
• La atenuación de lluvia disminuye la potencia recibida C pero
no aumenta significativamente la T (ya alta de unos 270 K). Se
contrarresta controlando la potencia transmitida.
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CSAT 44
Diseño del Enlace Descendente (1)
• El enlace descendente está limitado por la potencia a bordo:
– Deben usarse esquemas de modulación eficientes en potencia (FM,
M-PSK)
– Las antenas deben proporcionar áreas de cobertura pequeñas para
aumentar su ganancia y por tanto la PIRE.
• Para aliviar los problemas de interferencia sobre sistemas
terrenales, la densidad de flujo de potencia (flujo por 4 kHz de
banda) está limitado. Por ejemplo, entre 1 y 10 GHz:
Fmáx = -152 + Elev/15 (dBW/m2)
– En caso necesario hay que usar señales de dispersión para que no
pueda transmitirse, por ejemplo, la portadora sin modular.
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CSAT 45
Diseño del Enlace Descendente (2)
•
Los demoduladores funcionan por encima de un umbral mínimo de C/N:
– FM de banda estrecha: (C/N)mín ≈ 5 dB
– FM de banda ancha : (C/N)mín ≈ 11 dB (umbral extendido 8.5 dB)
– BPSK/QPSK (BER=10-6): (C/N)mín ≈ 12 dB → Es/No=(C/N)(B/Rs)
50
BER
0.1
45
S/N
40
PB( EbNo )
S/N b.e.
35
S/N b.a.
30
0.000001
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
0
EbNo
12
C/N
• La atenuación por lluvia disminuye la C y aumenta la T y por tanto la N.
• Se requiere un MARGEN adicional para un determinado porcentaje de
disponibilidad sobre la C/N de cielo claro (depende de la frecuencia, zona
climática, elevación del trayecto, etc.).
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CSAT 46
Transpondedor Transparente
En este caso el enlace es doble y consta de un enlace ascendente con una
(C/N)U y un enlace descendente con una (C/N)D .
El transpondedor tiene una ganancia Gs.
La potencia de señal recibida será:
La potencia de ruido es:
C = CUGSGT GR L
N = ND + NUGSGT GR L
Por tanto:
C U G S G TG R L
⎛C⎞ = C =
=
⎜ ⎟
⎝ N ⎠ T N N D + N U G S G TG R L
CU
1
=
N DL
N DL
⎛N⎞ +
NU +
⎜ ⎟
G SG TG R ⎝ C ⎠ U [(CU G S )G T ]G R
CU NU
Gs
Uplink
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GT
Downlink
GR
CD ND
CSAT 47
Balance de Enlace Compuesto
Teniendo en cuenta que (CUGS) es la potencia transmitida por el satélite
PT, (CUGS)GT será la PIRE transmitida por el satélite. Por lo tanto,
(CUGS)GTGR/L será la potencia recibida en el enlace descendente.
1
1
⎛ C⎞
=
⎜ ⎟ =
⎝ N⎠ T ⎛ N⎞
NDL
⎛ N⎞
⎛ N⎞
+
+
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎝ C ⎠ U (CUGS )GT GR ⎝ C ⎠ U ⎝ C ⎠ D
[
]
Por tanto:
−1
−1
−1
⎛C⎞ = ⎛C⎞ +⎛C⎞
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎝ N ⎠T ⎝ N ⎠U ⎝ N ⎠D
Y si el ruido se distribuye uniformemente en el ancho de banda B (N=N0B):
−1
−1
−1
⎛ C⎞
⎛ C⎞
⎛ C⎞
⎜
⎟ =⎜
⎟ +⎜
⎟
⎝ N 0 ⎠T ⎝ N 0 ⎠ U ⎝ N 0 ⎠D
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CSAT 48
Transpondedor regenerativo
• El satélite demodula, decodifica, detecta y corrige
errores, modula y amplifica la señal, y la transmite a
tierra (requiere on-board processing, OBP)
• La caracterización del enlace (en ausencia de corrección
de errores a bordo) viene dada por:
BERT = BERU + BERD
• Ejemplo: en un enlace simétrico (Eb/No)u= (Eb/No)d , un
satélite regenerativo ofrece un ahorro de 2.6 dB para una
BER=10-4.
• El satélite regenerativo permite introducir el ahorro en el
balance en el enlace con peores condiciones
• El efecto de la intermodulación se reduce y el HPA del
satélite puede operar cerca de la saturación
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CSAT 49
Objetivos de calidad y disponibilidad
•
Umbral de prestaciones (performance threshold): nivel que debe
cumplirse para satisfacer los requisitos
– Se define para un porcentaje de tiempo mínimo
•
Umbral de disponibilidad (availability threshold): nivel mínimo
que debe cumplirse para garantizar el servicio
– Se define para un porcentaje de tiempo máximo
BER
10-10
Umbral de prestaciones
BER<10-8 para el 99.9% del tiempo
10-8
Región de prestaciones degradadas
Umbral de disponibilidad
BER<10-6 para el 99.99% del tiempo
10-6
10-4
0.001
0.01
0.1
1.0
10.0
100%
Porcentaje de tiempo en que se mide la BER
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CSAT 50
Objetivos de calidad y disponibilidad
•
Los enlaces por satélite se dimensionan para compensar
posibles pérdidas de señal (desvanecimientos o fading) debidos
a la lluvia respecto del enlace en condiciones de cielo claro
Se denomina margen de enlace (link margin, fade margin)
La relación entre margen de enlace, nivel de potencia y BER
dependerá de la modulación usada
•
•
Atenuación (dB)
10
Umbral de disponibilidad
Att<8 dB para el 99.99% del tiempo
8
Región de prestaciones degradadas
Umbral de prestaciones
Att<6 dB para el 99.9% del tiempo
6
4
0.001
0.01
0.1
1.0
10.0
100%
Porcentaje de tiempo en que se mide la atenuación
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CSAT 51
Especificaciones del Satélite
El punto de trabajo, para potencia máxima de salida, es el punto de saturación.
Para establecer el punto de trabajo se definen los back off de entrada y salida
como:
Po (dBm)
PIREsat Fsat
=
PIRE
F
PIREs ,sat
BOo =
PIRE
BOi =
Posat
BOo
PIREsat es la PIRE que debe transmitir la
estación terrena para saturar al TWTA del
satélite.
Fsat es la correspondiente densidad de flujo de potencia.
BOi
Pisat
Pi (dBm)
PIREs,sat es la PIRE producida por el satélite en saturación.
(
)
(
2
2
Teniendo en cuenta que: F = PIRE 4 πR = (PIRE ⋅ 4 π ) Lpλ
[( C N) ] = [PIRE
[( C N) ] = [PIRE
U
D
sat
[( G T) ] − [k] − [B ]
] − [BO ] − [L ] + [( G T) ] − [k] − [B ]
] − [BO ] − [L ] +
s,sat
)
i
U
o
D
IF
s
e
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IF
CSAT 52
Transpondedor no-lineal
Los efectos no-lineales del TWTA generan productos de intermodulación que
pueden considerarse como ruido aditivo. La relación C/IM depende del
número de portadoras, de sus características de modulación y frecuencia y
de las características de transferencia de amplitud y fase del TWTA.
La figura muestra las características típicas de un TWTA.
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CSAT 53
Modelo de Saleh
• El modelo de Saleh es un método sencillo basado en dos
parámetros para caracterizar los efectos AM/AM y AM/PM
• Modelo basado en cuatro parámetros que se integran uen
expresiones cerradas que caracterizan el efecto del
amplificador
x(t ) = r (t ) cos[ω0t + ψ (t )]
•
TWTA
Modelo AM/AM y AM/PM
A(r ) =
Φ (r ) =
y (t ) = A[r (t )]cos{ω0t + ψ (t ) + Φ[r (t )]} =
αar
1 + βar
2
αφ r 2
1 + βφ r 2
= P[r (t )]cos[ω0t + ψ (t )] − Q[r (t )]sin[ω0t + ψ (t )]
•
Efecto en fase y cuadratura
P(r ) =
Q(r ) =
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α pr
1+ β pr 2
αqr3
(1 + βq r 2 )2
CSAT 54
Modelo de Saleh
α a = 1.9638
αφ = 2.5293
β a = 0.9945
βφ = 2.8168
AM/AM
AM/PM
45
1
0.9
40
0.9
0.4
0.3
20
15
0
0.5
1
1.5
Amplitud de entrada (normalizada)
0
0.5
0.4
0.2
5
0.1
0.6
0.3
10
0.2
0
25
Distorisón de fase (º)
0.5
20
0.7
30
Amplitud de salida
Distorisón de fase (º)
0.6
AM/PM
25
0.8
35
0.7
β a = 1.1517
βφ = 9.1040
AM/AM
1
0.8
Amplitud de salida
α a = 2.1587
αφ = 4.0033
15
10
5
0.1
0
0.5
1
1.5
Amplitud de entrada (normalizada)
0
0
0.5
1
1.5
Amplitud de entrada (normalizada)
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0
0
0.5
1
1.5
Amplitud de entrada (normalizada)
CSAT 55
Espectro Aproximado de Portadoras e Intermodulación
Aún cuando el espectro de portadoras moduladas FM y PSK tienen forma de
campana, pueden aproximarse de forma rectangular por efecto del filtrado
y adición de señales de dispersión. La figura muestra un ejemplo de carga
de un transpondedor con portadoras digitales y el espectro de intermodulación
resultante.
frecuencia
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CSAT 56
Modelo de Beretta
Una aproximación de la C/IM para un TWTA típico amplificando n portadoras
iguales puede obtenerse de las expresiones (modelo de Beretta):
(C IM)r
(C IM)r
(C IM)r
= 10.0 + 0.82BOi , n = 6
= 9.48 + 0.82BOi , n = 12
(C
(C
IM )r = 10.532 − 0.09n + 1.7 × 10 −4 n 2 + 0.82 BOi
IM )r = 10 .42759 * n - 0 .0314389 + 0.82 BOi
= 8.60 + 0.82BOi , n = 500
C/IM
30
Analítico
Comparación de ambos
métodos propuestos
CIM( 500 , Pti( BOi ) )
CIMb( 500 , BOi )
CIM( 6 , Pti( BOi ) )
Beretta
CIMb( 6 , BOi )
0
12
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BOi
0
CSAT 57
Punto de Trabajo Óptimo
Considerando el ruido de intermodulación como ruido blanco (caso peor)
su contribución al balance de enlace puede tenerse en cuenta como:
(C N)T−1 = (C N)U−1 + (C N)D−1 + (C IM) −1
La variación típica de los tres términos y de la C/N total en función del punto
de trabajo (BOi) del transpondedor es como se indica en la figura.
(C/N)
(C/N)U
C/IM
Hay un punto óptimo de
operación del transpondedor
que depende del número de
portadoras a través de C/IM.
(C/N)D
(C/N)T
-3 a -16 dB
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0 dB
Boi
CSAT 58
Coordinación
• Las señales interferentes degradan la calidad.
• Se producen interferencias entre sistemas de satélites y
entre estos y sistemas terrenales.
• Se hace necesario regular los niveles interferentes y
coordinar entre sí los sistemas.
Si se consideran los efectos de las interferencias como ruido
blanco aditivo (caso peor), y se producen con niveles (C/I)U y (C/I)D
en el enlace ascendente y descendente, respectivamente, la (C/N)
total puede obtenerse como:
(C N)T
−1
= (C N)U + (C N)D + (C IM) + (C I)U + (C I)D
−1
−1
−1
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−1
−1
CSAT 59
Determinación de la Necesidad de Coordinación
Dado el gran número de parámetros que caracterizan un sistema, la UIT
ha preparado un método sencillo para determinar la necesidad de
coordinación entre dos redes de satélite. El método está descrito en el
Apéndice 29 del Reglamento de Radiocomunicaciones.
Se evalúa el “incremento aparente de la temperatura de ruido equivalente
del enlace” ∆T causado por la emisión interferente.
La “temperatura equivalente de ruido del enlace” se denomina T.
Si la relación ∆T/T es inferior o igual al 4% no será necesaria
la coordinación entre las dos redes de satélite.
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CSAT 60
Geometría C/I
(C / I )d = E − e − (Ldw − Ldi ) + (G4 − g 4 ) + Yd
(C / I )u = (Ptw − Pti ) + (G1 − g1 ) − (Luw − Lui ) + (G2 − g 2 ) + Yu
La relación lóbulo principal/lóbulos secundarios de las antenas es el principal
parámetro que permite controlar la interferencia entre sistemas.
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CSAT 61
Interferencia
S1
g r1 (φ )
∆TS 12
φ12
θ12
Deseado
GR1 (θ )
E1
∆TE12
S2
PS 2
g t 2 (φ )
φ 21
θ 21
GT 2 (θ )
PE 2
E2
Interferente
Los incrementos de temperatura de ruido por interferencia son respectivamente:
∆TE12
PE 2 ⋅ G T 2 (θ 21 ) ⋅ g r1 (φ12 )
=
kLS1E 2
∆TS12 =
PS 2 ⋅ g t 2 (φ21 ) ⋅ G R1 (θ12 )
kLS 2E1
∆T12 = r∆TS12 + ∆TE12
r es la ganancia total desde la antena
de recepción a la de transmisión en
el satélite S1.
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CSAT 62
Interferencias generadas por las estaciones terrenas
• Se producen por la radiación a través de los lóbulos secundarios.
• La envolvente de lóbulos secundarios debe cumplir la Rec. ITU-R S-465-5
para frecuencias entre 2 y 30 GHz.
Para antenas con D/λ > 100:
1 ≤ θ < 48
⎧ 32 − 25 logθ
G=⎨
dBi para
−10
48 ≤ θ ≤ 180
⎩
Para antenas con D/ λ < 100:
(100λ / D ) ≤ θ < 48
⎧52 − 10 log(D / λ ) − 25 log θ
G=⎨
dBi para
10 − 10 log(D / λ )
48 ≤ θ ≤ 180
⎩
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CSAT 63
Diagrama Típico de una Antena Diamond Shaped
ITU-R S.580-5
0 dB
Polarización horizontal
Corte φ= 90
-10 dB
Apertura
Circular
29 -25 log θ
23 -25 log θ
-30 dB
19 -25 log θ
-35 dB
X-polar
-3.0
-1.5
0
1.5
3.0
Apertura Extendida
Angulo θ (grados)
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CSAT 64
Balance de Enlace. Ejemplo 1
Banda C
4 GHz
40000 km
BOo=3 dB
Pt=8 dBW
Gborde=16 dBi
PI RE
4πR 2
= 8 + 16 − 10 log(4π ) − 20 log 4 ⋅ 107
Flujo =
(
= −139
)
dBW / m2
(
})
⎛ C⎞
⎜ ⎟ = (11 dB umbral ) + 7 dB Margen C ↓ 3, N ↑ 3 = 18 dB
⎝ N⎠
Ta=50ºK
TLNA=20ºK
η =65%
{
(
)
N = kTsB = −228.6 + 10 log(20 + 50) + 10 log 36 ⋅ 106 = −134.6 dBW
[C] = [(C N)] + [N] = [Flujo] + [ ηA ]
r
[ ηA r ] = 18 + (−134.6) − (−139 − 3) = 25.4 dBm
2
A r = 10
25.4− 10 log( 0.65)
10
= 533.4 m2 ⇒ D = 26 m
[(G T)] = 10 log(0.65) + 20 log( π D λ ) − 10 log(70) = 40.5 dBK
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−1
CSAT 65
Balance de Enlace. Ejemplo 2
48360⎞
⎛
G s = 10 log⎜ 0.62
⎟ = 32 dBi
⎝
3× 6 ⎠
G borde = 32 − 3 = 29 dBi
⎛ π × 6m × 4GHz ⎞
Ge = 10 log(0.65) + 20 log⎜
⎟ = 46dBi
0
.
3
⎝
⎠
(G T ) e = 46 − 10 log(120) = 24.8 dBK −1
D=6 m
Ts=120 ºK
⎛ 4πR(m)f (GHz) ⎞
⎟
(C N) = (10 log 5 + 29) + 24.8 − 20 log⎜
0
3
.
⎝
⎠
(
(
− −228.6 + 10 log 36 ⋅ 106
3ºx6º
Margen = 17.3 - 11 = 6.3 dB
Si D=3 m
Ge
umbral a 8.5 dB
Pt=5 W
)) = 17.3 dB
6dB y Margen 6 dB. Si extendemos
Margen
2.5 dB
Por tanto, pueden usarse antenas de 3 m
con Margen de 2.8 dB.
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CSAT 66
Ejemplo 3: DBS (Direct Broadcast Satellite)
DOWN-LINK DBS
2ºx3º
Pt=200 W
Satélite
Potencia transmitida por canal (W)
200
Frecuencia (GHz)*
12,2
Ancho de Haz Horizontal (grad)
2
Ancho de Haz Vertical (grad)
3
Ganancia (62% eficiencia) (dBi)
36,99
Distancia media Est.T.-Sat. (km)
38000
Elevación mínima (grad)
9
Pérd. Atmosf. cielo claro (dB)
0,48
Densidad de Flujo (dBW/m2) -103,07
Estación Receptora
Diámetro de antena (m)
0,7
Eficiencia (%)
60
Area Efectiva (m2)
0,23
Potencia Recibida (FxAe) dBW -109,44
Pérdidas
Estación Borde Cobertura (dB)
-3
Desacoplo Polarización (dB)
-0,5
Error Apuntamiento (dB)
-1
Pérdidas Alimentador (dB)
-1
Potencia Recibida C (dBW) -114,94
Potencia de Ruido
Constante de Boltzman (DBW/K/Hz)
-228,6
Temp.Ruido Sistema (700K) dBK
28,45
Ancho de Banda (27 MHz) (dBHz)
74,31
Potencia de Ruido N (dBW) -125,84
Balance de Enlace
C/N (dB)
10,89
Márgen (sobre umbral 9 dB) (dB)
1,89
Calidad Estación Receptora G/T
Ganancia antena (dBi)
36,81
G/T (dBK-1)
8,36
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CSAT 67
Ejemplo 4: Sistema INMARSAT
CANAL VOZ INMARSAT
4-6 GHz
1.5-1.6 GHz
Estación Costera
Móvil Marítimo
Downlink Satélite-Barco
Banda de Frecuencias (MHz)
1535-1543.5
Ancho de Banda RF ocupado (MHz)
2
Número de Canales
40
Ancho de Banda RF por canal (kHz)
30
Potencia salida transpondedor (W)
10
Potencia por canal (dBW)
-6,02
G Ant.Satélite Borde Cobertura (dBi)
17
Pérd. Espacio Libre (38000 km) (dB)
187,8
G/T Est.Receptora (dBK-1)
-4
Ancho de Banda de ruido (kHz)
20
C/N (dB)
4,8
Uplink Barco-Satélite
Banda de Frecuencias (MHz)
1636.5-1645
PIRE Barco (10W 2m diam) (dBW)
37,0
Pérd. Espacio Libre (38000 km) (dB)
188,3
G Ant.Satélite Borde Cobertura (dBi)
16
Temp.ruido sitema Transp (500K) (dBK)
27,0
G/T satélite (dBK-1)
-8,0
C/N por canal (dB)
21,5
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CSAT 68