metodología para el diseño de enlaces satelitales

Metodología para el Diseño de

Enlaces Satelitales

Francisco A. Sandoval fralbe

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AGENDA

Introducción

Modelo de un enlace satelital

Parámetros del Sistema Satelital

Ecuaciones del enlace satelital

Otras consideraciones importantes relativas al cálculo de

enlaces satelitales

Formas de acceso al satélite

Cálculo de un enlace satelital

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Introducción

El uso y masificación de las comunicaciones satelitales

necesita que se tenga un cierto grado de entendimiento

de los fenómenos, parámetros y características que

describen y modelan dichos enlaces a través del

desarrollo de cálculos teóricos más precisos que puedan

sustentar los efectos de la propagación de las ondas de

radio en las bandas usadas para este tipo de

telecomunicación de microondas.

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Modelo de un enlace satelital

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Modelo Ascendente

Modulador

(FM, PSK o

QAM)

BPF Mezclador

Generador

MW 6 o 14

GHz

BPF HPA

Ban

da

bas

e e

n F

DM

o

PC

M p

TD

M IF RF

RF

Al transponder

del satélite

Conversor ascendente

Modelo de subida del satélite

HPA = Amplificador de alta potencia

Convierte las

señales de banda

base de entrada a

su FI modulada en

FM, en PSK o QAM

Convierte IF a

frecuencia de

portadora de

RF apropiada

Proporciona una

sensibilidad de

entrada adecuada

y potencia de

salida para

propagar la señal

al transpoder del

Satélite

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Transponder del satélite

BPF

Amplificador

de bajo ruido

LNA

Mezclador

Oscilador de

desplazamiento

MW de 2GHz

BPF

Amplificador

de baja

potencia

TWT

RF RF

RF

A la estación

terrena 4 o 12

GHz

Translador de frecuencia

Transponder del satélite

De la estación

terrena 6 o 14

GHz

BPF = dispositivo para limitar la banda de entrada

Repetidor de RF a RF

Limita el ruido

total aplicado a la

entrada del LNA

Convierte la frecuencia de subida de banda

alta a una frecuencia de bajada de banda baja

Amplifica la señal de RF

para su transmisión por

medio de la bajada a los

receptores de la estación

terrena fra

lbe.co

m

Modelo Descendente

Modelo de bajada del satélite

BPF

Amplificador

de bajo ruido

LNA

Mezclador

Generador

MW 4 o 12

GHz

BPF

Demodula

dor (FM,

PSK o

QAM)

RF IF

RF

Ban

da b

ase e

n F

DM

o P

CM

o T

DM

Conversor descendente

Del transponder

del satélite

Limita la potencia

del ruido de

entrada al LNA

Dispositivo

altamente

sensible, con

poco ruido

Combinación de filtro mezclador/pasa-bandas

que convierte la señal de RF recibida a una

frecuencia de IF

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Parámetros del Sistema Satelital

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Potencia Radiada Isotrópica Efectiva (PIRE)

Potencia de transmisión equivalente,

PIRE(𝑑𝐵𝑊) = 𝑃𝑟(𝑑𝐵𝑊)

+ 𝐺𝑡(𝑑𝐵)

𝑃𝑟 = potencia total radiada de una antena

𝐺𝑡 = ganancia de la antena transmisora

𝑃𝑡 = potencia de salida real del transmisor (dBW)

𝐿𝑏𝑜 = pérdidas por respaldo de HPA (dB)

𝐿𝑏𝑓 = ramificación total y perdida de alimentador (dB)

𝑃𝑟 = 𝑃𝑡 − 𝐿𝑏𝑜 − 𝐿𝑏𝑓

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Temperatura equivalente de ruido (𝑇𝑒) - I

Valor hipotético, puede calcularse perno medirse.

𝑇 =𝑁

𝐾𝐵

𝑁 = potencia total de ruido (watts)

𝐾 = constante de Boltzman (1.38 × 10−23 J/°K)

𝐵 = ancho de banda (Hz)

𝑇 = temperatura ambiente (°K)

fra

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m

Temperatura equivalente de ruido (𝑇𝑒) - II

El factor de ruido (adimensional) se expresa como,

𝑁𝐹 = 1 +𝑇𝑒

𝑇

Entonces, la temperatura equivalente de ruido (°K) es,

𝑇𝑒 = 𝑇 𝑁𝐹 − 1

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Densidad de Ruido

Es la potencia de ruido total normalizada a un ancho de

banda de 1Hz.

𝑁0 =𝑁

𝐵= 𝐾𝑇𝑒

𝑁0 = densidad de potencia de ruido (W/Hz)

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Relación de potencia de portadora a

densidad de ruido (𝐶/𝑁0)

𝐶

𝑁0=

𝐶

𝐾𝑇𝑒

𝐶 = potencia de la portadora de banda ancha

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Relación de la desidad de energía de bit a

densidad de ruido (𝐸𝑏/𝑁0)

Uno de los parámetros más importantes y más utilizados

en comunicaciones satelitales cuando se evalúa un sistema

de radio digital.

Manera conveniente de comparar los sistemas digitales

que utilizan diferente tasa de transmisión, diferentes

esquemas de modulación o diferentes técnicas de

codificación.

𝐸𝑏

𝑁0=

𝐶𝑓𝑏

𝑁𝐵

=𝐶𝐵

𝑁𝑓𝑏 fra

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m

Relación de ganancia a temperatura

equivalente de ruido (𝐺/𝑇𝑒)

Usada para representar la calidad de un satélite en un

receptor de una estación terrena.

𝐺/𝑇𝑒 es una relación de la ganancia de la antena

receptora más la ganancia del LNA, a la temperatura de

ruido equivalente.

𝐺

𝑇𝑒=

𝐺𝑟 + 𝐺𝐿𝑁𝐴

𝑇𝑒

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Pérdidas por espacio libre (PEL o 𝐿0)

PEL = 𝐿0 =4𝜋𝐷

𝜆

2

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Ecuaciones del enlace satelital

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Ecuación del enlace ascendente

𝐶

𝑁0=

𝐺𝑡𝑃𝑟 𝐿0𝐿𝑢 𝐺𝑟

𝐾𝑇𝑒=

𝐺𝑡𝑃𝑟 𝐿0𝐿𝑢

𝐾∗

𝐺

𝑇𝑒

𝐿0 = pérdidas por espacio libre

𝐿𝑢 = pérdidas atmosféricas de subida adicionales

𝐺/𝑇𝑒 = ganancia de la antena receptora del transponder más la ganancia del LNA dividida por la temperatura de ruido equivalente de entrada.

Las señales de subida y de bajada deben pasar por la atmósfera de la tierra, donde son absorbidas parcialmente por la humedad, oxígeno y partículas en el aire. fra

lbe.co

m

Ecuación del enlace ascendente En logaritmo es,

𝐶

𝑁0= 10 log 𝐺𝑡𝑃𝑟 − 20 log

4𝜋𝐷

𝜆+ 10 log

𝐺

𝑇𝑒− 10 log 𝐿𝑢 − 10 log 𝐾

PIRE de la

estación

terrena

Pérdidas

por espacio

libre

Relación de

ganancia a

temperatura

equivalente de

ruido del satélite

Pérdidas

atmosféricas

adicionales

Constante de

Bolzman

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Ecuación del Enlace Descendente

𝐶

𝑁0=

𝐺𝑡𝑃𝑟 𝐿0𝐿𝑑 𝐺𝑟

𝐾𝑇𝑒=

𝐺𝑡𝑃𝑟 𝐿0𝐿𝑑

𝐾∗

𝐺

𝑇𝑒

𝐿𝑑 = pérdidas atmosféricas de bajada adicionales.

En logaritmo es:

𝐶

𝑁0= 10 log 𝐺𝑡𝑃𝑟 − 20 log

4𝜋𝐷

𝜆+ 10 log

𝐺

𝑇𝑒− 10 log 𝐿𝑑 − 10 log(𝐾)

PIRE del

satélite

Pérdidas

atmosféricas

adicionales fralbe

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Otras consideraciones

importantes

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Potencia por unidad de superficie o nivel de iluminación a

una distancia 𝑑 del punto de transmisión 𝑊

𝑊 =𝑃𝑡

4𝜋𝑑2 watts/m2

Si la antena tiene ganancia,

𝑊 =𝑃𝑡𝐺𝑡

4𝜋𝑑2 watts/m2

Como PIRE = 𝑃𝑡𝐺𝑡,

𝑊2𝑑𝐵𝑤/𝑚 = PIRE𝑑𝐵𝑊 − 20 log 𝑑𝐾𝑚 − 71 fra

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m

Potencia por unidad de superficie o nivel de iluminación a

una distancia 𝑑 del punto de transmisión 𝑊

Una antena receptora «recoge» la señal y la cantidad de señal «recogida» depende del tamaño (área efectiva) de la antena. La potencia estará dada por

𝑃𝑟 = 𝑊 ∗ 𝐴𝑒 [watts]

donde,

𝐴𝑒 =𝜆2

4𝜋𝐺𝑟

de manera que,

𝑃𝑟𝑑𝐵𝑤 = PIRE𝑑𝐵𝑊 − 𝐿0𝑑𝐵 − 𝐺𝑟𝑑𝐵

𝐺𝑟 = ganancia de una antena de 1𝑚2 con una eficiencia de 100%

𝑃𝑟 = será el nivel de iluminación por unidad de superficie en (𝑑𝐵𝑤/𝑚2) y por lo tanto el nivel de iluminación puede expresarse también como,

𝑊𝑑𝐵𝑤/𝑚2 = PIRE𝑑𝐵𝑊 − 𝐿0𝑑𝐵

− 𝐺1𝑚 𝑑𝐵2

fra

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m

Factores de ajuste debidos a la ubicación

geográfica

El diagrama de radiación de las antenas de los satélites

tiene una haz de borde definido, al cual se refieren los

valores de PIRE, 𝐺/𝑇 y la densidad de flujo.

En el análisis del enlace se pueden aplicar factores de

ajuste para tener en cuenta la ubicación de una estación

terrena dentro del haz del satélite, factores Beta (𝛽) o

corrección del ángulo de mira o ventana del diagrama de

radiación, se aplica a todos los satélites.

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Factores de ajuste debidos a la ubicación

geográfica

factor 𝛽: diferencia entre la ganancia en el borde del haz

del satélite y la ganancia en dirección de una estación

terrena.

Se debe tener en cuenta los factores 𝛽 del enlace

ascendente (𝛽𝑢), como del enlace descendente (𝛽𝑑)

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Punto de funcionamiento del transponder

Dado que el amplificador de potencia de salida del

transponder no es un dispositivo lineal debe funcionar

por debajo del punto de saturación a fin de evitar las

distorsiones no lineales.

La reducción de la potencia de entrada (IBO) se define

como la relación entre la densidad del flujo de saturación

y la densidad del flujo de operación de una portadora y la

reducción de la potencia de salida (OBO) se define como,

OBO𝑑𝐵 = IBO𝑑𝐵 − 𝑋𝑑𝐵

𝑋 = relación de la ganancia de compresión entre la

reducción de la potencia de entrada y de salida

fra

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m

Densidad de flujo de potencia del satélite en

la superficie terrestre

Las posibilidades de interferencia provenientes del satélite

transmisor se limitan reduciendo en la superficie

terrestre la densidad de flujo de potencia máxima

producida por un satélite., dichos límites varían en función

del ángulo de llegada.

…

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Características de rendimiento (BER)

La probabilidad de error (BER), para la cual se diseña el

enlace, es el parámetro que indica la calidad del enlace y

por ende el grado de disponibilidad que pueda tener.

Su valor se obtiene según la recomendación IESS-308.

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Formas de Acceso al satélite

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Formas de acceso al satélite

FDMA

TDMA

CDMA

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Cálculo de un enlace satelital

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Referencias

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Referencias

Hernández Cesar, Corredor Oscar, Pedraza Luis,

Metodología para el diseño de enlaces satelitales,

Revista Tecnura, Volumen 14, Número 26, páginas 102, 117,

Enero-Junio 2010.

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