Satellite Communication

Dr. Ir. Zulfajri Basri Hasanuddin, M.EngDept. of Computer Science and Communication Engineering,Kyushu UniversityDept. of Electronic, Faculty of Engineering,Hasanuddin University

Historical Developments Of Satellite

Long range communications via modulated microwave electromagnetic fields were first introduced in the 1920s.

In the 1950s a concept was proposed for using orbiting space vehicles for relaying carrier waveforms to maintain long range over the horizon communications.

The first version of this idea appeared in 1956 as the Echo satellite – a metallic reflecting balloon placed in orbit to act as a passive reflector of ground transmissions to complete long range links.

In the late 1950s new proposals were presented for using active satellites (satellites with power amplification) to aid in relaying long range transmissions.

Gbr. 1.1 Communication satellites a) Telstar b) Early Bird

(a)

c) Fleetsatcom d) TDRSS

e) DSCS-III, f) Intelsat VI

(e)

(f)

Communication Satellite Systems

Gbr. 1.2. Satellite Systems (I) Ground - ground

Gbr. 1.3. Satellite systems (II) Ground – cross link - ground

Gbr. 1.4. Satellite systems (III) ground – user relay

A satellite that merely relays the uplink carrier as a downlink is referred to as a relay satellite or repeater satellite.

A satellite that transmits the downlink by responding to the uplink, it is also called a transponder.

A satellite that electronically operates on the received uplink to reformat it in some way prior to retransmission is called a processing satellite.

Gbr. 1.5. Satellite uses. (a) Navigation and position location;

A satellite navigation system, in which signals from multiple satellites can be received simultaneously by a moving or stationary receiver and precessed instantaneously to determine its location andvelocity. This forms the basis of the Global Positioning Satellite (GPS) system in which a networkor orbiting satellites are continually available to provide the ranging signals for authorized usersanywhere in the world.

Gbr. 1.5. Satellite uses. (b) terrain and weather observation;

A satellite serving as a terrestrial observation vehicle in which weather, terrain, or agriculturalinformation can be collected by cameras and monitors and transmitted to earth-based locations.

Gbr. 1.5. Satellite uses. (c) data networking

A satellite as a primary interconnection between a vast network of moving vehicles and fixed-pointearth stations, with voice, data, or command information being exchanged. This is the basis of the forth-coming mobile satellite systems.

Gbr. 1.5. Satellite uses. (d) deep – space exploration

The use of space vehicles to probe the outer universe by returning television and scientific data hasbeen carried out successfully for several decades.

6

7

8

9

10

11

2

3

4

5

Engineering Test Satellite (ETS-VIII)

Contents1. Purpose of the Package

2. Why ETS-VIII now?

3. Outline of ETS-VIII

4. Mission Payloads

5. Experiment Plan

6. Antenna Coverage

7. How to Utilize ETS-VIII?

8. Sample of Experiments

9. Finding Out More

Purpose of the Package

Experiments utilizing Engineering Test satellite VIII (ETS-VIII) in Japan and the Asian Pacific countries.

This package aims to provide the technical data of the ETS-VIII Satellite for inviting our interests to participate in the utilization experiments.

Elements of the Package

1. Engineering Test Satellite - VIII

2. GIGABIT Satellite3. Q and A forExperiments

4. ETS-VIII Proposal Experiment Subject

---------------------Experiment Abstract

-----------------------Experiment System

---------------------

5. GIGABIT Proposal Experiment Subject

---------------------Experiment Abstract

-----------------------Experiment System

---------------------

Why ETS-VIII Now ?Satellite segment and Earth station segment are the two main elements of SatCom technology, we may observe the characteristics trends by every 10 years as follows:

The Earth Station antenna was bigger than 30 m in 1960s and 1970s

Small size antenna was in common use in 1980s and 1990s, since the technology development of satellite power and large-scale on-board antenna

The Mobile Satellite Communications available in anywhere, anytime by hand-held terminal is expected at the beginning of the 21st century

The Engineering Test Satellite VIII (ETS-VIII) is an advanced GEO satellite which will be used for development of technologies necessary for mobile satellite communications, with the 10m class deployable antenna.

LEO (Iridium,Globalstar,ODESSY, ICO,Etc)

21,8 m

1500 kg970 kg

15.6m

5.3m

700 kg40 kg

0.6m

Sate

llit

e S

eg

men

t1960s 1970s 1980s 1990s 21st Century

INTELSAT I

INTELSAT IV

INTELSAT-V

INTELSAT VII

Fixed Communication Mobile Communication Personal Mobility

Eart

h S

tati

on

It is necessary todevelop the technology

of mobile satellitecommunications byGEO to cover the

mobile communicationtraffic in densely

populated countrylike Japan.

Why ETS-VIII Now ?

The Requirements of IMT-2000

Compatibility with terrestrial systemsMax Data Rate:• Over 9.6 kbps (...144kbps)• Indoor: 2,048 kbps• Car: 144kbps Large EIRP, Multi-beam On-board Packet Switching

What is IMT-2000

IMT-2000: IMT-2000 is an initiative of the ITU wireless access to the global teleco- mmunication infrastructure through both satellite and terrestrial systems, serving fixed and mobile users in public and private networks.

The ITU vision of global wireless access in the 21st century, including mobile and fixed access, aims at providing direction to the many related technological developments in this area to assist the standardiza- tion of these essentially competing wireless access technologies.

ETS-VIII is developed for meetingthe IMT-2000 requirements!

Outline of ETS VIII

ETS-VIII Objectives

The ETS-VIII is developed to establish and verify the following technologies: An advanced 3-ton class spacecraft bus Large scale deployable reflector, world’s largest and most advanced Mobile satellite communication system technology that will enable audio/data communications with hand-held terminals. Mobile satellite multimedia broadcasting system technology for sound and image transmission. Satellite positioning using the High Accuracy Clock

3. Outline of ETS VIII ETS-VIII Mission and Development Organization

Large-scale Deployable Reflector (LDR)

LDR uses a modular structure to meet the requirements of reflectorsurface preciseness (2,4 mm RMS) and antenna diameter expandability. LDR consists of 14 hexagon-shaped modules connected to each other by cables. The outside dimension is 19m x 17m at the largest. The ETS-VIII is equipped with two LDRs one of data transmission and the other for reception. Each module, similar to a one touch deployable umbrella, has a deployable truss structure. LDR folds to 1m (diameter) x 4 m (height) during launch.

S-Band Mobile Communication &Broadcasting System

ETS-VIII is being developed by:ASC: Advanced Space Communication Research LaboratoryCRL: Communication Research Laboratory of Ministry of Posts and TelecommunicationsNTT: Nippon Telegraph and Telephone CorporationNASDA: National Space Development Agency of Japan

High Accuracy Clock System

The ETS-VIII will conduct orbital experiments on mobile satellite communications, which will enable us to communicate using hand-held terminals in the S-band frequency. It will also conduct experiments on high-speed packet communications for transmitting multimedia information such as images to mobile users. Also, experiments on mobile satellite broadcasting will be conducted.

ETS-VIII’s high accuracy clock generates extremely accurate time signals. The ETS-VIII will conduct positioning experiments, combining the clock signal with GPS data, to study basic satellite positioning systems. The satellite positioning experiments will be made in the S and L bands.

Mission Payloads

Mobile SatelliteCommunications &Broadcasting System

Mobile handy-heldTelephone

Mobile UHDT-Data Communications

Mobile DigitalMultimediaBroadcasting

Complement for the Territorial System Disaster Relief (for the Traffic Congestion)

Mobile Computer Networking Mobile Internet Access

High quality Digital Audio Broadcasting Multimedia Information Transmission

On-boardPacket

Switching

Decreasing theTime Delay

Mobile satellite communication used to be switched via ground hub station. So there is a double-hops via satellite between two terrestrial end points. The time delay due to the double-hops can not be ignored. On-board processing capacity will limit the hop counts in systems to shorten the time delay.

Counter measurefor

Disaster

On-board Processor is even effective in disaster because ground switchboard is unnecessary. On-board Processor could be a back-up system providing post disaster connectivity

Antenna CoverageHand-held Terminal: Size equivalent to a portable telephone

Portable Terminal: Size equivalent to the terminal of N-STAR (Notebook computer size)

Mobile Station : Use high-gain antenna such as parabolic (1 m)

High Accuracy Clock System Service Area

How to utilize ETS-VIII There are 2 communication styles for using ETS-VIII in the through-repeater mode: 1. Inter-beam communication 2. Inside-beam communication Bandwidth of through-repeater: Japan: 2.5 MHz Out of Japan: 3.5 MHz

Sample of Experiments

Interferensi & Gangguan Dalam Sistem Telekomunikasi Satelit

Sumber-sumber gangguan (interferensi) dalam sistem telekomunikasi satelitdapat dikategorikan dalam beberapa jenis, yaitu:

1. Interferensi antar jaringan satelit

2. Interferensi Cross Polarisasi

3. Interferensi Intermodulasi antar Carrier

4. Interferensi Co-Channel

5. Interferensi Jaringan Terestrial

6. Interferensi Re-Transmit

Interferensi Cross-Polarisasi Sistem komunikasi satelit yang telah dirancang menggunakan bandwidth tertentu

akan mempunyai keterbatasan dalam menggunakan bandwidth sehingga penggunaan bandwidth harus semaksimal mungkin karena frekuensi merupakan sumberdaya alam yang tidak dapat diperbaharui.

Teknologi re-use dalam sistem komunikasi satelit akan memunculkan masalah baru yaitu isolasi cross-polarisasi.

Untuk mengatasi gangguan (interferensi) cross polarisasi maka antena stasiun bumi sebelum mengakses ke satelit harus dilakukan test cross polarisasi dengan referensi stasiun bumi standar yang telah ditetapkan oleh operator satelit.

Beberapa solusi yang dapat diusulkan untuk mengatasi gangguan cross polarisasi adalah: Instalasi harus kokoh sehingga tahan terhadap gerakan akibat angin. Jauhkan instalasi antenna dari jangkauan tempat umum sehingga antena tidak

terganggu oleh orang yang tidak bertanggungjawab. Untuk antena yang dipasang di anjungan minyak lepas pantai maka harus

dilakukan perawatan secara rutin, sehingga gangguan dapat diminimalkan. Untuk antena yang dipasang di kapal dan bergerak maka antena digunakan

untuk memancarkan carrier yang mempunyai frekuensi tepat di guard band dari transponder di arah sebaliknya

Bandwidth transponder

Guard band

Bandwidth transponder

Guard band

Gb. 1. Alokasi transponder tanpa teknologi re-use

Gb. 2. Alokasi transponder dengan teknologi re-use

Interferensi dari Jaringan Terestrial

Terestrial Network

Terestrial Interferensi

Operating Satellite Frekuensi kerja dari kedua sistem sama

Interferensi Antar Channel (Interferensi Co-Channel)

Gangguan yang disebabkan oleh gangguan antar carrier satu dengan carrier disebelahnya. Gangguan antar channel ini lebih disebabkan oleh jarak antar carrier yang tidak cukup bandwidth atau tidak adanya guardband antara carrier satu dengan carrier disebelahnya disebabkan dalam pengaturan alokasi frekuensi di transponder atau dengan kata lain bandwidth carrier satu akan menggunakan bandwidth carrier lainnya.

Contoh, kita mempunyai dua buah carrier dengan alokasi bandwidth dari masing-masing adalah120 KHz dan 180 KHz, jika alokasi center frekuensi dari carrier pertama di frekuensi 3720 MHz,supaya tidak terjadi gangguan antar channel maka alokasi center frekuensi dari carrier keduaadalah di (3720+(120/2)+(180/2))MHz=3620.150 MHz, namun bila alokasi center frekuensicarrier kedua diletakkan pada 3720.140 MHz maka akan terjadi gangguan antar channel sebesar10 KHz dari kedua carrier tersebut.

Interferensi Akibat Intermodulasi Antar Carrier

Tidak semua gangguan turunnya kualitas link disebabkan oleh faktor eksternal seperti interferensi dari satelit lain dan interferensi jaringan terestrial, namun juga dari faktor internal sistem sendiri.

2. Radio Wave Propagation

Lecture Note: Satellite Communication

Radio Wave Propagation

Pendahuluan Sinyal yang menjalar diantara stasiun bumi

dengan satelit haruslah melewati atmosphere bumi, termasuk ionosphere.

90

400

600Freespace

Ionosphere

Troposphere Earth’s spaceIce layer rain

Gbr 2.1 Lapisan-lapisan di atmosphere bumi

Propagation impairment Physical cause Prime importance

1. Attenuation and sky Atmospheric gases, Frequencies above about noise increase cloud, rain 10 GHz2. Signal depolarization Rain, ice crystals Dual-polarization systems at C & Ku-bands3. Refraction, atmospheric Atmospheric gases Communication and tracking multipath at low elevation angels4. Signal scintillation Tropospheric and Tropospheric at freq. above ionospheric refractivity 10 GHz and low elevation fluctuations angels; ionospheric at freq. below 10 GHz5. Reflection multipath, Earth’s surface, Mobile satellite services blockage objects on surface6. Propagation delays, Tropospheric, ionospheric Precise timing and location variations systems; TDMA systems7. Intersystem interference Ducting, scatter, Mainly C band; rain scatter diffraction may be significant at higher frequencies

Table 2.1 Propagation Concerns for satellite communication

Atmospheric Losses

Kerugian atau kehilangan di atmosphere bumi adalah sebagai hasil dari penyerapan energi oleh gas-gas di atmosphere.

Rugi oleh cuaca (weather related losses) merujuk kepada atmospheric attenuation dan rugi penyerapan (absorption losses) sebagai atmospheric absorption.

Rugi penyerapan atmosphere berubah dengan frekuensi, Dua puncak penyerapan, pertama berdasarkan hasil data statistik adalah pada frekuensi 22.3 GHz dari hasil penyerapan resonansi pada air (water vapor - H2O); dan kedua adalah pada frekuensi 60 GHz, dihasilkan oleh penyerapan resonansi pada oksigen (O2). Hasil diatas untuk insiden vertikal.

Dengan menuliskan nilai rugi penyerapan sebagai decibels, dan sudut elevasi turun ke , formula untuk rugi penyerapan diberikan oleh

dimana adalah sudut elevasi. Efek yang dikenal sebagai atmospheric scintillation bisa juga terjadi.

90[AA]

o10

(2.1) cosec90

[AA][AA]

Ionospheric Effects

Gelombang radio yang menjalar antara stasiun bumi dan satelit haruslah melewati ionosphere. Ionosphere adalah bagian atas dari atmosphere bumi, yang mana telah mengalami ionisasi, utamanya dari radiasi solar.

Awan yang mengandung elektron-elektron (dikenal sebagai traveling ionospheric disturbances) dapat menjalar melalui ionosphere dan membangkitkan fluktuasi pada sinyal yang hanya dapat ditentukan oleh basis statistik. Efek-efeknya termasuk scintillation, absorption, variation in the direction of arrival, propagation delay, dispersion, frequency change, and polarization rotation.

Efek-efek ini berkurang seiring dengan meningkatnya frekuensi.

Rain Attenuation

Redaman hujan adalah merupakan fungsi rain rate (rain intensity)

The Link Power Budget Equation

Rugi-rugi untuk kondisi cuaca cerah diberikan oleh persamaan berikut:

(1.16) [PL][AA][AML][RFL][FSL][LOSSES]

Persamaan daya yang diterima dalam decibel menjadi:

(1.17) LOSSES][][EIRP][][ RR GP

dB loss,mismatch on polarizati [PL]dB ,absorption catmospheri [AA]

dB loss,nt misalignme antenna [AML]dB loss,Feeder Receiver [RFL]

dBW power, radiated isotropic equivalent [EIRP]

dBW power, received ][

dB Loss, Space Free [FSL]

RP

A satellite link operating at 14 GHz has receiver feeder losses of 1.5 dBand a free-space loss of 210 dB. The atmospheric absorption loss is 0.5 dBand the antenna pointing loss is 0.5 dB. Depolarization losses may be neglected. Calculate the total link loss for clear-sky conditions.

Thermal Noise

Thermal noise adalah noise yang terjadi pada semua media transmisi dan dalam semual peralatan komunikasi yang timbul dari pergerakan elektron secara acak.

Thermal noise adalah proporsional terhadap bandwidth dan temperature.

bandwidth of dBm/Hz 174-

bandwidth of dBW/Hz 204-

bandwidth of W/Hz)10(00.4

,290atau 17T ruang,r temperatuPada

noise thermalof K)( re temperatuabsolute T

J/K )1.3803(10 Boltzman konstanta k :dimana

(W/Hz)

21

23-

n

n

P

KC

kTP

Untuk sistem dengan bandwidth specific (sistem terbatas bandwidth)

(W) kTBPn

B merefer disini kepada apa yang dinamakan noise bandwidth (Hz). Pada K0

BTP

P

n

n

10log10logdBW6.228

specific,bandwidth dengan sistemUntuk

bandwidth of dBW/Hz 6.228

Signal to Noise Ratio

Signal to Noise Ratio diekspresikan dalam decibels

Signal 1000 Hz mempunyai SNR 10 dB. Level noise adalah 5 dBm dan signal, 15 dBm.

noise(dBm))signal(dBmdB levellevel/ NS

System Noise

(1.18) NNN BkTP

NT

NB

Sumber utama noise listrik pada peralatan adalah yang muncul dari gerakanelektron-elektron secara acak pada berbagai peralatan resistive dan activepada penerima. Thermal noise juga dibangkitkan dari komponen-komponenantenna yang mengalami lossy.

Daya noise (noise power) dari sumber noise thermal diberikan oleh:

adalah equivalent noise temperature

adalah equivlent noise bandwidth

k adalah Boltzmann’s constant, J/K1038.1 23

Karakteristik utama noise thermal adalah bahwa ia memiliki flat spektrumfrekuensi; yang berarti bahwa, Daya noise (noise power) per unit bandwidthadalah sebuah konstan.Noise power per unit bandwidth disebut kepadatan spectral daya noise atauthe noise power spectral density dan dinotasikan sebagai . Dan dari (1.18),0N

(1.19) joules 0 NN

N kTBP

N

Temperatur noise berhubungan secara langsung dengan temperatur fisikDari sumber noise, tetapi tidak selalu sama dengannya.

Example:An antenna has noise temperature of 35 K, and is matched into a receiverwhich has a noise temperature of 100 K. Calculate (a) the noise powerDensity and (b) the noise power for a bandwidth of 36 MHz.

Solution:

pW 0.067 10 36 1.86 (b)

J 10 1.86 10 1.38 100) 35( a)(6

21-23-0

NP

N

Noise AntenaNoise antena bisa secara luas diklasifikasikan ke dalam dua grup: noise yangberasal dari rugi-rugi antena (antenna losses) dan sky noise.Sky noise adalah term yang digunakan untuk menggambarkan radiasigelombang mikro yang terdapat pada alam semesta.

Amplifier Noise Temperature

antT

in0,N

out0,N

AmplifierPower gain G

antT

0,1N

0,2N

Amplifier 1 G1 Te1

Amplifier 2 G2 Te2

out0,N

(a)

(b)

Dari pers (1.19), input noise energy dari antenna:

(1.20) antant,0 kTN Output noise energy adalah: ditambah kontribusi yang dihasilkan oleh amplifier. Semua noise Amplifier, yang terjadi pada amplifier merujuk kepada equivalent input temperatur noise (equivalent input noiseTemperature, . Output noise menjadi

ant,0out,0 GNN

eT

eT

(1.21) )( antout,0 eTTGkN

(1.22) )( antout,0

in,0 eTTkG

NN

Total noise pada input:

bisa didapat dari pengukuran, tipikal nilainya berada pada range 35 hingga 100 K.eT

Amplifiers in Cascade

Koneksi cascade diperlihatkan pada gambar (b). Keseluruhan gain nya adalah:

(1.23) 21GGG

Noise energi amplifier 2 merujuk pada inputnya adalah . Noise input amplifier 2 dari stage sebelumnya adalah , dan selanjutnya total noise energy merujuk pada input amplifier 2 adalah:

2ekT)( 1ant1 eTTkG

(1.24) )( 21ant12,0 ee kTTTkGN Noise energy ini bisa dihubungkan dengan noise energy pada input amplifier 1 dengan membaginya dengan powergain amplifier 1,

(1.25) )(1

21ant

1

2,01,0 G

TTTk

G

NN e

e

Sistem noise temperature sekarang boleh didefinisikan sebagai dengan sT

(1.26) 1,0 skTN

Disini dapat terlihat bahwa diberikan olehsT

(1.27) 1

21ant G

TTTT e

es

Dari hasil ini dapat dikembangkan untuk beberapa stages dalam cascade,

(1.28) 21

3

1

21ant GG

T

G

TTTT ee

es

Noise Factor

Output noise dari amplifier adalah:

(1.29) 0out,0 FGkTN

G adalah power gain amplifier, F adalah noise factor. Selanjutnya dapat ditulis hubungan:

(1.30) )( 00 FGkTTTGk e

(1.31) )1( 0TFTe

Noise Figure adalah merupakan noise factor F yang diekspresikan dalam decibels:

(1.32) log10][ Figure Noise FF

Example:An LNA is connected to a receiver which has a noise figure of 12 dB. The gainof the LNA is 40 dB and its noise temperature is 120 K. Calculate the overallnoise temperature referred to the LNA input.

Solution:12 dB is a power ratio of 15.85:1, and therefore

K 4306290)185.15(2 eT

A gain of 40 dB is a power ratio of 10000:1, and therefore

K 43.12010000

4306120in T

Noise Temperature of Absorptive Networks

Jaringan absorptive adalah salah satu yang mengandung elemen-elemen resistive.Disini akan diperkenalkan rugi-rugi oleh penyerapan energi dari sinyal danmengkonversikannya menjadi panas. Peredam-peredam resistive, transmission lines, danwaveguides adalah merupakan contoh jaringan-jaringan absorptive dan juga termasukhujan, yang mana menyerap energi dari sinyal-sinyal radio yang melewatinya, dapatdianggap sebagai bentuk jaringan absorptive. Oleh karena jaringan absorptive mengandung resistance, ia membangkitkan thermal noise.

Anggap sebuah jaringan absorptive memiliki power loss L dan terhubung dengan sumber input. katakanlah sumbernya pada temperature Tx maka noise energinya adalah kTx. Jaringan “power gain”adalah 1/L dan oleh karenanya kontribusi sumber terhadap output noisenya adalah kTx/L. Selanjutnyakatakanlah TNW,0 merepresentasikan noise temperature jaringan, merujuk ke output, jadi kontribusijaringan terhadap output noisenya adalah kTNW,0. Total output noise selanjutnya adalah

(1.33) 0,NWout,0 kTL

kTN x

Mari menginisialkan jaringan pada temperatur yang sama Tx sebagai sumber. Sebab jaringanterhubung dengan sumber, energy noise pada output diberikan oleh kTx, selanjutnya:

NW,0kTL

kTkT x

x atau (1.34) 1

1NW,0

LTT x

Noise temperature dari lossy network merujuk pada inputnya,

(1.35) )1(NW,0iNW, LTLTT x

Jika lossy network harus terjadi pada kondisi temperatur ruangan, yaitu Tx=To, maka perbandinganpersamaan (1.31) dan (1.35) menunjukkan bahwa

(1.36) LF

Ini menunjukkan bahwa pada temperatur ruangan, noise factor pada lossy network sama denganPower loss nya.

Overall System Noise Temperature

LNAG1Te1

cable

Loss L:1

ReceiverNoise factor

FTant

(a)

Tant

cableInput

Loss L:1

LNAG1Te1

ReceiverNoise factor

F

(b)

Gambar Koneksi-koneksi yang digunakan untuk menggambarkan Overall noise temperature system.

Figure (a) diatas memperlihatkan tipikal sistem penerima. Sistem noise temperature pada input,

(1.37) )1()1(

1

0

1

01ant G

TFL

G

TLTTT eS

Example:For the system shown in Figure (a) above, the receiver noise figure is 12 dB, the cable loss is 5 dB,The LNA gain is 50 dB, and its noise temperature 100 K. The antenna noise temperature is 35 K.Calculate the noise temperature referred to the input.

Solution:For the main receiver,

K 13510

290)185.15(16.3

10

290)116.3(10035

Hence .10 LNA, For the .16.310 cable, For the .85.1510

55

55.02.1

ST

GLF

Example:Repeat the calculation when the system of Fig. (a) is arranged as shown in Fig. (b).

Solution:In this case the cable precedes the LNA and therefore the equivalent noise temperature referredto the cable input is

K 54.97710

290)185.15(16.310016.3290)116.3(35

5

ST

Carrier to Noise Ratio

Pengukuran performansi dari suatu link satelit adalah CNR pada input penerima, dan perhitungan link budget sering berhubungan dengan penentuan ratio ini. Secara konvensional ratio ini sering dinotasikan oleh C/N (CNR) yang mana equivalent dengan NR PP /

Dalam bentuk decibels,

(1.38) NR PPN

C

Persamaan-persamaan (1.17) dan (1.18) bisa digunakan untuk dan , menghasilkan:RP NP

(1.39) LOSSESEIRP NSR BTkGN

C

Ratio G/T adalah merupakan parameter kunci dalam menentukan performansi sistempenerima. Gain antena dan sistem noise temperatur bisa dikombinasikan dalam persamaan (1.39) sebagai

RG ST

(1.40) dBK / -1SR TGTG

Selanjutnya persamaan linknya, pers. (1.39) menjadi

(1.41) LOSSESEIRP NBkT

G

N

C

Rasio carrier power terhadap noise power density boleh jadi merupakankuantitas yang secara aktual dibutuhkan. Dari maka kemudian

0N

PR

NNNN BNBkTP 0

NN

BN

C

BN

C

N

C

00

Dan kemudian

(1.42) 0

NBN

C

N

C

[C/N] adalah rasio power yang sebenrnya dalam unit decibels, dan BN dalamdecibels relatif terhadap satu hertz, atau dBHz. [C/N0] dalam dBHz.Substitusi pers (1.41) kedalam pers (1.42) menghasilkan:

(1.43) dBHz LOSSESEIRP0

kT

G

N

C

ExampleIn a link budget calculation at 12 GHz, the free-space loss is 206 dB, theantenna pointing loss is 1 dB, and the atmospheric absorption is 2 dB. The receiver G/T ratio is 19.5 dB/K and receiver feeder losses are 1 dB. The EIRPis 48 dBW. Calculate the carrier-to-noise spectral density ratio.

SolutionThe data are best presented in tabular form, and in fact lend themselves readily to spreadsheet-typecomputations. For brevity the units are shown as decilogs and losses are entered as negative numbersto take account of the minus sign in eq. ( 1.43). Recall that Boltzmann’s constant equates to -228.6 decilogs., so that –[k]=228.6 decilogs as shown in the table. Entering data in this way allows the finalresult to be entered in a table cell as the sum of the terms in the rows above the cell, a featureusually incorporated in spreadsheets and word processors. This is illustrated in the following table.

Quantity DecilogsFree-space loss -206.00Atmospheric absorption loss -2.00Antenna pointing loss -1.00Receiver feeder losses -1.00Polarization mismatch loss 0.00Receiver G/T ratio 19.50EIRP 48.00-[k] 228.60[C/No],Eq.(1.43) 86.10

The final result, 86.10 dBHz, is the algebraic sum of the quantities as given in eq. (1.43).

The Uplink

Uplink memiliki pengertian dimana disatu sisi stasiun bumi memancarkan signal dan disisi lain satelitmenerima signal dari stasiun bumi tersebut. Pers (1.43) bisa diaplikasikan untuk uplink denganmemberikan subscript U untukmenyatakan pengertian uplink. Persamaan (1.43) menjadi:

(1.44) dBHz LOSSESEIRP UU

U

U0

kT

G

N

C

Pada pers (1.44), nilai-nilai yang digunakan adalah EIRP stasiun bumi, satellite receiver feeder losses,dan satellite receiver G/T. Free-space loss dan losses lain yang bergantung frekuensi, dihitung untukfrekuensi uplink.

Saturation Flux Density

Flux density yang dibutuhkan pada antena penerima untuk menghasilkan saturasidari TWTA (traveling wave tube amplifier) disebut saturation flux density.Saturation flux density adalah sebuah kuantitas yang penting dalam perhitunganlink budget, dan dengan mengetahuinya, kita dapat menghitung EIRP yangdibutuhkan pada stasiun bumi. Untuk memperlihatkan ini, kita lihat lagi persberikut:

2r4

EIRP

M

Dalam decibels,

(1.45) 4

1log10EIRP

2rM

Untuk Free-space loss,

(1.46) 4

1log10

4log10FSL

2

2

r

(1.47) 4

log10FSLEIRP2

M

4/2 menunjukkan dimensi area, yang pada kenyataannya adalah merupakaneffective area dari antena isotropik. Dengan menotasikannya dengan Ao

memberikan:

(1.48) 4

log102

0

A

(1.49) )log2045.21(0 fA

(1.50) FSLEIRP 0 AM

(1.51) AMLPLAAFSLEIRP 0 AM

(1.52) RFL-LOSSESEIRP 0 AM

Persamaan diatas untuk kondisi clear-sky. Dengan nilai-nilai saturasi yangdinotasikan dengan subscript S, Eq. (1.52) dapat ditulis ulang:

(1.53) RFL-LOSSESEIRP 0 USUS A

ExampleAn uplink operates at 14 GHz, and the flux density required to saturate thetransponder is -120 dB(W/m2). The free space loss is 207 dB, and the otherpropagation losses amount to 2 dB. Calculate the earth-station [EIRP] requiredfor saturation, assuming clear sky conditions. Assume [RFL] is negligible.

SolutionAt 14 GHz,

dBW 63.4420937.44120EIRP

(1.53), Eq. from Hence, dB. 209 2207 amount topath n propagatio in the losses The

dB -44.37log14)2045.21(0

US

A

Input back-off

(1.54) BOEIRPEIRP iUSU

Carrier to Noise Density diberikan oleh,

(1.55) RFLBO00

k

T

GA

N

C

UiS

U

ExampleAn uplink at 14 GHz requires a saturation flux density of -91.4 dBW/m2 andan input back-off of 11 dB. The satellite G/T is -6.7 dBK-1 and receiver feederlosses amount to 0.6 dB. Calculate the carrier-to-noise density ratio.

dBHz. 74.5 asreceiver satellite at the ratiodensity noise-to-carrier thegives totalThe

74.5 Total

0.6- lossfeeder Receiver

228.6 -

6.7- / saturation Satellite

11.0- off-backInput

44.4- GHz 14at

91.4- density flux Saturation

Decilogs Quantity

Solution

0

k

TG

A

The Earth Station HPA

High Power Amplifier dari stasiun bumi mensupplai power, ditambah dengantransmit feeder losses yang dinotasikan dengan TFL, atau [TFL] dalam dB.Disini termasuk waveguide, filter, dan rugi-rugi coupler antara output HPA danantena pancar. Output power HPA diberikan oleh:

(1.56) TFLEIRPHPA TGP

Saturasi output power HPA diberikan oleh:

(1.57) BO HPAHPAsatHPA, PP

Homework1. Two amplifier are connected in cascade, each having a gain of 10 dB

and noise temperature of 200 K. Calculate (a) the overall gain and (b) the effective noise temperature reffered to input.

2. An amplifier having a noise temperature of 200 K has a 4 dB attenuator

connected at its input. Calculate the effective noise temperature reffered

to the attenuator input.3. A receiving system consists of an antenna having a noise

temperature of 60 K, feeding directly into a low noise amplifier (LNA). The amplifier

has a noise temperature of 120 K and a gain of 45 dB. The coaxial feeder between the LNA and the main receiver has a loss of 2 DB, and the

main receiver has a noise figure of 9 dB. Calculate the system noise

temperature reffered to input.4. An antenna having a noise temperature of 35 K is connected through

a feeder having 0.5 dB loss to an LNA. The LNA has a noise temperature of 90 K. Calculate the system noise temperature reffered to (a) the feeder input and (b) the LNA input.

Downlink

Downlink memiliki pengertian dimana disatu sisi satelit memancarkan signal dan di sisi lain stasiun bumi menerima sinyal yang dipancarkan tersebut. Persamaan (1.43) bisa diaplikasikan untuk downlink, tetapi subscript D akan digunakan untuk menyatakan downlink. Persamaan (1.43) menjadi

(1.58) dBHz LOSSESEIRP DD

D

D0

kT

G

N

C

Nilai-nilai yang digunakan pada persamaan di atas adalah EIRP satelit, RFL stasiun bumi,dan penerima G/T stasiun bumi. Free-space dan rugi-rugi lain dihitung untuk frekuensidownlink. Hasil carrier to noise density ratio dari pers (1.58) adalah yang muncul padaDetektor penerima stasiun bumi. Selanjutnya dengan mengasumsikan signal bandwidth Bsama dengan noise bandwidth BN:

(1.59) LOSSESEIRP DD

DD

BkT

G

N

C

ExampleA satellite TV signal occupies the full transponder bandwidth of 36 MHz, andit must provide a C/N ratio at the destination earth station of 22 dB. Giventhat the total transmission losses are 200 dB and the destination earthstation G/T ratio is 31 dB/K, calculate the satellite EIRP required.

kW. 6.3ly equivalentor dBW 38 is EIRP required The

38 EIRP

75.6

228.6-

200 LOSSES

31- /-

22 /

Decilogs Quality

obtain wedB, 200 toequaly numericall are losses that and

dB -228.6 that mindin keeping and form, in tabular up thissetting

LOSSESEIRP

(1.59), Eq. From

Solution

DDD

D

B

k

TG

NC

k

BkT

G

N

C

Output Back-off

Jika EIRP satelit untuk kondisi saturasi dilambangkan sebagai [EIRPS]D, maka[EIRP]D=[EIRPS]D-[BO]o dan Eq. (1.58) menjadi

(1.60) LOSSESBOEIRP DD

DS

D0

kT

G

N

Co

Input dBm

Outp

ut

dB

m

5 dB

[BO]O

[BO]i

saturation point

single carriermultiple carrier

Back-off operating point

Figure: Input and Output Back-off relationship for the satellite TWTA, [BO]i=[BO]o+5dB.

ExampleThe specified parameters for a downlink are satellite saturation value of EIRP,25 dBW; output back-off, 6 dB; free-space loss, 196 dB; allowance for otherdownlink losses, 1.5 dB; and earth station G/T, 41 dB/K. Calculate the carrierto noise density ratio at the earth station.

(1.60) Eq. from calculated as

dBHz,in station earth at the ratiodensity noise carrier to thegives totalThe

91.1 Total

228.6 [k]-

41.0 [G/T]station Earth

6.0- off-backOutput

1.5- lossesOther

196.0- loss space-Free

25.0 [EIRP] saturation Satellite

Decilogs Quantity

values. tabulated the toattached (1.60) Eq.in signs minus with the

form in tabularout set best is work thenscalculatiobudget uplink with theAs

Solution

Satellite TWTA Output

Output power TWTA diberikan oleh

(1.61) TFLEIRPTWTA DDTD GP

Bila [PTWTA] diketahui, saturasi output power diberikan oleh

(1.62) BOTWTATWTA oS PP

ExampleA satellite is operated at an EIRP of 56 dBW with an output back-off of 6 dB.The transmitter feeder losses amount to 2 dB, and the antenna gain is 50 dB.Calculate the power output of the TWTA, assuming it may be required to provide the full saturated EIRP.

W)25(or dBW 1468

gives (1.62)Equation

dBW 8

250-56

TFLEIRP

gives (1.61) Eq.

Solution

TWTA

TWTA

S

DDTD

P

GP

Downlink Rain-Fade Margin

Effective noise temperature dari hujan diberikan oleh

(1.63) 1

1RAIN

ATT a

Ta : apparent absorber temperature, A: rain attenuation

Total sky-noise temperature adalah temperature clear-sky ditambahtemperature hujan.Hujan selanjutnya menurunkan [C/No] yang diterima dalam 2 cara:1. Dengan meredam gelombang carrier2. Meningkatkan temperature sky-noise

Downlink C/N power ratio berhubungan dengan nilai clear-sky oleh

(1.64) )1(CSS,CSRAIN

T

TAA

C

N

C

N a

CS: subscript kondisi clear-sky dan TS,CS: system noise temperature dalam kondisi clear-sky

ExampleUnder clear-sky conditions the downlink [C/N] is 20 dB, the effective noisetemperature of the receiving system being 400 K. If rain attenuation exceeds1.9 dB for 0.1% of the time, calculate the value below which [C/N] falls for0.1% of the time. Assume Ta = 280 K.

Solution1.9 dB attenuation is equivalent to a 1.55:1 power loss. The equivalent noisetemperature of the rain is therefore TRAIN = 280(1 - 1/1.55) = 99.2 KThe new system noise temperature is 400 + 99.2 = 499.2 K. The decibel increase in noise power is therefore [499.2] – [400] = 0.96 dB. At the sametime, the carrier is reduced by 1.9 dB and therefore the [C/N] with 1.9 dBrain attenuation drops to 20 – 1.9 – 0.96 = 17.14 dB. This is the value belowwhich [C/N] drops for 0.1% of the time.

Combined Uplink and Downlink C/N Ratio

Kombinasi noise spectral density to carrier ratio (N/C) diberikan oleh

(1.65) 000

DU C

N

C

N

C

N

ExampleFor a satellite circuit the individual link carrier to noise spectral density ratiosare: uplink 100 dBHz; downlink 87 dBHz. Calculate the combined C/N0 ratio.

dBHz 79.8610log2.09510

Therefore

10095.21010

Solution

9-

0

97.8100

N

C

C

N

ExampleA multiple carrier satellite circuit operates in the 6/4 GHz band with the following characteristics. Uplink: saturation flux density -67.5 dBW/m2;input back-off 11 dB; satellite G/T -11.6 dB/K. Downlink: satellite saturationEIRP 26.6 dBW; output back-off 6 dB; free-space loss 196.7 dB; earth station G/T 40.7 dB/K. For this example, the other losses may be ignored.Calculate the carrier to noise density ratios for both links and the combinedvalue.

Solution

dBHz 6.921049.5log10

1049.51010

:/ combined theprovides (1.65) Eq. ofn Applicatio

93.2 (1.60) Eq. from / 101.5 (1.55) Eq. from /

228.6 228.6

40.7 G/Tstation Earth 11.6- G/T saturation Satellite

196.7- loss space-Free 11- off-backInput

6- off-backOutput 37- GHz 6at

26.6 [EIRP] Satellite 67.5- density flux Saturation

valuesDecilog Downlink valuesDecilog Uplink

10

0

1032.915.100

0

00

0

N

C

C

N

NC

NCNC

kk

A

Intermodulation Noise

Intermodulation terjadi dimana sejumlah carrier melewati rangkaian dengan karkteristik ygnon linier. Dalam sistem komunikasi satelit, biasanya terjadi pada TWTA pada satelit.Amplitudo dan fasa yang non linier dapat menyebabkan intermodulasi.

Eq. (1.65) selanjutnya dapat dituliskan:

(1.66) IM

0000

C

N

C

N

C

N

C

N

DU

(1.67) IM

C

N

C

N

C

N

C

N

DU

ExampleFor a satellite circuit the carrier to noise ratios are: UL 23 dB, DL 20 dB,intermodulation 24 dB. Calculate the overall CNR in decibels.

dB 17.2log0.001910

Therefore

0019.0101010

(1.66), Eq. From

Solution

23.24.2

N

C

C

N

Satellite Access

Ada 3 metode multiple access yang sering digunakan: frequency-division multiple access (FDMA) time-division multiple access (TDMA) code-division multiple access (CDMA)

FDMA Masing-masing stasiun dalam kelompok tertentu mengirim frekuensi tertentu (uplink) yang sudah dipilih serta seri-seri yang unik. Pemancar memadukan (multiplex) frekuensi ini dan mengirimkannya ke satelit beserta transpondernya sebagai pesan campuran (composite inteligence), lalu menerjemahkan ke frekuensi tersebut dan menyiarkan kembali (rebroadcast) ke stasiun penerima di bumi dalam frekuensi yang lain.

TDMA TDMA adalah metode transmisi uplink satelit yang agak berbeda dengan FDMA karena modulasi pada berbagai pembawa sampai ke satelit dari pemancar dalam bentuk burst. Berlawanan dengan FDMA, pada suatu saat hanya satu paket informasi yang mencapai satelit, konsekuensinya tidak terdapat pembagian daya ataupun intermodulasi, baik pada pengiriman maupun pada stasiun penerima. Dengan demikian transponder dapat diope- rasikan pada daya keluaran penuh tanpa distorsi. Sehingga kapasitasnya menjadi lebih besar dibandingkan keluaran satelit dengan FDMA.

CDMA Dalam CDMA, semua stasiun memancar pada frekuensi dan waktu yang bersamaan. Keistimewaannya, is dirancang sedemikian rupa dimana masing-masing transmisi memiliki kode-kode uniknya sendiri. Misalnya is bisa berupa kode pseudo-noise, yg tidak dapat diuraikan (decode) oleh penerima yang tidak memiliki perlengkapan yang cukup untuk mendeteksi dan memproduksi pesan-pesan asli.

ExampleA satellite transponder has a bandwidth of 36 MHz and a saturation EIRP of27 dBW. The earth station receiver has a G/T ratio of 30 dB/K, the totallink losses are 196 dB

12

:be woulddaccomodate be could which carriers ofnumber therequired,not wasoff-back If

3 ,10

14/

6.228//

30/

:/station Ground

196LOSSES

:losses Total

6

:off-backOutput

27EIRP

:EIRP Saturation

Hzlog10 MHz, 3

:bandwidthCarrier

Hzlog10 MHz, 36

:bandwidthr Transponde

10

0

0

TRTRTR

B

B

KK

BBK

BO

NC

BLOSSESTGEIRPNC

TG

TG

BO

BBB

BBB

TR

K

TR

D

TRSD

FDMA Downlink Analysis

Toshiba Satellite 2400 System Unit

Model No. PS240L-04UP5