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Comunicações Terrestres e Via Satélite

INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ELECTRÓNICA E TELECOMUNICAÇÕES E DE COMPUTADORES

Comunicações Terrestres e Via Satél ite

Ficha nº 2

Autores: Manuel Brito dos Santos 31297

Arnaldo Monteiro 25773

Jaquelino Barbosa 32572

Engenheiro: António Serrador

ISEL, Julho de 2010


Comunicações Terrestres e Via Satélite Página 2

Índice

Índice de Siglas ............................................................................................................................. 3

Índice de Figuras ........................................................................................................................... 4

Introdução ..................................................................................................................................... 5

1.Análise Teórica .......................................................................................................................... 6

1.1.Escolha do satélite ............................................................................................................... 6

1.2.Escolha dos canais de comunicação .................................................................................... 9

1.2.1.Ligação Ascendente ......................................................................................... 9

1.2.2.Ligação descendente ........................................................................................ 9

1.3.Equipamentos utilizados na estação terrena ...................................................................... 11

1.3.1.Equipamento de fala ....................................................................................... 11

1.3.2.Modem ........................................................................................................... 12

1.3.3.Antena ............................................................................................................ 14

1.3.4.Filtro OMT ..................................................................................................... 15

1.3.4.Transceiver ..................................................................................................... 15

2.Link Budget .............................................................................................................................. 16

2.1.Ligação Ascendente .......................................................................................................... 17

2.2.Ligação descendente ......................................................................................................... 19

3.Conclusão ................................................................................................................................. 23

4.Bibliográfia .............................................................................................................................. 24



Índice de Siglas

GEO – Geoestacinário

C/N – Relação portadora/ ruído

C/N0 – Relação portadora/ densidade espectral de ruído

ET – Estação terrena

VSAT – Very Small ApertureTerminal

FSS – Fixed Satellite Service

ETSI – European Telecommunication Standards Institute



Índice de Figuras

Figura 1 – Área de cobertura do Atlantic Bird 2. ............................................................. 6

Figura 2 – Cobertura do Atlantic Bird 2 com visualização de potências. ........................ 7

Figura 3 – Principais características do satélite Atlantic Bird 2. ...................................... 7

Figura 4 – Cobertura na Europa a nível de ERB (máxima potência radiada) pelo satélite

Atlantic Bird 2. ................................................................................................................. 8

Figura 5 – Diagrama da figura de mérito 1

K

T

G para a Europa. .................................. 8

Figura 6 – Gama de frequências para Uplink. .................................................................. 9

Figura 7 – Gama de frequências para downlink. ............................................................ 10

Figura 8 – Canais disponibilizados pelo Atlantic Bird 2 para uplink/downlink. ............ 10

Figura 9 – Conector RJ-11. ............................................................................................ 11

Figura 10 – Interface RJ-11. ........................................................................................... 11

Figura 11 – Telefone....................................................................................................... 11

Figura 12 – Características do modem SkyStar Advantage. ........................................... 13

Figura 13 – Figura ilustrativa de uma ligação em estrela. .............................................. 13

Figura 14 - Descrição da antena utilizada. ..................................................................... 14

Figura 15 – Controlador RC3000. .................................................................................. 14

Figura 16 - Filtro OMT. .................................................................................................. 15

Figura 17 – Ilustração de um filtro OMT para banda Ku. .............................................. 15

Figura 18 - Transceiver................................................................................................... 16

Figura 19 – Esquema ilustrativo da ligação via satélite. ................................................ 17

Figura 20 – Esquema de uma ligação via satélite. .......................................................... 21

Figura 21 – Esquema da ligação via satélite a ser estabelecida...................................... 22



Introdução

Este trabalho tem como principal objectivo projectar um sistema de comunicação de voz

via satélite assumindo um satélite geostacionário, com mobilidade. Este projecto inclui

os cálculos do Link Budget, o dimensionamento da ligação, verificação da qualidade da

ligação e uma proposta de equipamentos a adquirir na estação terrena.

Para a implementação deste projecto escolhe-se o satélite adequado, que consiga dar

cobertura a Portugal, e fornecer o serviço pretendido. Depois faz-se a proposta de

equipamento á adquirir na estação terrena, de modo a que a ligação possa ser

estabelecida e finalmente faz-se os cálculos da eficiência da respectiva ligação (cálculos

da relação sinal ruído possível para esta ligação).



1.Análise Teórica

1.1.Escolha do satélite

Na escolha do satélite levou-se em conta a particularidade de nas comunicações via

satélite o acesso ser universal, com iguais condições de acesso em qualquer ponto da

cobertura do satélite, bem como as vantagens de estabelecimento de comunicações em

locais que as redes terrestres têm dificuldades em cobrir, o fácil acesso a esta tecnologia,

dado que não é necessária uma complexa instalação, necessitando somente de um

equipamento de recepção adequado, para além da grande potência e capacidade destas

comunicações, uma vez que é possível enviar a mesma informação para milhares de

utilizadores, a um custo reduzido.

A nossa escolha recaiu sobre um satélite da Eutelsat, o Atlantic Bird 2, por ser um

satélite que cobre a área de serviço de Portugal, garante uma grande qualidade de

serviço, oferece garantias de continuidade de serviço em casos de falhas devido aos

equipamentos e sobretudo a sua grande segurança nas comunicações.

O Atlantic Bird 2, encontra-se na posição 8º oeste, cobrindo uma grande parte da

Europa, Estados Unidos, Norte de África bem como América do Sul, como se vê na

Figura 1.

Figura 1 – Área de cobertura do Atlantic Bird 2.



Figura 2 – Cobertura do Atlantic Bird 2 com visualização de potências.

A Figura 2 ilustra a zona de cobertura do satélite escolhido bem como as potências

radiadas para cada zona.

Este satélite pertence à frota Atlantic Bird™, tendo sido lançado em 25/9/2001, e

disponibiliza serviços de multimédia, incluindo voz. As suas principais características

técnicas podem-se resumir no quadro seguinte:

Figura 3 – Principais características do satélite Atlantic Bird 2.

Além destas características, destaca-se ainda o facto do Atlantic Bird™ suportar

comunicação com estações terrenas do tipo Very Small Aperture Terminal (VSAT) e

operar na banda de frequência Ku (10.7-14.5 GHz).

Vejamos agora em maior pormenor o diagrama da potência radiada pelo satélite para a

Europa, Figura 4.



Figura 4 – Cobertura na Europa a nível de ERB (máxima potência radiada) pelo satélite Atlantic Bird 2.

Como se pode verificar, o satélite possui bons níveis de potência emitida, sendo que na

zona de Lisboa têm-se cerca de 46 dBW e para as Regiões Autónomas dos Açores e da

Madeira 42 dBW. Também podemos reparar no ângulo de elevação dos terminais e que

para estas zonas deve ser superior a 20º para uma boa recepção.

No que respeita à ligação ascendente, apresentamos em seguida um diagrama da figura

de mérito (G/T) do receptor do satélite., Figura 5.

Figura 5 – Diagrama da figura de mérito 1

K

T

G para a Europa.

Como se pode observar na Figura 5, tem-se para Lisboa uma relação G/T a rondar os

+2dB/K.



1.2.Escolha dos canais de comunicação

Tendo já definido o satélite a utilizar é agora necessário escolher as bandas de

frequência a serem utilizadas no estabelecimento do sistema de comunicação.

1.2.1.Ligação Ascendente

A ligação ascendente, ou na terminologia anglo-saxónica uplink, diz respeito à ligação

que é feita desde a estacão terrena até ao satélite. No Atlantic Bird™ 2, a gama de

frequências disponíveis para esta comunicação vai de 13 a 14.50 GHz, e está dividida

em vários canais com duas larguras de banda: 36, 54 e 72 MHz.

Uma vez que o serviço que pretendemos suportar sobre a ligação satélite é voz, o que

não ocupa grande largura de banda, é mais do que suficiente a utilização do canal de 36

MHz. Dentro destes podemos escolher qualquer um que tenha cobertura europeia, tendo

a nossa opção recaído sobre o canal F1, cuja frequência central é de 14 024.5 MHz e

utiliza polarização horizontal, ilustrado na Figura 6.

Figura 6 – Gama de frequências para Uplink.

1.2.2.Ligação descendente

Para a comunicação no sentido oposto é utilizada sempre uma frequência mais baixa,

isto quando falamos em ligações via satélite. O motivo deste procedimento está

relacionado com o facto de para frequência inferiores haver menor atenuação do

percurso, o que permite que o satélite não precise de emitir com tanta potência,

economizando assim os seus recursos energéticos.



Tendo em conta que já escolhemos o canal F1 para uplink, devemos usar o canal de

downlink correspondente, que se situa nos 12 524.5 MHz, e tem a mesma largura de

banda mas polarização vertical o que permite reduzir na antena a interferência entre os

dois sentidos da comunicação.

Figura 7 – Gama de frequências para downlink.

Embora tenha sido escolhido o canal F1 para o estabelecimento da comunicação, note-

se que este satélite disponibiliza vários outros canais para outras possíveis

comunicações conforme ilustrado na Figura 8.

Figura 8 – Canais disponibilizados pelo Atlantic Bird 2 para uplink/downlink.



1.3.Equipamentos utilizados na estação terrena

Neste ponto serão apresentados os equipamentos seleccionados para compor a nossa

estação terrena, ou seja o terminal que irá transportar o sinal de voz até ao satélite

através da ligação rádio.

1.3.1.Equipamento de fala

Como equipamento de fala pode-se utilizar qualquer auscultador/microfone que possua

uma interface par de cobre com conector RJ-11, Figura 9. Dada a grande variedade

destes periféricos, a sua disponibilidade e o seu baixo custo não quisemos especificar

nenhum produto em concreto, pois também trata-se de acessórios que não constituem o

nosso objecto de estudo.

Figura 9 – Conector RJ-11.

Figura 10 – Interface RJ-11.

Figura 11 – Telefone.



1.3.2.Modem

Este equipamento é responsável pela modulação e desmodulação dos sinais eléctricos

envolvidos na comunicação, bem como pelo processamento da informação.

São variados os tipos de modems que se podem encontrar no mercado, podendo

apresentar diferentes combinações de frequências de operação, débito binário,

interfaces, aplicações e tipos de modulação (predominantemente digital). O

equipamento que escolhemos para desempenhar esta função foi o Skystar Advantage®

do fabricante Gilat®, que se destina a ser usado numa arquitectura do tipo estrela, o que

é do nosso interesse, pois pode-se ter vários terminais embarcados em veículos a

comunicarem para a estação Hub que estaria situada no ponto de controlo do sistema de

comunicação implementado.

Este equipamento sustenta várias aplicações no domínio das tecnologias de informação,

aos quais costa o serviço de voz, que é assegurado através de uma placa de expansão

destinada a este fim e que possui uma interface RJ11 para ligação ao telefone.

Na Figura 12 encontra-se ilustrado algumas características importantes relativas ao

Modem Skystar Advantage®.



Figura 12 – Características do modem SkyStar Advantage.

Constata-se que este equipamento disponibiliza uma ligação com um débito máximo de

153,6 kbps o que é mais que suficiente para transmitir sinais de fala com uma qualidade

aceitável. Além disso, é suportada a banda do espectro escolhida para a comunicação

(Ku), bem como o acesso TDMA, tipicamente usado em sistemas de comunicação

digital. A variedade de interfaces permite ainda o enriquecimento da rede em

complexidade através da integração de novos periféricos.

Figura 13 – Figura ilustrativa de uma ligação em estrela.



1.3.3.Antena

Este componente tem como função captar e emitir radiação electromagnética nas bandas

de comunicação desejadas.

Tendo o nosso sistema como particularidade o facto de os terminais estarem montados

em veículos, fomos à procura de antenas parabólicas destinadas a esse tipo de

montagem e que tivessem as dimensões pretendidas, Figura 14.

Figura 14 - Descrição da antena utilizada.

As características desta antena não variam muito dos valores típicos para sistemas

VSAT. No entanto esta parabólica pode ser adquirida conjuntamente com um

equipamento extra do qual se destaca um controlador - o RC3000 – cujo aspecto se

mostra na Figura 15. O RC3000 está dotado da capacidade de calcular o ângulo de

azimute e o ângulo de elevação do satélite de modo a alinhar a antena com o satélite.

Com o auxílio de um módulo GPS, este equipamento realiza continuamente uma

monitorização e correcção do alinhamento da antena, o que se pode revelar bastante

versátil numa situação de emergência, poupando tempo e esforços.

Figura 15 – Controlador RC3000.



1.3.4.Filtro OMT

Ligado directamente ao feeder da nossa antena, encontra-se o filtro Orthomode

Transducer (OMT), que destina-se a separar os sinais de Tx e Rx para guias de onda

diferentes. O filtro seleccionado é do fabricante Norsat® e reúne as principais

características:

Figura 16 - Filtro OMT.

Figura 17 – Ilustração de um filtro OMT para banda Ku.

Como se pode observar, o filtro destina-se à banda que vamos utilizar e combina uma

baixa atenuação com uma razão de rejeição de Tx na recepção de 41,8 dB.

1.3.4.Transceiver

Seguidamente ao filtro OMT está o transceiver, que não é mais do que um elemento

que combina o bloco de transmissão e o de recepção.

A componente de recepção é constituída por um bloco de baixo ruído (LNB), que está

subdividido em amplificador de baixo ruído (LNA) misturador e filtro rejeita imagem.



O funcionamento do LNB baseia-se no princípio do receptor superheterodino,

recebendo na entrada um sinal de microondas proveniente do satélite que é amplificado

e transladado para uma frequência de RF intermédia (IF) à qual o modem está preparado

para receber.

Já no que respeita à transmissão existe o Solid State Power Block (SSPB), que está

encarregue de elevar na frequência os sinais produzidos pelo modem, injectando-lhe

potência suficiente para que cheguem ao satélite com uma relação sinal - ruído

satisfatória.

O transceiver escolhido é do fabricante TSI Technology, Inc. e apresenta as seguintes

especificações:

Figura 18 - Transceiver.

2.Link Budget

Considera-se uma ligação de voz, via satélite, e vai fazer-se uma análise à qualidade da

mesma recorrendo ao C/N0, já que o uso do C/N fica dependente da largura de banda do

sistema. Vai ainda ser verificado que valores de potência são necessários emitir na

estação terrena e que valores de potência são recebidos na recepção para ter uma

qualidade aceitável.

Tendo sido realizado a escolha dos equipamentos necessários a implementação do

sistema VSAT, tem-se então uma solução ilustrada na Figura 19.



Figura 19 – Esquema ilustrativo da ligação via satélite.

Neste momento, estamos em condições de realizar o link budget, que é um meio de

quantificar a qualidade da ligação num determinado sentido. A relação que avalia essa

qualidade é a relação C/N (relação portadora/ruído), que aparece tipicamente em

decibéis e relaciona a potência do sinal transmitido com a potência do ruído térmico,

que aparece devido a várias fontes, em que o mais relevante é o equipamento de

recepção utilizado.

A relação C/N pode ser encontrada a partir da relação portadora / densidade espectral de

ruído - C/No – se for conhecida a largura de banda do canal, pois N = LB * No.

Logicamente, a relação C/No aparece em unidades dB * Hz, e é conhecida a expressão

para o seu cálculo:

k

TL

TL

T

LLL

G

LLLL

GP

N

C

R

FRX

F

FRX

A

POLFRXR

RMÁX

AFSFTXT

TXMÁXTX

1

11

1

0

Tendo estes conceitos presentes vamos em seguida realizar o link budget para cada uma

das ligações.

2.1.Ligação Ascendente

Nesta ligação recorde-se que estamos a usar o canal F1 de uplink do Atlantic Bird™ que

corresponde à frequência central de 14 024.5 MHz e logo λ= c/f = 21,39 mm. Tendo

agora o comprimento de onda, vamos calcular a atenuação no percurso que é dada pela

seguinte expressão:



Sendo R a distância da estacão terrena ao satélite e R0 a distancia do equador ao

satélite. Como é conhecido, e tendo como referência a capital do país para efeitos de

planeamento, Lisboa localiza-se a 38º Norte e 9º Oeste. O satélite escolhido tem

longitude 8º Oeste e latitude 0º, pois trata-se de um GEO e logo vai estar na linha do

equador. Sendo assim vem:

089.1))98cos(38cos1(42.01

2

0

R

R

dBLFS 82.206089.1*02139.0

10*35779*4log10

23

Quanto à atenuação introduzida pelos gases da atmosfera não nos é possível quantificá-

la com exactidão, pois apresenta um grande dinamismo, podendo variar ao longo da

existência do canal de comunicação. Por esse motivo, achamos adequado considerar

LA=1dB, o que não está longe dos valores médios obtidos na prática.

No que respeita ao desalinhamento do feixe não podemos indicar o seu valor preciso,

não obstante o facto de a antena estar embarcada num veículo e a sua orientação não ser

sempre a mesma. Apesar de termos um controlador que efectua o alinhamento, seria

ingénuo da nossa parte admitir que este era perfeito. Assim, decidimos considerar um

desalinhamento de 0,1º, o que parece ser aceitável. Para se calcular a atenuação

induzida por este factor precisamos antes de mais, saber qual a abertura da antena a

3dB. Contudo, esta informação não nos é fornecida nas especificações do utilizador,

mas podemos calculá-la.

º2478,12,1

02139,0*70/703 DdB

A atenuação devido ao desalinhamento vem:

dBLdB

TT 077,0

º2478,1

º1,01212

22

3

Quanto à potência de emissão consideramos a máxima que a secção SSPB do

transceiver consegue fornecer e que é de PTx=50W = 17dBW.



A antena utilizada no terminal possuiu um ganho de transmissão máximo GTmax =

43,5dBi, e uma atenuação no feed de LFTX=0,1dB.

Recorde-se que para a zona de Lisboa a figura de mérito do receptor do satélite é de

2dB/K.

Reunindo agora estes dados, calculemos então a nossa relação C/N0:

kTGLLEIRPN

C

kT

LT

L

T

LLL

G

LLLL

GP

N

C

AFS

dB

R

FRX

F

FRX

A

POLFRXR

RMÁX

AFSFTXT

TXMÁXTX

log10/

1

11

1

0

0

dBWLLGPEIRP FTXTTxT 32,601,0077,05,4317max

HzdBN

C

dB

.099,83599,2282182,20632,600

Como sabemos também a largura de banda do canal (36MHz) usado na ligação

podemos por fim calcular a relação portadora/ruído.

dBLBN

C

N

CdB

dBdB

536,7)10*36log(10099,83 6

0

2.2.Ligação descendente

No que diz respeito à ligação descendente ou downlink, é usada a frequência de 12

524,5 MHz, a que corresponde a um comprimento de onda λ = 23,953 mm. Para este

valor calcule-se a atenuação do percurso, não esquecendo que a relação

2

0

R

R

permanece inalterada e igual a 1,089, pois a nossa localização de referência é a mesma.

dBLFS 84.205089.1*023953.0

10*35779*4log10

23

Para as perdas da atmosfera, consideremos novamente LA=1dB.

Em seguida é preciso calcular a figura de mérito do receptor do VSAT o que se

consegue a partir da seguinte expressão:



R

FRX

F

FRX

A

POLFRXR

RMÁX

TL

TL

T

LLL

G

TG1

1

/

Os parâmetros TA e TF dizem respeito à temperatura de ruído da antena e do feed e que

podem ser encontrados na especificações do fabricante daquele equipamento, sendo

igual a 53K para uma elevação de 30º que deverá estar próxima da que necessitamos

para orientar a antena em direcção ao satélite.

O TR identifica a temperatura de ruído do bloco que se segue ao feed (secção LNB do

transceiver) e que tem o valor típico de 80K.

O LFRX é a atenuação introduzida pelo feed na recepção que é de 0,3dB. Quanto ao

ganho máximo da antena para Rx é de 41,8dBi. As perdas devidas ao desalinhamento

do feixe admitindo novamente um desvio de 0,1º, podem ser novamente calculadas:

º39725,12,1

023953,0*70/703 DdB

dBLdB

RR 0615,0

º39725,1

º1,01212

22

3

Quanto à atenuação relacionada com problemas de polarização resolvemos desprezá-la,

pois acreditamos não vir a ter grande significado no total do cálculo, devido à sua ordem

de grandeza reduzida.

Calculemos então a figura de mérito:

KdBKTG /2,20715,104133

03,13927

800715,1

1153

0715,1

53

1*0715,1*01426,1

61,15135

/ 1

A EIRP fornecida pelo satélite é de 46dBW, como se pode verificar nos diagramas de

cobertura do Atlantic Bird™ 2, pelo que agora temos reunidas todos os dados

necessários ao calculo de C/N0.

HzdBkTGLLEIRPN

CAFS

dB

.96,876,2282,20184,20546log10/0

À semelhança do que fizemos para a ligação ascendente podemos ainda achar a relação

portadora - ruído:



dBLBN

C

N

CdB

dBdB

396,12)10*36log(1096,87 6

0

Como conclusão da realização do link budget das duas ligações, podemos observar que

a qualidade de recepção é superior em relação à de transmissão em cerca de 4dB o que é

bastante considerável (melhor 125%).

Esquematizando, temos a comunicação bidireccional descrita na Figura 20.

Figura 20 – Esquema de uma ligação via satélite.



Figura 21 – Esquema da ligação via satélite a ser estabelecida.



3.Conclusão

Na elaboração do presente trabalho levou-se em conta alguns aspectos que se

consideram importante numa ligação via satélite. Problemas que possam resultar da

interligação dos vários equipamentos, bem como de outros aspectos externos aos

sistemas terrestres que poderão influenciar em muito a ligação. Para a ligação dos vários

equipamentos teve-se em atenção que estes têm de ser compatíveis entre si,

nomeadamente na interligação de frequências, sendo também importante verificar

interferências que poderão existir entre estes.

Também em relação à disposição dos equipamentos pode-se salientar ainda a

importância do alinhamento das antenas terrestres com o satélite, visto que um pequeno

desvio poderá aumentar bastante a atenuação ao sinal. Em relação aos factores externos

verificou-se que com a variação das condições atmosféricas pode-se ter uma variação da

atenuação, provocando assim um decréscimo dos níveis de potência do sinal.

Em jeito de balanço final do trabalho podemos concluir que foram alcançados os

objectivos propostos, tendo-se conseguido dimensionar uma ligação de voz via satélite e

de uma forma geral alargar o nosso conhecimento no âmbito de equipamentos de

telecomunicações bem como a aplicação na prática de alguns dos conhecimentos

adquiridos no âmbito da disciplina de CTVS.



4.Bibliográfia

Modem Skystar Advantage:

http://www.eutelsat.com/satellites/4_5_1_1.html

Controlador da antena (Equipamento RC3000):

http://www.researchconcepts.com/rc3000.htm

Utilização de terminais VSAT:

http://www.override.pt/solucoes_primesat.htm

Filtro OMT:

http://en.wikipedia.org/wiki/Orthomode_transducer

Transceivers:

http://www.echelon.com/products/transceivers/default.htm

LNB (Low-Noise Block Converter):

http://pt.wikipedia.org/wiki/LNB

SOLID-STATE POWER block:

http://www.tpub.com/neets/book7/27.htm

Satellites Atlantic Bird:

http://www.eutelsat.com/satellites/8wab2_popd.html#

http://www.eutelsat.com/satellites/4_5_1_1.html

http://www.researchconcepts.com/rc3000.htm

http://www.override.pt/solucoes_primesat.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Orthomode_transducer

http://www.echelon.com/products/transceivers/default.htm

http://pt.wikipedia.org/wiki/LNB

http://www.tpub.com/neets/book7/27.htm

http://www.eutelsat.com/satellites/8wab2_popd.html

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