feixes de comunicação satélitew3.ualg.pt/~rmarcel/aula comunicações satélite.pdf · itu...

Sistemas de Telecomunicações | 2007-2008

Feixes de Comunicação Satélite

Engenharia Electrica e Electrónica - TIT

Rui Marcelino

Abril 2008

Sumário

1. Teoria Básica da transmissão

2. Projecto do feixe

3. Potência de ruído do sistema

4. Referências

2 | Sistemas de Telecomunicações | 2008

1Teoria Básica da Transmissão


1

Potência transmitida pela antena

Ganho da antena

EIRP

Densidade de fluxo (potência) no receptor

Perdas no espaço livre

Temperatura de ruído do sistema (receptor)

Parâmetros a considerar no projecto de feixe

Temperatura de ruído do sistema (receptor)

Figura de mérito do sistema receptor

Relação Portadora Ruído Térmico

Relação portadora densidade de ruído

Relação portadora ruído


Considere-se uma fonte isotrópica (radiador pontual) que irradia Pt Watts uniformemente para o espaço livre.

À distancia R, a área de uma esfera com centro no radiador é 4ππππR2

A densidade fluxo à distancia R é dada por:

Radiador Isotrópico

24 R

PF t

π= W/m2


R

Fonte isotrópica

Radiador Isotrópico

24 R

PF t

π= W/m2

Pt Watts

Power Flux Density:

Área da superfície da esfera = 4ππππR2

Potência transmitida Pt é englobada pela esfera.


Por definição o ganho da antena é o aumento de potência de um sinal numa determinada direcção quando comparada com um antena isotrópica.

São necessárias antenas directivas para direccionar o sinal numa determinada direcção

θθ

)(P=

Ganho da Antena

πθ

θ4/

)()(

0P

PG =

• P(θθθθ) Variação da potência com o ângulo

• G(θθθθ) ganho na direcção θθθθ.

• P0 Potência total transmitida

• esfera = 4π radianos sólidos


Uma antena isotrópica irradia em todas as direcções de igual forma

Por definição o ganho da antena é relativo ao radiador isotrópico

Uma antena é um dispositivo passivo

- Não é gerada potência adicional

- O ganho é conseguido direccionando a potencia transmitida

O EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) é a quantidade de potencia

EIRP

O EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) é a quantidade de potencia que o transmissor deve produzir se pretender radiar em todas as direcções de igual


Potência de saída do transmissor HPA (High Power Amplifier) é: Pout watts

Alguma potência é perdida antes da antena: Pt =Pout /Lt watts é a potência que chega à antena

Pt = Potência presente à antena

A antena tem um ganho: Gt relativo ao radiador Isotrópico

O que resulta numa potencia radiada efectiva de:

EIRP

EIRP = PtGt watts relativo a 1 watt de um radiador isotrópico

HPA

Pout

LtPt

EIRP


Qual a densidade de potencia no receptor?

A potencia é conservada num meio sem perdas

A potencia radiada de um transmissor deve atravessar a esfera na superfície da qual se encontra o receptor

A Área da esfera é 4πR2

A perdas por espalhamento na superfície da esfera é 1/4πR2

Densidade de Fluxo de Potência


Densidade de Fluxo de Potencia (p.f.d.) é a medida da potencia por unidade de área

Este é um parâmetro do sistema que é regulamentado

ITU regula limites para do p.f.d. para qualquer sistema de satélite

Permite controlar interferências

Com a proliferação sistema LEO aumenta a importância de controlar

Densidade de Fluxo de Potência

Com a proliferação sistema LEO aumenta a importância de controlar este parâmetro.


2

22 W/m

44 R

GP

R

EIRPF tt

ππ==

• Podemos reescrever a densidade de fluxo de potencia considerando o ganho de transmissão da antena:

Potência recebida

A potencia disponível para a antena de área Ar é:

24 x

R

AGPAFP rtt

rr π==


Numa Antena real a área da antena que retira energia da onda electromagnética é menor que a área da antena. A essa área dá-se o nome de área efectiva da antena.

Define-se área efectiva ou abertura efectiva Ae:

η x AA =

Abertura efectiva

η x e phyAA =

Onde:

Aphy área física da antena

η Eficiência da aberturaMuito bom: 75%

típica: 55%


4πA

• As antenas têm um ganho (máximo) G relacionado com a

abertura efectiva:

Abertura efectiva

2

4

λπ eA

Gain =

onde:

Ae é a area da abertura efectiva.


4

22 D

rAphy ππ ==

• A abertura da antenas (Horns e Reflectores) apresentam uma área física que pode ser facilmente calculado a partir das suas dimensões:

Abertura das antenas

Valores típicos de ηηηη:

-Reflectores: 50-60%

-Horns: 65-80 %η

λπ

×

=2

DGain

4

ηλ

π

λπ

×==22

44 phyeAA

Gain

•Abertura das antenas pode ser definida por:


HORN

Eficiência, Baixo ganho, feixe largo

REFLECTOR

Concentra a potencia numa restrita zona de forma a aumentar o ganho nessa direcção

Ganho elevado, feixe estreito

Tipos de abertura das antenas

Ganho elevado, feixe estreito


Symmetrical, Front-Fed Offset, Front-Fed

Tipos de reflectores

Symmetrical, Front-Fed Offset, Front-Fed

Offset-Fed, Cassegranian Offset-Fed, Gregorian


DdB

λθ

753 ≅ graus

(Eqn. 3.2)

• O ganho da antena parabólica é dado por:

• Regra para calcular a largura de feixe de uma antena parabólica num determinado plano é dado em função da dimensão das antena

Antenas com reflector

( )EdBHdBdB

Gain33

22

3

7575

θθπ

ηθ

πη =

≅

( ) EdBHdBdB

Gain33

2

3

000,30000,30

θθθ=≅

• Considerando uma abertura típica com eficiência de 0.55 resulta em:


Peak (i.e. maximum) GAIN

Abertura de feixe da antena

O ângulo entre -3 dB define a abertura de feixe ou ângulo de meio potência


A potência disponível para a antena receptora com área efectiva Ar = Ae [m2] é dada:

24 x

R

AGPAFP ett

rr π==

Potência recebida

Onde (Ar = abertura efectiva da antena receptora), área = Ae

2

4

λπ e

r

AG =

• Invertendo a equação:

Inverting

…πλ

4

2

re

GA =


2

4

=R

GGPP rttr πλ

(Eqn. 4.8)

Formula de Friis

Potência recebida

(Eqn. 4.8)

perdas no espaço livre (Lp):

24

=λπR

LpTherefore

…p

rttr

L

GGPP =


Outros parâmetros a ter em conta para a expressão

La = Perdas devido a atenuação na atmosfera

Lta = Perdas associadas com a antena transmissora

Lra = Perdas associadas com a antena receptora

Lpol = perdas devidas a desalinhamento d polarização

Lother = (quaisquer outras perdas)

Potência recebida

rotherpolrataap

rttr

LLLLLLL

GGPP =

Lr = Perdas adicionais no receptor (depois da antena receptora)


rtt GGPP =

Pt =Pout /Lt EIRP = PtGt Onde:

Pt = Potencia transmitida à antena

Lt = Perdas entre a fonte de potência e a antena

EIRP = effective isotropic radiated power

Potência transmitida

rotherpolrataapt

rtout

rotherpolrataap

r

rotherpolrataap

rttr

LLLLLLLL

GGP

LLLLLLL

GEIRP

LLLLLLL

GGPP

=

=

=

x


2Projecto do Feixe


2

Transmissão:

-Potência HPA

-Perdas Transmissão (cabos & conectores)

-Ganho da Antena

EIRPTx

-Perdas por desalinhamento das antenas de Tx e de Rx

-Perdas no espaço livreRecepção

Dimensionamento da Potência do feixe

-Ganho da Antena-Perdas no espaço livre

-Perdas atmosféricas (gases, nuvens, chuva)

Rx

Recepção

-Ganho da antena

-Perdas de recepção

- (cabos & conectores)

-Temperatura de ruído

Pr


Portadora mínima Cmin é o limiar que permite definir definem apotencia mínima que deve ser recebida no desmodulador para que acomunicação funcione correctamente.

Depende de:

– Do tipo de modulação usado.

Cálculo do feixe

– Do tipo de modulação usado.

– Da qualidade de comunicação deseja.

– Ganho de codificação.

– Largura de banda do canal.

– Potência de ruído térmico.


Precisamos de calcular a Potência recebida para saber:

Pr >= Cmin �� Feixe fechado

Pr < Cmin �� Feixe aberto

Podemos ver de outra forma, como a margem do feixe:

Margem = P – C

Fechar o feixe

Margem = Pr – Cmin

De modo equivalente:

Margem > 0 �� Feixe fechado

Margem < 0 �� Feixe aberto


C/N: Portadora / Ruído no receptor BW (dB)

Permite calcular a margem se:

For conhecida a Largura de banda do receptor

Relação C/N for conhecida para determinado tipo de sinal

C/No:Portadora / Ruído p.s.d. (dbHz)

Relação Portadora/ Ruído (C/N)

C/No:Portadora / Ruído p.s.d. (dbHz)

C é a potencia recebida e N0 representa a densidade espectral de potência de ruído e N0 representa a densidade espectral de potência de ruído ( isto é, potência de ruído por largura de banda, Watts/Hz ou dBW/Hz ).


3Potência de Ruído do Sistema


3

Um sistema de comunicações é tipicamente constituído por:

- Transmissor

- Canal de comunicação

- Receptor

A forma mais comum de degradação é o ruído térmico (ruído gerado pelos próprios componentes). A potência de ruído gerada P pode ser descrita e

Temperatura de Ruído


próprios componentes). A potência de ruído gerada PN pode ser descrita e atribuída a uma Temperatura de ruído TN

BNkTNP = Num sistema de recepção a temperatura de

Ruído é dada TN=Tant.+ Tsys

Tant. - Temperatura de ruído visto pela antena

Tsys – Temperatura de ruído do receptor

Temperatura de Ruído em cascata

A Temperatura de ruído equivalente de múltiplos componentes em cascata.


A Temperatura de ruído equivalente de múltiplos componentes em cascata.

É limitada pela Temperatura de Ruído do 1ª componente

BkTN e=

A potencia de ruído é dada:

Onde:

K – constante de Boltzmann

Te- Temperatura equivalente de ruído em graus Kelvin

B – Largura de banda em Hz

Potência de Ruído


A densidade de potencia de ruído: ekTB

NN ==0

A EIRP é definida por: ttGWEIRP =

A Fórmula de Friis é: 2

4

=

rGGWW rttr π

λ

( )2

4

=

rGEIRPC r π

λ

( )2

1

=

G

EIRPC r λ

Dividendo ambos os membros dessa equação por N0, temos:

Reescrevendo a Fórmula de Friis :



( )livreespaçoPerdaterestreterminaldoqualidadedefator

satelite

0 4

1

=

rT

G

kEIRP

N

C

e

r

πλ

( ) krT

GEIRP

N

C

e

r

dBW

log104

log10log10log10

2

0

−

+

+=

πλ

Expressando em decibéis, obtemos:

( )HzK/

WdB

k

dBr4

K/dBT

G

WdB

EIRP

HzdBN

C2

e

r

0−−

πλ

+

+=

−

Em termos de unidades a equação anterior significa, simplesmente:

No lado direito da equação anterior, temos primeiramente a EIRP do satélite



2

4log10

=

rL fs π

λ

No lado direito da equação anterior, temos primeiramente a EIRP do satélite expressa em dBw, o fator de qualidade do terminar terrestre de satélite, Gr/Teem decibéis por grau Kelvin, o terceiro termo representa a perda por espaço livre, normalmente denotada como:

[ ]dBrfL fs log20log204,92 ++=

Se a frequência for expressa em GHz e a distancia em quilômetros, a perda de espaço livre pode ser escrita numa forma mais prática para o trabalho de projeto de sistemas de satélite, dada por:

Perdas no espaço livre


[ ]dBrfL fs log20log204,92 ++=

HzKdBxk W −=−=− − 6,2281038,1log10log10 23

Para um dado satélite geoestacionário, a perda por espaço livre torna-se uma constante. Tambem o ultimo termo é uma constante igual a:

O valor da segurança da ligação depende da banda de frequência de operação, geralmente adota-se o seguinte critério:

Margem


=

superioresbandasparamaioresvalores

bandaapara6

bandaapara4

KudB

CdB

M

G/Ts: ganho da antena Rx/Temperatura do sistema

Designa-se Figura de Mérito G/Ts

Descreve a sensibilidade de recepção do sistema

Figura de Mérito do sistema


Desempenho do sistema é dada pela relação C/N

Para um bom funcionamento da comunicação C/N > 10 dB.

Ou C > N + 10 dB

É preciso conhecer a Temperatura de ruído do receptor para o calculo de N, Potência de Ruído(N = Pn).

Tn (temperatura de ruído) em Kelvins (K):

Potencia de ruído do sistema

Tn (temperatura de ruído) em Kelvins (K):

[ ] 2739

532F0TKT +

−

=[ ] 273C0TKT +

=


O ruído é causado por fontes de ruído térmico

EXTERNO AO SISTEMA DE RECEPÇÃO

- Ruído transmitido no feixe

- Ruído observado pela antena

INTERNO AO SISTEMA DE RECEPÇÃO

A Potência devida ao ruído térmico é:

Potencia de ruído do sistema

Onde k = constante de Boltzmann = 1.38x10-23 J/K(-228.6 dBW/HzK),

TsTemperatura de ruído efectiva dos sistema

B Largura de banda efectiva do sistema

(dBW) BskTN =


4Referências


4

Referências

- Michael O. Kolawole, “Satellite Communication Engineering”, (2002)

[Cap. 4]


feixes de comunicação satélitew3.ualg.pt/~rmarcel/aula comunicações satélite.pdf · itu...

Documents