1

Capítulo 2

Estações Terrenas em Comunicações Via Satélite com Órbita Geo-Estacionária

Satélite

Enlace de subida(Up-Link)

Enlace de Descida(Down-Link)

Estação deTransmissão

Estação deRecepção

Enlace Ponto-Ponto em apenas um sentido

2

Enlace Ponto-Múltiplos Pontos em apenas um sentido

Satélite

Enlace de subida(Up-Link)

Enlace de Descida(Down-Link)

Estação deTransmissão

Estações deRecepção

Enlace Ponto-Ponto nos dois sentidos

Satélite

Enlace de subida(Up-Link)

Enlace de descida(Down-Link)

Estação deTransmissão

Estação deRecepção

3

Enlace Ponto-Múltiplos Pontos nos dois sentidos

Satélite

Enlace de subida(Up-Link)

Enlace de subida(Down-Link)

Estação de Transmissão

Estação de Recepção

Estação de Transmissão para Operação em apenas um Sentido

ModuladorConversor deFreqüência

( Up-Converter)

Amplificador(HPA)Informação

(Análoga ou Digital)

FI70MHz ou 140MHz

Antena

4

Estação de Recepção para Operação em apenas um Sentido

LNA Down-ConverterDown

Converter

LNB FI70MHz ou 140MHz

Antena

Demodulador

Informação(Análoga ou Digital)

Banda L

Estação Terrena para Operação Bidirecional

5

Antenas Empregadas nas Estações Terrenas.

� Antenas Cornetas (Horn Antenna)

� Rede de Antenas em Fase (Phased Array Antenna)

� Antenas Parabólicas (Parabolic Antennas)

Antena Prime-Focus

Transbordamento(Lóbulos Laterais)

Diagrama doIluminador

Superfície Terrestre

RefletorParabólico

DistânciaFocal

Iluminador(Alimentador)

ø0

Ψ0

D

6

Antena Prime-Focus com Montagem Off-Set

ø0

Ψ0 Vértice do Refletor Parabólico

Transbordamento(Lóbulos Laterais)

Iluminador(Alimentador)

Distâ

ncia

Foc

al

RefletorParabólico

SuperfícieTerrestre

Antena Casegrain

Ψ0

ø0

Sub-RefletorHiperbólico

Bø0

RefletorParabólico

Radiaçãoespalhada pelosub-refletorIluminador

(Alimentador)

Superfície Terrestre

7

Estrutura para reflexão da onda eletromagnética

para redução de perdas, evitando o uso de cabos e

guias.

D

A B

C

Iluminador

PrimeiroRefletor Plano

SegundoRefletor Curvado

TerceiroRefletor CurvadoQuarto

Refletor Plano

RefletorPrincipal

Ponto Virtual do Iluminador em configuração convencional

Modelo Equivalente da Antena Casegrain

ø0

ds

fe

fd

fa

D

øe

dhA

B

8

A refletor auxiliar da antena casegrain causa obstrução do sinal e provoca a redução de ganho, a diminuição da largura de feixe e o

aumento dos lóbulos laterais. Estes efeitos podem ser minimizados se as relações apresentadas abaixo forem atendidas.

h

a

d

a

d

d

f

f=

=

a

da

fd

η

λ2

Antena Gregoriana

S2 S1S1S2

Refletor ParabólicoPrincipal

Refletor AuxiliarHiperbólico

Iluminador Iluminador

Refletor ParabólicoPrincipal

Refletor AuxiliarElíptico

9

Antena Gregoriana com Montagem Off-Set

Iluminador

Refletor AuxiliarElíptico

Refletor ParabólicoPrincipal

Eficiências Parciais e Total de Antenas Casegrain

Fator de Eficiência Símbolo Perda (%) Perda (dB) Eficiência (%)

Alimentador aη 1,34 0,059 98,66

Refletor hiperbólicoauxiliar

hη 11,73 0,542 88,27

Refletor parabólicoprincipal

pη 4,00 0,177 96,00

Perdas por obstrução dorefletor auxiliar

ohη 7,40 0,334 92,60

Erros de Fase e erros desuperfície

efsη 7,56 0,340 92,44

Erros de Polarização epη 1,15 0,050 98,85

Eficiência Total η - - 70,74Perda Total - - 1,502 -

10

Parâmetros Elétricos das Antenas

Este parâmetro é de grande importância na antena, pois os satélites geo-estacionários utilizam como forma de múltiplo acesso as

polarizações contrárias, exigindo que as antenas ofereçam elevados valores de isolação entre polarizações.

Polarização Linear

Polarização Horizontal e Polarização Vertical

Polarização Circular

Polarização circular horária e anti-horária

Polarização

Diagrama de Irradiação.

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 250

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

MeiaPotência

Largura de FeixeAbertura de Feixe

Diagrama Retangular

0.2

0.4

0.6

0.8

1

30

210

60

240

90

270

120

300

150

330

180 0

Diagrama Polar

11

⋅=D

dB

λθ 5,583

Abertura de Feixe para Iluminações Uniformes

2

3

5,58

=

dB

Gθ

πη

( )2

3

12

−=

dB

dB GGθ

θθ

Abertura de Feixe para Iluminações Não Uniformes

⋅=D

dB

λθ 703

2

3

70

=

dB

Gθ

πη

( )2

3

12

−=

dB

dB GGθ

θθ

12

Temperatura Equivalente de Ruído

( ) ( )∫∫

= φθθφθφθ

πddsinGTT bA ,,

4

1

0 10 20 30 40 50 6032

34

36

38

40

42

44

46

Elevação (o)

Temperatura (k)

Modulação e Demodulação

FM (Analógica)

BPSK, QPSK e 8PSK

16QAM

2FSK

13

Modulação FM em Sistemas Analógicos

Filtro BandaBásica

Préênfase

Modulador deFM

Filtro deLoop

Filtro de FI

Buffer

PLL

Saída de FI70MHz

(140MHz)

Demodulação FM em Sistemas Analógicos

Limitadorde FI

Discriminador de FI

Filtropassabaixa

Dê-ênfaseFiltro daBanda

Modulante

Filtro deFI

70MHz(140MHz)

14

Pré-ênfase e dê-ênfase empregadas na modulação e demodulação FM

f

V

f

V

Sinal modulanteSinal modulante após

a pré- ênfase

f

V

Sinal demoduladof

V

Sinal e ruídoapós a dê-ênfase

Ruído

Sinal

Transmissão

Recepção

Estrutura Básica do Processo de Modulação e Demodulação Digital

DadosCodificação

ExternaCodificação

InternaModulador

FI 70MHz(140MHz)

DemoduladorDecodificação

InternaDecodificação

Externa

FI 70MHz(140MHz)

Dados

15

Equipamentos de Transmissão

FI70MHz ou140MHZ BANDA L

BANDA CBANDA XBANDA KuBANDA Ka

FILTRO DEBANDA L

FILTRO DEBANDA L

HPA

OL1

1ª Conversão 2ª Conversão

Antena(Iluminador)

OL2X X

Equipamentos de Recepção

LNA

BANDA L950 - 1450 MHZBANDA C

BANDA XBANDA KuBANDA Ka

FILTRO DEBANDA L

OL1

1ª Conversão 2ª Conversão

FILTRO DECANAL

OL2BANDA CBANDA Ku

Antena(Iluminador)

BW=500khZ BW=500khZ FI

RECEPTORLNB

RECEPÇÃO DE SINAIS DETV E RÁDIO

DOWN CONVERTERREDES PARA COMUNICAÇÃO DE

DADOS VIA SATÉLITE

CANAL DERECEPÇÃO

FI70MHZ

16

Capítulo 3

Técnicas de Múltiplo Acesso em Comunicação Via Satélite.

Múltiplos Acessos SDMA e PDMA

CoberturaHemisférica

SDMAMesma Freqüênciaem Áreas Diferentes

PDMAReuso de Freqüências com

Difentes Polarizações

PolarizaçãoHorizontalPolarização

Vertical

Sátelite com MúltiplasCoberturas em Diferentes

Bandas de Operação

Coberturapor Zona

17

Múltiplo Acesso por Divisão de Freqüência - FDMA

N

321

Freqüência

Tempo

B

FDMA

Antena 1

Antena 2

Antena 3

Transponder

t

1

t

3

t

2

FDMA

Múltiplo Acesso por Divisão de Tempo - TDMA

Freqüência

1

Tempo

B

2 N

TDMA

Antena 1

Antena 2

Antena 3

Transponder

t

1

t2

t3

TDMA

18

Múltiplo Acesso por Divisão de Código - CDMA

Freqüência

Tempo

B

Code

CDMA

12

NAntena 1

Antena 2

Antena 3

Transponder

t

CDMA

1

tN

Múltiplo Acesso por Divisão de Freqüência FDMA

19

FDM-FM-FDMA

Rio de Janeiro para Manaus e Buenos Aires

Satélite

ManausBuenosAires

Rio deJaneiro

Manaus e Buenos Aires para Rio de Janeiro

Área deCobertura do

Satélite

T

x

Rx

FDM-FM-FDMA

MULTIPLEXAÇÃOANALÓGICA

MUX

FDM

DEM.FM

DEM.FM

MOD.FM

UP CONVERTER

DOWN CONVERTER

DOWN CONVERTER

HPA

LNA

LNA

DIV

Antena

1

N

1

N

CANAISDE

ENTRADA

CANAISDE SAÍDA

20

FDM-FM-FDMA

De:

4028 4048 4053 MHz

Manaus Rio de Janeiro Buenos Aires

Transponder BW

De:

6253 6273 6278 MHz

Manaus Rio de Janeiro Buenos Aires

Portadoras de Up-link

Portadoras deDown-link

Transponder BW

FDM-FM-FDMA

168Circuitode Voz

24Circuitode voz

24Circuitode voz

36Circuitode voz

84Circuitode voz

21

TDM-PSK-FDMA

MUX

TDM(PCM)

DEM.PSK

MOD.PSK

UP CONVERTER

DOWN CONVERTER

HPA

LNA

Antena1

N

1

N

CANAISDE

ENTRADA

CANAISDE SAÍDA

Feixe de dados digital

Multiplexaçãodigital

Transmissão de Sinais de Som e Imagem para TV e Rádio

Modulação FMSub-portadora 1

Modulação FMSub-portadora 2

Modulação FMSub-portadora N

Σ Modulação FM

F1

F2

Fn

Filtro de Vídeo

BandaBásica

FI(70MHz ou140MHz)

Audio 1

Audio 2

Audio n

Vídeo

. . .

22

Transmissão de Sinais de Som e Imagem para TV e Rádio

0

. . .

Banda de Vídeo

4,2 MHz

F1 F2 F3 Fn

Amplitude

Freqüência

Transmissão de Sinais de Som e Imagem para TV na Concepção Digital.

EncoderMPEG2

MOD.QPSK

UP CONVERTER HPA

Antena

Video

Feixe MPEG-2

Multiplexaçãodigital

ADI

ADG

Dados

23

Sistema INTELSAT SCPC

1 2 3 399 402 403 799 800(401)(400)

18.045MHz

45KHz

36MHz

FreqüênciaCentral

Piloto

Sistema SPADE

1 3992´

(402)3´

(403)399´(799) (800)

1´(401)

18.045MHz

36MHz

Piloto

18.045MHz160KHz

2 3

CSC

FreqüênciaCentral

400

24

Sistema SPADE

0 50 100 150 200 250 300100

200

300

400

500

600

700

800

G

N(G)

G: Número de Estações com G/T = 35 dB/K

N(G): Número máximo de canais admitido por transponder

Múltiplo Acesso por Divisão de Tempo TDMA

25

EstaçãoReferência

A3

A2

A1

R3

R2

R1

C2

C1

B2

B1

R1 A1 B1 C1 R2 A2 B2 C2 R3

Frame

AB

C D

TDMA

CBR BCW SIC G CBR BCW SIC To B To COW ...G To Z Q

Reference burst Preâmbulo Tráfico de dados

RFrom

A

From

B...

From

Y

From

Z

Frame Frame Frame

TDMA

� Burst de Referência

� Tempo de Guarda

� Recuperação de Portadora e Relógio

� Palavra de Código de Burst

� Código de Identificação de Estação

26

Comparação das Técnicas FDMA e TDMA

As técnicas FDMA e TDMA apresentam a mesma capacidade de transmissão , como

pode ser observado nas equações

T

bMRFDMA ⋅=

T

bM

M

T

bRTDMA ⋅=

=

27

A diferença significativa entre as técnicas FDMA e TDMA é o tempo médio de atraso.

+=M

TDTDMA 2

1

2

1TDFDMA =

Graficamente esta diferença fica mais evidente.

100

101

102

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

M

DFDMA

DTDMA

Comparação das Técnicas FDMA e TDMA

28

Técnicas de Múltiplo Acesso Empregando Algoritmos com Processo Aleatório.

ALOHANecessidade de

transmissão de dados

Modo de transmissão

Contagem Randômica Fim da Transmissão

Time out

Modo deEscuta

29

ALOHA

Período de Vulnerabilidadedo Pacote A

Pacote A

Pacote Y Pacote W

t0

t0+ τ t

0+2 τ

S-ALOHA

Pacote A

t0

t0+ τ t

0+2τ t

0+3τ

Período de Vulnerabilidadedo Pacote A

30

R-ALOHA

0 5 10 15 20 25 30 35

Request ACK

Envio

do 10 sl

otEstado Quiescente

1 round trip

Satelite time

M V

Slots Subslots

Desempenho das Técnicas de Múltiplo Acesso Empregando Algoritmos com

Processo Aleatório.

31

GeG 2−⋅=ρ GeG −⋅=ρALOHA S-ALOHA

10-3

10-2

10-1

100

101

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

G

ρρρρALOHA

ρρρρS-ALOHA

Técnica Vazão Normalizada Vazão (%)

ALOHA ρ = 0,184 ρ = 18,4

S-ALOHA ρ = 0,368 ρ = 36,8

R-ALOHA ρ = 0,670 ρ = 67,0

32

Capítulo 4

Análise do Comportamento Não Linear do Transponder de Satélite, como Repetidor de Sinais de Rádio

Freqüência.

Representação da Função de Transferência dosTransponders

� Séries de Taylor;

� Funções de Saleh

� Modelo de Blum e Jeruchim

� Séries de Volterra

33

Representação da Função de Transferência dosTransponders

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Vin (t)

Vout (t)

Comportamento

Ideal

Comportamento

Real

( ) ( )tVKtV j

in

n

j

jout ∑=

=1

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )tVKtVKtVKtVKtVKtV n

innininininout +⋅⋅⋅++++= 44

33

221

Representação da Função de Transferência dosTransponders

34

Análise do Comportamento Quadrático

( ) ( ) ( )tVKtVKtV ininout

221 +=

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

Vin(t)

Vout(t)

( ) ( )tAKAKtAKtVout 1

212

212

111 2cos22

cos ωω ++=

Análise do Comportamento Quadrático

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

Sinal de

Saída

Sinal de

Entrada

Vin(t)

Vout(t)

35

Análise do Comportamento Quadrático

f1

(2f1) f

A

f1

f

A

Entrada Saída

Ponto de Interseção de Segunda Ordem

100

101

102

100

101

102

103

104

Portadora

Fundamental

Segunda

Harmônica

Ponto de Interseção

de Segunda OrdemVout(t)

Vin(t)

36

Análise do Comportamento Cúbico

( ) ( ) ( )tVKtVKtV ininout

331 +=

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Vin(t)

Vout(t)

Análise do Comportamento Cúbico

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Sinal de

Saída

Sinal de

Entrada

Vin(t)

Vout(t)

( ) ( ) ( )tAKtAKtAKtVout 13131

313111 3cos

4

1cos

4

3cos ωωω ++=

37

Análise do Comportamento Cúbico

f1

f

A

f1

(3f1) f

A

Ponto de Interseção de Terceira Ordem

10-1

100

101

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

Vin(t)

Vout(t)

PortadoraFundamental

Ponto deInterseção de

Terceira Ordem

TerceiraHarmônica

38

Ponto de Compressão de 1dB

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )dB

tVKtVKtVKtVKtVK

tVKN

inninininin

in 1)(

44

33

221

1 =+⋅⋅⋅++++

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

1

2

3

4

5

6

7

8

Vin(t)

Vout(t) 1dB

Produtos de Intermodulação de Ordens Elevadas

0 5 10 15 20 25 30 35-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

A

Tempo

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000

10

20

30

40

50

60

70

Freqüência

A

39

3fc

2fcf

c

2

2

46

3

5

7

3

5

7

222

46

46

3 33

57

35

7

Zona DC Zona FundamentalZona da Segunda

HarmônicaZona da Terceira

Harmônica

f

A

Fundamental

Harmônicas

Intermodulações decorrentes da Soma

Intermodulações decorrentes da Diferença

Produtos de Intermodulação de Ordens Elevadas

Conversões AM-AM e AM-PM em amplificadores não lineares

f1

f2

(2f2-f1)(2f

1-f2) f

A

40

Conversões AM-AM e AM-PM em amplificadores não lineares

f1

f2

(2f2-f1)

(2f1-f2)

f

A

Conversões AM-AM e AM-PM em amplificadores não lineares

f1

f2

(2f2-f1)(2f

1-f2) f

A

41

Determinação dos Níveis de Intermodulação

Lema da Não Coincidência

42

...

f1

f2

f3

f4

f5

f6

fn

...∆

1∆

2∆

3∆

4∆

5∆n

A

f

...

f1

f2

f3

f4

f5

f6

fn

A

f

δ1

δ2

δ2

δ3

δ4

δn

43

Lema 1 −−−− Não Coincidência: Considere o tráfego de Nportadoras múltiplas pelo transponder de um satélite.

Seja I = {1,2,3, ... , N} ⊂ N e fi a freqüência de cada portadora, i∈ I. Se ∆i = fi+1 - fi , i ∈ I−{N} é o espaçamento entre elas, então existe a não coincidência dos produtos de intermodulação se e somente se:

ji ∆≠∆

∉= ααδ

δ;

j

i N*

Ijiji ∈≠∀ ,;

44

Lema 2 −−−− Relação Portadora/Ruído de intermodulação:

Assumindo verificadas as hipóteses do Lema 1. Se as portadoras têm amplitudes satisfazendo:

Ai = Ai+1 = A ∀ i ∈ I - {N},

Então, a relação portadora/ruído de intermodulação satisfaz:

45

( )[ ]

23

231

4

6

2!394

1

AK

NAKK

N

C

IMD

−⋅+−

=

Lema 1 atendido

( )[ ]

( )

∑−

=

−⋅+−

=

1

1

23

231

34

1

2!394

1

N

n

IMD nAK

NAKK

N

C Lema 1 não atendido

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40

1

2

3

4

5

6

7

8

N=1

N>1

Vin(t)

Vout(t)

46

Capítulo 5

Equacionamento de um Enlace Via Satélite em Condição Geo-Estacionária

Enlace de subida(Up-Link)

Enlace de Descida(Down-Link)

Estação deTransmissão

Estação deRecepção

Conversor deFreqüência

(Down-Converter)+

TWTA

ouSSPA

+HPA LNA

PTX

GTX

(G/T)SAT

Nu

(C/N)u (C/N)

IMD

(C/N)d

Nd

EIRPSAT

47

1111 −−−−

+

+

=

IMDduT N

C

N

C

N

C

N

C

⋅

=

B

R

N

C

N

Eb

0

Equações para Desempenho do Enlace

=

0

1

NEfBER

b

[ ] ( )BKT

GAEIRPdB

N

C

SATuu

u

⋅⋅−

+−=

∑ log10

Análise do Enlace de Subida

22 44 d

EIRP

d

GP uTXTXSAT

⋅=

⋅

⋅=Ψ

ππ

48

Valores deΨSAT do Satélite

0

EIRPSAT

ΨSAT

EIRPNOM

BOout

ΨNOM

BOin

[ ] NOMSATin dBBO Ψ−Ψ= [ ] NOMSATout EIRPEIRPdBBO −=

49

Relação Portadora Ruído de Intermodulação

( )( ) [ ]

( )( )

( )

∑−

=⋅

−

⋅−

⋅⋅⋅Ψ

⋅⋅

−+⋅⋅Ψ

⋅⋅−

=

1

11,03

1,031

3102

1

)2(!39102

1

N

nBO

SATRXSAT

BO

SATRXSAT

IMD nG

K

NG

KK

N

C

in

in

00

(C/N)IMD

(C/N)u

(C/N)d

(C/N)T

ΨSAT

BOin

(C/N)

Fluxo de Potência de Entrada

50

Valores de G/T do Satélite

Análise do Enlace de Descida

[ ] ( )BKT

GABOEIRPdB

N

C

d

dOUTSAT

d

⋅⋅−

+−−=

∑ log10

51

Valores de EIRPSAT do Satélite

Cálculo do BOOUT no Enlace de Descida

( )( ) [ ]

( )( ) [ ])2(!39

102

1

)2(!392

1

10

1,031

3105,0

−+⋅⋅Ψ

⋅⋅−

−+⋅⋅Ψ⋅⋅−

⋅=

⋅−

−⋅

NG

KK

NGKK

BO

in

in

BO

SATRXSAT

SATRXSATBO

OUT

52

Atenuações nos Enlaces Via Satélite

Atenuações por Espaço Livre

dfAe log20log2044,34 ⋅+⋅+≅

Atenuações por Desapontamento de Antenas

θT

θR

Antenade

Transmissão

Antenade

Recepção

2

3

12

⋅=−

dB

TTXAA

θ

θ2

3

12

⋅=−

dB

RRXAA

θ

θ

53

Atenuações por Erros de Polarização.

Freqüência.Efeito Dependência

0,1GHZ 0,25GHz 0,5GHz 1GHz 3GHz 10GHzRotação deFaraday

1/f 2 30

rotações4,8

rotações1,2

rotações108o 12o 1.1o

( )ξcoslog20 ⋅−=POLA

Atenuação por Chuva

100

101

102

103

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Freqüência(GHz)

γR(dB/Km)

___ Pol. Horizontal, ___ Pol. Vertical, ___ Pol. Circular

54

Atenuação por Chuva

100

101

102

103

10-1

100

101

R0,01%

γR(dB/Km)

Atenuação dos Componentes Passivos

HPA

Guia deOnda

...

HPAGuia 1...

...Recepção

Guia 2Circulador

LNA

Guia deOnda

...

Guia 1

...

...

Guia 2Circulador

LNA