Carlos Nazareth Motta Marins

Estudo Analtico e Numricode um Enlace Digital de

Comunicao via Satliteem condio orbital

Geoestacionria

2004

Dis

sert

ao

de

Mes

trad

o

InatelInstituto Nacional de Telecomunicaes

FOLHA DE APROVAO

Dissertao defendida e aprovada em _____ /_____ /_____, pela comisso julgadora:

____________________________________________________________________

Prof. Dr. Maurcio SilveiraDTE/INATEL

____________________________________________________________________

Prof. Dr. Luiz Carlos KretlyDMO/FEEC/UNICAMP

___________________________________________________________________

Prof. Dr. Adonias Costa da SilveiraDTE/INATEL

___________________________________________________________________

Coordenador do Curso de MestradoProf. Dr. Adonias Costa da Silveira

CARLOS NAZARETH MOTTA MARINS

Dissertao apresentada ao Instituto Nacional de

Telecomunicaes, como parte dos requisitos para obteno do Ttulo

de Mestre em Engenharia Eltrica.

ORIENTADOR: Prof. Dr. Maurcio Silveira

Santa Rita do Sapuca

2004

DEDICATRIA.

Ao Meu Bom Deus que sempre faz o melhor por mim e por minha famlia,

nos dando fora e energia para vencer os desafios.

minha mulher Adriana que sempre me acompanha nos momentos

importantes da vida, com carinho, dedicao e amor e a minha filha Maria Eduarda

que me traz paz e muito amor.

Aos meus pais, Carlos Nazareth e Maria de Lourdes por todos os

ensinamentos que, com muito amor, recebi ao longo da vida e a minha irm Litiane

pelo carinho e ateno que sempre me dispensou e pela pessoa especial que na

minha vida.

AGRADECIMENTOS.

Agradeo ao meu grande amor Adriana pelo companheirismo e compreenso

e a minha filha Maria Eduarda pelos momentos de alegria e divertimento. Ao longo

deste trabalho foram vocs a grande fonte de inspirao.

Agradeo ao Prof. Maurcio Silveira por toda sua dedicao e valorosa

orientao na execuo deste trabalho. Foram de grande importncia os

ensinamentos tcnicos na elaborao desta dissertao. Como um grande Mestre e

Amigo, ultrapassou os limites acadmicos e me trouxe grandes ensinamentos de

vida.

Ao INATEL por toda sua estrutura de trabalho e pelo apoio dado atravs do

plano de capacitao de docentes. com muito orgulho que fao parte desta equipe

dedicada ao engrandecimento de nosso Brasil.

Aos professores de graduao e mestrado pela grande colaborao em minha

carreira. Aos alunos de iniciao cientfica e ao amigo Andr Luis Eliseu Arajo que

tanto me ajudou nos programas desta tese.

Finalmente, agradeo a Deus pelo lar de amor, carinho e comunho

constitudo pelos meus pais Carlos Nazareth e Maria de Lourdes. So eles o bom

exemplo, para minha caminhada como marido, pai, irmo, amigo, profissional e

cidado.

"No basta ter os meios e a vontade.

preciso produzir resultados e medi-los."

Zilda Arns.

SUMRIO

Lista de Figuras.................................................................................................. iLista de Smbolos................................................................................................ viLista de Siglas..................................................................................................... xResumo................................................................................................................ xiiiAbstract............................................................................................................... xivCaptulo 1 Introduo........................................................................................ 11.1. Composio da dissertao........................................................................... 1Captulo 2 Estaes Terrenas em Comunicaes Via Satlite com rbita

geoestacionria............................................................................. 4

2.1. Introduo ..................................................................................................... 62.2. Configuraes bsicas das estaes ............................................................. 82.3. Antenas empregadas nas estaes terrenas................................................... 92.3.1. Antenas Prime-Focus................................................................................. 102.3.2. Antena Prime-Focus com montagem off-set.............................................. 112.3.3. Antena Casegrain....................................................................................... 122.3.4. Antena Gregoriana..................................................................................... 152.3.5. Parmetros eltricos das antenas................................................................ 172.3.5.1. Polarizao.............................................................................................. 172.3.5.2. Diagrama de irradiao........................................................................... 202.3.5.3. Diretividade e Ganho.............................................................................. 212.3.5.4. Temperatura de Rudo............................................................................. 242.3.5.5. Banda de operao e impedncia............................................................ 252.4. Modulao e demodulao............................................................................ 272.4.1. Modulao FM em sistemas analgicos..................................................... 272.4.2. Modulaes digitais.................................................................................... 292.5. Equipamentos de transmisso....................................................................... 312.6. Equipamentos de recepo............................................................................ 33Referncia Bibliogrfica...................................................................................... 36Captulo 3 Tcnicas de Mltiplo Acesso em Comunicao Via Satlite........ 373.1. Introduo ..................................................................................................... 373.2. Mltiplo Acesso por Diviso de Freqncia................................................. 413.2.1. FDM-FM-FDMA....................................................................................... 413.2.2. TDM-PSK-FDMA..................................................................................... 443.2.3. Transmisso de Sinais de Som e Imagem para TV e Rdio....................... 453.2.4. Sistema INTELSAT SCPC........................................................................ 483.2.5. Sistema de Alocao por Demanda FDMA............................................... 493.3. Mltiplo Acesso por Diviso de Tempo....................................................... 523.4. Comparao das tcnicas FDMA e TDMA.................................................. 553.4.1. Capacidade de Transmisso nos Sistemas FDMA..................................... 553.4.2. Capacidade de Transmisso nos Sistemas TDMA..................................... 563.4.3. Atraso no envio das mensagens em FDMA e TDMA............................... 573.5. Tcnicas de Mltiplo Acesso Empregando Algoritmos com Processo

Aleatrio........................................................................................................ 59

3.5.1. ALOHA...................................................................................................... 593.6. Desempenho das Tcnicas de Mltiplo Acesso Empregando Algoritmos

com Processo Aleatrio................................................................................. 64

3.7. Concluso...................................................................................................... 68Referncia Bibliogrfica...................................................................................... 70Captulo 4 Anlise do Comportamento No Linear do Transponder de

Satlite, como Repetidor de Sinais de Rdio Freqncia............ 71

4.1. Introduo ..................................................................................................... 714.2. Representao da funo de transferncia dos transponders atravs das

sries de Taylor ............................................................................................ 73

4.2.1. Funo caracterstica de transferncia do transponder.............................. 734.2.2. Anlise do comportamento quadrtico....................................................... 744.2.3. Anlise do comportamento cbico............................................................. 774.2.4. Ponto de Compresso de 1dB..................................................................... 794.2.5. Produtos de intermodulao de ordens elevadas........................................ 814.2.6. Converses AM-AM e AM-PM em amplificadores no lineares.............. 844.3. Determinao dos nveis de intermodulao................................................. 864.3.1. Lema da no coincidncia.......................................................................... 864.3.2. Produtos de intermodulao com duas portadoras..................................... 884.3.3. Produtos de intermodulao com trs portadoras...................................... 904.3.4. Produtos de intermodulao com cinco portadoras.................................... 924.3.5. Produtos de intermodulao com N portadoras......................................... 934.4. Concluso...................................................................................................... 94Referncia Bibliogrfica...................................................................................... 96Captulo 5 Equacionamento de um Enlace Via Satlite em Condio Geo-

Estacionria..................................................................................... 97

5.1. Introduo...................................................................................................... 975.2. Parmetros de desempenho para atendimento dos enlaces........................... 995.3. Relao portadora/rudo no enlace via satlite.............................................. 1005.3.1. Anlise do enlace de subida....................................................................... 1015.3.2. Anlise do enlace de descida...................................................................... 1055.4. Atenuaes nos enlaces via satlite............................................................... 1075.4.1. Atenuao por espao livre........................................................................ 1075.4.2. Atenuao por desapontamento de antenas................................................ 1085.4.3. Atenuao por erros de polarizao........................................................... 1095.4.4. Atenuao por chuva.................................................................................. 1105.4.4.1. Clculo do fator de atenuao................................................................. 1105.4.4.2. Clculo da atenuao por chuva no enlace via satlite........................... 1135.4.5. Atenuao de componentes passivos da estao terrena de transmisso... 1175.4.6. Atenuao de componentes passivos da estao terrena de recepo........ 1185.4.7. Concluso................................................................................................... 119Referncia Bibliogrfica...................................................................................... 120Captulo 6 Plataformas Computacionais Implementadas.............................. 1216.1. Introduo...................................................................................................... 1216.2. Programa para Anlise de Amplificadores de RF......................................... 1226.2.1. Funo de Transferncia dos Amplificadores............................................ 1226.2.2. Anlise no domnio do tempo.................................................................... 1256.2.3. Anlise no domnio da freqncia.............................................................. 126

6.3. Programa para clculo de enlace via satlite................................................. 1296.3.1. Clculo da potncia de transmisso........................................................... 1316.3.2. Clculo do dimetro da antena de transmisso.......................................... 1336.3.3. Clculo do dimetro da antena de recepo............................................... 1346.3.4. Clculo do Back-Off.................................................................................. 1366.3.5. Telas de erro............................................................................................... 137Referncia Bibliogrfica...................................................................................... 138Captulo 7 Comentrios e concluso................................................................. 1397.1. Objetivos alcanados com este trabalho........................................................ 1397.2. Proposta para novos estudos......................................................................... 1407.3. Artigos Publicados relacionados esta dissertao...................................... 1417.4. Artigos serem Submetidos no relacionados dissertao........................ 1427.5. Artigos Extras Publicados no Mestrado........................................................ 1427.6. Artigos no Prelo............................................................................................ 143Apndice A - Bandas de Freqncias em comunicaes via satlite............. 144Apndice B - Comparao de valores das larguras de feixe calculadas com

as equaes (2.9) e (2.10) com valores apresentados porfabricantes de antenas................................................................ 144

Apndice C - Demonstrao do Lema 1 - No coincidncia........................... 145Apndice D - Demonstrao da equao (5.4)................................................. 150Apndice E - Listagens dos programas............................................................ 152ANEXO I - Apontamento das estaes terrenas em enlaces com satlites

geoestacionrios.............................................................................. 169

ANEXO II - Desempenho das modulaes mais empregadas em enlaces viasatlite em condio geoestacionria........................................... 173

ANEXO III - Temperatura equivalente de Rudo, Figura de Rudo e Fatorde mrito para estaes de recepo (G/T)................................. 181

iLista de figuras

Figura 2.1. (a) Enlace ponto - ponto em apenas um sentido; (b) Enlace ponto- mltiplos pontos em apenas um sentido............................................................. 5Figura 2.2. (a) Enlace ponto-ponto nos dois sentidos, empregado em sistemastelefnicos para conexo de longa distncia nacional e internacional; (b) En-lace ponto-mltiplos pontos nos dois sentidos, comum em redes VSAT............. 5Figura 2.3. Configurao bsica de uma estao de transmisso para opera-o em um sentido................................................................................................ 6Figura 2.4. Configurao bsica de uma estao de recepo para operaoem apenas um sentido.......................................................................................... 7Figura 2.5. Configurao bsica de uma estao de transmisso para opera-o bidirecional................................................................................................... 8Figura 2.6. Antena prime-focus com refletor simtrico....................................... 10Figura 2.7. Antena parablica com montagem offset.......................................... 11Figura 2.8. Antena com duplo refletor do tipo casegrain.................................... 12Figura 2.9. Estrutura para reflexo da onda eletromagntica entre o ilumina-dor e a antena, sem uso de cabos ou guias de onda............................................. 13Figura 2.10. Antena casegrain com duplo refletor e o modelo equivalente comrefletor nico e alimentao no ponto focal......................................................... 14Figura 2.11. Antenas casegrain e gregoriana..................................................... 16Figura 2.12. Antena gregoriana com montagem offset....................................... 16Figura 2.13. Diferentes formas para estruturas casegrain e gregoriana em-pregando refletores Elpticos (ELI), Parablicos (PAR), Hiperblicos (HIP) ePlanos................................................................................................................... 18Figura 2.14. Disposio tpica dos canais oferecidos pelos satlites de comu-nicao geoestacionria...................................................................................... 19Figura 2.15. Diagrama de irradiao de uma antena de microondas com re-fletor parablico................................................................................................... 21Figura 2.16. Temperatura equivalente de rudo da antena em funo do n-gulo de elevao................................................................................................... 25Figura 2.17. Diagrama em blocos de um modulador FM................................... 27Figura 2.18. Diagrama em blocos de um demodulador FM............................... 28Figura 2.19. Pr-nfase e d-nfase empregadas na modulao e na demo-dulao de FM, respectivamente.......................................................................... 28Figura 2.20. Estrutura bsica do processo de modulao e demodulao emcomunicao digital.............................................................................................. 31

ii

Figura 2.21. Equipamentos de transmisso via satlite...................................... 31Figura 2.22. Equipamentos de recepo via satlite........................................... 34Figura 3.1. Coberturas dos satlites nas condies SDMA e PDMA.................. 38Figura 3.2. Tcnicas de Mltiplo Acesso: (a) FDMA, (b) TDMA e (c) CDMA... 40Figura 3.3. Estaes transmitindo e recebendo pelo mesmo transponder desatlite usando FDMA com alocao fixa de freqncias................................... 42Figura 3.4. (a) Diagrama em blocos de uma estao operando em FDMA; (b)Transponder acessado por diferentes estaes de terra, tendo cada uma delassua sub-banda de trabalho................................................................................... 43Figura 3.5. Estrutura de mdio trfego com alocao fixa empregando FDMA 44Figura 3.6. Estao com concepo digital TDM/PSK/FDMA........................... 45Figura 3.7. Diagrama em blocos da estrutura de transmisso analgica paraTV.......................................................................................................................... 46Figura 3.8. Espectro de freqncias da banda bsica de vdeo para transmis-so do sinal de TV via satlite.............................................................................. 46Figura 3.9. Diagrama em blocos da estao de transmisso de TV na concep-o digital............................................................................................................. 47Figura 3.10. (a) Canais analgicos em half transponder; (b) Canais digitaisno padro DVB-S.................................................................................................. 47Figura 3.11. Canalizao do INTELSAT SCPC no transponder de 36MHz....... 48Figura 3.12. Canalizao do sistema SPADE..................................................... 49Figura 3.13. N(G): Nmero mximo de canais admitido por transponder e G:Nmero de estaes com G/T = 35 dB/K............................................................. 51Figura 3.14. Acesso TDMA utilizando uma estao de referncia para trans-misso do burst de sincronizao......................................................................... 52Figura 3.15. Formato do FRAME e do BURST para sistema TDMA................. 53Figura 3.16. Grfico que apresenta o tempo mdio de atraso no envio damensagem em funo do nmero de estaes nos sistemas FDMA e TDMA,com tempo de frame normalizado......................................................................... 58Figura 3.17. Algoritmo da tcnica de acesso ALOHA......................................... 60Figura 3.18. Anlise no tempo do perodo de vulnerabilidade da tcnicaALOHA................................................................................................................. 61Figura 3.19. Anlise no tempo do perodo de vulnerabilidade da tcnicaS-ALOHA.............................................................................................................. 62Figura 3.20. Exemplo de um sistema operando com R-ALOHA. Estao requi-sitando 3 slots numa estrutura com M=5 e V=6.................................................. 63Figura 3.21. Vazo dos canais nas tcnicas ALOHA e S-ALOHA...................... 67

iii

Figura 4.1. Funo de transferncia dos amplificadores na condio ideal ena condio real................................................................................................... 73Figura 4.2. (a) Funo de transferncia com comportamento quadrtico; (b)Formas de onda de entrada e sada no domnio do tempo................................... 75Figura 4.3. (a) Espectro de freqncia na entrada; (b) Espectro de freqnciana sada................................................................................................................. 75Figura 4.4. Ponto de interseo de segunda ordem em uma estrutura no li-near....................................................................................................................... 76Figura 4.5. (a) Funo de transferncia com comportamento cbico; (b)Formas de onda de entrada e sada no domnio do tempo................................... 77Figura 4.6. (a) Espectro de freqncias na entrada; (b) Espectro de freqn-cias na sada......................................................................................................... 78Figura 4.7. Ponto de interseo de terceira ordem em uma estrutura no line-ar........................................................................................................................... 79Figura 4.8. Curva de um dado amplificador com a indicao do ponto decompresso de 1dB............................................................................................... 80Figura 4.9. Sinal de dois tons: (a)No domnio do tempo; (b) No domnio dafreqncia............................................................................................................. 81Figura 4.10. Resposta de freqncia na sada de um amplificador no teste dedois tons, com todas as possibilidades de intermodulao.................................. 83Figura 4.11. (a) Intermodulao proveniente de converso AM-AM; (b) In-termodulao proveniente de converso AM-PM; (c) Intermodulao resul-tante de converses AM-AM e AM-PM simultneas............................................ 85Figura 4.12. Portadoras dispostas na banda de um canal multiacessado......... 87Figura 4.13. Funo de transferncia dos transponders com N portadoras....... 95Figura 5.1. Enlace via satlite............................................................................. 100Figura 5.2. Mapa de cobertura do satlite Brasilsat B4 com indicao do flu-xo de saturao dos transponders........................................................................ 102Figura 5.3. Curva que relaciona o fluxo de potncia de entrada com a potn-cia de sada do satlite......................................................................................... 103Figura 5.4. Comportamento da relao portadora/rudo total e das compo-nentes parciais...................................................................................................... 104Figura 5.5. Mapa de cobertura do satlite Brasilsat B4 com indicao dosvalores de (G/T)SAT, ao longo de toda sua rea de cobertura.............................. 105Figura 5.6. Mapa de cobertura do satlite Brasilsat B4 com indicao dosvalores de EIRPSAT, para o enlace de descida...................................................... 106Figura 5.7. Geometria do link, para anlise da perda por apontamento............ 108Figura 5.8. (a) KH em funo da freqncia; (b) KV em funo da freqncia.... 112

iv

Figura 5.9. (a)H em funo da freqncia; (b)V em funo da freqncia.... 113Figura 5.10. Representao esquemtica do enlace entre a estao terrena e aestao orbital...................................................................................................... 114Figura 5.11. Altura efetiva da chuva, com relao ao nvel do mar em funoda taxa pluviomtrica........................................................................................... 114

Figura 5.12.Fator de atenuao (R) em funo da freqncia........................... 116Figura 5.13. Fator de atenuao (R) em funo da taxa pluviomtrica............. 117Figura 5.14. (a) Estao utilizada para transmisso; (b) Estao para trans-misso e recepo................................................................................................. 118Figura 5.15. (a) Estao utilizada para recepo; (b) Estao para recepoe transmisso........................................................................................................ 118Figura 6.1. Tela inicial do programa para Anlise de Amplificadores............... 122Figura 6.2. (a) Entrada dos coeficientes do polinmio; (b) Comando paratraar os grficos e indicao dos valores do ponto de compresso de 1dB; (c)Comandos de operao........................................................................................ 123Figura 6.3. Figura da janela atrelada ao comando CONFIG............................. 124Figura 6.4. Comando na parte superior da primeira janela do programa......... 124Figura 6.5. Tela para anlise no domnio do tempo............................................ 125Figura 6.6. (a) Entrada de dados para as portadoras: amplitude e freqncia;(b) Apresentao dos coeficientes da srie de Taylor; (c) Seleo do nmerode portadoras e da quantidade de pontos a serem plotados................................ 126Figura 6.7. Tela com anlise no domnio da freqncia..................................... 127Figura 6.8. (a) Escolha da impedncia caracterstica de trabalho, para de-terminao dos valores de potncia; (b) Escolha dos produtos de intermodu-lao e do nmero de portadoras a ser apresentado no grfico; (c) Escolha daindicao de valores de cada componente no espectro de freqncias............... 127Figura 6.9. Espectro de freqncias com indicao do nvel de amplitude........ 128Figura 6.10. Tela inicial do programa para clculo de enlaces via satlite....... 129Figura 6.11. Entrada de dados referentes taxa de transmisso e ao tipo demodulao............................................................................................................. 129Figura 6.12. Dados do Satlite empregado no enlace......................................... 130Figura 6.13. Janela para entrada dos dados de freqncia dos enlaces de su-bida e descida e as temperaturas de rudo da antena de recepo e os amplifi-cadores de baixo rudo LNA - LNB...................................................................... 130Figura 6.14. Janela com opes de clculos oferecidas pelo programa............. 131Figura 6.15. Janela para entrada de dados para clculo da potncia detransmisso........................................................................................................... 131

vFigura 6.16. Tela final com a apresentao dos resultados da potncia detransmisso em [W] e [dBW]............................................................................... 132Figura 6.17. Janela para entrada de dados para clculo do ganho da antenade transmisso...................................................................................................... 133Figura 6.18. Tela final com a apresentao dos resultados do ganho da ante-na transmissora e seu dimetro........................................................................... 134Figura 6.19. Janela para a entrada de dados para clculo do ganho da antenade recepo........................................................................................................... 135Figura 6.20. Tela final com a apresentao dos resultados de ganho da ante-na de recepo com o dimetro estimado............................................................ 135Figura 6.21. Janela de entrada dos dados para clculo do back-off.................. 136Figura 6.22. Tela final com a apresentao dos resultados do clculo deback-off................................................................................................................. 137Figura 6.23. Tela com indicao de erro............................................................. 137Figura C.1. Portadoras fundamentais e produtos de intermodulao na sadado amplificador simulado, com as hipteses do Lema 1 no atendidas.............. 146Figura C.2. Portadoras fundamentais e produtos de intermodulao na sadado amplificador simulado, com as hipteses do Lema 1 atendidas..................... 147Figura C.3. Portadoras fundamentais e produtos de intermodulao na sadado amplificador simulado, com as hipteses do Lema 1 no atendidas.............. 148Figura C.4. Portadoras fundamentais e produtos de intermodulao na sadado amplificador simulado, com as hipteses do Lema 1 atendidas..................... 149Figura D.1. Estrutura bsica de um enlace via satlite....................................... 150Figura I.1. descrio das coordenadas de um ponto sobre o globo terrestre..... 170Figura II.1. Curva de desempenho da demodulao FM.................................... 175Figura II.2. Forma de onda de um sinal modulado em BPSK............................ 176Figura II.3. Diagrama de Constelao da modulao BPSK............................. 176Figura II.4. Diagrama de constelao da modulao QPSK.............................. 177Figura II.5. Diagrama de constelao da modulao 8PSK.............................. 177Figura II.6. Diagrama de constelao da modulao 16QAM........................... 178Figura II.7. Probabilidade de Erro de smbolo em funo da relao (Eb/N0).. 179Figura III.1. Amplificador Ideal.......................................................................... 181Figura III.2. Associao de amplificadores........................................................ 183Figura III.3. Associao Hbrida de amplificadores e atenuadores................... 184Figura III.4. Estao bsica de recepo de sinais via satlite.......................... 185

vi

Lista de Smbolos

RXAA Atenuao por apontamento na antena de recepo.

TXAA Atenuao por apontamento na antena de transmisso.

eA Atenuao por espao livre.

EFETIVAA rea efetiva da antena parablica.

POLA Atenuao por erro de polarizao da onda eletromagntica aotrafegar pela ionosfera.

01,0A Predio de atenuao excedida para 0,01% na mdia anual da taxapluviomtrica.

Vetor unitrio ortogonal a .

Vetor unitrio ortogonal a .

inBO Back-off de entrada.

outBO Back-off de sada.b Taxa de transmisso em bps.

NC

Relao portadora/rudo.

IMDNC

Relao portadora/rudo de intermodulao.

uNC

Relao portadora/rudo de subida.

dNC

Relao portadora/rudo de descida.

D Dimetro do refletor parablico principal.( )00 ,D Diretividade para um determinado ngulo slido.

ad Dimetro da flange do alimentador.

hd Dimetro do refletor hiperblico auxiliar.

Sd Dimetro da seo transversal do alimentador.

FDMAD Atraso total sofrido pela mensagem no sistema FDMA.

TDMAD Atraso total sofrido pela mensagem no sistema TDMA.E Vetor campo eltrico.

bE Energia de bit.

vii

0E Intensidade do campo na origem do sistema.

E Amplitude da componente do campo eltrico.

E Amplitude da componente do campo eltrico.

SATEIRP Potncia efetivamente radiada pelo satlite.

af Distncia entre o alimentador e o foco do refletor principal na antenacasegrain.

df Distncia do ponto focal do refletor parablico principal.

ef Distncia equivalente do refletor principal.

( ) ,f Estabelece a funo de radiao.( )dBG Ganho de uma antena parablica da direo .

RXG Ganho de recepo da estao terrena.

SATRXG Ganho de recepo do satlite.

TXG Ganho de recepo da estao terrena.

TG

Fator de mrito de uma estao de recepo.

SATTG

Fator de mrito do satlite.

Rh Altura da chuva.

Sh Altura da estao terrena.

K Eficincia de radiao.

1K Coeficiente do termo de primeira ordem da srie de Taylor.

NK Coeficiente do termo de n-sima ordem da srie de Taylor.k Coeficientes numricos para determinao do fator de atenuao.

Hk Coeficientes numricos para determinao do fator de atenuao,para polarizao horizontal

Vk Coeficientes numricos para determinao do fator de atenuao,para polarizao vertical

eL Comprimento efetivo percorrido pela onda dentro da condio dechuva.

M Nmero total de estaes na rede.

0N Energia de rudo.

P Intensidade de potncia que alimenta o elemento radiante.( )KP Probabilidade de se ter (K) novas mensagens no intervalo ().

viii

SP ( )0== KPPSTXP Potncia de transmisso.

RXP Potncia de Recepo.

R Taxa de transmisso da rede.

mR Mxima taxa de transmisso mdia da m-sima estao da rede decomunicao.

1R Mxima taxa de transmisso mdia da primeira estao da rede decomunicao.

FDMAR Taxa de transmisso total exigida pelo sistema FDMA.

TDMAR Taxa de transmisso total exigida pelo sistema TDMA.

01,0R Taxa pluviomtrica da estao para 0,01% na mdia anual.

r Distncia radial.( )00 ,S Densidade de potncia na direo ( )00 , .

NS

Relao sinal/rudo.

T Tempo total de frame em TDMA.

AT Temperatura equivalente de rudo da antena.

( ) ,bT Temperatura de brilho de radiao do corpo localizado nadireo ( ) , em que a antena oferece ganho ( ) ,G .

( )tVin Sinal de tenso na entrada de um amplificador de RF comcomportamento no linear.

( )tVout Sinal de tenso na sada de um amplificador de RF comcomportamento no linear.

W Tempo mdio de espera de um pacote para ser transmitido.

TDMAW Tempo mdio de espera de um pacote para ser transmitido no sistemaTDMA.

Defasagem no tempo entre as componentes ortogonais. Coeficientes numricos para determinao do fator de atenuao.

H Coeficientes numricos para determinao do fator de atenuao,para polarizao horizontal

V Coeficientes numricos para determinao do fator de atenuao,para polarizao vertical

Eficincia global de um refletor parablico. Eficincia de abertura.

R Fator de atenuao por chuva.a Eficincia do alimentador.

ix

Comprimento de onda de operao da antena. Taxa total dos pacotes transmitidos.

t Taxa total de transmisso.r Taxa dos pacotes rejeitados. Pi,3,14159

dB3 Abertura de feixe de uma antena com refletor parablico.1 Vazo do Canal (throughput).

ALOHA Vazo para tcnica ALOHA.ALOHAS Vazo para tcnica S-ALOHA.

dA Somatrio das atenuaes no down-link. uA Somatrio das atenuaes no up-link. Tempo de transmisso do pacote.

TDMA Tempo de transmisso do pacote utilizando a tcnica TDMA. Freqncia angular do sinal eltrico. Erro de polarizao devido a rotao de Faraday.SAT Fluxo de saturao do satlite.Q Demonstrao matemtica concluda.

xLista de Siglas

ALOHA Tcnica de mltiplo acesso que emprega algoritmos aleatrios,desenvolvida na Universidade do Hava na dcada de 70.

ATSC-S Padro americano para transmisso de vdeo digital via satlite, do inglsAmerican Television Society Committee- Satellite

BER Taxa de erro de bit, do ingls Bit Error Rate.

BRASILSAT Frota de satlites lanados pela EMBRATEL e hoje de propriedade daSTARONE.

CDMA Mltiplo Acesso por Diviso de Cdigo, do ingls Code Division MultipleAccess.

DAMA Mltiplo Acesso por Demanda, do ingls Demand Assignment MultipleAccess.

DVB-S Padro europeu para transmisso de vdeo digital via satlite, do inglsDigital Video Broadcasting - Satellite.

dB Ganho em decibels.

dBi Ganho em decibels tendo como referncia a antena isotrpica.

DFT Transformada discreta de Fourier, do ingls Discrete Fourier Transform.

FDM Multiplexao por Diviso de Freqncia, do ingls Frequency DivisionMultiplex.

FDMA Mltiplo Acesso por Diviso de Freqncia, do ingls Frequency DivisionMultiple Access.

FEC Fator de correo de erro, do ingls Forward Error Correction

FFT Transformada rpida de Fourier, do ingls Fast Fourier Transform.

FI Freqncia intermediria em sistemas de rdio, Frequency Intermediary.

FM Frequency Modulation.

FSK Modulao com chaveamento de Freqncia, do ingls Frequency ShiftKeying.

GEO Sigla utilizada para representar satlite de rbita geoestacionria.

HPA Amplificador de alta potncia, do ingls High Power Amplifier.

xi

IEEE Instituto de Engenharia Eltrica e Eletrnica, do ingls Institute ofElectrical and Electronic Engineers.

INMARSAT Empresa provedora de acesso via satlite para uso mvel voltadoinicialmente para navegao.

INTELSAT Consrcio internacional para comunicao via satlite do qual empresasbrasileiras fazem parte.

IMD Intermodulao, do ingls intermodulation.

ISDB-S Padro japons para transmisso de vdeo digital via satlite, do inglsIntegrated Service Digital Broadcasting - Satellite..

LEO Sigla empregada para representar satlites de rbita baixa, do ingls LowEarth Orbit.

LNA Amplificador de Baixo Rudo, do ingls Low Noise Amplifier.

LNB Bloco de amplificao de baixo rudo, combinado com conversor defreqncia, do ingls Low Noise Block.

LNBF LNB construdo de forma conjugada ao alimentador das antenas.Largamente empregado na recepo de satlite para uso residencial.

MCPC Utilizao da portadora com mltiplos canais de forma simultnea, doingls Multiple Channel Per Carrier.

MEO Sigla empregada para representar satlites de rbita mediana, do inglsMedium Earth Orbit.

MPEG-2 Padro para compresso de vdeo, do ingls Motion Picture Expert Group.

PANANSAT Empresa provedora de acesso via satlite com maior foco na cobertura doterritrio americano.

PDF Funo densidade de probabilidade, do ingls Probalitity densidadefunction.

PDMA Mltiplo Acesso por Diviso de Polarizao, do ingls Polarization DivisionMultiple Access.

PLL Phase Lock Loop.

PSK Modulao com chaveamento de fase, do ingls Phase Shift Keying

QAM Modulao digital com chaveamento de fase e amplitude pela combinaode portadoras em quadratura, do ingls Quadrature Amplitude Modulation.

xii

QPSK Modulao com chaveamento e deslocamento de fase em quadratura, doingls Quadrature Shift Keying.

R-ALOHA Tcnica ALOHA com reserva de time slot.

S-ALOHA Tcnica ALOHA com segmentao do tempo.

SCPC Utilizao de uma portadora para um nico canal, do ingls Single CarrierPer Channel.

SDMA Mltiplo Acesso por Diviso de Espao, do ingls Space Division MultipleAccess.

SPADE Single carrier per channel Pulse code modulated multiple Access Demandassignment Equipment.

TDM Multiplexao por Diviso de Tempo, do ingls Time Division Multiplex.

TDMA Mltiplo Acesso por Diviso de Tempo, do ingls Time Division MultipleAccess.

TVRO Recepo via satlite para uso especfico em TV, do ingls TelevisionReception Only.

VCO Voltage Control Oscillator.

VSAT Terminal de pequena dimenso utilizado para rede de dados emcomunicao via satlite, do ingls Very Small Aperture Terminal

VSWR Relao de Onda Estacionria, medida com valores de Tenso; do inglsVoltage Stationary Wave Ratio.

xiii

Resumo

Marins, C. N. M. Estudo analtico de um enlace digital de comunicao via

satlite em condio orbital geoestacionria. Santa Rita do Sapuca. 2004. Instituto

Nacional de Telecomunicaes.

Os enlaces via satlite so afetados pelas condies de propagao oferecidas pelo

meio e pelas distores geradas pelo prprio repetidor orbital. As atenuaes e

perdas decorrentes do meio e dos componentes passivos so bastante discutidas e

bem definidas. No entanto, os sistemas, em alguns casos, so sobre dimensionados

para atender s possveis degeneraes que no so consideradas nos clculos. Este

trabalho apresenta uma anlise de todo enlace via satlite, discutindo de forma mais

intensa os produtos de intermodulao e as degeneraes provocadas pelos

transponders que afetam a relao portadora/rudo. Com equaes, obtidas atravs

de induo finita, possvel obter os valores da relao portadora/rudo de

intermodulao em funo da amplitude das portadoras, do nmero de portadoras

que trafegam simultaneamente pelo repetidor orbital, e da funo de transferncia do

transponder.

Palavras-chave: Enlaces via satlite, Intermodulao, No-linearidade,

Transponder, Estaes terrenas.

xiv

Abstract

Marins, C. N. M. Analytic and numerical approach to digital satellite

communications links in the geo stationary orbit. Santa Rita do Sapuca. 2004.

National Institute of Telecommunications.

The links of satellites are affected by propagation conditions and distortions that are

generated by devices. The propagation losses as well as the passive components

attenuation are very simple to analyze, but many calculations involved with the

complete link demand to discover the carrier to inter-modulation ratio. This work

presents an innovative set of equations to calculate the carrier-to-inter-modulation

ratio, with number and amplitude of carriers and features of the transponders. The

equations are developed by the finite induction methods and permit to have a very

good results of the performance of the satellite with respect to the non-linearity

comportment.

Key-words: Satellite links, Non-linearity transponders, Earth communication

stations, inter-modulation.

Captulo 1

Introduo

1.1. Composio da dissertao

Este trabalho de dissertao est dividido em sete captulos para abordar, de

forma direta, o desenvolvimento de enlaces via satlite. Ao longo do curso de mes-

trado, dois programas computacionais foram desenvolvidos de forma a ilustrar a no

linearidade oferecida pelos transponders dos satlites e o projeto de um enlace digi-

tal de comunicao via satlite.

O Captulo 2 aborda, de forma abrangente, a concepo da comunicao via

satlite, apresentando, inicialmente, as configuraes bsicas das estaes. Com estas

informaes foram discutidos os tipos de antenas mais empregados neste conceito de

comunicao e suas principais vantagens e desvantagens, baseadas em parmetros

tcnicos de maior relevncia. Alm disso, foram apresentadas as modulaes consa-

gradas para este tipo de aplicao, bem como os equipamentos eletrnicos que fazem

parte do projeto total dos enlaces e estaes.

No Captulo 3, foram discutidas as tcnicas mais usuais de mltiplo acesso em

comunicao via satlite e os protocolos de grande utilizao em redes de dados para

uso corporativo. Este captulo oferece subsdios para que, no captulo seguinte, sejam

abordados os impactos da no-linearidade dos transponders nos sinais e como a es-

colha da tcnica de mltiplo acesso pode beneficiar o desempenho dos sistemas.

O Captulo 4 descreve o comportamento no linear dos transponders e prope

dois Lemas que podem beneficiar o projeto dos enlaces. No Lema 1, se discute a

2melhor forma de alocao das portadoras ao longo da banda do transponder, para

que o efeito de degenerao provocado pelos produtos de intermodulao sejam mi-

nimizados. No Lema 2, so apresentadas equaes para clculo das relaes portado-

ra/rudo de intermodulao, dentro das condies impostas pelo Lema 1. Este cap-

tulo oferece uma grande contribuio na dissertao, pois apresenta uma forma sis-

tematizada de considerar a degenerao provocada pela no-linearidade no clculo

dos enlaces. Na literatura clssica atual, os efeitos da no-linearidade so comenta-

dos, mas no existe uma abordagem matemtica que os quantifique, o que motivou a

formulao de resultados originais na literatura e citados neste captulo.

No Captulo 5, se descreve todo o equacionamento dos enlaces via satlite,

com todas as equaes das relaes portadora/rudo, levando em conta os desenvol-

vimentos abordados no Captulo 4. O Captulo 5 o responsvel pelas rotinas com-

putacionais empregadas no programa para clculo de enlace via satlite, apresentado

no Captulo 6. No Captulo 5, ainda esto abordadas todas as perdas provocadas pelo

meio de propagao, com destaque para a atenuao por chuva que foi abordada se-

gundo as especificaes da Unio Internacional de Telecomunicaes, bem como as

perdas oferecidas por componentes passivos e linhas de transmisso.

O Captulo 6 apresenta as duas plataformas computacionais geradas ao longo

do curso de mestrado. A primeira ferramenta computacional um programa para

anlise de amplificadores que funcionou como uma grande ferramenta para a valida-

o do Lema 1. O segundo programa voltado para o clculo de enlace via satlite,

que oferece quatro rotinas para determinao dos principais fatores e parmetros em

um link de satlite. Ambas as plataformas so programas originais.

Por ltimo, o Captulo 7 apresenta os principais objetivos alcanados por este

trabalho e sugere novas linhas de trabalho dentro desta rea de pesquisa.

Os apndices e anexos so complementos do texto principal, na inteno de fa-

cilitar a leitura e apresentar detalhes no essenciais para o entendimento do texto. No

Apndice A, esto apresentadas todas as faixas de freqncias empregadas em mi-

croondas , com a nomenclatura e a banda que abrange. O Apndice B apresenta re-

sultados que validam as equaes para clculo da abertura de feixe nas antenas. O

Apndice C apresenta alguns dos resultados dos produtos de intermodulao, para

3anlise com trs e quatro portadoras, que permitiram formular, atravs do Mtodo de

Induo Finita, os Lemas enunciados no Captulo 4. No Apndice D, est a demons-

trao referente deduo da equao (5.4) apresentada no Captulo 5. Para finalizar,

o Apndice E apresenta as listagens dos programas apresentados no Captulo 6.

No Anexo I, esto apresentadas as equaes para determinao de azimute e

elevao das antenas utilizadas nas estaes terrenas e a distncia entre as mesmas e

os satlites. No Anexo II, so apresentadas as equaes bsicas das modulaes e os

grficos de desempenho para os casos mais usuais em comunicao via satlite. No

Anexo III, feita a apresentao dos clculos de temperatura equivalente de rudo,

figura de rudo e relao (G/T).

4Captulo 2

Estaes Terrenas em Comunicao Via Satlite

com rbita Geoestacionria

2.1. Introduo

Um enlace de comunicao via satlite, operando em SHF e em posio orbital

geoestacionria, conta com vrios fatores de degradao que esto ligados ao meio

de transmisso, aos equipamentos utilizados em suas estaes terrenas e ao prprio

satlite, que funciona como elemento de repetio nesta anlise.

Para que o sistema consiga oferecer desempenhos satisfatrios nos mais dife-

rentes tipos de aplicaes e servios, de grande importncia que as estaes de

transmisso e recepo sejam devidamente dimensionadas, para que possam atender,

de forma mais apropriada, a todas as possveis aplicaes comentadas no captulo 1.

Como qualquer outro tipo de comunicao via rdio, o sistema via satlite po-

der oferecer trfego de informao em um ou em ambos os sentidos, dependendo do

tipo de aplicao oferecida.

A transmisso de sinais em apenas uma direo pode ser visualizada atravs da

Figura 2.1. Na condio (a) o sistema atende apenas a um ponto de recepo en-

quanto na condio (b) vrios pontos de recepo so contemplados com o sinal da

estao de transmisso.

A configurao apresentada em (b) a mais empregada dentre as duas apre-

sentadas pela Figura 2.1, pois seu uso bastante comum para difuso de informa-

5es, como realizado em transmisso de sinais de televiso e rdio para todo terri-

trio nacional.

Satlite

Enlace de subida(Up-Link)

Enlace de Descida(Down-Link)

Estao deTransmisso

Estao deRecepo

Satlite

Enlace de subida(Up-Link)

Enlace de Descida(Down-Link)

Estao deTransmisso

Estaes deRecepo

(a) (b)

Figura 2.1. (a) Enlace ponto - ponto em apenas um sentido; (b) Enlace ponto - mltiplos pontos em apenas um sentido.

Para transmisses bidirecionais as estruturas instaladas nos extremos do enlace

so muito semelhantes no que diz respeito aos componentes envolvidos. As especifi-

caes destes componentes que se alteram, para que o sistema atenda s necessida-

des tcnicas e financeiras. A Figura 2.2 apresenta as possibilidades de enlaces bidire-

cionais.

Satlite

Enlace de subida(Up-Link)

Enlace de descida(Down-Link)

Estao deTransmisso

Estao deRecepo

Satlite

Enlace de subida(Up-Link)

Enlace de subida(Down-Link)

Estao deTransmisso

Estao deRecepo

(a) (b)

Figura 2.2. (a) Enlace ponto - ponto nos dois sentidos, empregado em sistemas telefnicos para co-nexo de longa distncia nacional e internacional;

(b) Enlace ponto - mltiplos pontos nos dois sentidos, comum em redes VSAT.

62.2. Configuraes bsicas das estaes

As configuraes bsicas das estaes de transmisso e recepo do enlace re-

presentado pela Figura 2.1 podem ser visualizadas, respectivamente, nas Figuras 2.3

e 2.4.

ModuladorConversor deFreqncia

( Up-Converter)

Amplificador(HPA)Informao

(Anloga ou Digital)

FI70MHz ou 140MHz

Antena

Figura 2.3. Configurao bsica de uma estao de transmisso para operao em um sentido.

Na transmisso, podemos visualizar que a informao analgica ou digital

modulada e entregue, na sada do modulador, com uma freqncia intermediria (FI)

que pode variar de acordo com o sistema ou configurao. O valores tpicos usados

hoje em dia so 70 ou 140 (MHz).

Para sistemas analgicos a modulao em freqncia (FM) predomina, en-

quanto em sistemas digitais existe uma gama maior de possibilidades, tais como

2FSK, BPSK, QPSK, 8PSK e 16QAM com suas derivaes.

Nos sistemas digitais, as modulaes de ordem mais elevada podem promover

uma reduo espectral considervel. No entanto, por limitaes de linearidade nos

satlites, o uso de modulaes QAM acompanhado de muitas restries, o que faz

seu uso bastante limitado.

O sinal modulado em FI convertido pelo Up-Converter para faixa de trans-

misso do enlace, podendo ocorrer em Banda C, Banda X, Banda Ku, Banda Ka e

outras (Apndice A).

O sinal modulado e convertido para sua faixa de canal amplificado pelo am-

plificador de alta potncia (HPA - High Power Amplifier) e aplicado a uma antena de

transmisso que o irradia em direo ao satlite, com o nvel de potncia adequado

para atender s necessidades do enlace.

7LNA Down-Converter DownConverter

LNB FI70MHz ou 140MHz

Antena

Demodulador

Informao(Anloga ou Digital)

Banda L

Figura 2.4. Configurao bsica de uma estao de recepo para operao em apenas um sentido.

O sinal retransmitido pelo satlite recebido pela antena da estao de recep-

o e amplificado por uma estrutura de baixo rudo (LNA - Low Noise Amplifier).

Este sinal, ainda na faixa de freqncia de recepo em SHF, convertido para ban-

da L ou para 70MHz (140MHz). O sinal de FI aplicado ao demodulador que ofere-

ce, na sada do sistema, o sinal de informao analgico ou digital.

Quando o LNA e o conversor so construdos em um mesmo mdulo e a con-

verso de freqncia realizada de SHF para banda L, o conjunto chamando de

LNB (Low Noise Block).

No mercado de comunicao via satlite comum, principalmente em banda

Ku, a comercializao de um mdulo composto pelo iluminador e pelo LNB, for-

mando uma nica pea. Esta estrutura denominada LNBF (LNB Feed Assembly).

Tanto o LNA como o LNB so muito encontrados em sistemas profissionais,

sendo o LNA em estruturas bidirecionais e o LNB em estruturas unidirecionais. O

LNBF encontrado em grande escala, mas somente em sistemas de uso residencial

para TVRO (Television Reception Only).

A Figura 2.5 apresenta a configurao bsica de uma estao bidirecional que

adotada nos extremos dos sistemas ponto-ponto ou ponto-mltiplos pontos.

Esta configurao a unio de uma estrutura de transmisso com outra de re-

cepo, que compartilham uma mesma antena, utilizando um combinador de sinais

com nveis diferentes que operam em freqncias distintas.

Nas figuras anteriores, tanto para enlaces unidirecionais como para enlaces bi-

direcionais, no foi apresentado nenhum tipo de rastreador de sinais para as antenas.

No entanto, em comunicaes via satlites geo-estacionrios, comum a utilizao

de sistemas de rastreamento (tracking systems) realimentados pelo nvel de sinal re-

8cebido, que permitem sempre o melhor posicionamento das antenas que possuem alta

diretividade, com pequenas aberturas de feixe. Neste trabalho no se pretende abor-

dar as estruturas de rastreamento.

LNA Down-Converter DownConverter

LNB FI70MHz ou 140MHz

Demodulador

Informao(Anloga ou Digital)

Banda L

Antena

Amplificador(HPA)

Conversor deFrequncia

(Up-Converter)Modulador

FI70MHz ou 140MHz

Informao(Anloga ou Digital)Diplexer

Figura 2.5. Configurao bsica de uma estao de transmisso para operao bidirecional.

Nos tpicos seguintes sero apresentados cada um dos elementos que constitu-

em uma estao terrena, com o estudo de seus principais parmetros.

2.3. Antenas empregadas nas estaes terrenas

Em enlaces de microondas via satlite as antenas mais comuns derivam de trs

principais classes de antenas, sendo estas1:

q Antenas cornetas (Horn Antenna);

q Rede de antenas em fase (Phased Array Antenna).

q Antenas parablicas (Parabolic Antenna);

As antenas do tipo corneta so muito utilizadas como elemento de referncia

em testes de componentes dos sistemas via satlite, pois oferecem altas figuras de

mrito. O uso destas antenas em aplicaes comerciais no foi difundido, pois, quan-

do se necessita de ganhos elevados, o tamanho das estruturas cresce bastante, au-

mentando o custo. O uso de cornetas foi de grande relevncia nos primeiros sistemas

9de comunicao via satlite, como nas experincias realizadas com o TELSTAR na

Frana2.

As redes de antenas em fase so usadas quando o feixe ou a cobertura do sat-

lite est em constante movimento, como no caso de satlites de rbita mediana e bai-

xa, ou para enlace com satlite geoestacionrio com um dos terminais, sendo mvel,

em terra. Dentro deste conceito existem modelos clssicos muito presentes no mer-

cado atual.

A localizao de veculos utiliza enlaces de rdio com satlites geoestacionri-

os trabalhando com taxas de transmisso muito baixas, exigindo pequenas larguras

de faixa e, conseqentemente, nveis muito pequenos de sinal para viabilizar a co-

municao.

Neste caso, as redes de antenas em fase com baixa diretividade, so construdas

em circuito impresso com elementos de micro-linhas, possibilitando unidade mvel

se comunicar em qualquer ponto de operao do satlite, sem a necessidade de

apontamento manual ou automtico.

Outro exemplo de uso de redes de antenas em fase, so as unidades de comuni-

cao empregadas com os satlites INMARSAT. Para possibilitar a construo da

antena de forma a facilitar o transporte e a adaptao com os outros equipamentos,

so utilizadas estruturas em micro-linha, montadas em substratos planos e de fcil

acomodao. Com um nmero maior de elementos, esta rede se torna mais diretiva

exigindo apontamento. Na maioria dos casos o apontamento simples e rpido, per-

mitindo o uso destes equipamentos em embarcaes martimas, em coberturas jorna-

lsticas de guerras e catstrofes naturais, bem como em outras condies adversas.

Em todos estes exemplos o baixo ganho das antenas limita a operao dos en-

laces com taxas elevadas de transmisso. Quando se necessita de taxas mais altas

imprescindvel o uso de antenas de maior ganho.

Por este motivo, as antenas com uso de refletores parablicos foram as que

trouxeram mais vantagens para os enlaces com satlites geo-estacionrios, aliando

altos ganhos com pequenas dimenses, baixo custo e facilidade de instalao.

Dentre os modelos mais encontrados no mercado, podemos destacar as antenas

com montagem simtrica, conhecidas como prime-focus; as antenas com iluminao

10

deslocadas, chamadas de offset antennas; e as antenas com duplo refletor que se di-

videm em dois outros tipos chamados de cassegrain antennas e gregorian antennas.

2.3.1. Antenas Prime-Focus

A antena prime-focus aquela em que o alimentador (feeder) instalado no

ponto focal do refletor parablico (parabolide). A maior limitao desta configura-

o a reduo da eficincia, devido ao fato de o iluminador bloquear parte da rea

iluminada do refletor.

Esta obstruo, alm de reduzir a eficincia, tambm aumenta a intensidade

dos lbulos laterais, devido difrao por obstculo. Esta condio de aumento dos

lbulos laterais faz com que a radiao emitida pela superfcie terrestre seja captada

pelo iluminador, como se ocorresse um transbordamento da rea iluminada. A con-

seqncia deste efeito o aumento da temperatura de rudo das antenas3.

Os lbulos laterais e, conseqentemente, o transbordamento podem ser atenua-

dos, se o dimetro do alimentador for diminudo. Para obter uma baixa temperatura

de rudo, faz-se necessrio a utilizao de um alimentador direcional e uma maior

distncia do ponto focal1.

Transbordamento(Lbulos Laterais)

Diagrama doIluminador

Superfcie Terrestre

RefletorParablico

DistnciaFocal

Iluminador(Alimentador)

0

Y0

D

Figura 2.6. Antena prime-focus com refletor simtrico.

Este tipo de antena no o mais adequado para a instalao de circuitos e m-

dulos eletrnicos atrs ou ao lado do iluminador. O volume destes mdulos pode

aumentar, consideravelmente, o efeito de obstruo.

11

Por este motivo, este tipo de antena largamente utilizado para estaes onde

s ocorre recepo, pois a dimenso dos mdulos amplificadores de baixo rudo

(LNA e LNB), em pouco, iro prejudicar o desempenho da antena, como apresentado

na Figura 2.6.

2.3.2. Antena Prime-Focus com montagem Offset

A antena prime-focus com montagem offset aquela em que o alimentador se

localiza no foco, mas com uma angulao em relao ao vrtice do refletor parabli-

co, como demonstrado na Figura 2.7. Esta construo resulta numa iluminao de

apenas um dos lados do parabolide, o que permite a instalao de mdulos eletrni-

cos, tanto para recepo como para transmisso, junto ao iluminador (feeder), sem

que ocorra nenhum tipo de obstruo rea iluminada.

Conseqentemente, a eficincia da antena aumenta, se comparada configura-

o simtrica. No entanto, como os lbulos laterais (transbordamento) continuam

voltados para a terra, a temperatura equivalente de rudo da antena continua nos

mesmos patamares que os encontrados para a condio anterior.

A anlise de vrias antenas de diferentes fabricantes possibilitou a obteno de

valores mdios de eficincia para as antenas prime-focus com montagem simtrica

ou offset.

0

Y0 Vrtice do Refletor Parablico

Transbordamento(Lbulos Laterais)

Iluminador(Alimentador)

Dis

tnc

iaFo

cal

RefletorParablico

SuperfcieTerrestre

Figura 2.7. Antena parablica com montagem offset.

Os resultados apontaram para eficincias em torno de 60% para as antenas si-

mtricas e 70% para as antenas offset. As anlises foram realizadas atravs dos dados

12

fornecidos pela Andrew Corporation, JONSA Satellite Antennas, Patriot Antenna

Systems, VISIOSAT e BRASILSAT4,5,6,7,8.

2.3.3. Antena Casegrain

A antena do tipo casegrain uma estrutura formada por dois refletores e um

alimentador (feeder). Na Figura 2.8, o refletor de maior dimenso parablico e de-

nominado de refletor principal. O refletor hiperblico de dimenso menor denomi-

nado refletor auxiliar1.

Y0

0

Sub-RefletorHiperblico

B0

RefletorParablico

Radiaoespalhada pelo

sub-refletorIluminador(Alimentador)

Superfcie Terrestre

Figura 2.8. Antena com duplo refletor do tipo casegrain.

Estes dois refletores so devidamente posicionados no intuito de estabelecer

um conjunto que garanta a maior eficincia de irradiao, apresentando resultados

que solucionem os problemas apontados pelas configuraes j discutidas anterior-

mente.

A disposio dos trs componentes que compem a antena casegrain depende-

r dos focos dos dois refletores empregados na estrutura. O alimentador instalado

no vrtice do refletor principal, na posio do primeiro foco do refletor auxiliar que,

na Figura 2.8, est representado pelo ponto A e o segundo foco do refletor auxiliar

deve coincidir com o ponto focal do refletor principal, como representado pelo ponto

B.

13

A configurao da antena casegrain permite que os equipamentos de transmis-

so e recepo sejam instalados junto ao alimentador sem que ocorram atenuaes

elevadas. Para antenas de grandes dimenses instaladas em grandes tele-portos, as

distncias entre os alimentadores e os ambientes onde esto instalados os equipa-

mentos so muito grandes. No intuito de no trabalhar com altas perdas com cabos

ou guias de onda, os equipamentos de transmisso e recepo so ligados aos ali-

mentadores atravs de estruturas de reflexo guiada, como na Figura 2.91,9,10. Toda

esta estrutura permite que as antenas de grande porte sejam movimentadas nos dois

planos, com possibilidade de ajuste dos ngulos de azimute e elevao.

D

A B

C

Iluminador

PrimeiroRefletor Plano

SegundoRefletor Curvado

TerceiroRefletor CurvadoQuarto

Refletor Plano

RefletorPrincipal

Ponto Virtual do Iluminador em configurao convencional

Figura 2.9. Estrutura para reflexo da onda eletromagntica entre o iluminador

e a antena, sem uso de cabos ou guias de onda.

A antena casegrain modelada usando o conceito de um refletor parablico

equivalente, resultando em uma estrutura igual primefocus, com um nico refletor

14

parablico e de igual dimetro ao refletor principal, mas com uma distncia focal

diferente, dada por fe, como apresentado na Figura 2.101,11.

0

d s

fefd

fa

D

e

d hAB

Figura 2.10. Antena casegrain com duplo refletor e o modelo equivalente com refletor nico e alimentao no ponto focal.

Comparando a antena casegrain de duplo refletor com a sua estrutura equiva-

lente, conclui-se que a mesma ocupa um pequeno volume pois fd < fe, mas com a

vantagem de uma antena com grande distncia focal. As antenas com maior distncia

focal apresentam como vantagem uma maior uniformidade de iluminao em todo

refletor. Em contrapartida, as temperaturas equivalentes de rudo so mais elevadas.

As antenas casegrain oferecem temperaturas equivalentes de rudo muito bai-

xas, por dois motivos principais: primeiro, os lbulos laterais (transbordamento) do

iluminador esto voltados para o espao e no para a terra, como ocorre nas antenas

apresentadas anteriormente; o segundo motivo est ligado diretividade do alimen-

tador que muito maior, resultando em lbulos laterais muito menores.

O alto valor da distncia focal equivalente fe permite o uso de alimentadores

direcionais. Desta forma as distncias fd e fa podem ser reduzidas atenuando conside-

ravelmente os lbulos laterais.

A desvantagem da antena casegrain est relacionada aos efeitos gerados pela

obstruo do refletor auxiliar. Esta obstruo causa uma pequena reduo de ganho e

de largura de feixe e um significativo aumento dos lbulos laterais.

15

Estes efeitos so desprezveis para pequenos valores da frao (dh/D). Para an-

tenas de mdio porte os efeitos do refletor auxiliar podem ser administrados, se as

dimenses envolvidas na construo das antenas seguirem as relaes apresentadas

nas equaes 2.1 e 2.29.

h

a

d

a

dd

ff

= (2.1)

=

a

da

fdh

l2(2.2)

onde af a distncia entre o alimentador e o foco do refletor principal (A-B), df a

distncia do ponto focal do refletor parablico principal, ef a distncia focal equi-

valente do refletor principal, ad o dimetro da flange do alimentador, hd o di-

metro do refletor hiperblico auxiliar, D o dimetro do refletor parablico principal

e ah a eficincia do alimentador.

2.3.4. Antena Gregoriana

A construo da antena gregoriana baseada na configurao do telescpio

gregoriano, que possui um refletor principal com aspecto parablico e um refletor

auxiliar elptico. A forma de operao idntica da antena casegrain, como pode

ser visualizado na Figura 2.113.

Nas antenas de grande porte para aplicaes comerciais, a escolha da configu-

rao casegrain ou gregoriana ocorre muito em funo do fabricante escolhido, pois

so os mesmos que optam por uma ou outra configurao nos seus processos de fa-

bricao, dado que estas antenas apresentam desempenhos equivalentes.

Tanto para as antenas casegrain como para as antenas gregorianas, pode-se

utilizar a tcnica de construo offset, no intuito de eliminar os problemas causados

pelo refletor auxiliar.

Normalmente, os fabricantes oferecem a eficincia total da estrutura, mas nun-

ca os fatores de perda de cada um dos elementos que a compem. A tabela 2.1, ex-

trada do artigo de N. Lockett, demonstra as eficincias de uma antena casegrain de

16

grande porte. Os valores tericos confirmaram o desempenho obtido de cada um dos

componentes testados e medidos12.

S2 S1S1S2

Refletor ParablicoPrincipal

Refletor AuxiliarHiperblico

Iluminador Iluminador

Refletor ParablicoPrincipal

Refletor AuxiliarElptico

Figura 2.11. Antenas casegrain e gregoriana.

Iluminador

Refletor AuxiliarElptico

Refletor ParablicoPrincipal

Figura 2.12. Antena gregoriana com montagem offset.

17

Tabela 2.1. Eficincias parciais e total de antena casegrain.

Fator de Eficincia Smbolo Perda (%) Perda (dB) Eficincia (%)

Alimentador ah 1,34 0,059 98,66

Refletor hiperblico

auxiliar Ihh 11,73 0,542 88,27

Refletor parablico

principal Iph 4,00 0,177 96,00

Perdas por obstruo do

refletor auxiliarohh 7,40 0,334 92,60

Erros de Fase e erros de

superfcieefsh 7,56 0,340 92,44

Erros de Polarizao eph 1,15 0,050 98,85

Eficincia Total h - - 70,74

Perda Total - - 1,502 -

Embora no sejam usuais, existem vrias outras formas de implementao das

antenas casegrain e gregoriana, utilizando refletores cncavos, convexos e planos,

como apresentado na Figura 2.1311.

2.3.5. Parmetros eltricos das antenas

A anlise eltrica das antenas permite a identificao de diversos parmetros,

dependendo da forma com que se realiza a abordagem. No entanto, a inteno deste

trabalho apresentar os principais pontos que fazem parte do dimensionamento de

um enlace via satlite.

2.3.5.1. Polarizao

A polarizao da antena descrita como sendo a orientao com que se apre-

senta o campo eltrico da onda irradiada. A polarizao da antena determinada na

direo de mxima irradiao, ou na direo do chamado lbulo principal.

I A eficincia dos refletores auxiliar e principal est intimamente ligada intensidade de irradiao

nos lbulos laterais. Quanto menor a eficincia de ambos, maior a incidncia de lbulos laterais.

18

P AR

HIP

PAR PAR

ELI

PAR P LANO PARPAR

HIP

PAR

PAR, P ARPLANO

PAR

PAR ELI

PARPAR

ELI

(a) (b) (c)

(d) (e) (f ) (g)

Figura 2.13. Diferentes formas para estruturas casegrain e gregoriana empregandorefletores Elpticos (ELI), Parablicos (PAR), Hiperblicos (HIP) e Planos.

Como o campo eltrico da onda composto por componentes ortogonais, o

mesmo pode ser representado atravs da equao (2.3)

( ) ffqq aww tEtEE ++=

coscos (2.3)

onde

E o vetor campo eltrico, q e f so os vetores unitrios e ortogonais, qE e

fE so amplitudes das componentes do campo no domnio da freqncia e a a

defasagem no tempo entre estas duas componentes.

Analisando a equao, verifica-se que a polarizao linear, se a = 0 ou a = p.

No entanto, se2p

a = ou2

3pa = a polarizao circular, com sentido de giro anti-

horrio e horrio, respectivamente. As condies intermedirias geram a polarizao

elptica, com sentido anti-horrio para a < p e sentido horrio para a > p 13.

Esta caracterstica permite que, em comunicao via satlite, exista a reutiliza-

o de freqncia, ou seja, a utilizao de dois sinais de mesma freqncia, mas ope-

rando com polarizaes opostas em uma mesma antena tanto para transmisso como

para recepo. Com isso, uma mesma banda em microondas pode ter sua quantidade

19

de canais duplicada. A Figura 2.14 apresenta a disposio tpica de canais para sat-

lites.

. . .

. . .

BW = 500MHzBanda Total

Banda de Guardaentre Transponders

Bandado Transponder

1A 2A 3A 12A

1B 2B 3B 12B

Espaamentoentre Canais

PolarizaoHorizontal

PolarizaoVertical

Figura 2.14. Disposio tpica dos canais oferecidos pelos

satlites de comunicao geoestacionria.

A discriminao de polarizao a diferena de nvel entre o sinal recebido

com polarizao definida pela onda e a polarizao ortogonal a da ondaII. Teorica-

mente, esta relao deve tender a valor infinito, mas, na prtica, o seu valor mensu-

rvel e deve atingir grandezas que podero variar entre 30dB e 45dB.

Nos enlaces via satlite, recomenda-se que a discriminao entre polarizaes

seja superior relao portadora rudo nominal do enlace, para que os canais de uma

polarizao no interfiram na outra.

Quando a onda eletromagntica se propaga na atmosfera, ocorre uma alterao

na posio espacial do vetor campo eltrico, fazendo com que a polarizao da onda

se altere. Para solucionar este problema, os primeiros satlites foram concebidos com

polarizaes circulares, para que esta condio externa no afetasse o desempenho

do sistema.

Com a experincia adquirida ao longo dos anos, percebeu-se que a rotao de

fase existe e praticamente constante ao longo do tempo, podendo sofrer pequenas

II Para polarizao circular a discriminao de polarizao medida em funo do sentido de giro

do vetor campo eltrico em funo do tempo ,podendo ser polarizao circular horria ou anti-ho-

rria.

20

alteraes de uma regio para outra, mas mantendo-se praticamente inalterada para

uma dada regio.

Por este motivo, atualmente, os novos satlites operam com polarizao linear,

pois a polarizao circular oferece como desvantagem a perda de, aproximadamente,

6dB no processo de recepo do sinal. Esta atenuao ocorre pela utilizao de pola-

rizadores construdos com materiais anisotrpicos, que convertem as polarizaes

circulares direita e esquerda em polarizaes lineares vertical e horizontal, res-

pectivamente.

2.3.5.2. Diagrama de radiao

A intensidade de sinal radiada pelas antenas em cada direo, varia de acordo

com a estrutura fsica das mesmas. Na maioria dos casos, os projetos de antenas ou

de redes de antenas so realizados para que um determinado diagrama de irradiao

seja atendido.

De forma generalizada, a intensidade do campo medido, varia em funo da

distncia e da concepo do prottipo, o que permite o uso da equao (2.4)

( )fq ,0 fr

EE =

(2.4)

onde 0E a intensidade do campo na origem do sistema; r a distncia radial, do

ponto onde est sendo realizada a medida origem e f(q,f) estabelece a funo de

radiao do prottipo singular.

Neste modelo de representao do campo eltrico, conclui-se que, para uma

determinada esfera de raio r, a forma da distribuio do campo sobre a esfera ser

dada pelo fator ( )fq ,f que descreve o diagrama de radiao.Respeitando-se a condio de campo distante, pode-se afirmar que a forma do

diagrama de radiao ser sempre a mesma, independentemente da distncia utiliza-

da para se fazer a medio. Por este motivo, trabalha-se de forma normalizada, de

modo a fazer com que o mximo valor radiado seja representado por 1 e os demais

valores oferecidos de forma proporcional em escala linear ou logartmica. O diagra-

ma de radiao pode ser representado na forma tridimensional, ou por planos vertical

21

e horizontal com uso de coordenadas retangulares ou polares. A Figura 2.15 de-

monstra o diagrama de radiao de uma antena com refletor parablico, em notao

retangular e polar.

-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

MeiaPotncia

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

Figura 2.15. Diagrama de irradiao de uma antena de microondas com refletor parablico.

No diagrama de radiao da Figura 2.15, pode-se verificar a presena dos l-

bulos laterais e a abertura de feixe definida como sendo a distncia em graus entre os

pontos de meia potncia, tomando como referncia o valor radiado na direo de

mximo.

2.3.5.3. Diretividade e Ganho

A diretividade de uma antena pode ser traduzida como sendo a capacidade que

a mesma possui em concentrar sinal em uma determinada direo, segundo um n-

gulo slido limitado. Quanto menor este ngulo, maior a diretividade13.

Devido reciprocidade oferecida pelas antenas, a diretividade tambm pode

ser definida como sendo a maior capacidade de recepo do sinal em uma determi-

nada direo.

Analiticamente, a diretividade pode ser traduzida como a razo entre a densi-

dade de potncia em uma determinada direo da antena sob estudo pela densidade

22

de potncia da antena de referncia que, na maior parte dos casos, a antena isotr-

pica

( ) ( )20000 4,,rP

SDpfq

fq = (2.5)

onde ( )00 ,fqD a diretividade para um determinado ngulo slido, ( )00 ,fqS a

densidade de potncia na direo ( )00 ,fq , 24 rPp

a densidade de potncia a uma

distncia r de uma antena isotrpica.

Quando as antenas so muito diretivas, o clculo da diretividade bastante

simplificado, pois pode ser aproximado levando-se em considerao o ngulo slido

obtido pela regio contemplada entre os pontos de queda de 3dB (Abertura de Feixe)

nos planos ortogonais q e f.

Em condies reais, nem toda potncia que alimenta a antena realmente ra-

diada. Portanto, criou-se o conceito de ganho de potncia onde so consideradas as

perdas, atravs da eficincia como demonstrado na equao (2.7).

Para as antenas com refletor parablico a diretividade e o ganho podem ser cal-

culados em funo da freqncia de operao e do dimetro do refletor principal,

como apresentado nas equaes (2.6) e (2.7)11,13,14.

2

=

lp dD (2.6)

2

==

lp

bhdGDG (2.7)

onde b a eficincia global, dada por b= Kg, sendo K a eficincia de radiao e g a

eficincia de abertura.

Na recepo do sinal trabalha-se com o conceito de rea efetiva, que tambm

pode ser utilizada para clculo da diretividade e ganho, e vice versa. A rea efetiva

para antenas com refletores parablicos pode ser obtida atravs da equao (2.8)

2

4dAEFETIVA =

pg (2.8)

23

No dimensionamento de enlaces via satlite, importante saber a variao de

ganho em direes distintas daquela de valor mximo, pois, atravs deste dado,

possvel calcular as perdas por apontamento e as possveis interferncias.

Para clculo da largura de feixe de 3dB em graus, so utilizadas as equaes

(2.9) e (2.10), para iluminaes uniformes e no uniformes, respectivamente1. Estas

equaes foram testadas neste trabalho, atravs de comparaes com dados medidos

e divulgados por diferentes fabricantes de antenas, resultando em valores muito pr-

ximos, validando o seu uso4,5,6,7,8 (Apndice B).

=

DdBl

q 5,583 (2.9)

=

DdBl

q 703 (2.10)

O ganho de uma antena para uma dada direo q com relao ao ponto de m-

ximo, pode ser calculado em funo da direo desejada q, da abertura de feixe dB3q e

do valor de ganho mximo G , como apresentado na equao (2.11)III.

( )2

3

12

-=

dBdB GG q

qq (2.11)

Trabalhando com as equaes (2.7), (2.9) e (2.10) pode-se obter os resultados

apresentados pelas equaes (2.12) e (2.14) para as antenas com iluminao unifor-

me e (2.13) e (2.15) para antenas com iluminao no uniforme.

2

3

5,58

=

dB

Gq

ph (2.12)

2

3

70

=

dB

Gq

ph (2.13)

GdBh

pq 5,583 = (2.14)

III Esta equao vlida somente para ngulos pequenos (0 q 23dBq ).

24

GdBh

pq 703 = (2.15)

2.3.5.4. Temperatura de Rudo

Em comunicao via satlite os nveis envolvidos na recepo de sinais so

muito baixos, exigindo que a temperatura de rudo das antenas seja bem reduzida,

para que um bom desempenho do sistema seja alcanado.

No caso das antenas com refletores parablicos, a temperatura de rudo afeta-

da pelos lbulos secundrios do diagrama de radiao e pelo ngulo de elevao da

antena, com relao superfcie terrestreIV. Outros fatores ligados ao ambiente em

que est instalada a antena podem influenciar nesta grandeza. De forma generalizada,

a temperatura da antena pode ser traduzida, matematicamente, pela equao (2.16).

( ) ( )

= fqqfqfq

pddsinGTT bA ,,4

1(2.16)

onde AT a temperatura equivalente da antena (K); ( )fq ,bT a temperatura de brilho

de radiao do corpo localizado na direo ( )fq , em que a antena oferece ganho( )fq ,G .

Este dado oferecido pelos fabricantes atravs de tabelas ou curvas. A Figura

(2.16) apresenta o comportamento da antena de 4,9m da Andrew Corporation ope-

rando em banda C4.

Existe a influncia do sol que se traduz, de maneira mais expressiva, em comu-

nicao via satlite, na ocorrncia de eclipses. Estes eventos so previstos e ampla-

mente divulgados pelos operadores de satlite, pois geram grandes degeneraes na

qualidade da transmisso, em pequenos intervalos de tempo. Nesta condio, a tem-

peratura de rudo das antenas aumenta consideravelmente, pois o lbulo principal

fica alinhado com o satlite e o sol, fazendo com que o nvel de rudo supere aquele

do sinal em vrios momentos.

IV O Anexo I, aborda o apontamento da antena da estao terrena para satlites geoestacionrios.

25

0 10 20 30 40 50 6032

34

36

38

40

42

44

46

Elevao (o)

Tem

pera

tura

(k)

Figura 2.16. Temperatura equivalente de rudo da antena em funo do ngulo de elevao.

2.3.5.5. Banda de operao e impedncia

Para antenas utilizadas em comunicao via satlite a banda de operao pode

ser influenciada pelo tipo de refletor e pelo alimentador. Quando o refletor parabli-

co macio e com baixa rugosidade, a banda pode ser alterada apenas com a mudan-

a do alimentador. O mesmo no ocorre com os refletores construdos com tela.

Neste caso, medida que a freqncia aumenta agravam-se os problemas com rugo-

sidade e tamanho do furo de tela, no permitindo a migrao de uma banda mais bai-

xa para outra mais alta, na maioria dos casos.

A impedncia da antena ser definida em funo do iluminador e, normalmen-

te, sua leitura realizada atravs dos parmetros VSWR , G e da perda por retorno. A

Tabela 2.2 apresenta os parmetros mais importantes da antena de 3,7m com uso de

dois refletores nas bandas C, X, Ku e K.

26

Tabela 2.2. Especificaes eltricas da antena de 3,7 metros da Andrew Co.

Recepo Transmisso

C 3,40 - 4,20 GHz 5,850 - 6,725 GHz

X 7,25 - 7,75 GHz 7,90 - 8,40 GHz

Ku 10,70 - 13,25 GHz 13,75 - 14,80 GHzFreqncia de Operao

K 10,70 - 13,25 GHz 17,30 - 18,40 GHz

3,400 GHz - 41,0 dB 5,850 GHz - 45,9 dB

3,625 GHz - 41,6 dB 6,175 GHz - 46,4 dB

4,000 GHz - 42,7 dB 6,425 GHz - 46,6 dB

4,200 GHz - 43,1 dB 6,725 GHz - 46,9 dB

7,250 GHz - 47,7 dB 7,900 GHz - 48,2 dB

7,500 GHz - 47,9 dB 8,150 GHz - 48,4 dB

7,750 GHz - 48,1 dB 8,400 GHz - 48,6 dB

10,700 GHz - 50,6 dB 13,75 GHz - 52,5 dB

10,950 GHz - 50,8 dB 14,00 GHz - 52,7 dB

11,950 GHz - 51,6 dB 14,25 GHz - 52,8 dB

12,750 GHz - 52,1 dB 14,50 GHz - 53,0 dB

- 14,80 GHz - 53,2 dB

- 17,30 GHz - 54,8 dB

Ganho

- 18,40 GHz - 55,2 dB

C 1,20o 0,80 o

X 0,42o 0,36 o3 dB

Ku e K 0,65o 0,42 o

C 2,0 o 1,40 o

X 0,85 o 0,69 o

Ku 1,19 o 1,09 o

Largura de Feixe

15 dB

K 0,85 o 0,60 o

C 43 K -

X 48 K -10o

Ku e K 52 K -

C 52 K -

X 39 K -

Temperatura

de

Rudo da Antena50o

Ku e K 37 K -

27

2.4. Modulao e demodulao

Em sistemas de comunicao via satlite existe uma grande necessidade de se

trabalhar com a mxima eficincia na retransmisso de sinais. Por este motivo, os

sistemas de amplificao operam nas regies de saturao, oferecendo distores que

limitam a utilizao de modulaes com variao de amplitude. Dentro desta condi-

o, as modulaes normalmente utilizadas em comunicao via satlite so as que

se baseiam em variaes de freqncia e fase.

2.4.1. Modulao FM em sistemas analgicos

Nos sistemas analgicos utiliza-se a modulao FM, principalmente para emis-

soras de rdio difuso sonora e televisiva.

O modulador de FM no trabalha apenas com a modulao propriamente, mas

tambm com processamento do sinal modulante que garante um bom desempenho de

todo o processo. As Figuras 2.17 e 2.18, apresentam o diagrama em blocos do mo-

dulador e do demodulador, respectivamente.

Filtro BandaBsica

Prnfase

Modulador deFM

Filtro deLoop

Filtro de FI

Buffer

PLL

Sada de FI70MHz

(140MHz)

Figura 2.17. Diagrama em blocos de um modulador FM

Nota-se no modulador de FM a utilizao de um circuito de pr-nfase. O uso

deste circuito se deve ao fato de que, no processo de demodulao, a amplitude do

28

rudo dentro da banda do sinal demodulado aumenta em funo do aumento de fre-

qncia.

No processo de modulao, aumenta-se a amplitude dos sinais de freqncias

mais elevadas antes do modulador, para fazer com que a relao C/N se mantenha

constante para todas as componentes da banda bsica.

Este reforo de ganho nas componentes mais elevadas em freqncia realiza-

do atravs de um circuito RC diferenciador, com constante de tempo t , que varia de

acordo com as normas de cada pas. O comportamento do circuito de pr-nfase,

pode ser visualizado na Figura 2.19.

Limitadorde FI

Discriminador de FI

Filtropassabaixa

D-nfaseFiltro daBanda

Modulante

Filtro deFI

70MHz(140MHz)

Figura 2.18. Diagrama em blocos de um demodulador FM.

Na demodulao instalado o circuito de d-nfase que oferece comporta-

mento contrrio e permite a reproduo do sinal de banda base (sinal modulante) sem

nenhum tipo de distoro. A Figura 2.19 apresenta esta condio.

f

V

f

V

Sinal modulante Sinal modulante apsa pr- nfase

f

V

Sinal demoduladof

V

Sinal e rudoaps a d-nfase

Rudo

Sinal

Transmisso

Recepo

Figura 2.19. Pr-nfase e d-nfase empregadas na modulao ena demodulao de FM, respectivamente.

29

O modulador de FM um oscilador controlado por tenso (VCO), que altera a

freqncia do sinal de sada em funo do sinal modulante de entrada. Este oscilador

controlado por um sistema PLL (Phase Lock Loop) que garante a estabilidade da

freqncia, sem prejudicar o processo de modulao.

No estgio do demodulador so utilizados dois circuitos no processo de demo-

dulao da portadora FM. Inicialmente, o sinal de FI passa por um circuito limitador,

que retira a modulao em amplitude do sinal, permitindo que apenas a componente

de modulao em fase do rudo chegue ao discriminador. O limitador tambm inibe a

interferncia por rudo impulsivo.

O discriminador utilizado em FM construdo por um filtro de curva S, que

responde com variao linear e inclinada dentro da banda do canal de FI, fazendo

com que em sua sada tenhamos a variao de freqncia traduzida em variao de

amplitude. Este sinal com variao de amplitude proporcional variao de freqn-

cia, ir conter, na envoltria, a informao do sinal modulante. Dentro desta condi-

o, o sinal ento aplicado a um detetor de envoltrio que oferece, em sua sada, o

sinal de banda bsica.

Tanto na modulao quanto na demodulao so utilizados filtros que possibi-

litem a limitao de banda, o que permite reduzir o nvel de rudo no caso dos filtros

de FI, e ou eliminar sinais indesejados, como a funo dos filtros de banda base.

Maiores detalhes da modulao FM utilizada em comunicao via satlite, po-

dem ser vistas no Anexo II.

2.4.2. Modulaes digitais.

Os sistemas digitais esto, na grande maioria das aplicaes, em comunicaes

via satlite, substituindo, a cada dia, os sistemas analgicos ainda existentes. As mo-

dulaes digitais mais empregadas em comunicao via satlite so as modulaes

em fase e freqncia. Por este motivo, podemos destacar as modulaes PSK (Phase

Shift Key) e FSK (Frequency Shift Key), como sendo as mais comuns, embora j se

encontre no mercado alguns sistemas utilizando modulaes QAM (Quadrature Am-

plitude Modulation), ou mais precisamente, a modulao 16QAM.

30

No caso das modulaes QAM existem restries devido s distores causadas

pela falta de linearidade dos satlites, o que obriga a utilizao de sistemas de pr-

correo. As modulaes digitais mais comuns em comunicao via satlite esto

abordadas de forma mais detalhada no Anexo II.

Nos sistemas digitais comum a utilizao de cdigos para correo de erro,

pois possibilitam uma melhoria significativa no desempenho do sistema. As tcnicas

de correo de erro trabalham com a adio de informao no feixe de dados, fazen-

do com que a mensagem possa ser recuperada mesmo na ocorrncia de erros. No

entanto, a correo de erro aumenta a taxa de transmisso, que provoca o conse-

qente aumento da banda de transmisso, ocupando uma largura maior da faixa de

canal.

Um parmetro que pode ajudar na anlise do impacto da correo de erro na

ocupao de banda o FEC (Forward Error Correction). Em uma seqncia de bits

transmitidos, existe uma quantidade referente a dados e uma outra que corresponde

ao cdigo de correo. A relao entre o nmero de bits de dados de uma seqncia

pelo nmero total de bits da mesma seqnci