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CSAT 1
Comunicaciones por SatComunicaciones por SatééliteliteCurso 2008Curso 2008--0909
Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Balance de enlaceBalance de enlaceSegunda parteSegunda parte
Miguel Calvo RamónRamón Martínez Rodríguez-Osorio
CSAT 2Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
• Cadena del radioenlace Tierra-Satélite-Tierra• Cálculo de la potencia recibida (fórmula de Friis)• Modelos de atenuación atmosférica y de lluvia• Cálculo de la potencia de ruido. • Temperatura de ruido de antena• Combinación de enlace ascendente y descendente• Calidad de estaciones terrenas• Objetivos de calidad y disponibilidad. Ejemplos de cálculo de
balances de enlace• Amplificación no-lineal. Intermodulación. Optimización del
punto de trabajo• Coordinación• Ejemplos
ÍÍndicendice
CSAT 3Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
El ruido blanco es un proceso aleatorio Gaussiano de media cero yvarianza:
02 N=σ
La densidad espectral de potencia de ruido blanco en doble banda entre-gada a una carga adaptada por una fuente de ruido a temperatura Ts es:
220 skTN
=
Siendo k la cte de Boltzman (10 log10 k = -228.6 dBW/K).
La potencia entregada a una carga adaptada a través de un filtro ideal de banda B es:
N N B kT B Watioss= =0
Ruido BlancoRuido Blanco
CSAT 4Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Temperatura de RuidoTemperatura de Ruido
Fuente deRuido
Potencia disponible (W):
N kT Bs=
Temperaturafísica Ts
Frecuencia (Hz)
B 300 GHzN0(f)
N0/2
BNN =0
CSAT 5Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Ruido de un Ruido de un CuadripoloCuadripolo
G, Nn
Cuadripolo con ruido
G
Cuadripolo sin ruido
TsFuente deruidoexterna
Ts
Fuente deruidoexterna
Te
Fuente equivalentede ruido
CSAT 6Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Si el cuadripolo no es ideal tendrá una ganancia G (o pérdidas L=1/G) y generará ruido propio. El ruido a la salida será:
ns NBkTGN += )(
La ecuación anterior puede reescribirse como:
)(
)(
es
ns
TTGkBGkBNTGkBN
+=
+=
La potencia de ruido generada puede considerarse como producida por un generador ficticio de ruido a la entrada con temperatura equivalente de ruido:
GkBNT n
e =
Ruido de un Ruido de un cuadripolocuadripolo
CSAT 7Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Se define como la relación entre la potencia de ruido a la salida delcuadripolo (sistema) y la potencia de ruido que habría si el sistemano generara ruido y las fuentes de ruido estuviesen a la entrada auna temperatura de referencia T0 de 290 ºK:
00
0 1TT
BGkTNBGkTF en +=
+=
Por tanto la temperatura equivalente de ruido puede obtenerse de lafigura de ruido como:
01 T)F(Te −=
Para un atenuador con pérdidas L su figura de ruido es F=L.
Figura de RuidoFigura de Ruido
CSAT 8Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Temp. Equiv. Ruido LNAs
0
200
400
600
800
1000
1200
1 2 4 6 10 20 40
Frecuencia (GHz)
MezcladorBipolarFETParamParam enfriado
Temperatura Ruido Temperatura Ruido LNAsLNAs
CSAT 9Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Figura de ruido de LNAs
0
1
2
3
4
5
6
7
1 2 4 6 10 20 40
Frecuencia (GHz)
MezcladorBipolarFETParamParam enfriado
Figura de Ruido de Figura de Ruido de LNAsLNAs
CSAT 10Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Amplificadores Amplificadores paramparaméétricostricos• Varactor: condensador de capacidad controlable por tensión• Tres señales: bombeo (diodo Gunn), señal RF a amplificar y la
combinación de ambas• Al variar la capacidad bruscamente (bombeo), aumenta el voltaje
para mantener constante la carga (Q=CV)• A cada paso de bombeo se obtiene una pequeña amplificación
de la tensión proporcional a la variación de la capacidad
Fuente:
CSAT 11Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
LNAsLNAs comercialescomerciales
282.225.5-27.0EDO Corp.
50, 6065, 75, 80, 8510-95-12.75Comtech KLNA1520 $
27.5<0.72.0-2.15EDO Corp.
60, 63, 6650, 53, 56110 - 6511.7-12.2Maxtech UC-1200
995 $
50, 6030, 35, 40, 453.4-4.23.625-4.24.5-4.8
Comtech CLNA1420 $
> 45 dB453.4-4.2SPC490 $
50, 65, 7030 - 453.4-4.8Paradise RF-30001750 $
151137 MHzWraase MX-137
Ganancia (dB)Truido (K)NF (dB)Banda (GHz)Fabricante
CSAT 12Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
LNA comercialesLNA comercialesLNA para banda Ka LNA para banda S
CSAT 13Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
LNB (LNB (LowLow NoiseNoise BlockBlock ConverterConverter))
• Incluyen el LNA, conversor de frecuencia (con OL) y primer amplificador de FI
CSAT 14Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
LNBsLNBs de tipo DUAL y QUADde tipo DUAL y QUADLNB DUAL LNB QUAD
High band/V High band/H Low band/V Low band/H
CSAT 15Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
LNBsLNBs de tipo de tipo TwinTwin, , QuadQuad y y QuattroQuattro
La polarización se controla con una tensión continua (13/18 V), y la banda de frecuencia se selecciona con un tono de 22 KHz[CENELEC: 61319-1].
CSAT 16Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
CuadripolosCuadripolos en Cascadaen Cascada
T T TG
TG G
TG G Ge e
e e em
m
= + + + +−
12
1
3
1 2 1 2 1
LL
mGGGG L21=
G1, Te1 G2, Te2 Gm,Tem
G, Te
CSAT 17Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Ruido total en el ReceptorRuido total en el Receptor
T TL
LL
T T TG
Ae
e= +−
+ +1
1
10 2
3
2
1
TA
Guía
LNA
OL
Mx FI
LNB
TA L1, Te1 G2, Te2 L3, Te3
TAntena Guía Ampl. LNA Mezclador
LNB
CSAT 18Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
La temperatura de ruido de una antena es la suma del ruido captado por la antena:
T G T dA = ∫∫1
4π( ) ( )Ω Ω Ω
Donde G es la ganancia de la antena y T la temperatura equivalente de ruido (temperatura de brillo) en la dirección del ángulo sólido elemental dΩ.
• Ruido terrenal debido a la temperatura del suelo
• Ruido producido por el oxígeno y vapor de agua de la atmósfera
• Ruido producido por la absorción de la lluvia
• Ruido galáctico, Sol, luna, etc.
FUENTES DE RUIDO:
• La Tierra vista desde el satélite es una fuente de ruido
Temperatura de AntenaTemperatura de Antena
CSAT 19Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Temperatura de brillo (Rec. ITUTemperatura de brillo (Rec. ITU--R P.372)R P.372)
0372-03
A
E (0°)
D
C
B
E (90°)F
2 5 2 5 2 5109108 1010 1011
0
10
20
30
40
– 40
– 30
– 20
– 10
t (K
)a
Fa en función de la frecuencia (108 a 1011 Hz)
F (d
B)
a
Frecuencia (Hz)
ABCDE
F
: Ruido artificial mediano en una zona comercial: Ruido galáctico: Ruido galáctico (en dirección del centro galáctico para un haz infinitamente estrecho): Sol en calma (haz con ½ grado de abertura orientado hacia el Sol): Ruido del cielo debido al oxígeno y al vapor de agua (antena de haz muy estrecho);: curva superior, ángulo de elevación 0°; curva inferior, ángulo de elevación 90°: Cuerpo negro (ruido de fondo cósmico), 2,7 K Nivel de ruido mínimo previsto
(1 GHz)
2,9 × 10
2,9
2,9 × 106
2,9 × 105
2,9 × 104
2,9 × 103
2,9 × 102
2,9 × 10 –1
2,9 × 10–2
CSAT 20Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
• El haz principal de la antena del satélite apunta a Tierra bajo un ángulo de visión de 17.5º.
• La Tierra es una fuente de ruido a 290 K.• Dependiendo del ancho de haz y la zona de cobertura, el
ruido de antena puede ser menor (por ejemplo, los continentes son más ruidosos que los océanos).
• T=290 K (valor conservador).
Ruido de antena en Ruido de antena en uplinkuplink
17.5º
290 K
4 K
4 K
CSAT 21Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Temperatura de brillo (cielo claro)Temperatura de brillo (cielo claro)
Satélites GOES 11 y 12http://cimss.ssec.wisc.edu/goes/realtime/anicsbt_g12.html
CSAT 22Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Temperatura de brillo de la TierraTemperatura de brillo de la Tierra
14 GHz (Modelo ESA/EUTELSAT) Fuente: Maral
CSAT 23Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Temperatura de brillo del Polo SurTemperatura de brillo del Polo Sur
36.5 GHz (Satélite ERS-2) Fuente: ESA
CSAT 24Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Ruido de antena en Ruido de antena en downlinkdownlink• Las fuentes de ruido que llegan a los terminales de la antena
de Tierra son:– Tcs: recibida por la antena en condiciones de cielo despejado. Se
debe a la Tª de fondo del Universo (TU~4ºK) y sobre todo a la presencia de un medio absorbente (gases) alrededor de la antena (TG). Se determina por la dirección del haz principal según curvas de la ITU-R que representan la temperatura de brillo TB.
– Tg: recibida por los lóbulos laterales (Gi, Ωi), procedente del terreno. Su valor depende de la elevación de la antena
– TFR: debida a fuentes de radiación (Tm y ángulo aparente α) si entran por el haz principal (sobre todo, Sol y Luna).
– TRAIN: debida a la lluvia cuando la hay. Depende de la atenuación producida ARAIN y de la temperatura del hidrometeoro Tm. La atenuación ARAIN afecta a las componentes de ruido TCS y TFR.
CSAT 25Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Mapas de temperatura de ruido (Mapas de temperatura de ruido (skysky noisenoise))
Fuente: www.nlsa.com
CSAT 26Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Temperatura de ruido de la antena en TierraTemperatura de ruido de la antena en Tierra18m diameter antenna Model 8018 from ViaSat
Banda C
0
10
20
30
40
50
5 10 15 20 30
Elevación (º)Te
mpe
ratu
ra (K
)
6m diameter antenna Model 8060 from ViaSat (formerly Scientific Atlanta)
0102030405060
10 20 40
Elevación (º)
Tem
pera
tura
(K)
3.6m diameter antenna Model 8136 from ViaSat (Offset geometry)
05
101520253035
10 20 30 40
Elevación (º)
Tem
pera
tura
(K)
Banda Ku
Banda C
Banda Ku
Banda C
Banda C
CSAT 27Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
La atenuación de lluvia afecta a las componentes de ruido procedentes delcielo, pero no a las procedentes de Tierra
Ruido de antena en Ruido de antena en downlinkdownlink con y sin lluviacon y sin lluvia
• Sin lluvia:
• Con lluvia:
Fuente: Maral
esindividualgroundskyant TTTT ++=skyclear
CSAT 28Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Ruido de antena en Ruido de antena en downlinkdownlink sin lluviasin lluvia
• Contribución del cielo (Tsk)– captada por el lóbulo prinicipal– se puede asimilar la temperatura de brillo en la dirección de
apuntamiento
• Contribución de Tierra (Tg): – Contribución captada por los lóbulos secundarios y
parcialmente el lóbulo principal, si la elevación es pequeña
• Contribución de fuentes individuales (Tindividuales): – Contribución debida a fuentes individuales que se sitúan
cerca de la dirección de apuntamiento (Sol, luna)
CSAT 29Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Temperatura de brillo en funciTemperatura de brillo en funcióón de la elevacin de la elevacióónn
0372-05
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 601
10
1 000
100
200
500
2
5
20
50
θ = 0°
10°
20°
60°
90°
30°
5°
Tem
pera
tura
de
brill
o (K
)
Frecuencia (GHz)
Fuente: ITU-R P. 372-7
CSAT 30Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
La temperatura de antena se define como: ∫∫ ΩΩΩ= d)(T)(GTA π41
Se puede aproximar el diagrama de antena por un haz principal, con eficienciade haz ηB , apuntando al cielo con temperatura Tsk y una envolvente de lóbulossecundarios constante apuntando la mitad hacia el suelo a temperatura Tg y laaproximadamente otra mitad mirando al cielo, como se indica en la figura.
( )( )T T T TA B sk B sk g= + − +η η12 1
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
<<<<
<<−−<
=
ºElº,KºElº,K
ºElº,KºEl,K
Tg
90101010050
01015010290
CCáálculo de la Temperatura de Antenalculo de la Temperatura de Antena
Tsk
Tg
ηB( )1
21− ηB
( )12
1− ηB
CSAT 31Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Teniendo en cuenta que todos los efectos de atenuación incrementan la temperatura de antena, la temperatura de cielo claro puede aproximarsecomo la suma de la temperatura del fondo del universo 4 K incrementadapor la absorción de gases de la atmósfera (vapor de agua y oxígeno).
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ −+=
−101014
gA
mcsk TT Tm es la temperatura media (270 K)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 905
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Tcsk( ),El 5
Tcsk( ),El 12
Tcsk( ),El 17
El
f=17 GHz
f=12 GHz
f=5 GHz
Temperatura de Cielo ClaroTemperatura de Cielo Claro
CSAT 32Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
( )( )T T T TAcsk B csk B csk g= + − +η η12 1
La temperatura de antena en condiciones de cielo claro será:
Temperatura de Antena en Cielo ClaroTemperatura de Antena en Cielo Claro
0 10 20 30 40 50 60 70 80 9020
30
40
50
60
70
80
Tacsk( ),El 5
Tacsk( ),El 12
Tacsk( ),El 17
El
f=17 GHz
f=12 GHz
f=5 GHz
CSAT 33Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Si ARAIN es la atenuación de la lluvia en dB y Tm es la temperatura media de la lluvia, el incremento de temperatura de antena producido es de:
( )10101 RAINA
mRAIN TT−
−⋅=∆
Incremento de la temperatura de ruido por lluviaIncremento de la temperatura de ruido por lluvia
Tm = 260 K (nubes)Tm = 280 K (lluvia)
CSAT 34Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
0 10 20 30 40 50 60 70 80 9070
120
170
220
270
320
370
420
Ta( ),,,,El 40 0.7 32 5
Ta( ),,,,El 40 0.7 32 12
Ta( ),,,,El 40 0.7 32 17
El
f=17 GHz
f=12 GHz
f=5 GHz
TAntenaDL
Temperatura de ruido con lluviaTemperatura de ruido con lluvia
( ) gA
mrain
skgrain
rain
skArain TT
ATTT
ATT rain +−+=+∆+= − 10/101
CSAT 35Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Si ARAIN es la atenuación de la lluvia en dB, el incremento de temperatura de antena producido es de:
⎪⎩
⎪⎨
⎧
<⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅
>
=−
−
−
dBdB
n
dBn
FR BWBW
T
BWTT
3
2
3
3
si
si
ααα
Si el haz principal apunta al Sol o la Luna, el incremento de temperatura de antena producido es de:
Tn,Sol=12000f -0.75 K, α=0.5º
Tn,Luna=200 a 300 K, α=0.5º
RAIN
FRRAIN,FR A
TT =
Incremento de la temperatura de ruido por Sol y LunaIncremento de la temperatura de ruido por Sol y Luna
CSAT 36Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Paraboloide CentradoParaboloide Centrado
Tsk
Tg
Alimentador
ReflectorSpillover delalimentador
CSAT 37Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Paraboloide Paraboloide OffsetOffset
Tsk
Tg
Spillover delalimentador
Alimentador
Reflector
CSAT 38Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
ConfiguraciConfiguracióón n CassegrainCassegrain
Tg
Alimentador
Reflector parabólico
Subreflector hiperbólico
Tsk
Spillover delalimentador
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