Sistema de comunicaciones_via_satelite_2

Clasificación de Los Satélites, Espaciamiento y Asignaciones de Frecuencia

Hay dos clasificaciones principales para los satélites de comunicaciones:

•Hiladores (spinners) : utilizan el movimiento angular de su cuerpo giratorio para proporcionar una estabilidad de giro. •Satélites estabilizadores de tres ejes: Con un estabilizador de tres ejes, el cuerpo permanece fijo en relación a la superficie de la Tierra, mientras que el subsistema interno proporciona una estabilización de giro.

Plataforma de antena hiladora

Cuerpo giratorio

Cuerpo orientado a la

Tierra

ING.CARLOS RODENAS REYNA

Hilador o Spinner


Tres ejes estabilizadosING.CARLOS RODENAS REYNA

Separación espacial de satélites en una órbita geosíncrona.

•Los satélites geosincronos deben compartir un espacio y espectro de frecuencia limitados, dentro de un arco especifico en una órbita geoestacionaria. A cada satélite de comunicación se asigna una longitud en el arco geoestacionario, aproximadamente a 36000 km, arriba del ecuador.

•Los satélites trabajando, en o casi la misma frecuencia, deben estar lo suficientemente separados en el espacio para evitar interferir uno con otro

La separación espacial requerida depende de las siguientes variables:

• Ancho de haz y radiación del lóbulo lateral de la estación terrena y antenas del satélite.

• Frecuencia de la portadora de RF. • Técnica de codificación o de modulación usada. • Limites aceptables de interferencia. • Potencia de la portadora de transmisión. Generalmente se requieren 3 a 6º de separación

espacial.


Frecuencias usadas para comunicaciones

•Las frecuencias de portadora, más comunes, usadas son las bandas 6/4 y 14/12 GHz.

•El primer numero es la frecuencia de subida (ascendente, estación terrena a transponder) y el segundo numero es la frecuencia de bajada (descendente, transponder a estación terrena).

•La mayoría de los satélites domésticos utilizan la banda de 6/4 GHZ, esta banda también se usa extensamente para los sistemas de microondas terrestres, por lo que se debe tener cuidado cuando se diseña una red satelital para evitar interferencias con los enlaces de microondas establecidas.


Asignaciones de frecuencia satelitales dadas por la WARC

Asignaciones de frecuencia satelitales dadas por la WARC


Anchos de Banda de Satélites disponibles en los Estados Unidos

Banda Subida BajadaAncho de Banda

(MHz)

C X

Ku KaV Q V

5.9-6.4 7.9-8.4 14-14.5 27-30 30-31 50-51

-

3.7-4.2 7.25-7.75 11.7-12.2

17-20 20-21 40-41 41-43

500 500 500

- -

1000 2000

(ISL)54-58 59-64

3900 5000


Resumen de las frecuencias asignadas a cada banda

Banda Enlace ascendente (GHz)

Enlace Descendente (GHz)

C: 6/4 GHz

5.925 - 6.425 BW: (500 MHz)

5.850 - 7.075 BW: (1225 Mhz)

3.700 - 4.200 (600 MHz)

3.400 - 4.200 4.600 - 4.800 (1100 Mhz)

X: 8/7 GHz 7.925 - 8.425 BW: (500 MHz)

7.250 - 7.750 (500 MHz)

Ku: 14/11 GHz

14.000 - 14.500 BW: (500 MHz) 12.750 - 13.250 14.000 - 14.500

BW: (1000 MHz)

10.950 - 11.200 11.450 - 11.700

(500 MHz) 10.700 - 11.700

(1000 MHz) -

14/12 GHz14.000 - 14.500 BW: (500 MHz)

11.700 - 12.200 (500 MHz)

Ka 30/20 GHz 27.500 - 31.000 BW: (3500 MHz)

17.700 - 21.200 (3600 MHz)


Sistemas de comunicaciones por satélite ActualesWestar Intelsat V SBS Flee Satcom ANIK-D

Operador Telégrafo Western Union

Intelsat Sistemas de negocios satelitales

Departamento de defensa de EEUU

Telsat, Canadá

Banda de frecuencia C C y Ku Ku UHF, X C, Ku

Cobertura Cono Global zonal punto

Cono Global Canadá, Norte de EEUU

No. de transponder 12 21 10 12 24

Transponder BW(MHz)

36 36 43 0.005-0.5 36

EIRP (dBW) 33 23.5-28 40-43.7 26-28 36

Acceso múltiple FDMA, TDMA

FDMA, TDMA reuso

TDMA FDMA FDMA

Modulación FM, QPSK

FDM, FM, QPSK QPSK FM, QPSK FDM, FM, FMA, TVD, SCPC

Servicio tele fija, TVD

tele fija, TVD tele fija, TVD Militar móvil tele fija


Patrones de Radiación: Huellas

• El área de la Tierra cubierta por un satélite depende de la ubicación del satélite en su órbita geosincrona, su frecuencia portadora y la ganancia de sus antenas.

• La representación geográfica del patrón de radiación de la antena de un satélite se llama huella.

• Las líneas de contorno representan los límites de la densidad de potencia de igual recepción.(PIRE)

• El patrón de radiación de una antena satelital se puede catalogar como punto zonal o tierra, tienen un ancho de haz de casi 17º e incluyen la cobertura de aproximadamente un tercio de la superficie de la Tierra


Patrones de Radiación de la antena del satélite ("huellas")


Haces


DESCRIPCION DEL SISTEMA SATELITAL

•Puede definirse como un repetidor de radio en el cielo (transponder).

•Un sistema satelital consiste de un transponder, una estación basada en tierra, para controlar su funcionamiento, y una red de usuario.

•Proporciona las facilidades para transmisión y recepción del trafico de comunicaciones, a través del sistema de satélite.

•Las transmisiones de satélite se catalogan como bus o carga útil.

•La carga útil es la información del usuario que será transportada a través del sistema. ING.CARLOS RODENAS REYNA

Modelos de enlace del sistema satelital

Esencialmente, un sistema satelital consiste de tres secciones básicas: una subida, un transponder satelital y una bajada.

Modelo de subida

•El principal componente dentro de la sección de subida, de un sistema satelital, es el transmisor de la estación terrena.

•Un típico transmisor de la estación terrena consiste de un modulador de IF, un convertidor de microondas de IF a RF, un amplificador de alta potencia (HPA) y algún medio para limitar la banda del espectro de salida (por ejemplo un filtro pasa-banda de salida).

•El modulador de IF convierte las señales de banda base de entrada a una frecuencia intermedia modulada e FM, en PSK o en QAM.


•El convertidor (mezclador y filtro pasa-banda) convierte la IF a una frecuencia de portadora de RF apropiada.

•El HPA proporciona una sensibilidad de entrada adecuada y potencia de salida para propagar la señal al transponder del satélite.

•Los HPA comunmente usados son klystons y tubos de ondas progresivas.


Modulador (FM, PSK o QAM)

BPF BPFMezclador

Generador MW 6 O 14 GHz

HPA

Banda Base en FDM o PCM/TDM

IF

RF

RF

Convertidor ascendente

Al Transponder de Satélite

Modelo de subida del satélite


Transponder •Un típico transponder satelital consta de un dispositivo para limitar la banda de entrada (BPF), un amplificador de bajo ruido de entrada (LNA), un translador de frecuencia, un amplificador de potencia de bajo nivel y un filtro pasa-bandas de salida.

•Otras configuraciones de transponder son los repetidores de IF, y de banda base, semejantes a los utilizados en los repetidores de microondas.

•El BPF de entrada limita el ruido total aplicado a la entrada del LNA (un dispositivo normalmente utilizado como LNA, es un diodo túnel).


•La salida del LNA alimenta un translador de frecuencia (un oscilador de desplazamiento y un BPF), que se encarga de convertir la frecuencia de subida de banda alta a una frecuencia de bajada de banda baja.

•El amplificador de potencia de bajo nivel, que es comúnmente un tubo de ondas progresivas (TWT), amplifica la señal de RF para su posterior transmisión por medio de la bajada a los receptores de la estación terrena.

•También pueden utilizarse amplificadores de estado sólido (SSP), los cuales en la actualidad, permiten obtener un mejor nivel de linealidad que los TWT.

La potencia que pueden generar los SSP, tiene un máximo de alrededor de los 50 Watts, mientras que los TWT pueden alcanzar potencias del orden de los 200 Watts.


Amplificador de Bajo Ruido

LNA

BPF BPFMezclador

Oscilador de desplazamiento MW de 2 GHz

Amplificador de baja Potencia

TWT

De la Estación Terrena 6 o 14 GHz

RF

RF

RF

Traslador de Frecuencia

Transponder del Satélite

A la Estación Terrena 4 o 12

GHz


Relación entre los subsistemas de antenas y comunicaciones.


.- Versión modificada del diagrama y equipos del subsistema de comunicaciones. A diferencia del indicado en la figura anterior, se utilizan dos demultiplexores y dos multiplexores para procesar por separado los canales pares e impares y reducir la interferencia. ING.CARLOS RODENAS REYNA

Subsistema de comunicaciones (banda C) de un satélite Spacenet. (Cortesía de GTE Spacenet Corporation.)


Modelo de bajada •Un receptor de estación terrena incluye un BPF de entrada, un LNA y un convertidor de RF a IF.

•El BPF limita la potencia del ruido de entrada al LNA.

•El LNA es un dispositivo altamente sensible, con poco ruido, tal como un amplificador de diodo túnel o un amplificador paramétrico.

•El convertidor de RF a IF es una combinación de filtro mezcador/pasa-bandas que convierte la señal de RF a una frecuencia de IF.


Amplificador de Bajo Ruido

LNA

BPF BPFMezclador

Generador MW 4 o 12 GHz

Demodulador (FM, PSK o PCM/TDM

Del Transpondedor del satélite

RF

RF

IF

Convertidor descendente

Modelo de bajada del satélite

Banda Base en FDM o PCM/TDM


Subsistema de comunicaciones (banda Ku) de un satélite Spacenet. (Cortesía de GTE Spacenet Corporation.)


1.-Antenas Recibir y transmitir señales de radiofrecuencia

2.-Comunicaciones Amplificar las señales y cambiar su frecuencia

3.-Energía Eléctrica Suministrar electricidad con los niveles adecuados de voltaje y corriente

4.-Control térmico Regular la temperatura del conjunto

5.- Posición y orientación Determinar la posición y orientación del satélite

6.- PropulsiónProporcionar incrementos de velocidad y pares para corregir la posición y la orientación

7.-Rastreo, Telemetría y comandoIntercambiar información con el centro de control en la tierra para conservar el funcionamiento del satélite

8.- EstructuralAlojar todos los equipos y darle rigidez al conjunto

Principales subsistemas de un satélite( Segmento Espacial) y sus funciones


ESTACIONES TERRENAS (SEGMENTO TERRESTRE)

• El segmento terrestre está formado por todos los elementos que intervengan en el enlace de comunicaciones de la misión espacial y que estén localizados en el planeta Tierra.

• A este grupo pertenecen las antenas receptoras y transmisoras (situadas sobre la superficie del planeta o en satélites artificiales), la interconexión entre ellas y los centros de control de la misión, los mecanismos de distribución de los datos científicos y las personas encargadas de supervisar y controlar el correcto proceso de la misión.

• Una estación terrena satelital es un conjunto de equipo de comunicaciones y de cómputo que puede ser terrestre (fijo y móvil), marítimo o aeronáutico.

• Las estaciones terrenas pueden ser usadas en forma general para transmitir y recibir del satélite.

• Pero en aplicaciones especiales solo pueden recibir o solo pueden transmitir.


SUBSISTEMAS DE UNA ESTACION TERRENA

•Plato Reflector (antena):

•Amplificador de Potencia [HPA, High Power Amplifier].

•Amplificador de Bajo Ruido (Receptor), LNA: Low Noise Amplifier:

•Conversor de subida/bajada (Up/down converter):

•Modem satelital (modulador, demodulador) •Multicanalizador: (MUX)


ANTENAS•Todas las antenas utilizadas son reflectores cuasi-parabólicos.

•La mayoría son del tipo Cassegrain, configuración que lleva un reflector secundario montado justo en el foco del reflector principal.

•Este reflector secundario sirve para situar el foco de todo el conjunto cerca de la superficie del reflector principal, y dado que los equipos electrónicos de la antena van en ese foco, así es más fácil llegar a ellos para mantenimiento.

•Otra ventaja de los reflectores Cassegrain es que logran una eficiencia y ganancia similares al reflector simple pero con un disco principal mucho menor, lo cual significa menos masa y menos energía necesaria para moverla.


• Las mismas antenas son utilizadas para el uplink y para el downlink.

• La señal que llega de la sonda debe recorrer una gran distancia, su potencia es muy baja, del orden de 1024 veces menor que la potencia emitida por la antena de la DSS en el uplink.

• ¿Cómo separar la señal débil de datos de la interferencia producida por la mucho mayor señal de telecomando?.

• El único aspecto en que se diferencian ambas señales es la frecuencia, así que para separarlas se usan espejos dicroicos (selectores de frecuencia).

• Estos reflectores son arrays periódicos de elementos dieléctricos sintonizados para reflejar o dejar pasar determinadas frecuencias.



CALCULO DE GANANCIA Y ANCHO DE HAZ DE LA ANTENA

G = η 4πA (1) A= Área de apertura λ2 η= Eficiencia de apert.

λ = C/f (2) λ= Long. de onda A = π D2/4 (3) D= Diámetro de la antena

Reemplazando 2 y 3 en 1: G = η 4π2 D2/4 f2 = ηπ2 D2 f2 = η π2D2 (4)

C2 C2 λ2

Ganancia de la antena receptora del satéliteAncho de Hazθ3dB ≈ 70 λ grados

Dλ = θ3dB D (5)

70Reemplazando (5) en (4):G= η (70 π)2

θ3dB 2

Contorno de 3 dBθ2

θ1

Reflector D1

D2

G= η (π)2 D1D2

λ2

G= η 48360 θ1θ2


PROBLEMASe dispone de una antena en una estación terrena de 4 m de diámetro y un transmisor capaz de entregar 100W a la antena. La eficiencia de la antena en transmisión es de 65%. El enlace ascendente hacia el satélite opera en la banda de 14 GHz. Calcule la ganancia de la antena.

SOLUCIOND = 4m G = η 4πA (1) A= Área de aperturaPt = 100W λ2 η= Eficiencia de apert. η = 65% λ = C/f (2) λ= Long. de onda f = 14 GHz A = π D2/4 (3) D= Diámetro de la antena

Reemplazando 2 y 3 en 1: G = η 4π2 D2/4 f2 = η π2 D2 f2

C2 C2 G = 0.65x π 2 x 42 x142x1018

9x1016

G = 223,535G(dB) = 10 log G = 10 log 223,523

G(dB) = 53.49 dB


PROBLEMALa antena receptora de un satélite de tipo geoestacionario en la banda de 14 GHz tiene un ancho de haz a -3 dB es de 2º y una eficiencia de 55%. Calcule la ganancia de esta antena en recepción y la potencia entregada al satélite si se emplea la Estación Terrena ET del ejercicio anterior y solo se consideran las pérdidas en el espacio libre (suponga que la distancia entre la ET y el satélite es de 40,000 km.)

SOLUCIOND = 4m PIRE (dB) = Gant(dB)+ Pt (dB)Pt = 100W Pt (dB) = 10 log Pt = 10x log100 = 20 dB

Gant = 53.49 dB PIRE (dB) = 53.49+ 20 = 73.49 dB η = 55% f = 14 GHzd = 40,000 kmθ3dB = 2º

Ganancia de la antena receptora del satélite Gr= η (70 π)2 Gr= 6.65 x 103 Gr(dB) = 38.228 dB

θ3dB 2


• Pérdidas en el espacio libre

Lp = (4πd/λ)2 = (4π x 40000x103/(3x108/14x109))2

Lp = 5.5x1020 Lp (dB) = 207.4 dB

Potencia entregada al satélite:

Prx (dB) = PIRE(dB) + Gr – Lp = 73.49+ 38.228- 207.4

Prx (dB) = -95.68 dB

Prx = 2.703 x 10 -10 WING.CARLOS RODENAS REYNA

PROBLEMAConsidere el enlace descendente (12 GHz) para el mismo satélite y estación terrena del ejercicio anterior. La potencia entregada a la antena del satélite es 10W. Determine a) el flujo de potencia que incide en la antena de Tierra. B) La potencia recibida por la estación terrena.

SOLUCIONEnlace descendente

Ps= 10W Gs= η (70 π)2 Gr= 6.65 x 103 Gr(dB) = 38.228 dB η = 55% θ3dB

2 f = 12 GHz PIRE del satélite (downlink):d = 40,000 km PIRE = Ps.Gs = 6.65x103x10 = 6.65x104Wθ3dB = 2º PIRE (dB) = 48.228 dB

Flujo de potencia en enlace descendente:φd = PIRE = 6.65x104 = 3.3x10-12

4πd2 4 π x(40000x103)2

φd (dB) = -114.805 dBING.CARLOS RODENAS REYNA

Características de la antena en ET:D = 4m Gr = η(πD)2

= 0.65π2x16x(12x109)2 = 164,230.217

η = 65% λ2 (3x108)2

Gr (dB) = 52.155 dB

Pérdidas en el espacio libre:

Ld = (4πd/λ)2 = (4π x 40000 x103 x 12x109/3x108)2= (64π x 108)2 Ld = 4.042x1020

Ld (dB)= 206.067 dB

Potencia entregada a la estación de tierra:Prx = Gr PIRE = 2.701 x10-11W

Ld

Prx(dB) = -105.684 dB)


Tipos de Antenas

Antenas de 26 metros:

• Las antenas de 26 metros de diámetro son las únicas que no siguen el modelo Cassegrain.

• Son utilizadas para seguimiento de misiones de observación de la Tierra, llevadas a cabo por satélites en órbitas entre 160 y 1000 kilómetros de altura.

• La antena puede apuntar bajo hacia el horizonte y así seguir las órbitas rápidas tan pronto como entren en su zona.

• La velocidad máxima de seguimiento es de tres grados por segundo.

• Las antenas de 26 metros fueron creadas para seguir las misiones Apollo a la Luna, entre los años 1967 y 1975



Antenas de 34 metros: Dentro de este grupo podemos encontrar dos tipos de antenas:

34-Meter High-Efficiency (HEF) Antenna: • Esta antena incorpora avances recientes en diseño de antenas y mecanismos. • La antena puede operar en ambos ejes a una velocidad de 0.40 grados por

segundo. • La superficie del receptor está realizada con alta precisión para permitir una

capacidad máxima de captar señales.

34-Meter Beam Waveguide (BWG) Antenna: • En estas antenas, el equipo electrónico se guardan en una sala en el pedestal de

la antena, que permite un mejor acceso para mantenimiento o ampliación de las prestaciones de la antena, como añadir nuevas bandas

• La señal es llevada desde el reflector hasta la sala a través de cinco espejos de precisión que reflejan las señales formando una guía de ondas.

• La posición del espejo situado en el centro de la sala permite seleccionar varias frecuencias y modos de funcionamiento.


Antena HEF Antena BWG


Antenas de 70 metros:• Esta antena es la más grande y por tanto la más sensible de las

antenas.

• Es capaz de seguir una nave viajando a más de 16000 millones de kilómetros de la Tierra.

• La superficie del reflector principal debe mantenerse con una exactitud de una fracción de longitud de onda, lo que significa que la precisión de los 3850 metros cuadrados de superficie se mantiene por debajo de un centímetro.

• El disco reflector y el sistema de elevación en azimut puestos sobre el pedestal pesan alrededor de 2.7 millones de kilogramos.


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