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Sistemas de Telecomunicações | 2007-2008
Feixes de Comunicação Satélite
Engenharia Electrica e Electrónica - TIT
Rui Marcelino
Abril 2008
Sumário
1. Teoria Básica da transmissão
2. Projecto do feixe
3. Potência de ruído do sistema
4. Referências
2 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
1Teoria Básica da Transmissão
3 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
1
Potência transmitida pela antena
Ganho da antena
EIRP
Densidade de fluxo (potência) no receptor
Perdas no espaço livre
Temperatura de ruído do sistema (receptor)
Parâmetros a considerar no projecto de feixe
Temperatura de ruído do sistema (receptor)
Figura de mérito do sistema receptor
Relação Portadora Ruído Térmico
Relação portadora densidade de ruído
Relação portadora ruído
4 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Considere-se uma fonte isotrópica (radiador pontual) que irradia Pt Watts uniformemente para o espaço livre.
À distancia R, a área de uma esfera com centro no radiador é 4ππππR2
A densidade fluxo à distancia R é dada por:
Radiador Isotrópico
24 R
PF t
π= W/m2
5 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
R
Fonte isotrópica
Radiador Isotrópico
24 R
PF t
π= W/m2
Pt Watts
Power Flux Density:
Área da superfície da esfera = 4ππππR2
Potência transmitida Pt é englobada pela esfera.
6 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Por definição o ganho da antena é o aumento de potência de um sinal numa determinada direcção quando comparada com um antena isotrópica.
São necessárias antenas directivas para direccionar o sinal numa determinada direcção
θθ
)(P=
Ganho da Antena
πθ
θ4/
)()(
0P
PG =
• P(θθθθ) Variação da potência com o ângulo
• G(θθθθ) ganho na direcção θθθθ.
• P0 Potência total transmitida
• esfera = 4π radianos sólidos
7 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Uma antena isotrópica irradia em todas as direcções de igual forma
Por definição o ganho da antena é relativo ao radiador isotrópico
Uma antena é um dispositivo passivo
- Não é gerada potência adicional
- O ganho é conseguido direccionando a potencia transmitida
O EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) é a quantidade de potencia
EIRP
O EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) é a quantidade de potencia que o transmissor deve produzir se pretender radiar em todas as direcções de igual
8 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Potência de saída do transmissor HPA (High Power Amplifier) é: Pout watts
Alguma potência é perdida antes da antena: Pt =Pout /Lt watts é a potência que chega à antena
Pt = Potência presente à antena
A antena tem um ganho: Gt relativo ao radiador Isotrópico
O que resulta numa potencia radiada efectiva de:
EIRP
EIRP = PtGt watts relativo a 1 watt de um radiador isotrópico
HPA
Pout
LtPt
EIRP
9 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Qual a densidade de potencia no receptor?
A potencia é conservada num meio sem perdas
A potencia radiada de um transmissor deve atravessar a esfera na superfície da qual se encontra o receptor
A Área da esfera é 4πR2
A perdas por espalhamento na superfície da esfera é 1/4πR2
Densidade de Fluxo de Potência
10 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Densidade de Fluxo de Potencia (p.f.d.) é a medida da potencia por unidade de área
Este é um parâmetro do sistema que é regulamentado
ITU regula limites para do p.f.d. para qualquer sistema de satélite
Permite controlar interferências
Com a proliferação sistema LEO aumenta a importância de controlar
Densidade de Fluxo de Potência
Com a proliferação sistema LEO aumenta a importância de controlar este parâmetro.
11 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
2
22 W/m
44 R
GP
R
EIRPF tt
ππ==
• Podemos reescrever a densidade de fluxo de potencia considerando o ganho de transmissão da antena:
Potência recebida
A potencia disponível para a antena de área Ar é:
24 x
R
AGPAFP rtt
rr π==
12 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Numa Antena real a área da antena que retira energia da onda electromagnética é menor que a área da antena. A essa área dá-se o nome de área efectiva da antena.
Define-se área efectiva ou abertura efectiva Ae:
η x AA =
Abertura efectiva
η x e phyAA =
Onde:
Aphy área física da antena
η Eficiência da aberturaMuito bom: 75%
típica: 55%
13 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
4πA
• As antenas têm um ganho (máximo) G relacionado com a
abertura efectiva:
Abertura efectiva
2
4
λπ eA
Gain =
onde:
Ae é a area da abertura efectiva.
14 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
4
22 D
rAphy ππ ==
• A abertura da antenas (Horns e Reflectores) apresentam uma área física que pode ser facilmente calculado a partir das suas dimensões:
Abertura das antenas
Valores típicos de ηηηη:
-Reflectores: 50-60%
-Horns: 65-80 %η
λπ
×
=2
DGain
4
ηλ
π
λπ
×==22
44 phyeAA
Gain
•Abertura das antenas pode ser definida por:
15 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
HORN
Eficiência, Baixo ganho, feixe largo
REFLECTOR
Concentra a potencia numa restrita zona de forma a aumentar o ganho nessa direcção
Ganho elevado, feixe estreito
Tipos de abertura das antenas
Ganho elevado, feixe estreito
16 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Symmetrical, Front-Fed Offset, Front-Fed
Tipos de reflectores
Symmetrical, Front-Fed Offset, Front-Fed
Offset-Fed, Cassegranian Offset-Fed, Gregorian
17 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
DdB
λθ
753 ≅ graus
(Eqn. 3.2)
• O ganho da antena parabólica é dado por:
• Regra para calcular a largura de feixe de uma antena parabólica num determinado plano é dado em função da dimensão das antena
Antenas com reflector
( )EdBHdBdB
Gain33
22
3
7575
θθπ
ηθ
πη =
≅
( ) EdBHdBdB
Gain33
2
3
000,30000,30
θθθ=≅
• Considerando uma abertura típica com eficiência de 0.55 resulta em:
18 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Peak (i.e. maximum) GAIN
Abertura de feixe da antena
O ângulo entre -3 dB define a abertura de feixe ou ângulo de meio potência
19 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
A potência disponível para a antena receptora com área efectiva Ar = Ae [m2] é dada:
24 x
R
AGPAFP ett
rr π==
Potência recebida
Onde (Ar = abertura efectiva da antena receptora), área = Ae
2
4
λπ e
r
AG =
• Invertendo a equação:
Inverting
…πλ
4
2
re
GA =
20 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
2
4
=R
GGPP rttr πλ
(Eqn. 4.8)
Formula de Friis
Potência recebida
(Eqn. 4.8)
perdas no espaço livre (Lp):
24
=λπR
LpTherefore
…p
rttr
L
GGPP =
21 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Outros parâmetros a ter em conta para a expressão
La = Perdas devido a atenuação na atmosfera
Lta = Perdas associadas com a antena transmissora
Lra = Perdas associadas com a antena receptora
Lpol = perdas devidas a desalinhamento d polarização
Lother = (quaisquer outras perdas)
Potência recebida
rotherpolrataap
rttr
LLLLLLL
GGPP =
Lr = Perdas adicionais no receptor (depois da antena receptora)
22 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
rtt GGPP =
Pt =Pout /Lt EIRP = PtGt Onde:
Pt = Potencia transmitida à antena
Lt = Perdas entre a fonte de potência e a antena
EIRP = effective isotropic radiated power
Potência transmitida
rotherpolrataapt
rtout
rotherpolrataap
r
rotherpolrataap
rttr
LLLLLLLL
GGP
LLLLLLL
GEIRP
LLLLLLL
GGPP
=
=
=
x
23 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
2Projecto do Feixe
24 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
2
Transmissão:
-Potência HPA
-Perdas Transmissão (cabos & conectores)
-Ganho da Antena
EIRPTx
-Perdas por desalinhamento das antenas de Tx e de Rx
-Perdas no espaço livreRecepção
Dimensionamento da Potência do feixe
-Ganho da Antena-Perdas no espaço livre
-Perdas atmosféricas (gases, nuvens, chuva)
Rx
Recepção
-Ganho da antena
-Perdas de recepção
- (cabos & conectores)
-Temperatura de ruído
Pr
25 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Portadora mínima Cmin é o limiar que permite definir definem apotencia mínima que deve ser recebida no desmodulador para que acomunicação funcione correctamente.
Depende de:
– Do tipo de modulação usado.
Cálculo do feixe
– Do tipo de modulação usado.
– Da qualidade de comunicação deseja.
– Ganho de codificação.
– Largura de banda do canal.
– Potência de ruído térmico.
26 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Precisamos de calcular a Potência recebida para saber:
Pr >= Cmin ���� Feixe fechado
Pr < Cmin ���� Feixe aberto
Podemos ver de outra forma, como a margem do feixe:
Margem = P – C
Fechar o feixe
Margem = Pr – Cmin
De modo equivalente:
Margem > 0 ���� Feixe fechado
Margem < 0 ���� Feixe aberto
27 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
C/N: Portadora / Ruído no receptor BW (dB)
Permite calcular a margem se:
For conhecida a Largura de banda do receptor
Relação C/N for conhecida para determinado tipo de sinal
C/No:Portadora / Ruído p.s.d. (dbHz)
Relação Portadora/ Ruído (C/N)
C/No:Portadora / Ruído p.s.d. (dbHz)
C é a potencia recebida e N0 representa a densidade espectral de potência de ruído e N0 representa a densidade espectral de potência de ruído ( isto é, potência de ruído por largura de banda, Watts/Hz ou dBW/Hz ).
28 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
3Potência de Ruído do Sistema
29 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
3
Um sistema de comunicações é tipicamente constituído por:
- Transmissor
- Canal de comunicação
- Receptor
A forma mais comum de degradação é o ruído térmico (ruído gerado pelos próprios componentes). A potência de ruído gerada P pode ser descrita e
Temperatura de Ruído
30 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
próprios componentes). A potência de ruído gerada PN pode ser descrita e atribuída a uma Temperatura de ruído TN
BNkTNP = Num sistema de recepção a temperatura de
Ruído é dada TN=Tant.+ Tsys
Tant. - Temperatura de ruído visto pela antena
Tsys – Temperatura de ruído do receptor
Temperatura de Ruído em cascata
A Temperatura de ruído equivalente de múltiplos componentes em cascata.
31 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
A Temperatura de ruído equivalente de múltiplos componentes em cascata.
É limitada pela Temperatura de Ruído do 1ª componente
BkTN e=
A potencia de ruído é dada:
Onde:
K – constante de Boltzmann
Te- Temperatura equivalente de ruído em graus Kelvin
B – Largura de banda em Hz
Potência de Ruído
32 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
A densidade de potencia de ruído: ekTB
NN ==0
A EIRP é definida por: ttGWEIRP =
A Fórmula de Friis é: 2
4
=
rGGWW rttr π
λ
( )2
4
=
rGEIRPC r π
λ
( )2
1
=
G
EIRPC r λ
Dividendo ambos os membros dessa equação por N0, temos:
Reescrevendo a Fórmula de Friis :
Relação Portadora/ Ruído (C/N)
33 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
( )livreespaçoPerdaterestreterminaldoqualidadedefator
satelite
0 4
1
=
rT
G
kEIRP
N
C
e
r
πλ
( ) krT
GEIRP
N
C
e
r
dBW
log104
log10log10log10
2
0
−
+
+=
πλ
Expressando em decibéis, obtemos:
( )HzK/
WdB
k
dBr4
K/dBT
G
WdB
EIRP
HzdBN
C2
e
r
0−−
πλ
+
+=
−
Em termos de unidades a equação anterior significa, simplesmente:
No lado direito da equação anterior, temos primeiramente a EIRP do satélite
Relação Portadora/ Ruído (C/N)
34 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
2
4log10
=
rL fs π
λ
No lado direito da equação anterior, temos primeiramente a EIRP do satélite expressa em dBw, o fator de qualidade do terminar terrestre de satélite, Gr/Teem decibéis por grau Kelvin, o terceiro termo representa a perda por espaço livre, normalmente denotada como:
[ ]dBrfL fs log20log204,92 ++=
Se a frequência for expressa em GHz e a distancia em quilômetros, a perda de espaço livre pode ser escrita numa forma mais prática para o trabalho de projeto de sistemas de satélite, dada por:
Perdas no espaço livre
35 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
[ ]dBrfL fs log20log204,92 ++=
HzKdBxk W −=−=− − 6,2281038,1log10log10 23
Para um dado satélite geoestacionário, a perda por espaço livre torna-se uma constante. Tambem o ultimo termo é uma constante igual a:
O valor da segurança da ligação depende da banda de frequência de operação, geralmente adota-se o seguinte critério:
Margem
36 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
=
superioresbandasparamaioresvalores
bandaapara6
bandaapara4
KudB
CdB
M
G/Ts: ganho da antena Rx/Temperatura do sistema
Designa-se Figura de Mérito G/Ts
Descreve a sensibilidade de recepção do sistema
Figura de Mérito do sistema
37 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Desempenho do sistema é dada pela relação C/N
Para um bom funcionamento da comunicação C/N > 10 dB.
Ou C > N + 10 dB
É preciso conhecer a Temperatura de ruído do receptor para o calculo de N, Potência de Ruído(N = Pn).
Tn (temperatura de ruído) em Kelvins (K):
Potencia de ruído do sistema
Tn (temperatura de ruído) em Kelvins (K):
[ ] 2739
532F0TKT +
−
=[ ] 273C0TKT +
=
38 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
O ruído é causado por fontes de ruído térmico
EXTERNO AO SISTEMA DE RECEPÇÃO
- Ruído transmitido no feixe
- Ruído observado pela antena
INTERNO AO SISTEMA DE RECEPÇÃO
A Potência devida ao ruído térmico é:
Potencia de ruído do sistema
Onde k = constante de Boltzmann = 1.38x10-23 J/K(-228.6 dBW/HzK),
TsTemperatura de ruído efectiva dos sistema
B Largura de banda efectiva do sistema
(dBW) BskTN =
39 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
4Referências
40 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
4
Referências
- Michael O. Kolawole, “Satellite Communication Engineering”, (2002)
[Cap. 4]
41 | Sistemas de Telecomunicações | 2008