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TEMA I: CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATELITES
ÍNDICE TEMÁTICO TEMA I
CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATÉLITES
Secciones
INTRODUCCIÓN
El origen de las comunicaciones satelitales
Breve Historia
DESCRIPCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS SATÉLITES
Clasificación de los Satélites
TRAYECTORIAS Y ÓRBITAS SATELITALES
PARÁMETROS ORBITALES
TIPOS DE ÓRBITAS
LANZAMIENTO Y OPERACIONES EN ÓRBITA
Colocación de satélites en órbita
Una vez concluido este Tema, Usted, dispondrá de las competencias necesarias para:
- Describir las características principales de los sistemas satelitales
- Describir las trayectorias y orbitas satelitales.
- Identificar las órbitas satelitales y sus parámetros.
- Explicar el procedimiento para la puesta en órbita de un satélite.
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TEMA I: CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATELITES
TEMA I
CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATÉLITES.
INTRODUCCION El objetivo fundamental de los sistemas satelitales es el de proveer, mediante
estaciones satelitales en órbita, servicios de comunicaciones entre estaciones terrenas fijas
situadas en tierra que proporcionan interfaz con las redes fijas (redes telefónicas, redes de
datos, red digital de servicios integrados o redes cerradas de usuarios), y estaciones terrenas
móviles. En la mayoría de los casos, los sistemas satelitales ofrecen más flexibilidad que
los cables submarinos, cables subterráneos, radios de microondas en línea de vista o
sistemas de fibra óptica.
Un satélite de comunicaciones es un repetidor de radio en el cielo (transponder). Un
sistema satelital esta conformado por un Transponder, una Estación basada en Tierra (para
controlar su funcionamiento) y una red de usuario (de las estaciones terrestres), que
proporciona las facilidades para transmisión y recepción de tráfico de comunicaciones, a
través del sistema de satélite.
El origen de las comunicaciones satelitales El físico y escritor de ciencia ficción Arthur C. Clark, autor del libro 2001: Una
odisea del espacio, propuso la idea de aplicar el concepto de la orbita geoestacionaria para
ubicar en ella satélites artificiales para comunicación de cobertura global. “La orbita geoestacionaria es aquella en el plano del ecuador donde los satélites cumplen una circunvolución completa alrededor de la Tierra en un día, por lo que desde cualquier punto sobre ésta en que puedan detectarse parecen estar inmóviles, ocupando un circulo virtual único con capacidad para un numero limitado de ellos.” [1]
En 1945 Clarke notó que un satélite en una orbita circular ecuatorial con un radio de
aproximadamente 42.242 km podría tener una velocidad angular igual a la de la tierra, y así
recibir y retransmitir señales desde casi todo un hemisferio. Tres satélites separados 120°
podrían cubrir toda la tierra (con algún solapamiento), lográndose así la comunicación entre
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dos puntos cualesquiera de la tierra, retransmitiéndose los mensajes a través de los estos
satélites. Observemos la siguiente figura:
Figura 1-1. Cobertura global con tres satélites geoestacionarios
Para llevar a cabo esta idea de Clarke, el satélite debe desplazarse en el mismo
sentido de rotación de la tierra; además, para no perder altura y completar una vuelta cada
24 horas, debe estar aproximadamente a 36.000 km de altura sobre el nivel del mar y girar a
una velocidad de 3.705 m/s.
Figura 1-2. Orbita geoestacionaria
Breve Historia
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TEMA I: CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATELITES
La historia de las comunicaciones satelitales se remonta a los últimos años de la
década de los 50 cuando la fuera naval de Estados Unidos utilizó la Luna como reflector
pasivo para la comunicación mediante transmisión de datos a baja velocidad entre
Washington D.C. y Hawai. En Octubre de 1957 la Unión Soviética lanzó el Sputnik I,
convirtiéndose este en el primer satélite terrestre activo. Un satélite activo es el que de
manera electrónica, repite una señal a la tierra (por ejemplo, recibe, amplifica y
retransmite la señal). Este primer satélite envió información Telemétrica por 21 días. En
Enero de 1958 los Estados Unidos lanzaron el Explorer I que funcionó por 5 meses, y en
diciembre de ese mismo año se puso en órbita el satélite Score, que se convirtió en el
primer satélite artificial usado para retransmitir comunicaciones Terrestres. En Julio de
1962 la compañía Bell System lanzó el Telstar I, este fue el primer satélite utilizado para
una transmisión intercontinental. En Mayo de 1963 lanzaron el Telstar II, que fue el primer
satélite en realizar una transmisión de video intercontinental. En julio de 1963 fue lanzado
el primer satélite en una orbita geoestacionaria, el Syncom II, 18 años después que Clark
concibió la idea. En 1964 se creó la INTELSAT (Internacional Telecommunication
Satellite: Organización Internacional de Comunicaciones Satelitales) que posteriormente
envió al espacio el Early Bird (INTELSAT I), el primer satélite comercial.
Después de estos logros, se registró una intensa actividad espacial que permitió el
desarrollo de las comunicaciones satelitales por parte de muchos países tanto para servicios
comerciales como gubernamentales.
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TEMA I: CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATELITES
DESCRIPCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS SATÉLITES
Los satélites pueden enviar y recibir desde el espacio ondas de radio en cualquier
dirección. Las señales emitidas por los satélites se reciben con intensidad similar y
simultáneamente en cualquier punto de una gran superficie terrestre. Esta es la razón
principal por la que se usan los satélites de comunicaciones.
Un sólo satélite puede emplearse para cubrir un tercio de la tierra, o sólo un país y aún
emitir haces adicionales que cubran con mayor intensidad una porción menor de un país.
Esta característica permite enviar y recibir señales desde y hasta cualquier estación ubicada
en cualquier punto del área cubierta por el satélite. Esta área de la tierra cubierta por un
satélite depende de la ubicación del satélite en su orbita geosincrónica o geoestacionaria, su
frecuencia de portadora y la ganancia de sus antenas.
Figura 1-3. Área de cobertura de un satélite
La representación geográfica del patrón de radiación de la antena de un satélite se
llama una huella. Las líneas de contorno representan los límites de la densidad de potencia
de igual recepción.
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TEMA I: CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATELITES
Figura 1-4. Huella de un satélite
La órbita ecuatorial llamada geoestacionaria representa un círculo virtual a cerca de
36.000 km sobre la superficie terrestre. Allí los satélites giran en sincronía con la tierra. Los
satélites están sometidos a perturbaciones que pueden sacarlos de sus posiciones en esta
órbita, para contrarrestar este efecto, se emplean pequeñas fuerzas de corrección en
determinados intervalos de tiempo. Siempre y cuando el satélite no se salga de la gran caja
imaginaria mostrada en la figura 1-5, no hay ningún problema de comunicación
Figura 1-5. Desplazamiento de un satélite en órbita
Para un satélite en la órbita geoestacionaria, la tierra abarca aproximadamente 17º
de ángulo visual, por lo que los haces de emisión y recepción de un satélite se deben
conservar en este ángulo o en uno menor para que la comunicación sea óptima y evitar la
radiación de energía al espacio exterior. Por otra parte, las antenas de las estaciones terrenas
pueden concentrar la energía enviada o recibida desde un satélite en haces con un ángulo de
1° o menos, lo que contribuye a aumentar la potencia recibida de las señales del satélite.
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TEMA I: CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATELITES
Los satélites ubicados en órbitas no síncronas o también llamados satélites orbitales,
giran alrededor de la Tierra en un patrón elíptico o circular de baja altitud. Estos satélites no
permanecen estacionarios en relación a ningún punto en particular de la Tierra, por lo tanto
se tienen que usar cuando están disponibles, lo cual puede ser un corto periodo de tiempo,
por ejemplo, 15 minutos por órbita.
Una de las principales ventajas del uso de orbitas geoestacionarias es que se elimina
el uso de sistemas de rastreo y seguimiento de las satélites. Esta ventaja se aprovecha por
ejemplo en los sistemas de TV vía satélite. Otra ventaja notable es la posibilidad de instalar
estaciones terrenas desde prácticamente cualquier parte de su área de cobertura, en un
tiempo relativamente corto, brindando así el acceso a servicios de comunicaciones a zonas
poco atendidas como por ejemplo las zonas rurales. Por su parte, el uso de satélites
orbitales requiere de equipos especializados en las estaciones terrenas que permitan el
rastreo y seguimiento del satélite.
Entre las desventajas de los satélites se cuentan por ejemplo la probabilidad de falla
de su lanzamiento, puesta en órbita o funcionamiento. Por otro lado, la vida útil de los
satélites comerciales en orbitas geoestacionarias es de 10 años o más.
Clasificación de los Satélites Hay 2 Clasificaciones principales para los Satélites de Comunicaciones:
1. Hiladores (Spinners): Utilizan el movimiento angular de su cuerpo giratorio para
proporcionar una estabilidad de giro.
Figura 1-6. Satélite tipo Hilador
TEMA I: CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATELITES
2. Satélites Estabilizadores de tres ejes: Su cuerpo permanece fijo en relación a la
superficie de la tierra, mientras que el subsistema de Control de Orientación
proporciona la estabilización de giro.
Figura 1-7. Satélite tipo 3 ejes
TRAYECTORIAS Y ÓRBITAS SATELITALES
Un satélite permanece en órbita porque las fuerzas centrífugas causadas por su
rotación en torno a la tierra se equilibran con la atracción gravitacional de ésta. El
astrónomo alemán, Johannes Kepler, descubrió las leyes que gobiernan el movimiento de
los satélites. Estas son las mismas leyes del movimiento de los planetas alrededor del sol,
conocidas como las leyes de Kepler. Estas leyes tienen su sustento matemático en las leyes
de Newton. Las leyes de Kepler son:
1. La órbita de cada planeta es una elipse con el Sol en el foco
2. La línea que une un planeta con el Sol describe áreas iguales en tiempos
iguales.
3. El cuadrado del período de la órbita es proporcional al cubo de la distancia
media al foco.
La ley de gravitación universal de Newton establece que la fuerza de atracción entre
dos cuerpos es proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia entre sus centros, es decir:
(1-1) 2r
GMmF −=
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TEMA I: CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATELITES
Donde:
F: Fuerza de atracción
G: Constante de gravitación fundamental (6,672x10-11 m3 kg-1 s-2)
M: masa del cuerpo mayor (Tierra: 5,9742x1024 kg)
m: masa del Satélite
r : distancia entre los centros de los dos cuerpos
La segunda ley de movimiento de Newton establece que la aceleración de un cuerpo
tiene la misma dirección de la fuerza que se le aplique y es proporcional a la magnitud de
esta e inversamente proporcional a su masa, esto es:
(1-2) dtdvmF =
Donde:
F: Fuerza de atracción
m: masa del Satélite
v : velocidad
dv/dt : aceleración
Igualando las ecuaciones (1-1) y (1-2) se obtiene la ecuación del movimiento de dos
cuerpos dada por
(1-3) GMdv µ
22 rrdt−=−=
Con µ = GM ≈ 398601 km3 / s2.
A partir de la segunda ley de Kepler se obtiene que.
2211 ·vmr·vmrL == (1-4)
Donde:
L: Momento angular
m: Masa del satélite
r: distancia de la tierra al satélite
v: velocidad
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TEMA I: CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATELITES
Figura 1-8. Vectores de velocidad y posición de una orbita elíptica
Para que la órbita sea circular, los vectores de posición y velocidad deben ser
perpendiculares entre sí en todos los puntos de la trayectoria, por lo que no habrá una
componente de fuerza de gravitación en dirección de la trayectoria que modifique la
magnitud de la velocidad lineal, sino sólo su dirección, existiendo un equilibrio constante
entre la atracción gravitacional y la inercia. Así, la aceleración centrifuga aparente, debida a
la inercia, tendrá la magnitud v2/r, por lo que al sustituirla en la ecuación (1-3) obtendremos
rv µ= (1-5)
Recordando que la longitud de la circunferencia esta dada por
rl π2= (1-6)
Y si llamamos T al tiempo que tarda un satélite en recorrer la trayectoria circular, entonces
lvT = (1-7)
Combinando adecuadamente las ecuaciones (1-5), (1-6) y (1-7), se puede calcular el tiempo
total que tarda el satélite en recorrer la trayectoria como
µπ 324 rT = (1-8)
Ejemplo 1. Empleado la ecuación (1-8), demuestre que un satélite geoestacionario esta
ubicado a 36000 km de altura.
Observemos a continuación la solución:
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TEMA I: CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATELITES
Solución:
Si el satélite geoestacionario tarda 24 horas en recorrer su trayectoria, entonces:
shT 8640024 ==
y recordando que µ = GM ≈ 398601 km3 / s2, al despejar r de la ecuación (1-8)
se tiene que:
kmr 241.42=
Como r esta medida desde el centro de la tierra, para calcular la altura del
satélite respecto al nivel del mar, debemos restarle a r el radio de la tierra, el
cual se conoce y es aproximadamente igual a 6300 km. Por tanto la altura del
satélite geoestacionario es:
kmkmkmaltura 000.36953.356300241.42 ≅=−=
Se puede demostrar que al integrar la ecuación (1-3) se obtiene la ecuación general:
θcos1)1( 2
eear
+−
= (1-9)
Donde:
a : semieje mayor de la elipse
: excentricidad e )10( << e
θ : ángulo polar (también llamado anomalía verdadera por los astrónomos)
Apogeo Perigeo Tierra θ
Satélite
e a
Figura 1-9. Parámetros de una orbita elíptica
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TEMA I: CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATELITES
En la figura 1-9 se puede observar que a causa de la excentricidad, en una órbita
elíptica la distancia del satélite al foco no es constante. En consecuencia, se tendrán dos
puntos importantes en la órbita llamados perigeo (punto de la órbita más cercano a la
tierra) y apogeo (punto de la órbita más alejado de la tierra). Observando la figura 1-8
puede notarse que el vector de velocidad sólo será perpendicular al de posición en el
perigeo y en el apogeo. Además, usando la ecuación (1-4), podemos demostrar que:
1122 rvrv = (1-10)
Donde:
: velocidad en el apogeo ( ) 2v Av
: velocidad en el perigeo ( ) 1v Pv
: distancia de la tierra al apogeo ( ) 1r Ar
: distancia de la tierra al perigeo ( ) 2r Pr
Debido a que , para satisfacer la igualdad de la ecuación (1-10), la velocidad en el
perigeo ( ) será mayor que en el apogeo ( ).
PA rr >
Pv Av
Se puede considerar que la energía específica ( ) o energía por unidad de masa de
un satélite será la misma en todo momento, ya que no existen pérdidas por arrastre o
fricción. El valor de esta energía específica dependerá de la energía acumulada en la
trayectoria ascendente del vehículo de lanzamiento, la cual será transferida al satélite al
momento de su separación. Esta energía se puede calcular como la suma de la energía
cinética y la potencial como lo expresa la ecuación (1-11).
mE
rvEm
µ−=
2
2
(1-11)
Si se conoce el valor de la constante se puede relacionar la velocidad
instantánea del satélite con la distancia
mE
r para una órbita cualquiera. Se puede demostrar
que:
aEm 2
µ−= (1-12)
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TEMA I: CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATELITES
Sustituyendo (12) en (11) se obtiene la ecuación de la velocidad orbital (1-13).
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −=
arv 12µ (1-13)
Esta ecuación puede ser usada para calcular la velocidad en cualquier órbita. En caso de
que esta sea circular se tiene ar = , en consecuencia se tendría la ecuación (1-5).
PARÁMETROS ORBITALES
Los parámetros calculados en la sección anterior, el semieje mayor de la elipse ( )
y la excentricidad ( e ) permiten analizar las características geométricas de las orbitas
satelitales. Sin embargo, existen otros parámetros clásicos que caracterizan una órbita, para
revisar estos parámetros es necesario observar la figura 1-10, donde se muestra el plano
ecuatorial, que corresponde al un plano imaginario que pasa por el ecuador terrestre, y el
plano de la órbita del satélite, suponiendo que esta sea elíptica e inclinada. Se puede
observar en la figura 1-10 el nodo ascendente, que representa el punto del plano ecuatorial
donde la trayectoria del satélite lo cruza de sur a norte. El nodo descendente representa
entonces el punto del plano ecuatorial donde la trayectoria del satélite lo cruza de norte a
sur. La línea que une los nodos ascendentes y descendentes se llama línea de los nodos.
a
Figura 1-10. Orientación de la orbita
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TEMA I: CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATELITES
Una vez entendida la figura, podemos describir los parámetros orbitales presenten
en estas, los cuales son:
El ángulo de inclinación ( i ): es el ángulo del plano de la órbita del satélite
respecto al plano ecuatorial.
El ángulo de ascensión recta del nodo ascendente (Ω): es el ángulo medido
hacia el este en el plano ecuatorial desde la dirección del equinoccio de
marzo hasta dicho nodo.
El ángulo de argumento del perigeo (ω): es el ángulo del perigeo medido
desde el nodo ascendente en dirección del movimiento del satélite.
TIPOS DE ÓRBITAS
En forma general, un satélite puede seguir tres trayectorias al girar alrededor de la
tierra, estas son: Inclinada, Ecuatorial y Polar.
Órbitas Inclinadas: son virtualmente todas, excepto las que están directamente
sobre el plano ecuatorial o directamente arriba de los polos.
Órbita Ecuatorial: es cuando el satélite gira en órbita sobre el plano ecuatorial,
por lo general en una trayectoria circular. En este caso el ángulo de inclinación es
de 0°. Todos los satélites geoestacionarios están en órbitas circulares.
Órbitas Polar: Es cuando el satélite gira en una trayectoria que lo hace pasar sobre
los polos Norte y Sur, en una órbita perpendicular al plano ecuatorial, es decir, con
un ángulo de inclinación de 90°
Figura 1-11. Orbitas satelitales
TEMA I: CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATELITES
También se pueden clasificar las orbitas de los satélites por su altura de la manera
siguiente:
Órbitas Bajas (LEO: Low Earth Orbit): se ubican entre 500 y 1.500 km
aproximadamente. Los satélites en esta órbita se desplazan a 28.000 km/h
aproximadamente, por lo que sólo están visibles para una estación terrestre 15
minutos o menos. Tardan aprox. 1 ½ hora en girar alrededor de la tierra.
Órbitas Medias (MEO: Medium Earth Orbit): se ubican entre 6.000 y 11.000 km
aproximadamente. Los satélites en esta órbita tardan de 5 a 12 horas en girar
alrededor de la tierra y están visibles para una estación terrestre de 2 a 4 horas por
orbita.
Órbita Geoestacionaria (GEO: Geostationary Earth Orbit): se ubica a 35.787 Km.
Los satélites en esta órbita parecen prácticamente inmóviles para una estación
terrestre, y tienen un tiempo de disponibilidad de 24 horas.
Órbitas muy Elípticas (HEO: Highly Elliptical Orbit): permiten cubrir algunas
regiones, especialmente zonas polares donde los satélites Geoestacionarios no
pueden dar servicio. El Satélite más famoso con órbita elíptica es el Molniya. A
principios de esta década se lanzaron un par de satélites en EEUU con órbitas
elípticas con el que ofrecen servicio de Radio Móvil Digital.
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TEMA I: CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATELITES
LANZAMIENTO Y OPERACIONES EN ÓRBITA
El desarrollo tecnológico de vehículos espaciales permitió llevar a los satélites de
comunicaciones a la orbitas adecuadas para su funcionamiento. Para que un satélite alcance
una orbita geoestacionaria, es necesario que acelere hasta una velocidad de 3.070 m/s en
una orbita no inclinada y alcance una distancia de 42.242 km desde el centro de la tierra.
Existen dos tecnologías para lograr esto, los vehículos de lanzamiento no reutilizables
(ELV: Expendable Launch Vehicles) y los vehículos de lanzamiento reutilizables (STS:
Space Transportation System). El tipo de vehículo a utilizar lo determinará, entre otras
cosas, la potencia requerida para llegar a la orbita satelital, el ángulo de inclinación del
plano orbital, la ubicación geográfica del centro espacial utilizado, el tamaño y peso del
satélite y el costo del lanzador.
Figura 1-12. Vehículo de lanzamiento no reutilizable
Figura 1-13. Vehículo de lanzamiento reutilizable
TEMA I: CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATELITES
La ubicación geográfica de los centros espaciales ofrece algunas ventajas
adicionales al lanzamiento de los vehículos espaciales. En la figura 1-14 se muestran los
principales lugares de lanzamiento. En los Estados Unidos, el centro espacial Vandenberg,
localizado entre Los Ángeles y San Francisco, es ideal para lanzar satélites que deben
quedar en orbitas polares. Cabo Cañaveral es utilizado para lanzar cohetes que llevan
satélites de varias toneladas a bordo, destinados a permanecer en orbitas geoestacionaria,
geosincrónica, elíptica o circular inclinada.
Desde aquí se han lanzado satélites de comunicaciones INTELSAT, Inmarsat,
Globalstar, entre otros. En Brasil se encuentra el centro espacial Alcántara cuya ventaja
principal radica en estar cerca del ecuador. Así mismo, el centro espacial Kourou, ubicado
en Guyana, es considerado el mejor centro espacial del mundo porque su cercanía al
ecuador (5° N) favorece la colocación de satélites geoestacionarios con el menor consumo
de energía. Desde allí son lanzados más del 50% de los satélites geoestacionarios.
En Kazajstán se encuentra el centro espacial Baikonur, el mayor complejo
astronáutico del mundo, desde allí se lanzó el Sputnik I. Desde este centro espacial se han
lanzado satélites a todas las órbitas, a pesar de estar lejos del plano ecuatorial. Esta
limitante llevó a los rusos y ucranianos a buscar socios occidentales, estableciendo alianzas
con el consorcio Sea Launch, que tiene una plataforma móvil remolcada por un gran buque
hasta alta mar, la cual sitúan a 0° de latitud, convirtiéndose en el sitio ideal para lanzar
satélites geoestacionarios con el menor consumo de energía posible y sin riesgo para áreas
pobladas.
Observemos la siguiente figura:
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TEMA I: CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATELITES
Figura 1-14. Lugares de lanzamiento de vehículos espaciales
Existen otros sitios de lanzamiento que tienen menor tamaño y uso como los de
India, Australia, Noruega e Israel. China tiene tres centros de lanzamiento, pero el más
importante es el Xichang, desde donde se han lanzado satélites a orbitas geoestacionarias
como el Satélite Simón Bolívar (Venesat-1).
Colocación de satélites en órbita En el año 1925, el científico alemán Walter Hohmann publicó una teoría en la que
explicaba como trasladar una nave espacial de una órbita circular a otra utilizando dos
impulsos de su motor. El buscó un procedimiento para hacer cambios de órbita con el
menor consumo posible de energía, y descubrió que era necesario usar una órbita elíptica
de transferencia o intermedia que fuese tangente tanto a la órbita inicial como a la órbita
final. Usando la teoría de Hohmann, un satélite se coloca primero en un órbita circular baja,
después debe encender algún motor para acelerar la carga y pasarla a una nueva órbita
elíptica muy alargada, cuyo perigeo esté a la altura de la órbita circular baja inicial y su
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TEMA I: CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATELITES
apogeo a la misma altura que la órbita circular final, en este caso la órbita geoestacionaria.
Este procedimiento se ilustra en la figura 1-15.
Figura 1-15. Uso de la órbita elíptica de transferencia
A continuación, pueden profundizar este tema (TEMA I), consultando las
siguientes fuentes bibliográficas y dirección WEB:
[1] Rosado Carlos. (1999). Comunicación por satélite. Editorial Limusa, México D.F.
Tomasi, Wayne (2003). Sistemas de Comunicaciones electrónicas. Pearson Education, México.
Neri Vela, Rodolfo. (2003). Comunicaciones por satélite. Internacional Thompson Editores, S.A. México.
http://www.spaceandtech.com/spacedata/satellites/satellites.shtml
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TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
ÍNDICE TEMÁTICO TEMA II
TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
Secciones
INTRODUCCION
TECNICAS DE MULTIPLEXAJE
Multiplexión por División de Frecuencia
Modulación en Frecuencia
Multiplexión por División de Tiempo
Modulación Digital
CODIFICACION Y CORRECION DE ERRORES
CIFRADO O ENCRIPTACION
TÉCNICAS ACCESO MULTIPLE
Acceso Múltiple por División de Frecuencia
Acceso Múltiple por División de Tiempo
Acceso Múltiple por División de Código
Acceso Múltiple por División de Tiempo con
Conmutación en el Satélite
Una vez concluido este Tema, Ud. Dispondrá de las competencias necesarias para:
- Describir las diferentes técnicas de multiplexaje utilizadas en los sistemas satelitales
- Explicar los principales esquemas de modulación implementados en las
comunicaciones satelitales.
- Identificar los esquemas de codificación y corrección de errores usados en los
sistemas satelitales.
- Describir las técnicas de acceso múltiple que permites compartir los recursos de un
satélite.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 20
TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
TEMA II
TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
INTRODUCCION Como se describió en el capitulo anterior, un satélite de comunicaciones es un
repetidor de radio, por tanto este recibe señales de una estación terrena, las amplifica y las
reenvía a otra estación terrena, como se muestra en la figura 2-1.
Figura 2-1. Enlace satelital
Imagen tomada de http://148.225.72.135/educacion/en_linea/P4.htm1.jpg
Una estación terrena puede transmitir un grupo de señales (canales de Banda
Ancha) que serán separadas, amplificadas, procesadas (digitalmente), trasladadas en
frecuencia, amplificadas y reagrupadas nuevamente para ser enviadas a tierra. Como se
observa en la figura 2-2, cada grupo de señale es un canal de Banda Ancha, cada canal tiene
un ancho de banda de varios MHz y puede contener canales de datos, voz, TV, según las
tasas de transmisión y las técnicas de acceso múltiple. A cada canal de Banda Ancha se le
llama transponder (transmitter-responder). Un satélite típico tiene 12 transponders para
una determinada banda (C, Ku, Ka, etc.)
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TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
Figura 2-2. Diagrama de bloques de un transponder
Imagen tomada de [1] pag. 394
TECNICAS DE MULTIPLEXAJE
El multiplexaje se refiere básicamente a la transmisión desde más de una fuente a
más de un destino. Es una operación reversible que permite combinar varias señales en una
sola señal, más compleja. Las señales combinadas en un multiplexor por lo general vienen
de fuentes independientes, como por ejemplo suscriptores en una red telefónica. La
reversibilidad de la operación de multiplexión permite la recuperación de las señales
originales que a menudo tienen destinos diferentes. Esta operación inversa se llama
demultiplexión. La multiplexión puede hacerse por medio de técnicas digitales o
analógicas.
Según Neri Vela “las técnicas analógicas fueron usadas ampliamente en el siglo
XX, pero han ido perdiendo terreno en forma progresiva frente a los modernos métodos
digitales, cuyos formatos y filosofía de transmisión los han hecho muy atractivos, flexibles
y útiles comercialmente” [2]
En la figura 2-3 se muestran las técnicas de multiplexaje analógicas y digitales. En
ambos casos, las señales de entrada se combinan a través del multiplexor para producir una
sola señal en banda base. En el caso del enlace analógico, la señal de entrada pueden ser
voz o video analógico, que luego de ser multiplexadas pasan a ser moduladas, adecuándolas
para ser trasmitidas a través de la estación terrena. En el caso del enlace digital, las señales
de entrada pueden ser digitales o analógicas digitalizadas previamente (ejemplo voz y
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 22
TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
video). Una vez multiplexadas se pasan por un codificador que permita reducir el número
de errores en la transmisión y finalmente son moduladas para ser enviadas a través de la
estación terrena.
Figura 2-3. Técnicas de multiplexaje usadas en sistemas satelitales
Imagen tomada de [2] pag. 198
Las señales en banda base se trasladan a una frecuencia intermedia (FI) normalizada
de 70 o 140 MHz. La normalización de la FI permite el intercambio de moduladores o
demoduladores independientemente de las estaciones terrenas. Antes de ser enviada al
satélite, la señal en FI es elevada a la frecuencia asignada a la estación terrena. Obviamente
la estación receptora invierte todo este proceso hasta obtener la señal de información
deseada.
Multiplexión por División de Frecuencia (FDM: Frecuency Division
Multiplexing) Este método de multiplexaje originalmente se utilizó alrededor de 1930 en redes
telefónicas para transmitir 12 canales telefónicos en una sola portadora. Su uso se extendió
a otras aplicaciones y luego comenzó a usarse en sistemas satelitales alrededor de 1960. El
método consiste básicamente en que 12 señales analógicas individuales de voz se adecuan
para contener sólo componentes de 300 Hz hasta 3,4 kHz, cada señal se modula espaciada a
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TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
4 kHz usando el método de banda lateral única con portadora suprimida, formando un
grupo primario básico como se muestra en la figura 2-4.
Figura 2-4. Formación de un grupo usando FDM
Imagen tomada de [2] pag. 204
Nótese que el grupo ocupa un ancho de banda de 48 kHz (de 60 kHz a 108 kHz) y
cada canal individual es asignado a una determinada posición en frecuencia dentro del
ancho de banda disponible; además, la separación entre el inicio de un canal y el siguiente
se hace de 4 kHz para evitar solapamientos e interferencias. Como se observa en la figura
2-5, cada canal tiene un ancho de banda de 3,1 kHz, quedando 0,9 kHz para la banda de
guarda.
Figura 2-5. Grupo multicanal formado por 12 canales
Imagen tomada de [2] pag. 201
Con 5 grupos primarios trasladados a frecuencias distintas (cada uno en una sóla
operación con sus 12 canales) se forma un supergrupo de 60 canales que ocupan una banda
de 312 a 552 kHz. De la misma manera, 5 supergrupos forman un mastergrupo y 3
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TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
mastergrupos forman un super-mastergrupo. En la tabla 2-1 se observan las características
de cada uno de estos grupos. Esta agrupación de canales telefónicos y bandas es
recomendada por la CCITT.
Tabla 2-1. Agrupación de canales telefónicos según la CCITT
Tomada de [2] pag. 20
No de Canales Denominación Banda ocupada (kHz)
12 Grupo 60 - 108 60 Supergrupo
(5 grupos) 312 – 552
300 Mastergrupo (5 Supergrupos)
812 – 2.044
900 Super-mastergrupo (3 Mastergrupos)
8.516 – 12.388
El demultiplexaje se realiza en la estación terrena receptora mediante filtros para
separar por frecuencia los grupos y canales, finalizando con la demodulación de estos o
puede efectuarse parcialmente en una red terrenal interconectada.
Este sistema ha caído en desuso por la generalización de la digitalización de las señales
telefónicas.
En el caso de las señales analógicas de televisión, al realizar la multiplexión por
división de frecuencia se obtiene una señal compuesta, que consiste en la suma de la señal
de luminancia, dos señales de diferencia de color moduladas en banda base así como la
señal de audio también modulada en banda base. Otra opción es separar las señales y
enviarlas por un transponder diferente.
Modulación en Frecuencia (FM: Frequency Modulation) La modulación en frecuencia (FM) es la única forma de modulación usada en
sistemas satelitales analógicos, tal como se mostró en la figura 2-4. A pesar de su amplio
ancho de banda y su poca eficiencia espectral, este esquema de modulación ofrece una
buena relación señal a ruido (S/N), lo que le permite sobreponerse a los bajos niveles de
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TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
relación portadora a ruido (C/N) característicos de los sistemas satelitales. En esta sección
no nos dedicaremos a explicar la modulación FM, la cual forma parte de un curso básico de
sistemas de comunicaciones, sino que trataremos su aplicación a los sistemas satelitales.
La modulación FM es utilizada en telefonía multicanal por portadora (MCPC:
Multiple Channel Per Carrier), en sistema de un sólo canal por portadora (SCPC: Single
Channel Per Carrier) y en radiodifusión y sistemas de TV.
a) Sistema SCPC b) Sistema MCPC
Figura 2-6. Número de canales por portadora Imagen tomada de [3] pag. 268
El ancho de banda requerido para un sistema FM esta dado por la regla de Carlson,
la cual se expresa de la siguiente forma:
( ) ( )122 +=+∆= mfffB mmpico (2-1)
Donde:
B : Ancho de Banda
: Desviación pico de frecuencia del modulador picof∆
: Frecuencia más alta de la señal moduladora mf
: Índice de modulación = m mpico ff /∆
En sistemas FM de banda ancha se tiene que 25,0≥m
Para mejorar la calidad de la señal transmitida, esta se acondiciona a través de filtros
de preenfasis. La figura 2-7 muestra la curva característica de preenfasis recomendada por
la CCIR, alli se observa una mejora de aproximadamente 4 dB en la relación S/N.
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TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
Figura 2-7. Curva característica de preenfasis recomendada por la CCIR
Imagen tomada de [2] pag. 202
Matemáticamente se tiene que para una señal multicanal MCPC,
PWbB
ff
NC
NS
m
tono
dB
++⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ∆+=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡ log10log20 (2-2)
Donde:
: Ganancia del preenfasis (4 dB) W
P : Ganancia adicional (2,5 dB para canales de voz)
B : Ancho de Banda del canal (Transponder)
: Ancho de Banda Base del canal b
: Desviación rms producida por un tono de prueba senoidal tonof∆
NC : Cociente de potencias de la portadora sobre el ruido
Para calcular la potencia equivalente de una señal multicanal FDM en función del
número de canales multiplexados ( ) en la banda base, la CCIR estableció dos formulas
empíricas para calcular el factor de carga multicanal . Estas formulas son:
n
S
240][log1015 ≥+−= ndBnS (2-3)
240][log41 <+−= ndBnS (2-4)
TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
El factor de carga multicanal permite calcular la desviación rms en frecuencia de la
portadora y su correspondiente ancho de banda B , es decir:
tono
S
rms ff ∆⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡=∆
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
2010 (2-5)
Cuando el número de canales se puede calcular el 24>n picof∆ usando el factor de
pico multicanal, que vale 3,16.
rmspico ff ∆=∆ 16,3 (2-6)
Para señales SCPC la ecuación (2-2) debe reescribirse de la siguiente manera:
Cmm
pico
dB
IPWfB
ff
NC
NS
+++⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ∆+=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡ log1076,1log20 (2-7)
Donde:
: Ganancia del preenfasis (6,3 dB) W
: Ganancia adicional (2,5 dB para canales de voz) P
: Factor de mejora de compasión para SCPC (entre 15 y 20 dB, tipico: 17 dB) CI
En el caso de que la señal SCPC sea de video, se tiene que
PWfB
ff
rNC
NS
mm
pico
dB
++⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ∆+=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡ log1076,1log20 (2-8)
Donde:
ciónsincroniza de pulso incluyendo TV de completa Señal
luminanciadeseñalladePicopicoValor −=r
B : Ancho de banda de RF de la señal de TV modulada)
: Depende del estándar de TV (varía entre 10 y 14 dB) W
P : Depende del estándar de TV (varía entre 2 y 3 dB)
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TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
En términos generales, las estaciones terrenas que tienen poco tráfico y utilizan
pocos canales en SCPC son más baratas que si emplearan MCPC, ya que se elimina el
costo de los Multiplexores y Demultiplexores. Por otro lado, es más sencillo reconfigurar
un sistema SCPC que un MCPC; además los sistemas SCPC sólo transmiten cuando su
canal está activo, lo que permite el ahorro de potencia, mientras que en los MCPC la
portadora siempre está presente aun cuando algunos canales no estén transmitiendo.
Ejercicio 2-1:
Una portadora cuando se modula ocupará 9 MHz de un transponder del satélite
INTELSAT V produce una dBNC 7,14= en una estación terrena. Asumiendo dB
NS 0,51= .
¿Cuántos canales se pueden transportar?
Solución:
De la ecuación (2-2) sabemos que:
PWbB
ff
NC
NS
m
tono
dB
++⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ∆+=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡ log10log20
Sustituyendo los datos del problema en esta ecuación tenemos:
5,24101,3
109log10log207,1451 3
6
++⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ∆+=
HzxHzx
ff
m
tono
Luego:
83,4log20 −=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ∆
m
tono
ff
De donde se obtiene:
573,010 20/83,4 ==⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ∆ −
m
tono
ff
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TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
La se puede estimar asumiendo maxf Nf 4200max = , donde N es el número de
canales. De allí entonces:
573,04200
=∆
Nftono
Despejando N tenemos,
)573,0(4200tonofN ∆
=
Despejando de la ecuación (2-5) y sustituyendo en la ecuación anterior nos queda, tonof∆
]10)[573,0(4200 20/SrmsfN ∆
=
Despejando de la ecuación (2-6) y sustituyendo en la ecuación anterior nos queda, rmsf∆
]10[86,7604)16,3](10)[573,0(4200 20/20/ S
picoS
pico ffN
∆=
∆=
De la ecuación (2-1) tenemos
( ) ( )NfffHzxB picompico 420022109 6 +∆=+∆==
De donde se obtiene que
HzNxf pico )4200105,4( 6 −=∆
Por lo que N será ahora
]10[86,76044200105,4
20/
6
S
NxN −= (*)
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TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
Si asumimos el número de canales entonces podemos utilizar la ecuación
(2-3)
240≥N
240][log1015 ≥+−= NdBNS
Pero al sustituir S en (*) se obtiene 195≈N , lo cual no satisface la suposición
inicial de que , por lo tanto esta respuesta no es válida. 240≥N
Si asumimos ahora que el número de canales 240<N entonces podemos utilizar la
ecuación (2-4)
240][log41 <+−= ndBnS
Al sustituir S en (*) se obtiene 191≈N , lo cual sí satisface la suposición de que
, por lo tanto se concluye que el número de canales que se pueden transportar es
240 canales.
240<N
Multiplexión por División de Tiempo (TDM: Time Division
Multiplexing)
Este método permite que diversas señales compartan un mismo medio de
comunicación comprimiendo en el tiempo sus trenes de impulsos e intercalándolos en
secuencia en una sola señal en banda base antes de la modulación, tal como se mostró en la
figura 2-3. En TDM, la tasa de bits del conjunto es mayor que la suma de las tasas de las
señales de entrada. El multiplexaje puede ser realizado intercalando bits o caracteres,
dependiendo de las fuentes o requerimientos, y tiene la gran ventaja de que las señales de
entrada no tienen que ser forzosamente iguales, sino que pueden ser una gama de señales de
datos, voz y video digitalizados, si es el caso. Sin embargo, al igual como se describió para
FDM, para TDM existen algunos formatos definidos y estructurados para fines comerciales
prácticos, con base en una jerarquía.
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TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
La tabla 2-2 muestra la jerarquía digital utilizada en Estados Unidos, las siglas DS
corresponden a Digital Signal. En Europa y Japón utilizan niveles distintos.
Tabla 2-2. Jerarquía digital usada por Estados Unidos
Tomada de [2] Pág. 215 Nivel Número de canales
de voz digitalizada Equivalencias con
otros niveles Tasa de bits (Mb/s)
DS1 24 ---------- 1,544 DS1C 48 2 x DS1 3,152 DS2 96 4 x DS1 6,312 DS3 672 7 x DS2 44,736 DS4 4.032 6 x DS3 274,176
La tasa de bits se obtiene para DS1, por ejemplo, de multiplicar los 24 canales por
64 kb/s (estándar de digitalización de un canal de voz), con lo cual se obtienen los 1,544
Mb/s una vez incluidos los bits de sincronización en el extremo del receptor.
En la figura 2-8 se muestra el diagrama de bloques de un generador de señal DS1.
Notese que los 24 canales de voz son llevados de su forma analógica a digital a través de un
codificador de onda PCM. La salida del codificador es de 64 kb/s. Si la señal es de
naturaleza digital entonces se elimina el codificador y se conecta directamente a la entrada
del multiplexor.
Figura 2-8. Multiplexor TDM
Imagen tomada de [2] pag. 217
Existen otras jerarquías digitales como la SONET (Synchronous Optical Network) o
también conocida como SDH (Synchronous Digital Hierarchy), la cual resulta importante
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TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
para los satélites multimedia de banda ancha y su interconexión con las redes terrestres de
fibra óptica. La tabla 2-3 muestra algunos niveles de esta jerarquía.
Tabla 2-3. Jerarquía digital SONET
Tomada de [2] pag. 215 Nivel Tasa de bits (Mb/s)
1 51,840
3 155,520
9 466,560
12 622,080
18 933,120
Modulación Digital Usar sistemas digitales tiene muchas ventajas respecto a los analógicos, como por
ejemplo, una alta confiabilidad, menor costo, menor susceptibilidad al ruido, la posibilidad
de usar codificación para la detección y corrección de errores. En esta sección no nos
dedicaremos a explicar los distintos esquemas de modulación digital, lo cual forma parte de
un curso básico de sistemas de comunicaciones, sino que trataremos su aplicación a los
sistemas satelitales.
Existen varios tipos de modulación digital como por ejemplo: PSK (Phase Shift
Keying: Modulación por desplazamiento de fase), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying:
Modulación por desplazamiento de fase en cuadratura), QAM (Quadrature Amplitude
Modulation: Modulación de amplitud en cuadratura 16 niveles), entre otros. En la
transmisión vía satélite se debe evaluar el compromiso entre el ancho de banda de la señal,
la eficiencia espectral y los requerimientos de potencia para escoger el esquema de
modulación más adecuado. Por ejemplo, la modulación 16QAM permite usar mejor el
ancho de banda en comparación con QPSK y 8PSK, pero es menos eficiente en términos
del uso de la potencia; se usa para transmitir portadoras con tasas muy grandes, del orden
de 34 Mb/s o 45 Mb/s, entre estaciones terrenas también grandes. Además, 16QAM es más
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 33
TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
sensible a la lluvia y a las no linealidades de los amplificadores de los satélites y las
estaciones terrenas que QPSK y 8PSK.
La modulación de mayor uso en los enlaces satelitales es PSK, QPSK es utilizada en
servicio fijo para telefonía SCPC, transmisión de datos y difusión de TV comprimida con
los estándares MPEG-2; BPSK es empleada en los enlaces de telemetría y comando, ya que
es menos susceptible al ruido que QPSK.
Es necesario recordar que en la modulación PSK la fase de la portadora cambia con
cada bit de información de la banda base de la señal moduladora. El número M de estados
o fases que la portadora puede tomar depende del número de bits de información
original que sea usado para formar cada símbolo, a través de la siguiente relación:
N
NM 2= (2-9)
Además, la tasa de bits de la banda base original se mide en bits/s y la tasa de
símbolos de la portadora modulada es cuantificada en símbolos/s o baudios, es decir,
bR sR
][log2
baudiosM
RR bs = (2-10)
Por otro lado, la eficiencia espectral se obtiene a través de la ecuación siguiente:
]//[BRF
HzsbitsRb=η (2-11)
Donde:
: Ancho de banda RF RFB
En la tabla 2-4 se muestra un resumen de las características de algunos esquemas de
modulación digital. Nótese que mientras mayor es el número de bits de codificación, el
ancho de banda disminuye y la eficiencia espectral aumenta.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 34
TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
Tabla 2-4. Resumen de la modulación digital Tomada de [4] pag. 505
Modulación Codificación Ancho de Banda (Hz) )(baudios
Rsimbolos )//( Hzsbitsη
BPSK Un bit bf bf 1 QPSK Dibit 2/bf 2/bf 2 8PSK Tribit 3/bf 3/bf 3 16PSK Cuadribit 4/bf 4/bf 4 16QAM Cuadribit 4/bf 4/bf 4
En la práctica, debido al uso de filtros para evitar la interferencia intersimbólica
(ISI), como por ejemplo los filtros de coseno alzado, el ancho de banda teórico se recalcula
añadiendo un 20 % como se expresa en la ecuación (2-12).
sRF RB 2,1= (2-12)
Si se transmite una portadora de C watts durante el intervalo de un símbolo, se puede
calcular la energía de símbolo de la siguiente manera:
sSS R
CTCE == . (2-13)
Donde:
: Potencia de la portadora (watts) C
: Tiempo de símbolo (segundos) ST
La densidad espectral de ruido ( ) se obtiene dividiendo la potencia de ruido ( )
entre el ancho de banda a la entrada del demodulador, es decir,
0N N
BNN =0 (2-14)
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CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 36
TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
En los sistemas digitales, es un factor importante la relación entre la energía de
símbolo y la densidad espectral de ruido, así como la relación de la energía promedio de un
bit ( ) entre la densidad espectral de ruido. Estas relaciones se describen a continuación. bE
ss
S
RB
NC
NB
RC
NE
==0
(2-15)
0NE
BR
NC bb= (2-16)
Otro factor importante es la relación portadora sobre densidad de ruido, la cual esta
dada por la ecuación (2-17).
][)log(1000
dBHzRNE
NC
bb +⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡ (2-17)
El desempeño de la transmisión de señales digitales se evalúa principalmente por la
proporción de bits erróneos recibidos. Recordemos que la probabilidad de error teórica se
obtiene por,
021
NEerfcP b
e = (2-18)
Donde: erfc es la función de error complementario definida por
duexerfcx
u∫∞ −=
22)(π
(2-19)
Para objetivos de calidad en cuanto a la proporción total de errores en telefonía la
UIT recomienda que no se excedan los valores de 10 valor medio durante 10 minutos
durante mas del 20% de cualquier mes, valor medio durante 1 minuto durante mas de
0,3% de cualquier mes, y valor medio durante 1 segundo durante mas de 0,05% de
6−
410−
310−
TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
cualquier mes. La relación de estas proporciones con la anual media depende de las
características particulares de la precipitación en los extremos del enlace que se trate.
Para la transmisión de datos en redes privadas es muy frecuente que se especifique
una proporción de bits erróneos de y para televisión comprimida hasta de , para
los porcentajes de disponibilidad establecidos en cada caso. Estos valores generalmente se
obtienen implementando técnicas de codificación de canal para la corrección de errores en
el receptor.
710− 1010−
CODIFICACION Y CORRECION DE ERRORES
Se puede reducir el número de bits errados en un sistema satelital aumentando la
potencia de portadora a fin de mejorar la relación S/N; sin embargo, los sistemas satelitales
suelen estar limitados en potencia, por lo que se busca reducir el número de bits errados
utilizando métodos alternativos como la codificación para la detección y corrección de
errores. Con la codificación se añaden bits de control a la información antes de la
modulación, tal como se mostró en la figura 2-3, este procedimiento conlleva el aumento
del ancho de banda o la reduccion de la velocidad de transmisión, pero evita el aumento de
potencia.
Existen dos clases de control de errores: la petición automática de repetición (ARQ:
Automatic Repeat Request) y la correción de errores en recepción (FEC: Forward Error
Correction).
La ARQ consiste en que el receptor, al detectar un error, solicita a la estación
transmisora que le vuelva a enviar el bloque de información de acuerdo a un protocolo
preestablecido. Se pueden emplear métodos como la verificación de paridad, la violación de
código y la verificación de redundancia cíclica. Entre las desventajas de esta técnica esta la
necesidad de contar con una memoria transitoria de amortiguamiento para almacenar los
bloque con error y subsecuentes hasta que sean retransmitidos, esto trae como consecuencia
tiempos de retraso en la transmisión. Esta técnica sólo es aplicable a satélites
geoestacionarios con bajas velocidades de transmisión.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 37
TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
La codificación FEC permite corregir el error en el receptor sin solicitar la
retransmisión. Se basa en códigos de bloques y códigos de desarrollo contínuo o
convolucionales, que agregan bits de información antes de la modulación (Viterbi, Reed-
Solomon, entre otros). Esta técnica de codificación es la más utilizada en redes satelitales
aunque su implementación es mas costosa.
La relación de codificación R entre la velocidad binaria de información y la
velocidad binaria de transmisión para la codificación FEC se puede calcular como,
bR
cR
c
b
RRR = (2-20)
La relación de codificación se expresa en fracciones, por ejemplo 87,
43,
21
=R . Esto
significa que si 87
=R , por cada 7 bits de información se añade 1 de redundancia, lo cual
hace que la velocidad de transmisión sea 1,14 veces mayor que la velocidad de
información.
CIFRADO O ENCRIPTACION
Dado que no se puede evitar la recepción de la señal de los sistemas satelitales en
cualquier punto dentro de su área de cobertura, se pueden utilizar métodos de seguridad
especializados que no permitan que personas distintas a los destinatarios conozcan y
utilicen la información transmitida.
En aplicaciones comerciales analógicas como la difusión de TV vía satélite, lo que
se hace es alterar la forma de las ondas transmitidas, ya sea sumándoles en banda base
alguna señal de interferencia, o bien cambiarlas en tiempo o frecuencia siguiendo algún
patrón (scrambling).
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 38
TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
Para las señales digitales se utilizan técnicas de encriptación o codificación. La más
utilizada en sistemas satelitales es la llave o código privado. También se utilizan las
técnicas de código público.
La encriptación también se utiliza para proteger los enlaces de telemetría y comando
de los satélites. Estos comandos se utilizar para modificar la posición y orientación del
satélite, así como cambios en los transponders o para reprogramar procesadores de datos a
bordo de los satélites.
TÉCNICAS ACCESO MULTIPLE
En general, en los sistemas de comunicaciones, el acceso múltiple es la forma en
que los sistemas activos (circuitos, canales, transponders, etc.) se asignan a los usuarios. El
proceso, también llamado control de acceso al medio (MAC) para algunas redes
inalámbricas, es muy importante ya que garantiza la adecuada capacidad y disponibilidad
de enlace, en particular durante los momentos de mayor demanda de los sistemas
comunicaciones.
Los sistemas satelitales son especialmente dependientes de las técnicas de acceso
múltiple, porque los satélites suelen estar limitados en potencia o en frecuencias disponibles
y no tienen la capacidad de atender a todos los usuarios simultáneamente. El objetivo de las
técnicas de acceso múltiple es garantizar a los usuarios el acceso al sistema satelital
independientemente de la alta demanda que exista del mismo. Así, los sistemas de acceso
múltiple permiten que dos o más estaciones terrenas compartan simultáneamente los
recursos del mismo transponder o canales de la misma frecuencia.
Los tres métodos de acceso múltiple utilizados son:
FDMA TDMA CDMA
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 39
TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
Acceso Múltiple por División de Frecuencia (FDMA: Frequency
Division Multiple Access) Esta técnica fue la primera y sigue siendo la más utilizada tanto en sistemas
analógicos como digitales MCPC o SCPC. Consiste en dividir el ancho de Banda del
transponder en secciones o ranuras, separadas por bandas de guarda. La figura 2-9 muestra
un ejemplo de esa aplicación, allí se observa que el ancho de banda de 36 MHz de un
transponder se ha subdividido en 3 ranuras que no necesariamente tienen el mismo ancho
de banda.
Figura 2-9. Ejemplo de FDMA Imagen tomada de [2] pag. 233
El subdividir el ancho de banda en ranuras fijas ofrece una configuración rígida o
invariable, ya que cada estación debe transmitir siempre en la misma frecuencia. Por eso se
le conoce como asignación fija. Si alguna de las estaciones no transmite continuamente se
estará desperdiciando esa porción de ancho de banda, por lo que existe la alternativa de
asignación por demanda (DAMA: Demand Assigned Multiple Access).
La técnica DAMA asigna las ranuras a las estaciones terrenas que las solicitan, y
una vez que dejan de transmitir, estas ranuras son liberadas para cualquier otra estación que
la solicite. La asignación de las ranuras disponibles se hace a través de una estación central
que coordina el banco de frecuencias disponibles. La desventaja de este sistema es que cada
estación terrena debe tener la capacidad de cambiar su frecuencia de transmisión según la
banda que se le asigne.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 40
TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
La figura 2-10 muestra la configuración del sistema SPADE de INTELSAT, el cual
es un sistema DAMA con algunas adaptaciones. Este consiste en un transponder de 36
MHz rasurado en 800 secciones de 45 kHz entre centros, capaces de conducir
simultáneamente 400 conversaciones telefónicas (400 ranuras para canales de ida y 400
ranuras para canales de retorno); cada ranura tiene su frecuencia de portadora y puede ser
usada temporal e indistintamente por cualquiera de los países afiliados al sistema,
sincronizándose con el banco central de frecuencias mediante un canal digital de
solicitudes.
Figura 2-10. Sistema SPADE
Imagen tomada de [2] pag. 235
Existen muchas variantes en cuanto a la forma de ranurar en frecuencia un
transponder y acceder a el y ocuparlo desde varias estaciones terrenas. Como norma
general, SCPC con asignación por demanda se utiliza para comunicar puntos con tráfico
ocasional, como zonas rurales o de poco intercambio entre sí. Para enlazar puntos que
generan tráfico de manera permanente, se emplea la asignación fija, y esta puede ser SCPC
(para poco tráfico pero constante) o MCPC. En MCPC en tamaño de la ranura dependera
del número de canales que contenga, estos canales pueden ser analógicos o digitales con
multiplexión en frecuencia o en tiempo respectivamente.
La presencia simultánea de varias portadoras en un mismo amplificador del satélite
produce ruido de intermodulación. Esto obliga a operar el amplificador en un punto de
trabajo por debajo de la potencia máxima de salida, con una disminución o back-off que
puede ser de varios decibelios. Por ejemplo, en TV analógica ocupando todo el transponder
(36 MHz), el back-off típico de salida es 4,5 dB.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 41
TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA: Time Division
Multiple Access)
Esta técnica en la más utilizada actualmente y es aplicable sólo a portadoras
digitales. Consiste en asignar a todas las estaciones terrenas de la red satelital la misma
ranura (que puede ser todo un transponder o parte de el), la cual comparten
secuencialmente en el tiempo, es decir, a cada estación se le asigna exclusivamente toda la
ranura durante un tiempo T para realice su transmisión. Una vez agotado ese tiempo, debe
dejar de transmitir para que lo haga la próxima estación según la secuencia establecida.
Cada estación transmite en la misma frecuencia, pero en ráfagas separadas por
breves tiempos de guarda para evitar que se superpongan, tal como se muestra en la figura
2-11. Así, la ráfaga enviada por la estación se sincroniza para que llegue al transponder de
satélite a un tiempo diferente. Todas las estaciones terrenas reciben las ráfagas de cada una
de las estaciones participantes, teniendo que seleccionar la destinada a ella.
La ventaja de esta técnica es que al tener una sola portadora, se elimina el problema
de la intermodulación, lo cual permite al transponder operar a su potencia máxima lo que
conlleva a la mejora de la relación C/N. La desventaja principal es la necesidad de
sincronización, la cual depende también de la distancia de cada estación al satélite.
Figura 2-11. Sistema TDMA
Imagen tomada de [4]
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 42
TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
El tiempo de transmisión T no necesariamente es igual para todas las estaciones. Es
probable que algunas estaciones tengan mayor tráfico que otras, por lo que se les asignaría
un tiempo mayor. Si estos tiempos son fijos, se dice que tenemos un sistema TDMA con
asignación fija. Si estos tiempos se ajustan (manual o automáticamente) cuando algunas de
las estaciones tengan exceso de tráfico, se dice que tenemos un sistema TDMA con
asignación variable.
Si el tráfico de una estación no es tan grande como para que ocupe todo un
transponder sino sólo una parte de este, el ancho de banda del transponder se puede
compartir con otras estaciones que no formen parte de la red TDMA utilizando FDMA. La
figura 2-12b muestra un ejemplo de este caso, en el que una ranura TDMA se comparte con
una señal de video analógico y telefonía SCPC. En este caso, el transponder no podrá
trabajar a su máxima potencia, para reducir el problema de la intermodulación.
Figura 2-12. Ocupación de portadoras de un transponder de 72 MHz con TDMA
a) Ocupación completa b) Ocupación parcial TDMA compartida con FDMA Imagen tomada de [2] pag. 240
Acceso Múltiple por División de Código (CDMA: Code Division
Multiple Access) En esta técnica, un transponder completo o parte de el es ocupado por varias
estaciones terrenas de una red satelital que transmiten a la misma frecuencia y al mismo
tiempo. En otras palabras, cada transmisor de estación terrena puede transmitir, cada vez
que lo desee, y puede utilizar cualquier ancho de banda o todos los anchos de banda
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 43
TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
asignados a un sistema o canal de satélite en particular. CDMA es útil en transmisiones
confidenciales o sensibles a interferencia; originalmente fue diseñada para aplicaciones
militares pero su uso se ha extendido a aplicaciones comerciales como los sistemas
satelitales de comunicaciones móviles.
Al CDMA tambien se lo conoce como SSMA (Spread Spectrum Multiple Access:
Acceso multiple por espectro expandido) por la expansión del espectro en frecuencia de la
señal al codificar cada bit de información en un nuevo tren de pulsos. Debido a este
ensanchamiento del espectro de las señales, su densidad espectral es muy baja; sin
embargo, ofrece una alta protección contra el deterioro que pudiera ocurrir sobre las
portadoras moduladas, causado por interferencias debidas a trayectorias múltiples, o por la
misma interferencia propia del medio donde los sistemas móviles operan.
La figura 2-13 muestra un sistema CDMA en el que tres estaciones terrenas
transmiten simultáneamente y otras tres estaciones terrenas reciben simultáneamente todo
lo que envía cada una de las estaciones transmisoras; sin embargo, sólo la estación terrena
que conozca el código con el que fue transmitida la información será capaz de reconstruir el
mensaje original.
Figura 2-13. Sistema CDMA
Imagen tomada de [4]
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 44
TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
Acceso Múltiple por División de Tiempo con conmutación en el
Satelite (SS/TDMA: Satellite Switched Time Division Multiple Access)
Esta técnica mejora significativamente la eficiencia de un sistema satelital, ya que
permite la reutilización de frecuencias. En los sistemas satelitales modernos, las antenas
instaladas son muy directivas, lo que permite cubrir diferentes zonas geográficas con muy
alta densidad de potencia. Cada uno de los haces de estas antenas puede estar asociado con
ciertos transmisores o receptores, lo que hace posible conmutar parte de la información (o
toda) de un haz a otro mediante una matriz de microondas.
La figura 2-14 muestra un sistema SS/TDMA en el que cada zona es cubierta por
una antena puntual, si las zonas están lo suficientemente separadas para evitar la
interferencia, se hace la reutilización de frecuencia.
Figura 2-14. Sistema SS/TDMA Imagen tomada de [2] pag. 244
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 45
TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES
A continuación, pueden profundizar este tema (TEMA II), consultando las
siguientes fuentes bibliográficas y dirección WEB:
[1] ITU. (2002). Handbook on Satellite Communications. 3era Edicion.Wiley
[2] Neri Vela, Rodolfo. (2003). Comunicaciones por satélite. Internacional Thompson Editores, S.A. México.
[3] Ippolito, Louis (2008). Satellite Communications Systems Engineering. John Wiley & Sons Ltd. UK
[4] Tomasi, Wayne (2003). Sistemas de Comunicaciones electrónicas. Pearson Education, México.
Rosado Carlos. (1999). Comunicación por satelite. Editorial Limusa, Mexico D.F.
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
ÍNDICE TEMÁTICO TEMA III
CONFIGURACIÓN DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES
POR SATÉLITE.
Secciones
A. ELEMENTOS DE LOS SISTEMAS POR SATÉLITE
CONSIDERACIONES SOBRE REGLAMENTACIÓN Y PLANIFICACIÓN DE SISTEMAS SATELITALES UIT-Unión Internacional de Telecomunicaciones: CONATEL- Comisión Nacional de Telecomunicaciones. ASIGNACIÓN DE FRECUENCIAS
Posiciones Orbitales SERVICIOS
B. ESTACIONES TERRENAS
CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS: Ganancia y Eficiencia
Directividad Polarización
MONTAJES DE LAS ANTENAS SEGUIMIENTO DEL SATÉLITE TIPOS DE ESTACIONES TERRENAS RECEPTORES Y AMPLIFICADORES DE BAJO RUIDO TRANSMISORES Y AMPLIFICADORES DE GRAN POTENCIA SISTEMAS FDM SISTEMAS TDM ESTACIONES TÍPICAS SEGÚN EL TIPO DE SERVICIO: FIJO, RADIODIFUSIÓN Y MÓVIL.
C. SEGMENTO ESPACIAL
ANTENAS SUBSISTEMA DE COMUNICACIONES TRANSPONDEDORES EL SISTEMA DE CONTROL DE ORIENTACIÓN SISTEMA DE TELEMETRÍA, TELEMANDO Y CONTROL SISTEMA DE ENERGÍA SUBSISTEMA DE CONTROL TERMICO
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Una vez concluido este Tema, Ud. dispondrá de las competencias necesarias para:
A. ELEMENTOS DE LOS SISTEMAS POR SATÉLITE
- Describir los organismos nacionales e internacionales que regulan los aspectos
satelitales.
- Identificar las bandas de frecuencias satelitales, sus usos y aplicaciones.
- Describir los principales tipos de servicios satelitales
B. ESTACIONES TERRENAS
- Describir y evaluar el funcionamiento de una estación terrena satelital
- Describir cuantitativamente las antenas usadas en estaciones terrenas así como las
normas y tipos de monturas
- Identificar y explicar los componentes de los bloques de transmisión y recepción
- Explicar los sistemas usados para transmisión y recepción de varias señales de voz,
video y datos
C. SEGMENTO ESPACIAL
- Describir los diferentes tipos y características de las antenas satelitales
- Describir los tipos de antenas de acuerdo a la cobertura deseada
- Realizar cálculos con haces de sección circular y elíptica
- Explicar las principales funciones del subsistema de comunicaciones de un satélite
- Analizar, con ayuda de un diagrama de bloques, la operación de un transpondedor,
su ganancia, su frecuencia de operación y potencias típicas de transmisión.
- Describir las técnicas para realizar el control de orientación de un satélite
- Identificar y describir las funciones de un sistema TTC
- Describir las funciones del sistema de energía y de control térmico de un satélite.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 48
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
A. ELEMENTOS DE LOS SISTEMAS POR SATÉLITE
CONSIDERACIONES SOBRE REGLAMENTACIÓN Y
PLANIFICACIÓN DE SISTEMAS SATELITALES.
La implementación de un nuevo sistema satelital, bien sea un sistema regional con
la participación de un grupo de países, o un sistema nacional (doméstico), es obviamente
mucho más difícil que la utilización de un sistema existente: de hecho, la decisión de poner
en práctica un nuevo sistema satelital por lo general es resultado de un proceso a largo
plazo en el que primero debe considerarse si los satélites existentes no pueden manejar los
servicios previstos.
Al planificar un nuevo sistema satelital, es necesario considerar la posibilidad de
interferencia mutua entre sistemas existentes y el nuevo sistema planificado. Las
Regulaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) establecen
procedimientos y límites con el fin de evitar la interferencia a cualquier servicio de
telecomunicaciones.
Los Estados miembros de la UIT han establecido un régimen legal a través de una
Constitución/Convención, que incluye las Regulaciones de Radio (RR). Estos instrumentos
contienen los principios y las regulaciones específicas que gobiernan los siguientes
elementos principales:
Asignaciones de espectro de frecuencia a las categorías diferentes de servicios de
radiocomunicación (Artículo S9 de las Regulaciones de Radio).
El reconocimiento internacional de estos derechos registrando las frecuencias
asignadas y las posiciones orbitales usadas o asignadas en el Registro principal de
Frecuencia Internacional (Artículo S11 de las Regulaciones de Radio)
En términos generales, las Regulaciones de Radio se distinguen entre satélites no
geoestacionarios y geoestacionarios, las cuales están sujetas a regímenes diferentes
regulatorios. Cualquier sistema satelital geoestacionario en cualquier banda de frecuencia
tiene que coordinar el uso de su órbita y espectro de frecuencia con cualquier otro sistema
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 49
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
geoestacionario con probabilidad de ser. Los sistemas satelitales no geoestacionarios están
sujetos a la coordinación sólo con ciertos servicios espaciales específicos en ciertas bandas
de frecuencia identificadas por notas a pie de página en las Tablas de Asignaciones de
Frecuencia (nota a pie de página con una referencia al uso del RR No S9.11A).
Los tipos de servicios, reglas, nomenclaturas, recomendaciones, manuales, programas
informáticos, etc., establecidos por la UIT pueden consultarse en la página web de este
organismo: http://www.itu.int/publications. Estas publicaciones están disponibles en varios
idiomas, entre ellos el castellano.
UIT-UNIÓN INTERNACIONAL DE TELECOMUNICACIONES:
Es un organismo técnico de la Organización de las Naciones Unidas. Este organismo
establece las recomendaciones técnicas, sobre el uso de los recursos y tecnologías en
Telecomunicaciones. La regulación de los satélites se coordina en la Unión Internacional de
Telecomunicaciones (UIT).
La UIT-R se encarga de regular el uso del espectro radioeléctrico y de las órbitas satelitales,
no sólo para servicios de radiocomunicaciones terrestres y por satélite de todo tipo (fijos,
móviles, de difusión, etc.), sino también para servicios de posicionamiento, meteorológicos,
observación del medio ambiente e investigación espacial. En general, la UIT:
Asigna el espectro de radiofrecuencia y registra las radiofrecuencias asignadas.
Efectúa un registro ordenado de las posiciones asignadas por los países a los
satélites geoestacionarios.
Coordina los esfuerzos encaminados a armonizar el desarrollo de las
telecomunicaciones, especialmente las que emplean técnicas especiales, a fin de
aprovechar cabalmente todas las posibilidades.
promueve el establecimiento y mejoramiento de equipos y redes de
telecomunicación en los países en desarrollo.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 50
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Fomenta la adopción de medidas para garantizar la seguridad de la vida por
conducto de la cooperación entre los servicios de telecomunicaciones.
Emprende estudios, aprueba reglamentos y formula recomendaciones y opiniones
sobre cuestiones relativas a las telecomunicaciones.
Los ámbitos de la UIT son los siguientes:
Ámbito técnico: promover el desarrollo y funcionamiento eficiente de las
instalaciones de telecomunicaciones, a fin de mejorar la eficacia de los servicios de
telecomunicaciones y el acceso del público a los mismos.
Ámbito de políticas: promover la adopción de un enfoque más amplio de las
cuestiones relativas a las telecomunicaciones en la economía y sociedad de la
información mundial.
Ámbito de desarrollo: promover y ofrecer asistencia técnica a los países en
desarrollo en la esfera de las telecomunicaciones, promover la movilización de los
recursos humanos y financieros necesarios para desarrollar las telecomunicaciones y
hacer que los beneficios de las nuevas tecnologías lleguen a todos los pueblos del
mundo.
CONATEL- COMISIÓN NACIONAL DE TELECOMUNICACIONES.
Es el organismo regulador de las telecomunicaciones en Venezuela, a su vez,
CONATEL adopta las recomendaciones de la UIT, tal como se expresa en la Ley Orgánica
de Telecomunicaciones (Publicada en Gaceta Oficial Nº 36.970 del 12 de Junio de 2000), la
cual puede consultarse en http://www.conatel.gob.ve/.
En su artículo 69, esta ley expresa lo siguiente:
ARTICULO 69.- Corresponde a la Comisión Nacional de Telecomunicaciones, la administración, regulación, ordenación y control del espectro radioeléctrico, de conformidad con lo establecido en esta Ley y en las normas vinculantes dictadas por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), procurando además armonizar sus actividades con las recomendaciones de dicho organismo.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 51
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
La Comisión Nacional de Telecomunicaciones ejercerá la coordinación necesaria
para la utilización del espectro radioeléctrico en su proyección internacional, de
conformidad con esta Ley y los tratados y acuerdos internacionales suscritos y ratificados
por la República Bolivariana de Venezuela.
Específicamente, la Ley Orgánica de Telecomunicaciones dedica su capitulo IV a los
sistemas satelitales. A continuación solo presentaremos el artículo 119, el resto del capítulo
puede consultarse en la página Web antes indicada. A continuación artículo 119: ARTICULO 119.- Corresponde a la Comisión Nacional de Telecomunicaciones la administración, regulación, ordenación y control del espectro radioeléctrico asociado a redes de satélites, así como el acceso y la utilización del recurso órbita-espectro para redes espaciales asignadas por la República y registradas a nombre de ésta, todo ello de conformidad con los tratados internacionales suscritos y ratificados válidamente por la República. Estos recursos podrán explotarse sólo mediante concesión otorgada de conformidad con las disposiciones de esta Ley y demás normas que resulten aplicables, atendiendo a la naturaleza de los mismos.
ASIGNACIÓN DE FRECUENCIAS
La UIT ha asignado para los sistemas satelitales las bandas de frecuencia mostradas
en la tabla 3A-1. Tabla 3A-1
Atribuciones de las Bandas de Frecuencias según recomendación de la UIT
Bandas de Frecuencias satelitales
Banda Rango de Frecuencias Servicio Usos
VHF 30 – 300 MHz Fijo Telemetría UHF 300 – 1000 MHz Móvil Navegación, Militar
L 1 – 2 GHz Móvil Emisión de audio, radiolocalización S 2 – 4 GHz Móvil Navegación C 4 – 8 GHz Fijo Voz, datos, video X 8 – 12 GHz Fijo Militar Ku 12 – 18 GHz Fijo Voz, datos, video
K 18 – 27 GHz Fijo Emisión de video, comunicación intersatelital
Ka 27 – 40 GHz Fijo Emisión de video, comunicación intersatelital
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 52
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Cada Banda de Frecuencias dispone de una parte de la misma para los enlaces
ascendentes Tierra-Satélite y otra para los enlaces descendentes Satélite-Tierra a fin de
evitar interacciones inconvenientes. La tabla 3ª-2 muestra un ejemplo de estas frecuencias
ascendentes y descendentes más utilizadas.
Tabla 3A-2
Frecuencias ascendentes y descendentes para satélites geoestacionarios. El ancho de banda disponible se muestra entre paréntesis.
Banda Enlace Ascendente (GHz)
Enlace Descendente (GHz)
C: 6/4 GHz 5,925 – 6,425 (500 MHz)
3,7 – 4,2 (500 MHz)
X: 8/7 GHz 7,9 – 8,4 (500 MHz)
7,25 – 7,75 (500 MHz)
Ku: 14/12 GHz 14 – 14,5 (500 MHz)
11,7 – 12,2 (500 MHz)
Ku: 17/12 GHz 17,3 – 17,8 (500 MHz)
12,2 – 12,7 (500 MHz)
Ka: 30/20 GHz 27,5 – 31 (3.500 MHz)
17,7 – 21,2 (3.500 MHz)
Mientras más alta sea la frecuencia de la portadora, más pequeño es el diámetro
requerido de la antena para una ganancia específica. Debe tenerse cuidado al diseñar una
red satelital para evitar interferencias con los enlaces de microondas establecidos en tierra.
Posiciones Orbitales
El perímetro de la órbita geoestacionaria es de 265.000 km, lo que permitiría
colocar en órbita una gran cantidad de satélites geoestacionarios con una baja probabilidad
de colisión bajo condiciones normales de funcionamiento. La separación ente los satélites
está determinada por los niveles de interferencia radioeléctrica. Estas interferencias ocurren
porque las antenas tanto de las estaciones terrenas como de los satélites tienen lóbulos
secundarios por los que se puede radiar en direcciones indeseables, tal como lo muestra la
figura 3A-1. En esta figura, las líneas continuas representan las señales útiles mientras que
las líneas punteadas representan las interferencias. Los patrones de radiación de las antenas
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 53
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
usadas en los sistemas satelitales deben cumplir las normas internacionales y los operadores
satelitales deben vigilar las posibles interferencias.
Figura 3A-1
Interferencias entre dos sistemas satelitales geoestacionarios Imagen tomada de [5]
La separación mínima promedio que debe haber entre dos satélites vecinos para
evitar interferencias es de 2° de arco, lo que representa casi 1.500 km de distancia. Sólo en
regiones donde existe mucho congestionamiento se permite una separación menor a 2°,
como por ejemplo, a finales de 1980 Estados Unidos, Canadá y México firmaron un
convenio aceptándose la reducción del espaciamiento entre los satélites de Canadá y
México a 1,9° en el arco orbital.
Figura 3A-2
Distribución aproximada de satelitales geoestacionarios Imagen tomada de [3]
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
SERVICIOS
Los tres principales tipos de servicios satelitales definidos por la UIT con conocidos por
las siglas FSS, MSS y BSS.
FSS (Fixed Satellite Service: Servicio fijo por satélite), es un termino genérico que
se aplica a todo servicio de comunicaciones que no sea ni móvil ni de radiodifusión.
La mayoría de los satélites de comunicaciones corresponde a esta categoría.
MSS (Mobile Satellite Service: Servicio móvil por satélite), se refiere a toda
comunicación entre dos puntos arbitrarios en tierra firme, aire o mar; uno de estos
puntos puede estar cambiando de posición, o bien ambos.
BSS (Broadcast Satellite Service: Servicio de radiodifusión por satélite), es una
categoría especial en la que las señales transmitidas son recibidas directamente en
los hogares. Tambien se le conoce como DBS (Direct Broadcas Satellite: Satélite de
radiodifusión directa) o DTH (Direct to Home Satellite: Satélite directo al hogar).
A continuación, pueden profundizar este tema (TEMA III, parte A),
consultando las siguientes fuentes bibliográficas y dirección WEB:
[1] Ippolito, Louis (2008). Satellite Communications Systems Engineering. John Wiley & Sons Ltd. UK [2] ITU. (2002). Handbook on Satellite Communications. 3era Edicion.Wiley
[3] Neri Vela, Rodolfo. (2003). Comunicaciones por satélite. Internacional Thompson Editores, S.A. México.
[4] Tomasi, Wayne (2003). Sistemas de Comunicaciones electrónicas. Pearson Education, México.
[5] Rosado Carlos. (1999). Comunicación por satélite. Editorial Limusa, Mexico D.F.
http://www.itu.int/publications (pagina oficial de la Unión Internacional de Telecomunicaciones) http://www.conatel.gob.ve/ (pagina oficial de la Comisión Nacional de Telecomunicaciones de Venezuela)
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 55
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 56
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
B. ESTACIONES TERRENAS
Una estación terrena es cualquier sistema de transmisión o recepción que envía o
recibe señales desde un satélite y se utilizan para comunicarse con otras estaciones
similares. Pueden estar ubicadas en tierra, en el mar o en alguna aeronave. Al diseñar una
estación terrena hay que tomar en cuenta aspectos logísticos como vías de comunicación,
energía eléctrica y aspectos radioeléctricos como las interferencias.
En la figura 3B.1 se muestra el diagrama funcional de una estación terrena de gran
capacidad. Las partes más importantes de una estación de alta capacidad son: El sistema de
antena, los transmisores y receptores, los moduladores y demoduladores, los procesadores
en banda base, las interfaces con redes terrenales el sistema de energía y la infraestructura
general, el sistema de supervisión, control y comunicación del servicio.
Fig.3b-1. Diagrama funcional de una estación terrena (Ref.9)
Para efectos de diseño se deben considerar los elementos principales de una estación
terrena, en transmisión: el PIRE y en recepción: G/T
Este último se calcula de la siguiente manera:
)()log(10 1−−= dBKTGTG
SrS
r (3b.1)
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Donde:
Gr : ganancia de la antena receptora Ts: temperatura de ruido de la antena (en Kelvins)
La C/N (relación portadora a ruido) es la que realmente indica la calidad del enlace.
El enlace descendente es el más crítico en una estación terrena por la limitación del
PIRE del satélite; se deben detectar señales muy débiles en un ambiente ruidoso (esto es
con una temperatura del sistema Ts de ruido alta) por lo que se debe tener una alta
ganancia en la antena Gr, de aquí el término factor de calidad, el cual es la relación Gr/Ts
(dB/K) de la estación terrena.
(3b.2)
s
rtt
TG
RkBGP
NC 2
4 ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=πλ
De esta ecuación se ve que C/N es directamente proporcional a Gr/Ts por lo que es
este término, de una estación terrena, el que afecta la relación C/N en un enlace
descendente, a la frecuencia de transmisión. Para que esta relación sea óptima se debe
establecer un compromiso entre el costo de una antena grande, para aumentar la Gr, y el
costo de un sistema de ruido bajo para disminuir la Ts.
Una manera de mejorar la relación G/T es utilizando un preamplificador que tenga
un factor de ruido bastante bajo, ubicado en la antena (LNA). La calidad del enlace
descendente queda determinado por la pire del satélite, que en los sistemas actuales tiene un
valor bastante alto.
La temperatura de ruido del subsistema de recepción referida a la antena se obtiene
de la Fig. 3b2.
(3b.3)
Guia de onda LNA Downconverter Te1,L1Antena Ta Te2,G Fig. 3b-2. Elementos de una cadena de recepción
Te3,G3
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
( ) ( ) 032
1101
32
1211
11 TFGLTLTLT
TGLTLTTTs
LNAa
eeeaA
−++−+=
+++=
En la figura 3b-3 se muestra el diagrama de una estación terrena da baja capacidad,
son de menor tamaño y complejidad, tipo VSAT para voz y datos. Estas estacionas remotas
son muy utilizadas porque representan un menor costo por estación, alta fiabilidad, mínimo
espacio requerido, simplificación del equipo y facilidad de operación son aprovechadas en
redes en estrella, que enlazan una estación maestra de mayor capacidad con remotas de
poco tráfico. Constan de El sistema de antena, una unidad exterior y una unidad interior.
Fig. 3b-3. Diagrama de bloques de una estación VSAT (Ref. 11)
CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS
Las antenas son la parte más visible de las estaciones terrenas. Los principales
objetivos del diseño de las antenas son: lograr suficiente ganancia de transmisión y
recepción con las menores dimensiones posibles; bajo efecto de interferencia en
transmisión y baja captación de interferencia en recepción; poca captación de ruido térmico
por radiación del suelo; emisión y recepción con gran pureza de polarización; resistencia al
viento y una alta eficiencia.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 58
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Entre los tipos de antenas más usados tenemos: Antenas de Apertura, de Bocina,
Cassegrain, Gregorian. Ver figura 3b-4.
Gregorian Cassegrain
Fig. 3b-4. Tipos de antenas
Los parámetros esenciales de las antenas son:
Ganancia y Eficiencia La ganancia de la antena es la relación, entre la potencia radiada de la antena en una
dirección dada, y la potencia radiada por una antena isotrópica, alimentada con la misma
potencia. La ganancia es máxima, en la dirección de máxima radiación.
Recordemos que:
(3b.4) 2
4
Ademas, c = velocidad de la luz = 3x108 m/s
En el caso de un reflector parabólico con abertura circular de diámetro D:
(3b.5)
Por lo que la ecuación (3b.4) podemos reescribirla como:
(3b.6)
λπη iAG =
4
2DAiπ
=
2
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=λπη DG
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Donde la eficiencia total es: (3b.7)
pobspap ηηηηηηη εΩ=
Siendo,
Factor de gradiente de iluminación por no ser ésta uniforme =apη
Factor de desbordamiento del reflector =spη
Factor por pérdidas óhmicas y ondas estacionarias =Ωη
Factor de obstrucción causada al reflector por el alimentador
Factor de irregularidades de la superficie del reflector
Factor de polarización cruzada
La eficiencia de la antena es un factor siempre menor que uno, entre 0.6 y 0.75 para las
antenas grandes y perfeccionadas y entre 0.5 y 0.6. El factor de gradiente de iluminación o
eficiencia de abertura es muy importante, infortunadamente cuando su valor es más alto es
mayor el número de lóbulos laterales.
Directividad Es una medida del ángulo sobre el cual, más ganancia ocurre. La directividad del lóbulo
principal se representa como la anchura del haz a la mitad de la potencia entre dos
direcciones simétricas respecto del eje de radiación máxima.
(3b.7)
En donde k depende de la atenuación de iluminación en la periferia del reflector.
=bη
=εη
=poη
DkdBλθ =3
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 60
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Una regla práctica para calcular el ancho del haz de una antena de reflector es:
(3b.8) DdBλθ 75
3 ≅
Se puede obtener una nueva formula para calcular la ganancia:
(3b.9) ( )
EdBHdBdB
G33
22
3
7575θθπη
θπη =⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛≅
Si asumimos una eficiencia del 55%
(3b.10) ( ) EdBHdBdB
G33
23
000,30000,30θθθ
=≅
La UIT-R señala las limitaciones a la radiación de lóbulos laterales por la relación:
G=32-25logφ dB: 1º≤φ ≤48º; G= -10 dB φ >48º. (3b.11)
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 61
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Fig. 3b-5.. Patrón de radiación de una antena
Polarización
La onda electromagnética radiada por una antena consiste de de una componente de
campo eléctrico E y de una componente de campo magnético H las cuales son ortogonales
y perpendiculares a la dirección de propagación de la onda, variando de acuerdo a la
frecuencia de la onda. Por convención la polarización de una onda está definida por la
dirección del campo E, el cual, en términos generales no es fijo. Durante un período, por
ejemplo, la proyección en un plano perpendicular a la dirección de propagación de la onda
del extremo que representa el campo E describe una elipse, se dice entonces que la
propagación es elíptica. Ver la figura 3b-6.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 62
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
La polarización se caracteriza por los parámetros siguientes:
Dirección de rotación ( con respecto a la dirección de propagación) mano derecha
RH ( sentido agujas del reloj) o mano izquierda LH ( en contra)
Radio axial (AR): AR = Emáx/Emín -relación del eje mayor al menor de la elipse.
Cuando la elipse es un círculo AR = 1. Se dice que la polarización es circular.
Cuando la elipse se reduce a un eje (AR = infinito) el campo E mantiene una
dirección fija, la polarización se dice es lineal.
Inclinación τ de la elipse.
Fig. 3b-6. Polarización de una onda electromagnética
La polarización circular se usa en estaciones terrenas en que es difícil tener
orientación fija de la antena respecto a una polarización lineal, como ocurre en los
servicios móviles. La polarización circular es la suma de dos componentes de igual
amplitud polarizadas linealmente teniendo una diferencia de fase de π/2 radianes. Para
convertir de polarización circular a lineal se introduce una placa dieléctrica en el interior de
una guía de onda a 45º.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 63
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
MONTAJES DE LAS ANTENAS
Existen varios tipos de montajes de las antenas para apuntarlas hacia el satélite en
el proceso de instalación. Estos tipos son: Azimut-Elevación (Az-El), Polar y Sistema X-Y.
El más flexible de ellos es el de Az-El.
La orientación de la antena de una estación terrena hacia un satélite con un montaje
Azimut-Elevación (ver figura 3b-7) se realiza ajustando dos ángulos, en elevación y
azimut; los valores de estos ángulos dependen de la posición geográfica de la estación (en
latitud y longitud) y de la ubicación del satélite. Tomando como referencia al eje de
simetría del plato parabólico, que coincide con su eje de máxima radiación, el ángulo de
elevación es aquel formado entre la horizontal y dicho eje de simetría dirigido hacia el
satélite; por su parte, el ángulo de azimut es la cantidad en grados que hay que girar la
antena en el sentido de las manecillas del reloj (con relación al norte geográfico de la
Tierra) para que ese mismo eje de simetría pase por la posición en longitud del satélite.
Fig3b-7. Montura Az-El
En el caso del montaje X-Y (ver figura 3b-8) tiene su eje primario colocado
horizontalmente, y el eje secundario es perpendicular a el. La configuración es práctica
para rastrear con facilidad a un satélite cuando éste pasa por el cenit, puesto que se evita
hacer desplazamientos de la antena tan rápidos como los que se necesitan hacer con el
montaje AZ-EL. El montaje X-Y es más apropiado para las antenas que se comunican con
satélites de órbita baja que con satélites geoestacionarios.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 64
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Fig. 3b-8. Montura XY
En el montaje ecuatorial (ver figura 3b-9) el eje primario es paralelo al eje de
rotación de la Tierra, y el secundario es un eje perpendicular de declinación; como, el eje
primario es paralelo al eje polar de la Tierra, a este montaje también es lo llama polar.
Normalmente este montaje se utiliza para telescopios, pues permite que la antena siga a un
objeto celeste con sólo girarla sobre su eje horario.
Fig. 3b-9. Montura ecuatorial
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
SEGUIMIENTO DEL SATÉLITE
El rastreo de un satélite es utilizado para corregir tanto la posición del mismo como
de una antena en una estación terrena. El satélite se ve afectado en su trayectoria por varias
fuerzas perturbadoras que lo hacen salir ligeramente de su órbita. Es necesario conocer en
cada momento la ubicación del mismo para poder orientar la antena en la posición
adecuada. Existen tres tipos de rastreo para un satélite: Rastreo preprogramado, rastreo por
pasos y rastreo monoimpulso. Los métodos mas utilizados son los dos últimos
mencionados. En la figura 3b-10 se muestra el diagrama del sistema de seguimiento
monoimpulso, utiliza 4 antenas. Los primeros diseños de sistemas monoimpulso utilizan
cuatro antenas colocadas simétricamente alrededor del foco geométrico de la parábola.
Estas reciben simultáneamente la señal guía emitida por el satélite y las detecciones de las
cuatro se comparan para determinar señales de error en el apuntamiento y efectuar las
correcciones necesarias. Para medir Az y El es necesario determinar los errores en dos
planos diferentes, esto se hace con un sistema de dos canales o con uno de tres canales
como el mostrado. De las cuatro bocinas salen diferentes señales; una señal de error
determina la elevación (A+D-B-C).
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Fig. 3b-10. Sistema de seguimiento monoimpulso. (Ref.3)
TIPOS DE ESTACIONES TERRENAS
La capacidad para procesar información en una estación terrena depende del tráfico.
Los tipos de estaciones se clasifican según su capacidad de tráfico y bandas de frecuencias.
Cada norma lleva asociadas características técnicas y requisitos de calidad. Ver Tabla 3b-1.
Ejemplos:
Estaciones terrenas: Normas B y C
Norma B: INTELSAT, para usuarios con poco tráfico; relación G/T exigida es
igual a 31.7dB/ºK, cielo despejado; antena: 10 m de diámetro.
Tráfico: voz = SCPC/PCM/QPSK, datos= SCPC/QPSK; asignación por demanda
(DAMA); FDM/FM para portadoras para TV
Norma C
Desarrollado para banda 14/11 GHz; se tienen en cuenta lluvia;
G/T=39+20log(f/11.2)-L; durante el (100-P)% del tiempo, siendo L la atenuación
prevista respecto a cielo despejado, rebasada durante no más del P% del tiempo.
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Normas D y E
Norma D INTELSAT // Radiodifusión; previstas para sistemas LDTS (Low density
Telephone Service) de bajacapacidad en la banda 6/4 GHz; acceso del tipo
SCPC/FDMA utilizándose FM con expansión-compresión y frecuencias
preasignadas G/T≥22.7+20log(f/4) dB/ºK; antenas de unos 4 m de diámetro
Norma E
Desarrollado para banda 14/11 GHz; G/T=29+20log(f/11); modulación QPSK y
diferentes configuraciones de acceso múltiple. Rx individual G/T=6 dB/ºK ; Rx
comunal: G/T=14 dB/ºK Tabla 3b-1. Estandares Intelsat. (Ref.7)
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
RECEPTORES Y AMPLIFICADORES DE BAJO RUIDO
El sistema de recepción en una estación terrena está constituido por el amplificador
de bajo ruido (LNA) , un divisor de separación de canales, un convertidor de frecuencia y el
demodulador. Ver figura 3b-11.
Fig. 3b-11. Diagrama de bloques de un sistema de recepción
Las señales satelitales recibidas en la Tierra, sean extremadamente débiles; por ello
son muy importantes la ganancia de la antena, la eficiencia del transmisor, la figura de
ruido del receptor y el tipo de modulación y técnica de acceso. Es necesario que el primer
elemento (LNA) que entra en contacto con dichas señales posea un ruido interno mucho
menor que la señal recibida, para que no se degrade la calidad. Para las estaciones de
mediano y pequeño tamaño como las receptoras de TV en los que el costo es más crítico se
utilizan los amplificadores de GaAsFET.
Los LNA utilizados en las estaciones terrenas cubren usualmente un rango de
frecuencias de unos 500 MHz de anchura a 4 GHz, o bien de 750 MHz a 11 GHz. Dichos
dispositivos están normalmente duplicados en las grandes estaciones (redundancia uno a
uno) de manera que un fallo en el LNA activo produce inmediatamente la activación del
LNA secundario. En las estaciones terrenas que utilizan técnicas de duplicado de ancho de
banda usando polarización dual la redundancia es del tipo uno a dos.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 69
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
TRANSMISORES Y AMPLIFICADORES DE GRAN POTENCIA
La sección de transmisión de una estación terrena está constituida por los
convertidores de frecuencia elevadores y los amplificadores de potencia, es posible incluir
también los moduladores. Ver figura 3b-12.
Fig. 3b-12. Diagrama de bloques de un sistema de transmisión.
El parámetro más importante de una estación terrena en el enlace ascendente es la
potencia de emisión o PIRE. Las grandes estaciones terrenas utilizan con frecuencia un
gran número de amplificadores de potencia (HPA o High-Power Amplifiers) con niveles de
potencia de salida superiores a los 8.5 kW. La configuración empleada depende del número
de portadoras a transmitir y de si se emplean señales FDM o TDM. La configuración más
común emplea un HPA para cada uno de los transpondedores instalados. A 6 GHz, suelen
emplearse HPAs de anchos de banda de entre 40 y 80 MHz bien sean amplificadores de
tubo de onda progresiva (TWTA) refrigerados por aire o klystrons refrigerados por agua.
Los TWTA tienen anchos de banda mayores que los klystrons llegando hasta los 500 MHz
a 6 GHz y permitiendo que se les sintonice a la banda de cualquiera de los transpondedores.
La diferencia entre ellos son los niveles de máxima potencia que transmiten y la gama de
frecuencias en las que transmiten.
Los amplificadores de estado sólido transmiten menos potencia (100 a 500 Watts
en banda C- 6 GHz y varias decenas de Watts en banda Ku : 14 GHz), los TWT mayor y
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 70
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
los klystrons son muy poderosos. La eficiencia de los klystrons y de los TWT es del orden
de 30% a 50% mientras que los amplificadores de estado sólido son del orden de 30%.
Como se ve los klystrons son amplificadores de muy alta potencia por lo que requieren
potencia de entrada dc muy alta, como ésta no está disponible en los satélites se prefieren
usar en estaciones terrenas. El nivel de ruido es menor en el TWT, -64 dBm/kHz con
respecto a - 58 dBm/kHz en el Klystron. Ver figura 3b-13.
Fig. 3b-13. Comparación de los amplificadores de potencia. (Ref.3)
La transmisión FDM de varias portadoras a uno o más transpondedores requiere un
amplificador de potencia lineal si se quiere evitar la intermodulación. En una estación
terrena ni la potencia de entrada ni la eficiencia son problema, y por tanto pueden
permitirse considerables back-off a la entrada de los amplificadores para asegurar el
funcionamiento lineal y baja intermodulación. Típicamente, un HPA de 3kW operará con
12 o 14 dB de back-off de entrada, proporcionando un rango de salida de 300 a 500 W.
Cuando se utilizan varios HPAs con una antena, se requiere una red adicional para
sumar sus salidas en una guía de ondas simple. Las redes selectivas en frecuencia y las
uniones híbridas de guíaondas se utilizan para acoplar los HPAs, con unas pérdidas típicas
de 4 dB por HPA. Como resultado, un HPA de 3kW de funcionamiento con back-off de 10
dB podría proporcionar únicamente 120 W a la antena de la estación terrena.
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Los sistemas de canal único por portadora (SCPC o Single channel per carrier) utilizan una
frecuencia de transmisión separada para cada canal. Dichas frecuencias son generadas por
un sintetizador de frecuencias programable y modulan la señal a la frecuencia de
transmisión. En una estación terrena de grandes dimensiones, las salidas de los
convertidores de frecuencia se suman con acopladores híbridos, y la señal FDM resultante
se aplica al HPA. Sin embargo, en las estaciones de pequeño tamaño sólo son necesarios
unos pocos canales, por lo que es posible utilizar amplificadores de estado sólido para los
HPA, tomando uno de estos amplificadores para cada canal.
Los HPAs de estado sólido tienen la ventaja de que no requieren altos voltajes. El
equipamiento de alto voltaje tiende a sufrir muchos más fallos que el de bajo voltaje, y es
mucho más grande y pesado. En estaciones terrenas transportables los amplificadores HPA
de estado sólido son muy atractivos. Sin embargo, la reducción del tamaño de la antena
requiere una potencia de transmisión mayor, por lo que las estaciones terrenas
transportables también requieren grandes potencias de transmisión.
En las figuras anteriores vimos como una sola portadora se traslada en frecuencia;
esto es existe solo hay portadora por cada canal de FI involucrado. Es posible trasladar
toda la banda de frecuencias recibidas, por tanto, trasladar todas las portadoras a la banda
de FI al mismo tiempo. Esta arquitectura se utiliza básicamente en sistemas SCPC.
En la figura 3b-14 se muestra la traslación en transmisión y recepción con doble
cambio de frecuencia. Portadoras en la banda de 52 y 88 MHz se trasladan a la banda de
5850 – 6425 MHz con doble conversión de frecuencia usando una FI de 825 MHz. En el
lado del receptor portadoras en la banda de 3625 – 4200 MHz se traladan a la banda de 52
– 88 MHz con una segunda FI de 1400 MHz. Los dos traslados utilizan un sintetizador de
frecuencias.
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Fig. 3b-14. Diagrama de bloques de un sistema de Tx/Rx. (Ref.7)
SISTEMAS FDM
Los sistemas FDM utilizados inicialmente transmiten y reciben gran cantidad de
señales de voz o datos mediante la asignación de diferentes frecuencias a cada canal, bien
sea en radiofrecuencia, banda base o ambas. Los canales de voz son recopilados de una
extensa área geográfica y enviados vía gateway. En los sistemas internacionales, la gateway
está localizada en una gran ciudad, y el tráfico internacional de varios países puede ser
enrutado a través de ella. Los canales vocales de cada país o estación terrena que son
enrutados, se combinan en grupos en una estación internacional de conmutación y enviadas
entonces a la estación terrena apropiada. No es esencial que ambos caminos de ida y vuelta
sean vía satélite. Ello reduce el retardo de ida y vuelta en un enlace telefónico de larga
distancia, por ejemplo. La figura 3b-15 muestra un diseño típico para un equipo de control
de una estación terrena FDM/FDMA correspondiente al equipamiento de Fi y banda base.
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Fig. 3b-15. Estación de Rx FDM/FDMA. (Ref.10)
La sección de transmisión acepta señales en banda base del interfaz terrestre y los
reparte en grupos FDM para diferentes destinos. En un sistema FDM/FDMA cada ruta de
una estación terrestre a otra tiene una frecuencia propia. Así, los canales en banda base
deben ser trasladados a la frecuencia RF apropiada según su estación de destino. El sistema
de la figura 3b-15 utiliza una doble conversión de frecuencia con dos frecuencias
intermedias, 70MHz y 770MHz. Cada canal es llevado a una portadora de radiofrecuencia
en el espectro de transmisión. La señal FDM consistente en al menos 12 canales telefónicos
o incluso hasta 1872, es modulada en una portadora de FI de 70MHz. Los filtros FI de 70
MHz definen el ancho de banda de la señal FM resultante. Su ancho de banda ronda entre
los 1.25 y 36 MHz dependiendo del tamaño de la portadora, y se ha de añadir un
ecualizador para compensar el retardo de grupo del enlace ascendente. La portadora de RF
de 70MHz es entonces reconvertida a 770MHz donde se recombina con otra portadora para
dar lugar a una señal compuesta FM/FDMA. Dicha señal es finalmente trasladada a 6GHz
para su amplificación por el Amplificador de Alta Potencia. Los sistemas FDM requieren
un gran control de potencia cuando más de una portadora se accede a un transpondedor
único para evitar excesiva intermodulación en el enlace descendente.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 74
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
SISTEMAS TDM
Los sistemas TDM utilizan división en el tiempo para entrelazar señales digitales en
tramas que son secuencialmente transmitidas a través de transpondedores separados. El
equipamiento requerido por estos sistemas es muy diferente del que necesitan los
FDM/FDMA. La figura 3b-16 muestra los aspectos más relevantes de los elementos de
banda base y frecuencia intermedia de dichos sistemas, que son utilizados principalmente
en sistemas de alta velocidad:
Fig. 3b-16. Diagrama de bloques de un sistema TDM (Ref.10)
La frecuencia intermedia FI de 70 MHz utilizada para sistemas FDM debe
remplazarse por un FI de 140 MHz cuando se envían datos a 120 Mbps mediante QPSK de
ancho de banda de 80MHz. Por su parte la FI de 770MHz se sustituye por otra de 1.2GHz
en estaciones que utilizan la banda Ku donde el ancho de banda es de 750Mhz.
Las señales son transferidas por el interfaz terrestre a moduladores PSK conducidos
por portadoras de 140MHz. Las señales de voz y datos proporcionadas por dicho interfaz
son simples ráfagas de bits en formato TDM. Estos datos deben ser transformados en
tramas de acuerdo con los requerimientos del sistema, con una trama por transmisión.
Normalmente una estación terrena no rellena completamente una trama en un sistema
TDMA. Lo que se hace es transmitir una ráfaga de señales QPSK en el instante apropiado
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 75
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
para llenar parcialmente una trama en el satélite. Se requiere un sistema de sincronización
muy precisa en la estación terrena para asegurar que cuando la energía de la ráfaga llega al
satélite, éste se encuentra en la posición exacta (temporalmente hablando) para distinguir
dicha ráfaga de las emitidas por otras estaciones terrenas. Por tanto se requiere una
considerable cantidad de equipamiento de sincronización en la transmisión de una porción
de GCE de una estación terrena.
La eficiencia en transmisión digital de señales de voz puede incrementarse mediante
la utilización de técnicas de interpolación digitales como la DSI (Digital Speech
Interpolation). Con DSI, cualquier canal (es decir, cualquier slot temporal) que no está
siendo utilizado puede ser invadido por otro canal activo para la transmisión de sus datos.
Es decir, la DSI explota los silencios en un canal telefónico para insertar bits representando
la voz activa de otro canal en esos silencios. De esta manera un número m de canales
telefónicos de una red terrestre pueden llevarse en un multiplexor con una capacidad de n
canales telefónicos digitales donde m>n. En la figura 3b-17 se muestra este principio.
Fig. 3b-17. Sistema DSI (Ref. 7)
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Dado que los circuitos telefónicos tienen un tiempo de actividad de tan sólo el 40%,
por lo menos una media de la mitad de los circuitos están inactivos en cada instante de
tiempo. En sistemas que soportan una gran cantidad de circuitos telefónicos
simultáneamente este promediado funciona bien y la técnica DSI puede utilizarse para
doblar el número de canales efectivos manejables. El equipamiento DSI se necesita tanto en
transmisión como en recepción para insertar y separar los diferentes canales. Normalmente
se transmite un mapa de canales junto a éstos para informar al receptor de la posición
exacta de cada canal.
Los equipos multiplicadores de circuitos digitales ( Digital circuit multiplication
equipment - DCME), ver figura 3b-18, permiten una mejora en la técnica de DSI en la
explotación comercial de canales telefónicos satelitales. (Especificación INTELSAT IESS
501). Este sistema combina dos técnicas de multiplexión del número de canales telefónicos
sobre un mismo canal satelital (bearer channel); estas son DSI y modulación diferencial
PCM adaptiva (ADPCM). Con esto se obtiene una ganancia de 2.
En la figura 3b-18 se muestra la organización del DCME. Los equipos de interfaz
(input data link interface DLI) manejan los troncales terrestres de 1.544 Mbps o 2.048
Mbps y entregan ráfagas de 2.048 Mbps .
Fig. 3b-18. Configuración de un equipo DCME (Ref.8)
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
El equipamiento de recepción y transmisión que se requiere en una estación terrena
TDM/TDMA se muestra en la figura 3b-19.
Fig. 3b-19. Diagrama de bloques de un sistema TDM. (Ref.10)
El elemento más crítico de los receptores digitales es el demodulador, normalmente
en enlaces QPSK. En éstos, la tasa de error de bit (Bit Error Rate o BER) es dependiente de
la estabilidad de la portadora en cuanto a su fase, pues influirá en el instante de muestreo en
recepción. La mayoría de los satélites proporcionan una relación portadora ruido (C/N) de
entre 10 y 25 dB a la entrada del demodulador. Como ejemplo, para una (C/N) de 10.6 dB
puede obtenerse una BER de 10-6, al menos teóricamente, ya que la mayoría de los
demoduladores requieren una (C/N) de 1.5 a 3 dB superior para obtener dicha BER.
Para mejorar la BER de estos sistemas pueden utilizarse técnicas de corrección
(Forward Error Correction o FEC). Cuando la corrección es aplicada en un enlace vía
satélite únicamente por la estación terrena, el equipo de codificación FEC puede situarse a
la entrada del modulador y el correspondiente decodificador a la salida del demodulador.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 78
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Aunque el usuario puede obtener beneficios adicionales por el uso de las técnicas
FEC en la parte terrestre del enlace, las señales de datos pueden ser codificadas
individualmente en algún punto entre el usuario y la estación terrena, siendo la decisión de
usar codificación FEC del usuario.
Las señales de voz enviadas vía satélite sufren un retardo de transmisión del orden
de 240 mseg. Cualquier fallo en el diseño del receptor puede producir un eco que será
escuchado en transmisión con un retardo de 450 a 500 mseg. Esto es tan molesto que obliga
a utilizar canceladores o supresores de eco en cada enlace del satélite, así como en la
estación terrena. Un cancelador de eco detecta la presencia de una versión retrasada de la
señal en el camino de vuelta y la cancela utilizando un filtro transversal. El supresor detecta
el sentido de la conversación y bloquea toda señal que se desplace en sentido contrario.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 79
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
ESTACIONES TÍPICAS SEGÚN EL TIPO DE SERVICIO: FIJO,
RADIODIFUSIÓN Y MÓVIL.
Tabla 3b-2. Estaciones terrenas
A continuación, pueden profundizar este tema (TEMA III parte B), consultando
las siguientes fuentes bibliográficas y dirección WEB, sobre algunas empresas fabricantes
de equipos para estaciones terrenas:
www.wavestream.com (amplificadores de estado sólido)
www.comtechfdata.com (moduladores, demoduladores, conversores)
www.andrew.com, www.dhsatellite.com, (antenas)
www.rfamplifiers.com , www.xicomtech.com, www.miteq.com (amplificadores)
www.azureshine.com.tw/, (VSAT, DTH).
www.pals.com.tr ( controladores de seguimiento de antenas)
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 80
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
C. SEGMENTO ESPACIAL
Esta Sección se la dedicaremos a describir un satélite de comunicaciones, sus
diferentes subsistemas de antenas, comunicaciones, posición y orientación, energía
eléctrica, propulsión, rastreo telemetría y comando.
Generalmente a los subsistemas de control de orientación, de energía, de telemetría
y telemando, estructura y control térmico y propulsión se le denomina plataforma.
Sobre la plataforma se coloca la carga del subsistema de comunicaciones. Los fabricantes
de satélites colocan equipos de comunicaciones con diferentes características los cuales
están destinados al procesamiento de las señales. A estos equipos se le llama la carga útil.
Un satélite geoestacionario, como el satélite Simón Bolívar, es un sistema complejo
expuesto a las condiciones ambientales del espacio cuya construcción, lanzamiento y
mantenimiento en órbita durante 15 años requiere de personal y estaciones terrenas que lo
monitoreen y lo controlen a un costo bastante elevado.
Existen diferentes tipos de plataformas de satélites geoestacionarios, entre ellas
existen las que tiene una gran masa en el lanzamiento del orden de 2 a 7 toneladas, con
potencias de emisión del orden de de 2 Kw, 12 Kw hasta 30 Kw. A estas plataformas, que
son verdaderos chasis, se les conoce como modelo 376, 601HP, 702, 1300, 1300S
pertenecientes a diferentes fabricantes. Como ejemplo, el satélite Simón Bolívar tiene una
plataforma de tercera generación denominada DongFangHong (este rojo) o DFH4.
Comenzaremos nuestro estudio con la carga útil o carga de comunicaciones: el
subsistema de antenas y posteriormente el subsistema de comunicaciones.
ANTENAS
Las antenas del satélite son los elementos que le permiten la radiación de la energía
al espacio o la recepción de la energía desde éste. Por el principio de reciprocidad, una
antena transmisora puede ser también una antena receptora y constituyen un sistema muy
complejo que producen haces de radiación que pueden conformar las áreas sobre la
superficie de la tierra a la cual van a servir los satélites.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 81
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Hay varios tipos básicos de antenas usadas en un satélite, con distintos tamaños,
configuraciones y acabados según las frecuencias a las que tengan que operar y a la
cobertura, entre ellas tenemos: monopolos, dipolos, helicoidales bicónicas, bocinas o
cornetas, antenas reflectoras y arreglo de antenas ( planares, dipolos y bocinas). Existen
también los elementos de alimentación, llamados alimentadores, que se usan en antenas
reflectoras y que generalmente son bocinas conectadas a guías de onda que emiten ( de los
amplificadores de potencia) energía hacia un reflector parabólico o reciben ( para
entregárselas a los receptores).
Las antena de alambre (monopolos, dipolos) básicamente se usan a frecuencias de
VHF y UHF para proveer comunicación a a los sistemas de telemetría, telemando y control
(TTC). Ellas dan una cobertura omnidireccional.
Las antenas tipo bocinas o cornetas se usan a frecuencias de microondas donde se
requiera dar una cobertura global por su haz de radiación bastante ancho. También se usan
como alimentadores para las antenas reflectoras, solas o en grupo. Es difícil obtener
ganancias mayores de 23 dB o anchos del haz mas angostos de 10º con estas antenas
bocinas. Cuando se deseen mayores ganancias o anchos de haces mas angostos es
necesario usar antenas reflectoras o arreglos.
Las antenas reflectoras se iluminan usualmente con una o mas bocinas para tener
una gran apertura la cual se puede lograr con una sola bocina.
Cuando se desee generar una ganancia muy grande es necesario generar una onda
plana en la apertura de un reflector. Esto se logra seleccionando el perfil de un reflector que
tenga longitudes de trayectoria iguales desde el alimentador a la apertura, de tal manera que
la energía radiada por el alimentador y reflejada por el reflector alcance la apertura con el
mismo ángulo de fase y cree un frente de fase uniforme. La forma del reflector con lo que
se logra esto es el paraboloide, con el alimentador colocado en el foco, otras veces
descentrado. Ver figura 3c-1
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 82
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Fig.3c-1. Ubicación del alimentador
Las estaciones terrenas utilizan el paraboloide como la forma básica para la
mayoría de las antenas reflectoras; las antenas satelitales muchas veces modifican el perfil
del reflector paraboloidal para conformar el patrón de radiación para irradiar una zona de
cobertura en particular. Ver figura 3c-2
Fig. 3c-2. Maneras de irradiar un área (Ref.7 y 11)
Los lóbulos laterales al haz principal de las antenas deben ser bien reducidos para
evitar que causen interferencias intolerables en otros sistemas. Normalmente el control de
dichos lóbulos se realiza por la graduación adecuada de la variación de la iluminación de
la superficie del reflector por los radiadores primarios.
Los arreglos de antenas se usan en satélites para crear haces múltiples a partir de
una sola apertura, como por ejemplo en la serie de satélites Globastar e Iridium para
generar hasta 16 haces desde una sola apertura, para su sistema de telefonía móvil.
Las principales funciones de las antenas satelitales son:
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 83
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 84
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
- capturar ondas de radio transmitidas, en una determinada banda de frecuencia y con
una debida polarización, por las estaciones terrenas en dentro de una región en
particular de la superficie de la tierra,
- captura unas cuantas señales indeseables como posibles, provenientes de diferentes
regiones que no tengan los valores especificados de frecuencia y polarización,
- trasmitir ondas de radio, en una banda de frecuencia y con una polarización dada,
- transmitir el mínimo de potencia fuera de la región especificada.
El balance del enlace entre el satélite y la estación terrena (enlace descendente)
depende de la PIRE, la cual es la potencia de transmisión Pt por la ganancia de la antena
transmisora Gt. De forma similar en el enlace ascendente, una alta G/T para el satélite
requiere de un valor alto de la ganancia de la antena receptora.
Un valor alto en la ganancia de la antena se obtiene con una antena direccional y ésta
depende de la misión que se desee realizar: cobertura global sobre la tierra, cobertura zonal
o puntual.
Cuando se obtiene una alta directividad junto con un buen acomodo del haz al
contorno geométrico a ser cubierto es posible la reutilización de la frecuencia por
diversidad de espacio y en consecuencia un mejor uso del espectro.
La reutilización de la frecuencia requiere antenas con lóbulos secundarios reducidos
para limitar la interferencia. La UIT-R (S.672) provee una máscara referencial para el
patrón de radiación de la antena el cual se muestra en la figura 3c-3
Fig. 3c-3. Máscara del patrón de radiación de una antena (Ref. 7)
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 85
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
La máscara propuesta define la disminución de ganancia requerida como una
función de de la distancia angular desde el extremo de la cobertura. El término Ls es del
orden de -20 a -30 dBi y Go = 0 dBi.
Se puede resumir diciendo que las características más importantes del subsistema de
antenas satelitales son:
- Conformidad del haz a la región a ser cubierta
- Un patrón de radiación de antena con lóbulos reducidos,
- Alto aislamiento entre polarizaciones ortogonales, ver figura 3c-4.
- Apuntamiento exacto.
Fig- 3c-4. Haces polarizados ortogonalmente. (Ref.10 )
Las coberturas típicas de las antenas satelitales se muestran en la figura 3c-5
El patrón usualmente se especifica por su ancho de haz de -3 dB, el ángulo entre las
direcciones en la cual el campo radiado ( o recibido) cae a la mitad de su potencia en la
dirección de máxima intensidad de campo. En la figura anterior se muestran los contornos
de los haces de una antena satelital proyectada sobre la tierra.
Fig. 3c-5. Coberturas con diferentes haces.
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Las antenas de un satélite de comunicaciones son un elemento limitante en el
sistema completo. En un satélite ideal habría un haz de antena para cada estación terrena,
totalmente aislada de todos los otros haces, para transmitir y recibir. Varios alimentadores
en arreglo de fase se pueden usar para crear haces de 0.5º que pueden agruparse para
servir a la zona de cobertura del satélite.
Para tener un haz separado para cada estación terrena se requiere un alimentador de
antena por cada estación terrena si se usara una antena con un solo reflector con múltiples
alimentadores. Se ha usado en muchos satélites un compromiso entre un haz por estación
y un haz para todas las estaciones usando haces de cobertura zonal y polarización
ortogonal dentro del mismo haz para proveer mas canales por satélite. En la figura 3c-6 se
muestra un reflector iluminado con un alimentador complejo que da la forma del haz
requerida para permitir una comunicación entre estaciones terrenas dentro de una zona de
cobertura dada.
Fig. 3c-6. Iluminación de un reflector con varios alimentadores. (Ref. 7 )
La figura 3c-5 muestran unas zonas de cobertura típicas. El reflector mas grande
del satélite transmite a 4 GHz produce la forma de “maní” para los haces zonales, los
cuales se diseñaron para concentrar la energía transmitida en áreas densamente pobladas
tales como Norteamérica y Europa donde se genera mucho tráfico telefónico. Las antenas
mas pequeñas se usan para dar haces hemisféricos de transmisión y recepción y los haces
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 86
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
puntuales de 14/11 GHz. A parte de esto existen antenas bocina para generar haces
globales.
Hasta aquí podemos decir que existen varios tipos de antenas usados para iluminar
la región de la tierra que se desea cubrir:
- un haz de sección circular
- un haz de sección elíptica
- un haz conformado
- haces múltiples.
Los haces con sección elíptica nos dan una gran flexibilidad para acoplarnos al
contorno geométrico que se quiera iluminar. El haz se caracteriza por dos anchos que
corresponden al eje mayor A y al eje menor B de la elipse. Véase la figura 3c-7.
Fig. 5-7. Haz de sección elíptica (Ref.7)
Una manera de tener haces conformados consiste en modificar la distribución de
potencia dentro del haz generado por una sola fuente. La conformación del haz se logra
modificando el contorno de la apertura o el perfil del reflector. Por cualquiera de estas
formas utilizadas la forma del haz se logra modificando cambios mecánicos los cuales no
pueden ser llevados a cabo mientras el satélite esté en órbita.
Otra manera de conformar el haz se obtiene combinando la radiación de varios
haces elementales. Estos haces se generan por múltiples radiadores elementales excitados
por señales coherentes teniendo una amplitud dada y una distribución de fase impuesta
por una red formadora de haces. Ver figura 3c-6
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 87
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Otra manera de realizar haces conformados es controlando la amplitud y la
distribución de fase de los elementos radiadores. Esta posibilidad se puede implementar aun
cuando el satélite esté en órbita teniendo la red conformadora del haz con elementos que
se puedan controlar por telecomando.
Los haces múltiples implica la generación de varios haces los cuales pueden ser en
bandas de frecuencia diferentes y teniendo diferentes polarizaciones. Cuando la separación
angular es grande los haces pueden compartir la misma banda de frecuencia. Véase la
figura 3c-7
Fig. 3c-7. Uso de polarizaciones ortogonales (Ref.7)
En lugar de tener un solo haz se pueden tener haces contiguos angostos que se
solapen, con frecuencias diferentes. Cuando el número de haces es muy grande la
capacidad por haz se ve limitada además de que la información transmitida difiere de un
haz al otro. Para tener interconectividad se requiere rutear las portadoras entre haces.
Véase la figura 3c-7 arriba
SUBSISTEMA DE COMUNICACIONES
Las principales funciones del subsistema de comunicaciones de un satélite son:
- capturar las portadoras transmitidas por las estaciones terrenas de la red , en una
banda de frecuencias dada y con una polarización dada
- capturar poca interferencia
- amplificar las portadoras recibidas, del orden de picowatts, mientras se limita el
ruído y la distorsión tanto como sea posible
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
- cambiar las frecuencias de las portadoras recibidas
- entregar la potencia necesaria en una banda de frecuencias dada a la interafaz con
la antena transmisora (potencias del orden de diez o cientos de watts)
- irradiar las portadoras en una banda de frecuencia y con una polarización dada a
los lugares de destino, a una cierta región de la superficie de la tierra.
Si los repetidores son regenerativos también se debe realizar la demodulación y
remodelación de las portadoras así como el ruteo de portadoras entre un haz ascendente y
un haz descendente.
Los parámetros característicos del subsistema de comunicaciones de un satélite son:
- las bandas de frecuencia en tx y rx y las polarizaciones para los canales repetidores
- las coberturas de transmisión y recepción
- la pire o la densidad del flujo de potencia alcanzado en una región dada (cobertura
de transmisión del satélite)
- la figura de mérito (G/T) del sistema de recepción en una región dada (cobertura de
recepción del satélite)
- las características no-lineales
- la confiabilidad después de N años para un número especificado de canales
trabajando
La pire o densidad de flujo de potencia producidaza en una región dada se especifica
generalmente en el área del borde la cobertura ( Edge of coverage EOC) bajo condiciones
particulares de operación para un canal de repetición. Usualmente se involucra la
operación del amplificador en saturación. Existen límites regulatorios a la densidad de
flujo de potencia producidos sobre la superficie de la tierra por los satelites de
comunicaciones (UIT-R SF 358).
La figura de mérito (G/T) del sistema de recepción se define también para una
cobertura de recepción dada. (por ejemplo, para un valor mínimo en el extremo de la
cobertura EOC).
Las no linealidades se refieren a los productos de intermodulación de tercer orden.
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
TRANSPONDEDORES
Transpondedor es el nombre que se le asigna a un repetidor junto con sus equipos
asociados que realizan un rango de funciones sobre las portadoras desde la antena
receptora antes de entregarlas a la antena transmisora. Véase la figura 3c-8.
Fig. 3c-8. Subsistema de comunicaciones: el transpondedor (Ref.9 )
El subsistena de comunicaciones, como se muestra en la figura anterior, consta de
filtros, amplificadores, convertidores de frecuencias, conmutadores, multiplexores. Un
transpondedor posee una alta ganancia de potencia con una temperatura ruído efectiva de
entrada bastante baja y una alta potencia de salida sobre una banda de frecuencia muy
amplia.
La ganancia total a la salida de la antena receptora a la entrada de la antena
transmisora puede ser del orden de 100 a 110 dB y aún mayor para satélites de
radiodifusión directa. Por ejemplo un transpondedor en banda Ku de un satélite cuyo
atenuador se haya ajustado para saturación con una densidad de flujo de potencia de -100
dBw/m2 en su eje principal , teniendo una antena receptora con área efectiva de 4 m2 y
amplificador de potencia (HPA) de transmisión de 40 W, tendrá una ganancia de potencia
de 10 log 10 (40) – (-100+10 log10 (4) = 110 dB.
La anchura de banda de los canales, uno por cada transpondedor, en que se divide la
banda utilizada por un satélite puede ser diferente a la de otros, diferente de una banda a
otra en el mismo satélite y aún diferente en distintos transpondedores de la misma banda.
Las frecuencias de transmisión de tierra al satélite en banda C es de 5.925 a 6.425
MHz por lo que el ancho de banda para esta frecuencia de entrada es de 500 MHz y la
frecuencia del enlace de bajada es de 3.7 a 4.2 GHz por lo que el ancho de banda del enlace
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
de baja es de 500 MHz. El amplificador de salida usado es SSPA de usualmente 50 W o
mayor. Ver figura 3c-9. Aun cuando no se muestra se ofrece redundancia en el HPA así se
aumenta la probabilidad que dure toda su vida útil. Los transpondedores también se
arreglan para que sean redundantes a esto se le llama redundancia M para N. Es común
tener 16 para 10 o 14 para 10.
Fig. 3c-9. Diagrama de bloques de la sección de transmisión
En banda Ku las frecuencias de tierra al satélite están entre 14.0 y 14.5 GHz para
servicio fijo, las frecuencias satélite tierra están entre 11.7 a 12.2 GHz. En la 3c-10 se
muestra un convertidor de doble conversión; es mas fácil hacer filtros, amplificadores a FI
de 1100 MHz . Ver figura 3c-10.
Fig. 3c-10. Diagrama de la sección de Rx/Tx
La nomenclatura usada es de 6/4 GHz para banda C y 14/12 para banda Ku. En
banda Ka es 30/20 GHz.
Los últimos satélites GEO han usado mas de 44 transpondedores cada uno con
anchos de banda de 36, 54 y 72 MHz. La razón para usar transpondedores de ancho de
banda reducido es para evitar intermodulación cuando se transmiten varias portadoras
simultáneamente con un transmisor no lineal. Muchos satélites domésticos que operan en
4 GHz
6 GHz
Convertid. abajo
BPF 4 GHz
22225 MHz
Amplifi 4 GHz
BPF 6 GHz LNA
LPA 4 GHz
HPA 4GHz
11 GHz
14 GHz
Convers. abajo
BPF 1 GHz
OL 13 GHz
Amplifi FI 1 GHz
BPF 14 GHz LNA
Convers. arriba
BPF 1 GHz HPA 11
GHz
OL 10 GHz
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
6/4 tienen 24 transpondedores activos, separados de la frecuencia central de ellos 40 MHz
para permitir bandas de guardia. Ver figura 3c-11.
Fig. 3c-11. Plan de frecuencias de un repetidor en banda C y banda Ku.(Ref.9)
Para aumentar la capacidad de comunicación de los satélites se usa procesamiento a
bordo (OBP) con tecnología de haces conmutados. Un satélite haces conmutados genera
un haz de transmisión angosto para cada estación terrena con la cual se comunica y luego
transmite secuencialmente a cada unas usando señales TDM. El haz angosto solo debe
cubrir una estación, teniendo la antena de transmisión del satélite una alta ganancia
comparada con una antena de cobertura zonal. También se puede usar un haz de
exploración angosto o una combinación de haces de exploración y fijos. Se requiere
almacenamiento de datos ya que el satélite solo se comunica con una sola estación a la
vez. Véase fig. 3c-12. donde se muestra un arreglo típico de OBP.
Fig. 3c-12. Procesamiento a bordo
Multihaces
Modulador Decodificador FEC
OBP
Receptor Modulador Transmisor Codificador
FEC
Controlador a
bordo
Haces multiples
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Se utiliza 16QAM con 4 bits/símbolo entre el satélite y la ET para mejorar la
eficiencia del ancho de banda. Los satélites Astrolink y Spaceway que operan en 30/20
GHz utilizan este sistema de OBP.
EL SISTEMA DE CONTROL DE ORIENTACIÓN
El objetivo del control de orientación (actitud) es mantener el apuntamiento de las
antenas del satélite hacia su zona de cobertura. Para lograrlo es necesario que la
plataforma tenga estabilidad y precisión en su orientación, empleándose diversos métodos
para estos propósitos para obtener el apuntamiento dentro de valores típicos de desviación
de +/- 0.1º o +/- 0.05º con respecto a los ejes mas importantes para la comunicación.
De no tenerse control sobre la posición del satélite en el espacio, ya que éste está sometido
a fuerzas perturbadoras que tienden a moverlo de su posición y de su órbita, habría una
pérdida de señal.
La presión solar actuando sobre los paneles solares y las antenas y el campo
magnético generando corrientes de Eddy en la estructura metálica del satélite a medida
que viaja a través del campo magnético, hacen que el cuerpo del satélite rote o se desvíe
angularmente en su orientación como de desplazamiento respecto de la posición orbital
prevista. . Los sistemas de control de orientación hacen que se atenúen cualquier torque
rotacional o movimiento. La presencia de campos gravitacionales del sol y de la luna
hacen que la órbita de un satélite GEO cambie con el tiempo. Estas perturbaciones son
cíclicas. A la altura de una orbita GEO, el campo gravitacional de la luna es dos veces tan
fuerte como el del sol.
El control de orientación de un satélite se basa en sensores para detectar cambios
en la orientación de las antenas de apuntamiento fijo, los cuales alimentan un procesador y
éste determina acciones correctivas mediante comandos enviados a los dispositivos (jets
de gas o impulsores químicos) que aplican fuerzas de giro sobre la plataforma. Ver fig.
3c-13. En el centro de control en tierra se recibe información de los sensores por el
subsistema de telemetría, por lo que también desde aquí se envían comandos directamente
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
al satélite para corrección en caso de alguna emergencia, de esta manera se complementan
las acciones correctivas que el satélite pueda realizar en forma autónoma.
Fig.3c-13. Diagrama funcional del sistema TTC. (Ref. )
Hay dos maneras de estabilizar el cuerpo del satélite estando en órbita:
a) el cuerpo del satélite puede rotar a una velocidad típica entre 30 y 100 rpm, para
crear una fuerza giroscópica que de estabilidad al eje de giro y lo mantenga
apuntando hacia la misma dirección. Tales satélites se conocen como hiladores
(spinners), son satélites cilíndricos, como un tambor de poca altura en relación a su
diámetro, cubiertos de celdas solares en cuya parte superior se coloca el subsistema
de comunicaciones y operados por un motor eléctrico girando en dirección opuesta
a la rotación del cuerpo del satélite para mantener las antenas apuntando hacia la
tierra. Ver fig. 3c-14.
Gracias a la rotación el satélite opone resistencia o rigidez giroscópica a las
Perturbaciones y se mantiene erecto para darle fiabilidad. El eje de máximo
Momento de inercia se escoge perpendicular al plano de la órbita.
Esta técnica tiene la desventaja de que el satélite puede tender a moverse
describiendo un cono alrededor de sus eje de giro (a esto se llama precesión) con un
período mayor que el de rotación. El efecto de la precesión en el apuntamiento
consiste en un movimiento oscilatorio norte-sur, como si ocurriera balanceo, que
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
degrada las señales lo cual es detectable en las ET de los usuarios. Como ejemplo
citaremos el Boeing 376 (antes Hughes 376).
Fig. 3c-14. Estabilización de un satélite Spinner.
b) Otra manera de estabilizarlo es usando ruedas de momento, a estos satélites se les
llama estabilizado por sus tres ejes. Ver fig. 3c-15. Estas ruedas son discos de metal
sólidos accionados por un motor eléctrico. Puede haber una rueda por cada eje del
satélite o una sola montada sobre un dispositivo que le de fuerza rotacional
alrededor de cualquiera de los tres ejes. Las ruedas de momento se aceleran o se
desaceleran de su velocidad angular debido a su aceleración pudiendo absorber
momentos de giro sobre su propio eje de cabeceo. Las velocidades típicas de estas
ruedas es del orden de 4500 rpm. La rigidez giroscópica opone resistencia a los
momentos que tiendan a hacer girar el satélite sobre los otros dos ejes.
La forma más conveniente de estos satélites es rectangular, no tienen rotación. Los
paneles solares son planos y se pliegan para el lanzamiento y se despliegan en órbita
separados del cuerpo principal. Como ejemplo citaremos el Boeing 701 y el satélite
Simón Bolívar.
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Fig. 3c- 15. Estabilización de un satélite por sus tres ejes.
Cuando las ruedas de momento no son capaces de mantener la orientación se usan
los impulsores de propulsión (generan una fuerza por reacción química) los cuales pueden
actuar en cualquier dirección (tercera ley de Newton) y se emplean para descargar los
momentos que estén desviando a las antenas y los que estén almacenados en los
dispositivos de corrección por inercia transfiriéndolos como momentos lineales a los gases
expulsados. Existe una gran variedad de líquidos de propulsión para los impulsores (gas
jets) siendo el mas común la hidracina (N2H4). Véase fig. 3c-16.
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Fig. 3c-16. Esquema simplificado del subsistema de propulsión. (Ref. )
Como un resumen en la figura 3c-17 se muestra el concepto y partes involucradas
en el sistema de control de orientación de un satélite estabilizado en sus tres ejes. Las
perturbaciones existen y como es requisito mantener un apuntamiento exacto hacia la tierra
este es el objetivo del sistema de control de orientación.
Fig. 3c-17. Concepto y parte del control de orientación de un satélite estabilizado en tres ejes. (Ref.2)
Otros tipos de impulsores son los eléctricos de iones, plasma o arco (arc jets o ion
thrusters).
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TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Los agentes perturbadores de la órbita GEO de un satélite (entre ellas la masa de
la Luna, la masa del sol, la falta de esfericidad de la tierra y la presión solar) causan aparte
de la excentricidad de ésta, la inclinación de su plano. Para una persona ubicada en la tierra
el satélite describe un movimiento de un ocho alargado con un período de 24 horas. Ver
fig. 3c-18.
Longitud relativa *10-3
Fig. 3c-18. Traza terrestre de un satélite con valor incorrecto de inclinación. (Ref.11)
La figura anterior muestra la forma de la traza terrestre de una órbita casi GEO con
el efecto de la desviación de la inclinación de 0.9º respecto a una orbita GEO perfecta.
Para mantener el satélite dentro de su cubo de posicionamiento dentro de +/- 0.1º usando
impulsores el tiempo máximo entre correcciones en dirección N-S es de dos meses y para
mantenerlo en dirección E-O tres semanas.
En la figura 3c-19 se muestra el sistema de coordenadas usado para definir la
orientación de un satélite el cual es fijo con respecto a éste y su origen es el centro de masa
del mismo satélite. Los cambios de orientación de un satélite son rotaciones alrededor de
los tres ejes: XYZ.
El sistema de referencia XYZ se usa para especificar las direcciones y ubicaciones
de un satélite controlado en sus 3 ejes.
El eje + X (roll) es el de balanceo, rotación o roleo alrededor del eje X, en
dirección hacia el lado este, es a lo largo del vector velocidad, indica movimiento de lado
a lado, rotación alrededor de las caras este-oeste.
El eje + Y (pitch) es el de cabeceo, es inclinación, apunta hacia el sur, apunta
hacia uno de los arreglos solares.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 98
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
El eje + Z (yaw) es el de pandeo, apunta hacia la tierra, indica rotación alrededor
del eje Z, como el eje apunta hacia la tierra existe rotación alrededor del eje vertical.
Fig. 3c-19. Sistema de coordenadas para definir la orientación de un satélite. (Ref.2)
Una rotación positiva en el cabeceo (Y) del satélite implica que el haz se mueve
hacia el este. Una rotación positiva en el balanceo (X) el haz se mueve hacia el norte y una
rotación positiva en el eje del pandeo (Z) implica que el haz se mueve en la dirección de
las manecillas del reloj alrededor del punto subsatelital.
SISTEMA DE TELEMETRÍA, TELEMANDO Y CONTROL
El sistema TTC es imprescindible para la operación exitosa de un satélite de
comunicaciones y forma parte del segmento espacial. Es parte de las tareas de
administración que usualmente involucra personal y una estación terrena dedicada a esto.
Telemetría son los medios por los cuales se hacen mediciones a distancia y luego
transmitidos a un observador. Seguimiento es observar y recolectar data para graficar la
trayectoria del movimiento de un objeto y comando es el medio por el cual se establece un
control y se mantiene.
En la fig. 3c-20 se muestra un diagrama funcional de un sistema TTC.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 99
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
En el TTC se controla la órbita y orientación del satélite, se monitorea el estado de
todos los sensores y de los diferentes subsistemas del satélite, y se conmutan (encender o
apagar) las diferentes secciones del sistema de comunicaciones.
Fig. 3c-20. Diagrama funcional de un sistema de TTC. (Ref.3)
El centro de control es donde se realiza la supervisión del estado de los satélites y se
expiden las señales de mando para ejecutar en ellos todas las funciones que no realizan en
forma autónoma.
En el centro de control del satélite se origina una señal de mando o comando que se
envía por enlaces terrenales a la ET y luego se transmite al satélite. El receptor del satélite
lo recibe, lo demodula y lo procesa. Una vez decodificado lo verifica y se pasa la señal al
sistema de telemetría y se regresa al centro de control del satélite. Solo así se ejecuta una
señal enviada desde el centro de control, recibida, decodificada y distribuida a los
subsistemas apropiados en el satélite. Estas señales de mando se envían cuando sea
necesario controlar la orientación, la posición, la configuración de la carga de
comunicaciones y el estado de los equipos a bordo del satélite.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 100
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
La estación de telemetría, telecomando y seguimiento (TTC) es el medio de enlace
entre el satélite y el centro de control y se comunica, en banda C utilizando antenas
parabólicas de 10, 12 y 13 metros de diámetro, a través de los enlaces ascendente de
telemando y del enlace descendente de telemetría. El sistema de telemetría recoge data de
los otros subsistemas, los procesa modula la señal de radiofaro, que puede ser la portadora
de telemetría (beacon) y la transmite a tierra. Los satélites usan muchos sensores para
medir desde 200 hasta cerca de 1000 parámetros para vigilar los estados, temperatura,
voltajes, corrientes, presiones, aceleraciones y ángulos relativos. En este subsistema de
telemetría se provee información operativa, análisis de fallas y se predice el desempeño del
satélite.
El seguimiento se realiza por una antena de la estación terrena controlable en Az-El.
La determinación de la distancia ET-satélite en función del tiempo se hace enviando una
señal a través del comando del enlace ascendente y regresándola por el transmisor de
telemetría. Las señales de distancia y seguimiento permiten determinar la posición del
satélite para luego enviar señales de ser necesario que la corrijan mediante los impulsores.
SISTEMA DE ENERGÍA
La fuente principal de potencia, el cual es uno de los problemas más restrictivos, en
un satélite de comunicaciones es la energía solar convertida a través de arreglos de celdas
solares. Otras fuentes de energía, como las nucleares (curio 244, plutonio y estroncio 90),
hasta este momento no son satisfactorias para usarse en satélites GEO.
Los satélites de comunicaciones generan una pire muy alta necesaria para el uso de
estaciones terrenas pequeñas lo que implica que la potencia eléctrica requerida alcance
varios cientos de kilowatts. Esta potencia eléctrica está relacionada directamente con la
potencia de radiofrecuencia de los amplificadores de la carga útil. Ver fig. 3c-21.
Esta potencia es del orden de 1, 5, 10 y hasta más de 20 kilowatts.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 101
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Receptores, TTC, control de orientación, térmico, otros 5% c/u
Amplificadores de potencia 75%
Fig. 3c-21. Distribución típica de potencia en un satélite de comunicaciones de alrededor de 1 Kw.
El subsistema de energía eléctrica consiste de tres elementos: fuente primaria,
fuente secundaria y un acondicionador de potencia (reguladores, circuitos de protección que
permitan regular y distribuir la electricidad con los niveles adecuados a cada una de las
partes del satélite). Ver fig. 3c-22.
Control
Baterías
Contactos deslizantes
-transmisores -receptores -plataforma
Paneles solares
Fig. 3c-22. Diagrama de bloques simplificado del subsistema de energía.
El elemento principal de un arreglo solar es la célula fotovoltaica, un
semiconductor. Mientras mayor sea la densidad de flujo de la radiación solar sobre ellas,
mayor es la electricidad que generan. Además, la temperatura también influye pues cuanto
más baja sea ésta, mayor será el nivel de voltaje entregado por las celdas.
Dado que los paneles solares, en los satélites de 3 ejes, deben rotar por acción de
un motor eléctrico una vez por 24 horas para mantener las celdas mirando hacia el sol, el
voltaje cae ya que se calientan entre 50º y 80º C. En los satélites tipo hiladores, las celdas
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 102
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
se enfrían cuando están en la sombra a 20 º y 30 º C y en este momento tiene mayor
eficiencia.
La intensidad promedio de la radiación solar a la distancia de 150 millones de
kilómetros, distancia aproximada del sol al satélite, es de 1370 watts/m2. Esta intensidad de
la radiación sobre las celdas no es constante, ya que el satélite se acerca o se aleja del sol
junto con la tierra al desplazarse alrededor de él. Como consecuencia de esto y de que el eje
de rotación de la tierra está inclinado con respecto a la eclíptica por lo que el ángulo de
incidencia de los rayos del sol sobre la tierra y sobre la superficie del satélite cambia según
la época del año conforme ambos orbitan a su alrededor creándose un movimiento aparente
del sol con respecto a la tierra (y al satélite). Hay épocas del año en que se tiene más
(equinoccios) o menos (solsticios) energía eléctrica disponible.
Un parámetro importante de las celdas solares es su eficiencia, de 8% utilizando
silicio que tenían inicialmente ahora dan 25% utilizando arseniuro de galio. Una tecnología
alternativa es usar cascada de celdas multi junturas (multijunction) y celdas de películas
delgadas (thin film). Un parámetro importante de las celdas solares es su eficiencia inicial
denominada BOL (beginning-of- life) así como su eficiencia al final de la vida útil EOL
(end-of-life ) . Ver tabla 3c-1.
Tabla. 3c-1. (Ref.7)
La eficiencia disminuye por los efectos de la radiación, 30% en 30 años es típico
para un satélite GEO. Para limitar esta degradación, las celdas se protegen por una cubierta
(cuarzo o silicio) que es transparente a la longitud de onda mayor para la cual la
sensitividad de la celda es mayor pero capaz de atenuar la parte dañina de la radiación.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 103
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 104
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
Cada celda solar puede tener un área de 5 a 8 m2 y cuando se unen varias, para
armar un arreglo solar, se usan combinaciones en serie y en paralelo.
En cuanto a las baterías diremos que las mas utilizadas (durante el lanzamiento y
durante los eclipses) en los satélites de comunicaciones GEO son de níquel-hidrógeno que
dan una densidad de energía de 60 Wh/kg aún cuando las de ion litio ( Li-Ion) poseen
muchas ventajas, entre ellas dan 125 Wh/kg el doble de las de NiH y poseen mayor
eficiencia.
Los voltajes típicos de las baterías son de 20 a 50V y de 20 a 100 amperes-horas.
Tabla 3c-2. (Ref.7)
En la tabla 3c-3 se muestran los requisitos de energía para un satélite estabilizado
en tres ejes con un consumo de potencia de casi 2000 Watts durante los solsticios (junio),
equinoccios (septiembre) y eclipses.
Tabla 3c-3. (Ref. 11)
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
SUBSISTEMA DE CONTROL TÉRMICO
El objetivo del sistema de control térmico es mantener los equipos del satélite
dentro de los rangos de temperatura que le permitan operar satisfactoriamente.
Estos rangos que deben mantenerse difieren grandemente de un equipo a otro, como
ejemplos véase la tabla 3c-5.
Tabla 3c-5. (Ref.7)
El comportamiento de los equipos no es el mismo si están operativos o si están en
reposo. Cuando están operando generan calor usualmente generan calor el cual debe
eliminar el control térmico; cuando están en reposo, el equipo debe, en ciertos casos,
calentarse para evitar las excesivas bajas temperaturas.
El principio del control térmico es el siguiente: la temperatura media de un equipo
es el resultado de un equilibrio entre el calor generado internamente, el calor absorbido y
radiado por la superficie del equipo y el calor recibido o eliminado por conducción a través
de la montura mecánica de éste.
La temperatura media del satélite es el resultado del equilibrio entre el calor
generado internamente, el calor absorbido por la superficie del satélite y el calor radiado
por su superficie.
Por tanto el control térmico consiste en:
- ajustar las conductividades térmicas entre las varias partes del satélite, o
favoreciendo el intercambio de calor por conducción entre un punto y otro o
limitando el intercambio (usando materiales aislantes).
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 105
TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
- Haciendo uso de las propiedades termo ópticas (emisividad y absorción) de
superficies para favorecer, por ejemplo, la extracción de calor por radiación
mientras se minimiza esa captura usando reflectores solares ópticos.
- Teniendo fuentes locales de calor si es necesario ( calentadores eléctricos)
Como ejemplo de equipos generadores de calor en un satélite tenemos los
amplificadores de potencia, los cuales dependiendo de su eficiencia convierten en calor
entre el 40% y 60% de la energía eléctrica que consumen (que a su vez es de 70% o más
de la total consumida por el satélite).
El control térmico se realiza de forma pasiva o activa:
El control pasivo se basa en las propiedades de absorción o emisión de superficies.
De acuerdo a esto se usan:
- pinturas blancas, negras, de aluminio y metales pulidos.
- superficies radiantes (cobertores de diferentes colores y materiales: teflón, mylar, dracón)
con un depósito de plata o aluminio en el reverso.
El control activo se usa como complemento del control pasivo. Consiste
principalmente de calentadores de resistencia eléctricos controlados por termostatos y tubos
de calor.
Los calentadores se usan para evitar las bajas temperaturas de elementos sensibles
cuando falta radiación solar y cuando los transpondedores generan muy poco calor, así
mismo se usan en los multiplexores, en las baterías, en los impulsores, entre otros.
Los tubos de calor son elementos cilíndricos que funcionan más eficientemente
que el mejor metal conductor para extraer y trasladar por medio de la evaporación y
condensación de un fluido volátil, por ejemplo a base de amoníaco.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 106
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
ÍNDICE TEMÁTICO TEMA IV
FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
Secciones
ÁNGULOS DE ACIMUT Y ELEVACIÓN
EFECTO FARADAY
EFECTO DOPPLER
EFECTO DE LA LLUVIA
ATENUACIÓN POR ABSORCIÓN ATMOSFÉRICA
TEORÍA BÁSICA DE TRANSMISIÓN
PÉRDIDAS POR DESAPUNTAMIENTO
TEMPERATURA
TEMPERATURA DE RUIDO TÉRMICO
FIGURA DE RUIDO Y TEMPERATURA DE RUIDO
TEMPERATURA DE RUIDO VARIOS AMPLIFICADORES EN CASCADA
TEMPERATURA DE RUIDO DE UN ATENUADOR
TEMPERATURA DE RUIDO DE UNA ANTENA
(ENLACE DESCENDENTE)
FACTOR DE CALIDAD O FIGURA DE M
DISEÑO DE ENLACES SATELITALES
DISEÑO DE ENLACES DESCENDENTES
TEMPERATURA DE RUIDO DE UN ENLACE
DISEÑO DE ENLACES ASCENDENTES
RELACIÓN (C/N)T EL ENLACE
PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE ENLACES SATELITALES
ENLACE ASCENDENTE CON LLUVIA
ENLACE DESCENDENTE
ENLACE DESCENDENTE CON LLUVIA
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 107
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
Una vez visto concluido este Tema, Ud dispondrá de las competencias necesarias para:
- Realizar y verificar cálculos de balance del enlace en un sistema de comunicaciones
satelitales
- Calcular los ángulos de orientación para que una estación terrena se comunique con
un determinado satélite
- Analizar las consecuencias de los efectos Faraday y Doppler para las
comunicaciones satelitales
- Analizar los efectos de la lluvia y de la absorción atmosférica en enlaces satelitales
- Realizar cálculos de antenas y potencia de recepción en un enlace satelital
- Identificar y evaluar la influencia del ruido en las comunicaciones satelitales
- Diseñar un sistema satelital básico con características específicas
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 108
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
TEMA IV FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
ÁNGULOS DE ACIMUT Y ELEVACIÓN
La orientación del eje de una antena apuntando hacia el satélite queda definido por
dos ángulos: el ángulo de acimut (Ac o ϕ ) y el de elevación (El o θES). Estos ángulos
dependen de las coordenadas geográficas de la estación terrena y de la posición orbital del
satélite.
El ángulo de acimut α es el ángulo medido en el sentido de las manecillas del reloj
entre la línea que une a la estación terrena con el norte geográfico y la proyección
horizontal local de la línea de máxima radiación de la antena, la cual debe apuntar en la
dirección hacia el satélite. Ver figura 4-1.
El ángulo de
horizontal local y la l
La figura 4-2 m
rs = vector del
re = vector del
d = vector de l
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Fig. 4-1. Ángulos acimut y elevación.
elevación El o θES se define como el ángulo formado entre el plano
ínea de vista entre la estación terrena y el satélite.
uestra la geometría para calcular el ángulo de elevación; donde
centro de la tierra al satélite
centro de la tierra a la estación terrestre
a estación terrena al satélite
Comunicaciones Satelitales 109
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
Asumiendo y en relación a una estación terrestre de Latitud Norte Le y longitud
oeste le y el punto subsatelital con Latitud Norte Ls y Longitud Oeste ls se tiene:
)()()cos()cos()()cos( LssenLesenlelsLsLeCos +−=γ (4-1)
satélite
Plano horizontal
Punto sub-satelital
Estación terrena
Centro de la
Tierra
Fig. 4-2. Geometría básica para calcular los ángulos y la distancia al satélite desde una estación terrena.
Luego la distancia se calcula como:
(4-2) 21
s
e
2
s
es )r2rrd ⎢ ⎟⎟
⎞⎛−⎟⎟
⎞⎜⎜⎛
= γcos(rr
1⎥⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡
⎠⎜⎜⎝⎠⎝
+
Realizando sustituciones queda una expresión más sencilla de la distancia,
expresada en Km.
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TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
( )[ ] 2/1cos30253825,002288235,117,164.42 γ−=d (4-2 a)
El ángulo de elevación es relacionado al ángulo central ψ de la siguiente manera:
90−=ψEl (4-3)
Por la Ley de los Senos:
(4-4) )sin()sin( γψ=
drs
Combinando las últimas tres ecuaciones obtenemos la ecuación que permite conocer el
ángulo de Elevación
(4-5) 21d ⎤⎡
Igualmente, para el ángulo de inclinación realizamos sustituciones y nos queda la
expresión:
( )( )[ ] 2/1cos30253825,002288235,1
cosγ
γ−
=senEl (4-6)
Para satélites geoestacionarios el ángulo El está dado por:
( )[ ] γλγ −−= − senEl /cos6107345,6tan 1 (4-7)
Para satélites geoestacionarios el procedimiento para calcular el Acimut es el siguiente:
Se calcula α.
(4-8)
s
e
2
s
e
s
)cos(rr2
rr1
)sin()sin(rcos(El)
⎥⎥⎦⎢
⎢⎣
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
==
γ
γγ
⎥⎦
⎤⎢⎣ )sin(L
)ltan(
e
es1- ⎡ −=
ltanα
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
Caso 1: si la ET está en el hemisferio Norte con
a.- SW de la Estación Terrena Az=180+α
b.- SE de la Estación Terrena Az=180-α
(4-9)
Caso 2: si la ET está en el hemisferio Sur:
c.- NW de la Estación Terrena Az=360-α
d.- NE de la Estación Terrena Az=α
Ejercicio 1: Las coordenadas geográficas de la ciudad de Barquisimeto son latitud
norte 10º 3’ 50’’ y longitud oeste 69º 18’ 56’’. Calcule los ángulos de orientación
requeridos para que una ET ubicada en la UNEXPO se comunique con el satélite Simón
Bolívar, ubicado en 78º W.
ÁNGULO DE POLARIZACIÓN
El alimentador de la estación terrena debe tener su polarización alineada con el
plano de polarización de la onda recibida, siempre que la polarización de la onda sea lineal.
Este plano contiene el campo eléctrico de la onda. Recuerde que, por convención, la
polarización de la onda está definida por la dirección del campo eléctrico.
El ángulo de polarización en la estación terrena es el ángulo entre el plano definido
por la vertical local en la estación terrena y el eje de la antena (hacia donde la ganancia es
máxima) y el plano de polarización. Un ángulo de polarización de cero corresponde a la
recepción o emisión en la ET de de una onda polarizada linealmente con su plano de
polarización conteniendo la vertical local.
EFECTO FARADAY
La ionosfera introduce una rotación del plano de polarización de una onda
polarizada linealmente. El campo E rota y a esta rotación se le conoce como rotación de
Faraday. Este ángulo es inversamente proporcional al cuadrado de la frecuencia y es
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TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
función del contenido electrónico de la ionosfera y en consecuencia varía con el tiempo,
las estaciones y el ciclo solar. El efecto de Faraday se incrementa en los años en que el sol
alcanza sus niveles máximos dentro de su ciclo de once años. La A frecuencias
correspondientes a las bandas Ku y Ka no son un problema. A la frecuencia de 4 GHz es
de 9º y a 6 GHz de 4º. En la figura 4-3 se muestra el vector campo E después de atravesar
la ionosfera.
Campo eléctrico E
Componente co polarizada Ecop
Componente polarización cruzada
Fig. 4-3. Dirección del campo eléctrico
Cuando la dirección del campo E proveniente de una señal satelital se desvía,
sucede: (a) que la potencia que llega en la dirección deseada a la antena receptora de la
estación terrena disminuye, porque una parte de la componente original de la señal se
convierte en una componente ortogonal. Aquí se produce una pérdida en la señal
copolarizada, y (b) si el enlace utiliza polarización horizontal y vertical simultáneamente,
la componente ortogonal anterior se suma como interferencia a la señal ortogonal original
del enlace. Aquí se produce una componente de ruido con polarización cruzada.
El campo E original tiene una magnitud E y al rotar un ángulo θf, por la rotación de
Faraday, hay pérdida de potencia en la señal copolarizada. Si el campo se reduce a Ecop =
E cos θf la pérdida de potencia se estima así:
fcopFaraday EEL θlog20/2log1022== (4-10)
Y la magnitud de la componente de polarización cruzada EpolX, es:
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TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
fpolX EsenE θ= (4-11)
Algunas veces a este efecto le llama despolarización de la señal.
Para corregir el efecto de la polarización de Faraday se emplea polarización circular
en lugar de lineal para transmitir las señales, una con polarización circular a la derecha y
otra con polarización circular a la izquierda, asumiendo reutilización de frecuencias.
EL EFECTO DOPLER
Para un observador estacionario, la frecuencia de un radiotransmisor móvil varía
con la velocidad del transmisor relativa al observador. Si la frecuencia que el transmisor
enviaría cuando está en reposo es fτ, la frecuencia recibida f R es mayor que fτ cuando el
transmisor se está moviendo hacia el receptor y es mas baja que fτ cuando el transmisor se
mueve alejándose del receptor. Matemáticamente se expresa así:
fR – fτ / fT = f / fτ = VT/c
f = VT fτ / λ (4-12)
c = velocidad de la luz; VT es la componente de la velocidad del transmisor dirigida
hacia el receptor; λ es la longitud de la onda de la señal transmitida. Si el Tx se mueve
alejándose del Rx VT es negativo. Este cambio en frecuencia se llama corrimiento Doppler,
efecto Doppler nombrado así en honor al físico alemán quien primero estudió este
fenómeno en las ondas sonoras. El efecto Doppler es despreciable para satélites GEO pero
para LEOs puede ser grande, requiriéndose el uso de receptores con seguimiento de
frecuencia.
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TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
EFECTOS DE LA LLUVIA
Existen muchos fenómenos que nos conducen a la pérdida de señal en transmisión
a través de la atmósfera, entre ellos la absorción atmosférica (efectos gaseosos), atenuación
por las nubes (efectos de partículas de hielo), efectos refractivos en la troposfera, la
rotación de Faraday (efecto ionosférico), la atenuación por lluvia, lluvia y despolarización
por cristales de hielo. De estas la más importante de las perdidas mencionadas es la
atenuación por lluvia a frecuencias mayores de 10 GHz.
La atenuación A es la diferencia en decibels entre la potencia recibida Pr en un
tiempo determinado t y la potencia recibida bajo condiciones ideales, referidas como cielo
despejado.
A(t) = Pr cielo despejado – Pr(t) (4-13)
La atenuación A (t) en un enlace de comunicación operando en banda C, Ku o Ka
ls causa la absorción de la señal por la lluvia. En muchos enlaces satelitales arriba de 10
GHz la atenuación por lluvia limita la disponibilidad del sistema y para desarrollar un
adecuado margen u holgura del enlace se requiere calcular la atenuación por lluvia
esperada para un porcentaje de tiempo dado.
En la figura 4-4 se muestra un modelo para calcular la atenuación por lluvia. El
mismo está basado en recomendaciones de la UIT. (RPN837-1; 838 y el Informe 564-4).
Ejemplo 2: Una estación terrena ubicada al nivel del mar se comunica con un satélite GEO
a un ángulo de elevación de 35º. La altura de la zona de lluvia hr es de 3 km. Calcule la
trayectoria a través de la lluvia (L) y encontrar la atenuación de esta trayectoria si la
atenuación específica es de 2 dB/km.
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TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
Zona de lluvia
L
hr
hacia el satélite
Dg
hielo arriba, lluvia hacia abajo de esta línea
Nivel del mar
Fig. 4-4.- Geometría para calcular la atenuación por lluvia
Solución:
La atenuación de la trayectoria se calcula así: L = hr/ sen θ = 3 / sen 35º = 5.23 km.
Se considera que la lluvia es uniforme sobre la trayectoria d. La atenuación en esta
trayectoria será de: 2 dB/km x 5.23 km = 10.46º dB.
Observe de la figura 4-4 que hr se mide desde el nivel del mar. Si la estación terrena
estuviese en un sitio alto, una colina por ejemplo, a esta altura se le denota por ho.
Para estimar la longitud del trayecto absorbente L, el CCIR en su Reporte 564-4,
recomienda el método cuyos pasos se indican:
1.- Calcular la altura h, de la Fig. 4-4 como:
hr = 3 + 0.028 l 0º ≤ l < 36º [km] (4-14)
hr = 4 – 0.075 (l – 36) l ≥ 36º [km] (4-15)
En donde l es la latitud de la estación terrena en grados, ya sea norte o sur. Se observa que
hr tiene valores entre 3 y 4km, con un punto máximo de 4km para l = 36º. Estas expresiones
ya toman en cuenta, aproximadamente, la altura de la isoterma (punto donde arriba hay
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TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
hielo y hacia abajo lluvia) de cero grados en función de la latitud, que normalmente es el
punto de arranque en los cálculos por otros métodos.
2.- Conocida hr, la longitud física del trayecto oblicuo d por el cual la señal pasa bajo la
lluvia se obtiene por simple trigonometría, de la misma figura 4-4, como:
θsenhh
d or −= (4-16)
en donde h0 es la altitud de la estación terrena sobre el nivel del mar, en kilómetros.
La misma CCIR indica que la ecuación (4-16) es adecuada para Ө ≥ 10º; pero si Ө <
10º, situación que sólo ocurre en las regiones cercanas a los polos o cuando ∆L, la
diferencia de longitudes entre una estación terrena y un satélite geoestacionario, es muy
grande, la CCIR recomienda usar, para considerar la curvatura de la Tierra, la siguiente
expresión:
( )( ) θθ senhohrsen
hohrd+
−+
−=
Re2
22
km (4-17)
En donde Re es el radio equivalente de la Tierra (≈ 8,500 km).
3.- Después hay que calcular un factor reductor r0.01 , que es aplicable a una disponibilidad
de 99.99% y que sirve para adjuntar d y obtener la longitud efectiva de la trayectoria
oblicua. Dicho factor toma en cuenta la no uniformidad de la distribución de la lluvia a
diferentes alturas, y se obtiene como:
1cos
351
1
01.0015.0
01.0≈
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
=
− θRed
r (4-18)
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TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
En donde r0.01 es la intensidad de la lluvia en mm/h excedida 0.01% en un año,
según la Tabla A4-1 y los contornos de la Figura 4-5
Fig. 4- 5 .Regiones de América según la intensidad de lluvia que es excedida.
Tabla A4-1.- Datos estadísticos por región
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CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 119
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
)
4.- Como paso siguiente hay que obtener el coeficiente de atenuación específica γ, dando en
dB/km. El valor de este coeficiente depende de la intensidad con la que llueve y de otros
coeficientes a y b, según la relación siguiente:
( kmdBaRb
/01.0
=γ (4-19)
Los valores de los coeficientes a y b se calculan teóricamente a partir de
consideraciones sobre la propagación electromagnética a través de las gotas de lluvia, y
dependen de la polarización de la señal y de su frecuencia. En la Tabla A4-2 se
proporcionan los valores de algunos de estos coeficientes de atenuación específica
publicados por la CCIR [CCIR 564-2,82] y obtenidos usando el modelo de distribución del
tamaño de las gotas establecido por Laws y Parsons. Si la polarización de la señal es
circular, se hace un promedio usando los coeficientes de la Tabla A4-2, con las fórmulas
siguientes:
2
vhc
aaa
+= (4-20)
2
vvhhc
babab
+= (4-21)
TABLA A4- 2.- Coeficientes de atenuación específica
(h =polarización horizontal; v = vertical)
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
a = 4.21x10-5f2.42 2.9 GHz ≤ f ≤ 54 GHz (4-22)
b = 1.41 f-0.0779 8.5 GHz ≤ f ≤ 25 GHz (4-23)
Nótese que al usar estas últimas dos aproximaciones se supone que los coeficientes
valen lo mismo para polarización horizontal y vertical. El error es poco ya que, si se
observan los valores de la Tabla A.4-2 se ve que, en efecto, son casi iguales, y que son
mucho más dependientes de la frecuencia que de polarización.
5.- Por último, la atenuación L buscada se calcula como:
Llluvia 0.01 = γ (d) (r 0.01) [dB] (4-24)
6.- Para una disponibilidad de (100%-p), la atenuación obtenida en el paso 5 se multiplica
por un factor, de acuerdo con la relación: ( )
01.0
log043.0546.012.0 lluvia
p
lluviap LpL ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=
+− dB (4-25)
La obtenida de la ecuación anterior. 01.0lluviaL
ATENUACIÓN POR ABSORCIÓN ATMOSFÉRICA
Las ondas electromagnéticas interactúan con las moléculas de los gases en la
atmósfera cuando las frecuencias de éstas son muy altas, o que se traduce en pérdida de
potencia de las señales a medida que atraviesa la atmósfera y se intensifican en las
frecuencias correspondientes al bióxido de carbono, oxígeno (60 GHz) y vapor de agua
(22.2 GHz). En la figura 4-5 se muestra una gráfica con las llamadas “ventanas” de baja
absorción atmosférica.
Para ángulos de elevación bajos de una estación terrena las pérdidas son
significativas; en dirección al cenit para ángulos de elevación altos (en banda C y Ku) estas
pérdidas son pequeñas pudiendo ser despreciadas.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 120
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
La gráfica 4 arriba, corresponde a una dirección hacia arriba o sea hacia el cenit
siguiendo el camino mas corto posible; de modo que si el ángulo de elevación de la
estación terrena es otro, hay que hacer una corrección por la fórmula siguiente, para
ángulos θ entre 10º y 90º.
Laa = Lcenit dB x csc θ (4-26)
Lcenit es la lectura obtenida en la gráfica 4-5, θ es el ángulo de elevación de antena
de la estación terrena y Laa es la atenuación por absorción atmosférica para ese ángulo de
elevación.
La gráfica nos da la atenuación total del cenit debida a los gases atmosféricos
calculados desde 3 a 350 GHz. (Ref. ITU-RP 676-3 ,1997). Las dos curvas representan
atenuación gaseosa que se observa mirando hacia arriba desde el nivel del mar. La curva A
es para atmósfera sexta (sin vapor de agua presente)
FIG. 4-6. Atenuación por efecto de los gases
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TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
TEORIA BÁSICA DE TRANSMISIÓN
Comenzaremos con el cálculo de la potencia recibida por una estación terrena
desde el transmisor de un satélite, usaremos la densidad de flujo y la ecuación del enlace.
Consideremos una fuente transmitiendo en el espacio libre, radiando una potencia
de Pt Watts uniformemente en todas direcciones como se muestra en la Figura 4-7.
Fuente isotrópica
1 m2 de área en la superficie esférica, a la distancia R
Distancia R
Pt Watts
Figura 4-7. Densidad de flujo producida por una fuente isotrópica.
A la distancia de R metros la densidad de flujo que atraviesa la superficie de una
esfera con radio R es:
(4-27) 2
2 /4
mWFπ
=R
Pt
Donde Pt: la potencia transmitida
GT: la ganancia de la antena tx
2
4λπη AGmsx = (4-28)
Donde η: eficiencia de la antena
A: área física de la apertura de la antena
λ: longitud de onda
La relación entre Pt y la ganancia Gant de la antena es la potencia efectiva radiada
isotropicamente o pire.
)log(10*
dBdB GantptPireGantPtPire
+==
(4-29)
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TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
La densidad de flujo se puede también expresar como:
[ ]224 mW
rPIREFd π
= (4-30)
[ ]22
4m
WL
PIREFed
d ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
λπ (4-31)
O en forma logarítmica:
( ) [ ]22
4log10 mdBWLPIREdbF edd ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+−=λπ (4-32)
Donde Fd: densidad de flujo de
Potencia
r: distancia entre la estación y el satélite
Led: perdidas en el espacio libre
24⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=λπrLel (4-33)
Donde Led: perdidas en el espacio libre
44,92log20log20)( ++= fddBLb (4-34)
La potencia disponible en una antena receptora de apertura A = 1 m2 es:
(4-35) W
RAGPAxFP ett
rr 24π==
Como la apertura esta relacionada con la ganancia, asi:
(4-36)
Realizando sustituciones, queda que la potencia recibida (en terminales de la antena) está
dada por:
π4GA =
(4-37)
λ2
e
WCPr ⎟⎟⎜⎜==ππ 44
GR
PIRE r
⎠
⎞
⎝
⎛ λ2
2
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TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
Potencia recibida en terminales de la antena en dBW:
(dB)L - (dBi)G ) (dBiG (dBw)P (dBw)P bRTTR ++= (4-38)
Potencia recibida en las terminales de la antena del satélite:
[ ] [ ] (dB)L - (dBi)G PIRE (dBw)P[ bsateliteRerrenaEstacion tsubidaR += (4-39)
Potencia recibida en terminales de la antena de la estación terrena:
[ ] [ ] (dB)L - (dBi)G PIRE (dBw)P[ bTerrenaEstación RSatelitebajadaR += (4-40)
PÉRDIDAS POR DESAPUNTAMIENTO
Cuando existe una alineación imperfecta entre la antena transmisora y la antena
receptora se tiene como resultado una caída en la ganancia de la antena con respecto a la
ganancia máxima en transmisión y con la ganancia máxima en recepción, a esto se le
conoce como pérdidas por desapuntamiento.
Las pérdidas por desapuntamiento, una dirección desviada α grados con relación
al eje principal de radiación, pueden calcularse de acuerdo a las ecuaciones siguientes
donde αT es el ángulo en grados entre los ejes de la antena de la estación terrestre
transmisora y la antena del satélite ; αR es el ángulo entre los ejes de la antena terrestre
receptora y la antena del satélite ; θ-3 dB es el ángulo entre los dos puntos de media
potencia del lóbulo principal del patrón de radiación de la estación terrena.
-en el receptor: dBenLRdB
RR ......12
2
3⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
−θα
(4-41)
dBenLTdB
TT ......12
2
3⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
−θα
- en el transmisor: (4-42)
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
Para el rango de:
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛≤≤ −
20 3dBo θ
α (4-43)
Las dos ecuaciones anteriores son el segundo término del miembro derecho de una
ecuación más completa que nos dice cuánto vale la ganancia de la antena en una cierta
dirección desviada grados con relación a la dirección de ganancia máxima. Dicha ecuación
es:
[ ] [ ] dBienGGdB
dbidbi ......123
max ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
−θα
α (4-44)
lessexagesimagradosDdB −= ,753λθ (4-45)
TEMPERATURA DE RUIDO Y RUIDO TERMICO
La temperatura de ruido es un concepto útil en receptores de comunicaciones ya que
nos da una manera de determinar qué tanto ruido térmico se genera por lo dispositivos
activos y pasivos en el sistema de recepción.
La potencia del ruido producido por una fuente de ruido térmico puede ser calculada
por:
Pn = kTBn (4-46)
Donde:
K = 1.38 x 10-23 Joule/ K
Bn = Ancho de banda del ruido, en la cual se mide la potencia de ruido,
en Hertz.
T = Temperatura de ruido equivalente
Pn es potencia disponible de ruido (Watts) que se entrega solamente a una carga
cuya impedancia este acoplada a la fuente de ruido. KT es densidad espectral de potencia,
en Watts/Hz y es constante para todas las frecuencias de radio hasta 300 GHz.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 125
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
Un dispositivo con una temperatura de ruido de Tn Kelvins produce a su salida la
misma potencia de ruido que un cuerpo negro a la temperatura Tn K seguido por un
amplificador sin ruido con la misma ganancia que el dispositivo actual. La unidad de
temperatura de ruido es Kelvins no grados Kelvins.
En los sistemas de comunicaciones satelitales se trabaja siempre con señales
débiles, debido a las grandes distancias involucradas, por lo que debemos hacer el ruido lo
mas bajo posible para cumplir con los requerimientos de la relación C/N, esto se consigue
teniendo ancho de banda en los receptores (amplificadores de FI) que dejen pasar la señal
(portadora con sus bandas laterales) mientras se mantiene la potencia de ruido lo mas baja
posible. El ancho de banda de la ecuación arriba debe ser el ancho de banda equivalente.
Para determinar el desempeño de un sistema de recepción necesitamos calcular la potencia
de ruido térmico total contra la señal que se va a demodular, necesitamos calcular la
temperatura de ruido del sistema Ts.
Ts es la temperatura de una fuente de ruido, ubicada a la entrada de un receptor sin
ruido, la cual de la misma potencia de ruido que el receptor original, medido a la salida del
receptor y usualmente incluye el ruido desde la antena.
En la figura 4-8 se muestra un diagrama simplificado del receptor de una estación
terrena. Este es el diagrama que corresponde a casi todos los receptores, con pocas
excepciones, se le conoce como superheterodino. Este receptor tiene tres subsistemas
principales: el extremo frente (front end) que comprende: (a) el amplificador de RF, el
mezclador y el oscilador; (b) un amplificador de FI con su filtro y (c) el demodulador y la
sección banda base. El amplificador de RF es el LNA que debe generar un nivel de ruido
tan bajo como sea posible.
Si la ganancia extremo –a-extremo (desde la entrada de RF hasta la entrada al
demodulador) de un receptor es Grx (una relación, no dB) y su ancho de banda de ruido
bien angosto es Bn, la potencia de ruido a la entrada del demodulador es
Pno = k Ts Bn Grx (W) (4-47)
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CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 127
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
La potencia de ruido referida a la entrada del receptor es Pn, donde: Pn = KTs Bn
Supongamos que la antena entrega una señal de potencia Pr a la entrada del
amplificador de RF; la potencia de la señal a la entrada del demodulador es PrGrx Watts, la
cual representa la potencia contenida en la portadora y en las bandas laterales después de la
amplificación y conversión de frecuencia dentro del receptor.
La relación C/N a la entrada del demodulador es:
C/N = Pr Grx / k Ts Bn Grx = Pr / k Ts Bn (4-48)
FIG: 4-8. Diagrama simplificado de un receptor superheterodino
En la figura 4-9 se muestra el modelo de ruido de un receptor. Ts representa TRF,
TM y TFI. Las ganancias de los amplificadores y la del mezclador se representan por: GRF,
GM y GFI. La temperatura de ruido de la antena medida en supuesto de entrada se
representa por Ten. La salida en este modelo es Pn.
Fuente de
id
Ganancia GRF GM GFI
Receptor sin
Ten
FIG. 4-9. Modelo de ruido de un receptor
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
La fuente de ruido equivalente tiene una temperatura de ruido del sistema de:
Ts = [ Ten +TRF +TM/ GRF+ TFI/ (GM GRF)] (4-49)
Los valores deben ser en relaciones, no en dB.
Las etapas siguientes del receptor contribuyen con menos ruido a la temperatura de
ruido total del sistema. La mayoría de las veces, cuando el amplificador de RF en el
receptor tiene una alta ganancia, el ruido con el que contribuye el amplificador de FI y las
etapas siguientes se pueden ignorar y la temperatura de ruido del sistema es simplemente la
suma de la temperatura de ruido de la antena y la del LNA.
Ts = TA + TLNA (4-50)
La antena se asume que sea una fuente de ruido, como se estudiará mas adelante,
caracterizada por una temperatura de ruido llamada temperatura de ruido de la antena TA
K.
El primer elemento como se ve de la cadena de recepción de una estación terrena es
el LNA, del mismo existen tres tipos: el paramétrico refrigerado por medio de helio, el
enfriado termoeléctricamente por efecto Peltier y el de efecto de campo sin enfriar. El
primero por ser costoso y complicado ya casi no se usa. Los dispositivos termoeléctricos
Peltier permiten que la temperatura del elemento activo se reduzca hasta -50ºC. El
amplificador mas utilizado en las estaciones terrenas actualmente es el de efecto de campo
(de arseniuro de galio GaAs y litografía submicrónica), aún cuando existen otros tipos
conocidos como transistores con movilidad de electrones alta o HEMT los cuales reducen
más la temperatura de ruido particularmente a frecuencias de 20 GHz.
La temperatura de ruido en banda C de un amplificador FET es entre 15 y 80 K,
para 12 GHz es alrededor de 60 K y para 20 GHz del orden de 110K.
Para pequeñas estaciones terrenas, se puede combinar el LNA con el convertidor de
frecuencia a esto se le llama bloque de conversión de bajo ruido o LNB, montado detrás de
la fuente es decir en el foco de una antena reflectora, seguido de un cable coaxial
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 128
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 129
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
(alimentador) que va hacia las siguientes etapas del receptor, este cable no contribuye
mucho al ruido de le estación.
La temperatura de ruido del sistema de un transpondedor para un satélite GEO es
del orden de 400 a 500K.
FIGURA DE RUIDO Y TEMPERATURA DE RUIDO
El término figura de ruido (NF) se usa para especificar el ruido generado dentro de
un dispositivo. Se define así:
NF = (S/N)en/(S/N)sal (4-51)
En comunicaciones satelitales es más útil la temperatura de ruido, es mejor convertir
figura de ruido a temperatura de ruido, Td.
Te = To(F -1) (4-52)
Donde To = 290 K, la temperatura de referencia, usada para definir la figura de
ruido. F se expresa en dB y se debe convertir a una relación antes de usarla en esta fórmula.
(4-53) .290º ) 1 - 10 ( T F(dB)/10e =
Por ejemplo una temperatura de ruido de 20 K equivale a una figura de ruido de
0.29.
Otra relación importante es:
)/290ºT (1 log 10 F(dB) e+= (4-54)
TEMPERATURA DE RUIDO DE VARIOS AMPLIFICADORES EN CASCADA
Algunos sistemas de recepción consisten de varios amplificadores en cascada, en
este caso la temperatura equivalente se calcula mediante esta ecuación:
(4-55) )....GG G / (T .......... )GG / (T )G / (T T T 1- N21eN21e31e2e1e ++++=
L T / )T 1).-((L 1 /TT 1 F oooe (4-56) =+=+=
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
TEMPERATURA DE RUIDO DE UN ATENUADOR
La lluvia, las guías de onda, las líneas de transmisión y los conectores son
elementos atenuadores de las señales, son elementos pasivos que pueden considerarse como
resistencias.
Si un atenuador produce una atenuación L, teniendo una temperatura física o
temperatura ambiente Tf, la temperatura de ruido TL del mismo referida a la salida es:
TL salida = Tf ( 1 -1/L) K. (4-57)
La temperatura Tf es la temperatura del ambiente , para objetos en la superficie
terrestre se considera 290 K, para las nubes 270 K y para la lluvia del orden de 280 K.
La atenuación es la relación entre la potencia de entrada y la potencia de salida.
L = Pi/Po o también
Po = Pi/L. (4-58)
La potencia del ruido total (No) a la salida de un atenuador es igual a la potencia
del ruido que entra (Ni) pero atenuada L veces, más la potencia de ruido generado por el
propio atenuador NL.
No = (Ni/L) + NL = kTiB/L + kTLB, (4-59)
Siendo Ti la temperatura física del atenuador, es decir Tf.
La temperatura física del atenuador es Ti, o sea Tf. También se puede considerar,
inicialmente, la temperatura To a la salida del atenuador igual a Tf:
No = k To B = k Tf B (4-60)
De las dos últimas ecuaciones se obtiene:
TL = Tf( 1 – 1/L).
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 130
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
La temperatura de ruido está referida a la salida del atenuador, en un punto “a” a la
entrada del LNA. Aquí se pueden sumar la temperatura de ruido debida al atenuador
(referida a su salida) y la temperatura del LNA (referida a su entrada).
Ni
a
LNAtenuador
pérdida L
En caso de que se deseara conocer la temperatura de ruido del atenuador referida a
la entrada del mismo, ésta se puede calcular simplemente dividiendo el ruido de salida
entre su “ganancia” de potencia (que en realidades 1/L); o multiplicarla por L.
TL entrada = Tf (1-1/L) x L = Tf (L-1) (4-61)
F = 1 + Te/To ; Te = To(F-1). (4-62)
La lluvia se puede considerar como un atenuador, ésta hace que se pierdan
muchos decibeles de potencia y la temperatura de ruido que se añade al sistema es de varios
Kelvins. Este ruido se calcula con Tf = 280 K aplicando
Tlluvia = Tf (1-1/Llluvia) K. (4-63)
Llluvia = (d) (r0.01 ) dB; donde = coeficiente de atenuación específica, dado
en dB/km.
TEMPERATURA DE RUIDO DE UNA ANTENA (ENLACE DESCENDENTE O DE
BAJADA)
Una antena captura ruido de los cuerpos radiantes dentro de su patrón de radiación y
su salida de ruido es una función de de la dirección en la cual la antena esté apuntando, de
su patrón de radiación y del ambiente alrededor. Como dijimos anteriormente, se asume
que la antena sea una fuente de ruido.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 131
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
Para conocer con exactitud la temperatura de una antena hay que medirla para
diferentes ángulos de elevación. Teóricamente la temperatura de una antena para calcularla
habría que sumar todo lo que penetra por todos los puntos de una esfera imaginaria en cuyo
centro esté la antena o en otras palabras, integrando las contribuciones de todos los
cuerpos radiantes dentro del patrón de radiación de la antena.
( ) ( ) KddsenGTT obAntena ;,,
41 2
0 0∫ ∫=π π
ϕθθϕθϕθπ
(4-64)
T b = es la temperatura de brillo donde se tiene la ganancia máxima.
Los fabricantes de antena proporcionan la gráfica relacionada con la ecuación
anterior, en función de la frecuencia y el ángulo d elevación.
Existen dos casos a ser considerados: la antena del satélite (enlace ascendente) y la antena
de la ET (enlace descendente).
El ruido que una antena en tierra captura a través del lóbulo principal y los lóbulos
secundarios puede provenir de varias fuentes:
• Interferencia de enlaces terrestres
• Ruido de la lluvia
• Ruido de la atmósfera
• Ruido cósmico y galáctico
• Ruido solar
• Ruido del suelo
Algunas soluciones son:
• Buscar sitios de baja interferencia con blindaje natural o artificial
• Usar configuración Cassegrain
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TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
Las contribuciones más importantes al ruido de una antena de una ET se muestra
en la figura.4-10.
Tcielo
Ttierra
Atenuación por lluvia Tm A
Tcielo
Ttierra
FIG: 4- 10. Ruido que captura una antena de una estación terrenaTcielo/Alluvia Tm(1-1/Alluvia)
La contribución del ruido celeste se estima por la fórmula anterior 4-64, donde Tb
es la temperatura de brillo del cielo en la dirección (,ϕ ), en la dirección del cielo donde la
dirección del eje de la antena contribuya a la integral ya que la ganancia tiene un valor alto
solo en esa dirección.
Los valores que señala el CCIR para estos parámetros son:
TG = 290 K, para lóbulos laterales cuyo ángulo de elevación E sea menor de -10º; TG = 150
K para -10º <E<0º
TG = 50 K para 0º < E< 10º (4-64)
TG = 10 K para 10º <E< 90º
Por lo tanto la temperatura de ruido está dada por: TA = Tcielo + T tierra
Además de esto hay que tomar en cuenta también el aumento de esta temperatura
debido al efecto del sol y de la luna.
La contribución del ruido celeste se estima por la fórmula 4-64, donde Tb es la
temperatura de brillo del cielo en la dirección (,), en la dirección del cielo donde la
dirección del eje de la antena contribuya a la integral ya que la ganancia tiene un valor alto
solo en esa dirección.
Los valores que señala el CCIR para estos parámetros son:
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TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
TG = 290 K, para lóbulos laterales cuyo ángulo de elevación E sea menor de -10º; TG = 150
K para -10º <E<0º
TG = 50 K para 0º < E< 10º y TG = 10 K para 10º <E< 90º (4-65)
Por lo tanto la temperatura de ruido está dada por: TA = Tcielo + T tierra
Además de esto hay que tomar en cuenta también el aumento de esta temperatura debido al
efecto del sol y de la luna.
Con respecto a la presencia de formaciones metereológicas la temperatura de ruido
de la antena aumenta, tales como nubes y lluvia, que constituyen un absorbente y en
consecuencia un medio emisivo.
En conclusión la temperatura de ruido de una antena es una función de: la
frecuencia, el ángulo de elevación y de las condiciones atmosféricas (cielo despejado o
lluvia) Tabla A4-3. Temperatura de ruido de algunas antenas típicas.
TA(oK) Diámetro Frecuencia
(GHz)
Ganancia
(dBi) θ=10o 15 o 20 o 30 o 40 o 50 o 60 o
3,8 m 4 42,9 36,0 29,7 27,8 26,0 24,1 22,8 22,4
5 m 4 44,9 33,5 27,7 25,8 23,0 21,7 20,9 20,5
7,3 m 4 47,5 32,8 26,0 24,4 21,8 20,3 19,5 19,0
1,8 m 12 45,4 46,0 - 37,0 - 37,0 - -
3,5 m 12 50,7 43,0 36,0 31,0 27,0 26,0 25,0 25,0
Se observa en esta tabla que a medida que aumenta el diámetro de la antena, a la
misma frecuencia y ángulo de elevación, la temperatura de ruido disminuye; esto se debe a
que los lóbulos laterales son más pequeños con relación al lóbulo principal y la
contribución del suelo al ruido también se reduce.
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TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
Ejemplo 3: Calcule la temperatura total de ruido, referida a la entrada del preamplificador,
en un enlace descendente a 12 GHz, si la temperatura de ruido de la antena es de 22 K y
está conectada al preamplificador LNA por una guía y un conector que tienen una
atenuación de 0.5 dB. La temperatura de ruido equivalente del LNA es de 100 K referida a
su entrada.
atenuador LNA TA=22K
Solución:
La atenuación L de 0.5 dB equivale a 1.12. (10 FdB/10)
La temperatura total del sistema Ts en el punto entre el atenuador y el LNA es:
amplA
s TL
TL
TT +⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −+=
110 (4.66)
El primer término representa la contribución de la antena, el segundo término la
contribución del atenuador y el último término la contribución del LNA.
Sustituyendo valores el resultado es 151 K.
Si se usara una antena con temperatura de ruido menor, por ejemplo, de 10 K el resultado
fuera 135 K. Al comparar estos dos resultados nos permiten concluir que el LNA es el
principal contribuyente y el atenuador contribuye con un valor más alto que la antena. Esta
es la razón por la que no se deben usar longitudes grandes de cables o de guías entre la
antena y el LNA, en su lugar el LNA se coloca, inmediatamente después del alimentador,
en el mismo foco de la antena reflectora. En la tabla se muestra las temperaturas de ruido de
algunas antenas que se consiguen en el mercado.
En caso de que haya lluvia ¿cómo influye ésta en la temperatura total de ruido referida a la
entrada del preamplificador?
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 135
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
Ejemplo 4: Consideremos el ejercicio anterior, donde la TA = 22 K, atenuación en el cable
0.5 dB, TLNA = 100 K, la atenuación causada por la lluvia es de 6 dB a 12 GHz.
Solución:
La lluvia atenúa 6 dB el ruido que veía la antena con cielo despejado.
Los 6 dB equivalen a 4. atenuador LNA
x
Sustituyendo valores en: TA = 22 / Llluvia + 280 (1-1 / Llluvia) = 215 K
Cuando llueve predomina el ruido de la antena.
4-14.- FACTOR DE CALIDAD O FIGURA DE MERITO G/T
La ecuación del enlace, en un sistema de comunicaciones satelitales se expresa así:
(4-67) sTkBN 4⎢⎣
=π
rtt GR
GPC 2
⎥⎦⎤⎡ λ
Aquí vemos que C/N es proporcional a Gr/Ts. Al aumentar G/T aumenta C/N. Para un
sistema satelital dado, los términos entre corchetes son todos constantes. Las terminales
satelitales pueden tener un valor negativo de G/T, lo cual es abajo de 0 dB/K; esto significa
que el valor numérico de Gr es mas pequeño que el valor numérico de Ts.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 136
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
DISEÑO DE ENLACES SATELITALES
El diseño de un sistema de comunicaciones por satélite es un proceso complejo que
requiere compromisos entre muchos factores para alcanzar el mejor desempeño a un costo
aceptable. Enfocaremos este estudio a los satélites GEO ya que son los que llevan la mayor
parte del tráfico satelital mundial.
El peso es el factor más crítico en el diseño de cualquier satélite ya que mientras
más pesado es mayor es el costo. El tamaño del satélite también es crítico porque tiene
que entrar en el vehículo lanzador. Los paneles solares pueden ir plegados; las antenas son
un factor limitante ya que no pueden ir plagadas sobre todo las antenas reflectoras. El peso
de un satélite se debe al número y potencias de salida de los transpondedores y además al
peso de combustible para mantenerse en vida útil por unos 15 años.
Los otros factores que influyen en el diseño del sistema son: la selección de la
frecuencia, los efectos de la propagación atmosférica y las técnicas de acceso múltiple.
Las bandas mas usadas para comunicaciones satelitales son la de 6/4 GHz, 14/11
GHz y la 30/20 GHz.
Todos los enlaces de comunicaciones se diseñan para que cumplan con ciertos
objetivos, por ejemplo la razón de bits erróneos o BER en una comunicación digital o la
relación señal-a-ruido en un enlace analógico, medidos en el canal banda base.
La relación BER o S/N del canal banda base dependen de la relación portadora-a-
ruido C/N a la entrada del demodulador en el receptor. En muchas aplicaciones de
comunicaciones satelitales la relación C/N a la entrada del demodulador debe ser del orden
de 6 dB para que se cumplan los objetivos del BER y de S/N. Los enlaces digitales que
operen con menos de 10 dB deben usar técnicas de corrección de error para mejora el
BER entregado al usuario.
La relación C/N total en el receptor de la estación terrena depende del C/N del
enlace ascendente y del C/N del enlace descendente y ambos deben alcanzar el desempeño
requerido para un porcentaje de tiempo específico. La atenuación por lluvia puede llegar a
ser excesiva haciendo que el C/N caiga por debajo de un mínimo permitido, especialmente
cuando se usan las bandas de 30/20 GHz, esto hace que el enlace se caiga.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 137
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
Diseñar un sistema de comunicaciones satelitales requiere del conocimiento del
desempeño de los enlaces ascendente y descendente, de las características de propagación y
de la atenuación por la lluvia para las bandas de frecuencia usadas en las localidades de las
estaciones terrenas así como de los parámetros del satélite y de las estaciones terrenas.
Otras restricciones son el evitar las interferencias con otros usuarios y la conservación de
ancho de banda.
DISEÑO DE ENLACES DESCENDENTES
El diseño de estos enlaces se basa en tener una mínima relación de C/N para un
porcentaje de tiempo específico y tener un ingreso máximo por tráfico a un costo mínimo.
Un enlace se puede diseñar para que tenga un margen por efecto de la lluvia de 10 o 20 dB
en lugar de 3 dB, pero las antenas de la estación terrena seguramente tendrán 5 o 7 veces
más el diámetro requerido.
Los enlaces satelitales se diseñan para que tengan una confiabilidad de 99.5 a
99.99% promediados sobre un largo período de tiempo, un año (confiabilidad anual =
365.25 días/año)(24 horas/día) = 8766 (hr/año). Esto significa que la relación C/N en el
receptor caerá abajo del valor mínimo permisible para operación debida entre 0.5 y 0.01%
del tiempo especificado, en consecuencia, el enlace tendrá caídas. El período de tiempo
sobre el cual se mide el porcentaje de tiempo puede ser de un mes, algunas veces “el peor
mes” en función de la atenuación o de un año.
Si la disponibilidad es de 99.9%, 0.1% interrupción, entonces: (0.001)(8766 hr/año)
= 8.766 hr/año = 8h 46m 33.6 s de caída.
Si la disponibilidad es de 99.99, interrupción 0.01% entonces: (0.0001)(8766
hr/año) = 52.656 min/año = 52 m 39.36 s de caída.
Efecto de la lluvia: Cuando llueve en la trayectoria descendente desde el satélite ,
la temperatura de ruido del receptor de la estación terrena cambia. Es razonable asumir
temperaturas del orden de 270 a 290 K en los trópicos. Un aumento en la temperatura del
cielo de 270 K aumenta la temperatura de la antena de recepción arriba de su valor en aire
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 138
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
despejado. En consecuencia, el nivel de potencia C se reduce y la potencia de ruido N, en
el receptor aumenta. La ecuación resultante del enlace descendente es:
(C/N)desc lluvia = (C/N)desc aire despej – Alluvia - Nlluvia dB (4-68)
El Balance del enlace: Es un método que se usa para evaluar la potencia recibida
y la potencia de ruido en un enlace de radio. Este balance se calcula para un transponder
individual y se debe repetir para cada uno de los enlaces individuales. En un enlace de
comunicación satelital de dos vías existirán cuatro enlaces separados, cada uno con el
cálculo de la relación C/N.
Cuando se usa un transpondedor repetidor (conocido como bent-pipe) se combinan
las relaciones C/N ascendente y C/N descendente en una sola para dar una C/N TOTAL.
TEMPERATURA DE RUIDO DE UNA ANTENA
(ENLACE ASCENDENTE O DE SUBIDA)
Como la antena del satélite apunta hacia la tierra y su haz principal de radiación es
generalmente menos ancho que el disco terrestre, ésta recibe toda la radiación térmica de la
tierra. Por ello, se suele suponer TA = 290 oK, salvo que se especifique lo contrario.
Ejemplo 5: Calcule la temperatura total de ruido a la entrada del equipo receptor
que opera con un factor de ruido de 3 dB. El enlace mostrado ascendente trabaja a 14
GHz, la antena del satélite tiene un ancho de 2° conectada al receptor a través de una guía
de 1 dB de pérdidas. Suponga la guía a 290 K.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 139
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
x
receptoratenuador
Solución:
Sumaremos la temperatura de ruido de la antena, la temperatura de ruido del
atenuador/conector/guia y la temperatura de ruido del receptor, referida al punto x.
La temperatura TA se puede considerar 290 K, To = 290 K, el factor de ruido F = 3
dB equivale a 2; las pérdidas del atenuador L = 1 dB equivalen a 1.25; luego sustituimos
estos valores en la fórmula siguiente:
)1(1111 00 −+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −+=+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ −+= FT
LT
LT
TL
TL
TT oi
Aampl
As (4-69)
El resultado es Ts = 578 K
Al realizar los cálculos sobre la temperatura del receptor, referida al punto x, nos da
288 K. Compárese con la temperatura de la antena, son casi iguales.
Esta es la razón por lo que se considera innecesario instalar receptores de bajo ruido
en los satélites, por su costo, además de que la señal portadora puede ser enviada con
bastante potencia desde la estación terrena ya que no tienen limitaciones de potencia.
El enlace ascendente, hacia el satélite, contribuye con menos ruido que el enlace
descendente, satélite a las estaciones terrenas.
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TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
DISEÑO DE ENLACES ASCENDENTES
Generalmente es más fácil diseñar el enlace ascendente, se pueden usar transmisores
con más alta potencia en las estaciones terrenas que en el satélite; aunque en el caso de las
estaciones VSATs se usan antenas y potencias pequeñas; las potencias son orden de 2 a 5
W, dando una PIRE baja en el enlace ascendente. Los teléfonos de mano satelitales
también usan potencia restringida a 1 W debido a riesgo de las emisiones
electromagnéticas.
Para mantener los productos de intermodulación bajos, cuando un número grande de
estaciones accesan a un solo transpondedor usando FDMA, como en algunas redes VSATs
y en satélites Intelsat, se usa backoff típico de 5 a 7 dB. Aún cuando se usa un solo
transpondedor (esto es, una sola portadora presente) se aplica normalmente backoff para
prevenir la conversión PM-AM que ocurre cuando las señales moduladas se transmiten a
través de dispositivos no lineales.
La potencia de las estaciones terrenas se transmiten de acuerdo el nivel de potencia
requerido a la entrada del transpondedor., lo cual se hace de dos maneras: 1.- o un flujo de
potencia específico se requiere en el satélite (para saturar el transpondedor) , y 2.- un nivel
de potencia específico se requiere a la entrada del transpondedor.
Una densidad de flujo de -100 W/m2 se obtienen una estación terrena cuando se usa
en banda C un transmisor de 100 W con una antena de 9 m; este es un valor típico.
Aún cuando la densidad de flujo en un satélite es una forma conveniente para
determinar los requisitos de PIRE a transmitir en una ET, el análisis del enlace ascendente
requiere del nivel de potencia a la entrada del transpondedor de tal manera que se pueda
obtener la relación C/N. La ecuación del enlace se usa para hacer este cálculo, usando o
unas relación C/N específica del transpondedor o un nivel de potencia de salida del
transpondedor.
La potencia de ruido referida a la entrada del transpondedor es Ntp W, donde
Ntp = k –Ttp + Bn dBW (4-70)
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 141
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
Donde Ttp es la temperatura de ruido del sistema del transpondedor en dBK y Bn se
expresa en dBHz.
La potencia recibida a la entrada del transpondedor es
Prtp = Pt +Gt +- Lp - Lascd (4-71)
Pt Gt es la PIRE ascendente de la ET en dBW, Gr es la ganancia de la antena del
satélite en dB en la dirección del enlace ascendente de la ET y Lp representa las pérdidas
en la trayectoria. Lascd representan otras pérdidas diferentes a las de trayectorias, pérdidas
misceláneas.
El valor de C/N)ascd a la entrada del LNA del receptor satelital es:
C/N = 10 log10 [ Pr/ (kTs Bn)] = Prtp – Ntp dB (4-72)
La potencia de transmisión a la salida de la ET se calcula de la relación G/T de
una ET usando el valor dado de C/N en la ec. 38 y la potencia de ruido Ntp calculada de le
ec. 36. Note que la potencia recibida a la entrada del transpondedor también se calcula por:
Prtp = N + C/N dBW (4-73)
La potencia a la salida de la ET también se puede calcular de la potencia de salida
del transpondedor y de la ganancia de éste cuando estos parámetros se conocen se use un
transpondedor repetidor (tipo bent-pipe).
Prtp = Psat –BOo – Gtp dBW (4-74)
Psat es la potencia de salida en saturación del transpondedor en dBW, BOo es el
backoff de salida en dB y Gtp es la ganancia del transpondedor.
Veamos el efecto de la lluvia. La atenuación por lluvia en el enlace ascendente
hacia el satélite reduce la potencia a la entrada del receptor satélite y por tanto reduce el
C/N)asc en proporción directa a la atenuación de la trayectoria de lluvia. Si el transpondedor
opera en modo lineal, la potencia de salida se reduciría por la misma cantidad, la cual hace
que C/N)desc caiga una cantidad igual a la atenuación en el enlace ascendente. Cuando se
reducen C/N)asc y C/N) desc por una cantidad (A)asc dB, el valor de (C/N)T se reduce por la
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 142
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
misma cantidad, (A)asc dB. Por tanto para un transpondedor lineal la atenuación por lluvia
en un enlace ascendente
(C/N)T asc lluvia = (C/N)T c despejado - (A)asc dB (4-75)
Aquí estamos suponiendo que en el enlace ascendente no esta lloviendo. Este
resultado lo tomaremos en cuenta mas adelante al calcular la relación (C/N) total de los
enlaces ascendentes y descendentes.
El (C/N)total = 1/[1/(C/N)desc lluvia + 1/(C/N)asc] dB (4-76)
Ejemplo 6: El satélite Merce 1 distante 38500 km de la tierra opera a 14 GHz y
tiene una antena de 26 dB de ganancia, cubriendo su haz una parte del continente. Un
transpondedor tiene una ganancia lineal de 127 dB y una potencia nominal de salida en
saturación de 5 W. Se desea calcular la potencia de salida de un transmisor de un enlace
ascendente que da una potencia de salida de 1 W desde un transpondedor del satélite
operando ala frecuencia de 14.45 GHz cuando la antena de la estación terrena tiene una
ganancia de 50 dB y existen pérdidas de 1.5 dB en l guia de onda que va del Tx a la antena.
Suponga que la atmósfera en condición de cielo despejado introduce una pérdida de 0.5 dB
y que la ET está ubicada en el contorno de -2 dB de la antena de recepción del satélite.
Si la lluvia en la trayectoria causa una atenuación de 7 dB para el 0.01% del año,
qué potencia de salida se requiere para el transmisor para garantizar que -1 W de salida
se pueda obtener del transpondedor del satélite para 99.99% del año si se usa control de
potencia en el enlace ascendente.
Solución:
La potencia de salida del transp es de 1 W que equivalen a 0 dBW.
Calculemos primero la potencia de entrada requerida por el transpondedor:
Psal = Pen. Gtransp, de donde Pent = Psal – Gtransp = 0 dBW – 127 dB =- 127 dBW
Luego calculemos la potencia recibida: Pr = PIRE + Gr – Lp - Latm – Lta – Lra dBW
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 143
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
Donde Latm es la atenuación debida a la atmósfera (207.2 dB); Lta son las pérdidas
asociada a la antena Tx (o sea la perdida en la guía 1.5 dB); Lra las pérdidas de la antena
receptora.
Reordenando: Pt = Pr – Gt – G r + Lp +Lta + Latm + - Lpt dBW.
Aquí Lpt es perdidas en el apuntamiento de la antena. Pr es la potencia de entrada
calculada primero (-127 dBW).
Pt = -127 -50 - 26 + 207.2 1.5 + 0.5 + 2 dBW = 7.2 dBW (5.2 W)
Como la lluvia causa una atenuación de 7 dB vamos a operar al Tx con 7 dB más
de potencia de salida para compensar este desvanecimiento debido a la lluvia, la potencia
del Tx será: Pt lluvia = 7.2 + 7 = 14.2 dBW (26.3 W)
RELACION PORTADORA A RUIDO TOTAL DEL ENLACE
La combinación del enlace ascendente con el descendente determina la relación
señal a ruido en la antena de la estación terrena receptora. Para obtener el valor requerido es
necesario tomar en cuenta la alinealidad (potencia de salida a potencia de entrada de las
señales) de los amplificadores de potencia. Además, al introducirle a un amplificador más
de una señal simultánea se genera un espectro de ondas espurias (que interfieren las señales
útiles al actuar como ruido adicional que degrada los enlaces) por el efecto llamado
intermodulación, el cual aumenta en proporción al operar en la parte menos lineal que
corresponde a las proximidades del punto de saturación del amplificador. En la práctica no
siempre los HPA se operan en saturación.
La potencia de la intermodulación aumenta como el cubo de la señal de potencia; en
decibeles, cada 10 dB de aumento en la señal de potencia causa un aumento de 30 dB en
la potencia de los productos de intermodulación.
Para limitar el ruido de intermodulación cuando varias portadoras se amplifican
simultáneamente (cuando se opera el transpondedor en el modo FDMA) a un valor
compatible con los requisitos del balance del enlace total es aconsejable operar al
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 144
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
amplificador debajo de la región de saturación. Es decir habría una reducción de potencia
con respecto al punto de saturación o retención de potencia (backoff) que deberán aplicarse
a cada portadora para que disminuyan en proporción las ondas espúrias. A cada valor de
retención de potencia de entrada Boi corresponderá un valor de retención de potencia de
salida BOo.
satura
especi
consec
entre s
El bac
n por
operac
de la p
CONAT
FIG. 4-11. Principio de la retención de potencia
(Ref:http://www.seecs.edu.pk/~madeeha/Satellite%20Comm-LecX.pdf)
La potencia máxima de un transpondedor se conoce como potencia de salida
da y es la potencia de salida nominal que normalmente aparece en las
ficaciones. Cuando se opera a este nivel la característica es muy alineal. En
uencia, las formas de onda digitales cambian, resultando la conocida interferencia
ímbolos (ISI).
koff de salida, definido como la relación de potencia de salida entregada a una de las
tadoras (Pon) a la potencia de saturación, determina la posición del punto de
ión. El backoff de salida se usa para hacer la característica de transferencia más cerca
arte lineal.
EL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 145
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
La potencia entregada a la salida del amplificador para la portadora en
consideración es:
Pon = PHPA x BOo (4-77)
La cantidad exacta de BO requerida en una aplicación determinada depende de de la
característica específica del transpondedor y de la señal que transporta. Los valores típicos
son de 1 dB para portadoras FM o PSK a 3 dB para FDMA.
Los valores típicos para BO a la entrada podrían ser de 3 dB y 5 dB.
Para limitar los efectos de la alinealidad de los amplificadores es común usar
linealizadores, los cuales combinado con el preamplificador, o colocado antes, producen
distorsión de fase o de amplitud de la señal para así poder compensar las características
específicas de los amplificadores de potencia.
Los efectos de intermodulación hay que considerarlos, a parte del satélite, en las
estaciones terrenas que operan con portadoras múltiples simultáneas como en el caso de un
telepuerto.
La relación C/N total del enlace depende de las correspondientes al enlace
ascendente, en lace descendente, a la introducida por la intermodulación C/N)int y a la
interferencia de otros sistemas C/I.
La relación (C/I) es probable de satélites adyacentes en los sistemas VSATs y receptores
DBS-TV.
El valor combinado se obtiene de la ecuación:
1/(C/N)T = 1/(C/N)asc + 1/(C/N)desc + 1/(C/N)int + 1/(C/I) (4-78)
Este cálculo se hace no en dB, se emplean los valores de las relaciones directas ,
lineales individuales (valores absolutos). El valor resultante, en número se convierte en dB,
será menor que cualquiera de las relaciones individuales incluidas.
Existen algunas reglas para estimar la relación (/N)T: 1.- si los valores de C/N son
iguales, el (C/N)T es 3 dB mas bajo que cualquier ; 2.- s un C/N es 10B mas pequeño que
otro valor, el C/N)T es 0.4 dB mas bajo que el mas pequeño de los valores de C/N; 3.- si un
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 146
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
C/N es 20 dB o mas mayor que el otro valor de C/N, la relación C/N) T es igual al mas
pequeño de los valores de los dos C/N dentro de una exactitud de +/- 0.1 dB.
Para obtener una relación C/N total óptima debe tomarse en cuenta que al aumentar
la retención de potencia la intermodulación se reduce rápidamente, aumentando en la
misma proporción (C/N)int, en tanto que se deterioran (C/N)asc y (C/N)desc debido a la
menor potencia disponible. En la FIG 4-12 se muestran las variaciones de las C/N y la
(C/N)T de un enlece descendente en función de la retención de potencia de entrada de un
transpondedor, para el backoff de salida. El punto óptimo corresponde a un determinado
backoff de entrada en el transpondedor del satélite.
Ejemplo 7: El receptor de una estación terrena tiene una relación C/N)desc de 15 dB
y se recibe una señal del satélite Merce 1 con una relación C/N)asc de 15 dB. Estime el
valor de la C/N)T en la estación terrena.
Si el transpondedor introduce interferencia y ésta tiene una relación C/I de 28 dB ¿
cómo se modificaría la relación C/N)T en la estación receptora receptora ?
Solución:
Los 15 dB corresponden a una relación de 31.62; 28 dB a 631.
dB
NC
NC
NC
descasc
T12.....81.15
0316.00316.01
111
=⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
+=
⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
Al sumar el valor (1/1000) al denominador de esta última ecuación nos da un valor
de 15.56 que corresponden a 11.88 dB.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 147
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
FIG. 4-12. Variación de las diferentes C/N (Ref. 9 )
PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE ENLACES SATELITALES:
(Ref. 10).
1.- Determinar la banda de frecuencia en la cual va a operar el sistema. Se pueden necesitar
diseños comparativos para ayudar a tomar la decisión,
2.- Determinar los parámetros de comunicaciones del satélite. Estime cualquier valor que
no sea conocido,
3.- Determinar los parámetros de transmisión y recepción de las estaciones terrenas,
4.- Comience con la estación terrena. Establezca un balance del enlace y un balance de
potencia de ruido del transpondedor para calcular (C/N) hacia arriba en el transponder,
5.- Calcule la potencia de salida del transpondedor basado en la ganancia del transponder o
backoff de salida,
6.- Establezca un balance de potencia y ruido (descendente) para la estación receptora
terrena. Calcule (C/N)d y (C/N)o para una estación en el extremo de la cobertura (peor
caso),
7.- Calcule S/N o BER en el canal banda base. Calcule los márgenes del enlace.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 148
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
8.- Evalúe los resultados y compare con los requerimientos de las especificaciones. Cambie
los parámetros del sistema si se requiere hasta obtener unos valores aceptables de: (C/N)o
… S/N … BER
9.- Determine las condiciones de propagación bajo las cuales debe operar el enlace. Calcule
los tiempos fuera de servicio o de corte para los enlaces ascendente y descendente.
10.-Rediseñe el sistema cambiando algunos parámetros si los márgenes del enlace son
inadecuados. Verifique que todos los parámetros sean razonables y que el diseño se pueda
implementar dentro del balance esperado.
A continuación veamos algunos ejemplos de cálculos de potencia de enlaces
ascendentes y descendentes.
Ejemplo 8: En la tabla se muestran los datos para calcular el C/No del enlace ascendente o
de subida entre dos localidades, con cielo despejado.
Datos:
Estación terrena Tx Satélite
Potencia salida del amplificador 100 w Factor de ruido del receptor 3 dB
Pérdidas entre el amplificador y
la antena
0,5 dB Pérdidas entre la antena y el
receptor
1 dB
Ganancia máxima de la antena 53 dBi Θ-3 dB de la antena 2,1o
Longitud (estación terrena)
Latitud
86º 40’ O
21º 15’ N
Desapuntamiento de la antena
hacia la estación terrena
0,1º
Frecuencia de transmisión Ku 14 GHz Longitud satélite 116,80 O
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 149
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
Solución:
Calculo de ángulo de elevación estación terrena:
De las ecs. 4-1 y 4-7 obtenemos la elevación. Elevación = 47.88º
De la ecuación 4-8 obtenemos α = 57 y de 4-9 obtenemos el acimut = 122º.
Calculo del rango o distancia (Estación-satélite) de la ec. (4-2 a) = 37217 Km.
Las pérdidas por propagación en el espacio libre son:
Lb = (4πd/λ)2 = (4π37217000*14*109/3*108)2 =(2.18246*1010)2
Lb = 206.8 dB
Las pérdidas por absorción atmosférica:
Primero leemos en la fig. 4-6, las pérdidas en el Cenit son de 0.08 dB, luego calculamos de
la ec. 4-26.
[ ] dBecL dBaa 1,088,47cos08,0.. ==
La PIRE es:
- )()()( dBiGdBWPdBWPIRE T += = 20 dB-w + 53 dBi = 73 dB-w
descontando las pérdidas por conexión (entre el amplificador y la antena) que
son de 0,5 dB la PIRE será de 72,5 dBW.
Se supone que la antena apunta directamente al satélite, luego no se consideran
perdidas por desapuntamiento que también se hubieran restado a la PIRE.
Las pérdidas totales en el enlace ascendente son:
L = Lb + La.a = 206.8 +0,1 = 206.9 dB
La figura de mérito o factor de calidad del satélite se define y calcula como:
( )receptorextremoenconectoresporyientodesapuntampor
S
MaxR
KdBsat
LT
GTG
.............../
−⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
.Gmax = 38 dBi
Como la antena no apunta al satélite las pérdidas por
desapuntamiento son: dBLRdB
RR 03.0
1,21,01212
2
3
=⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
−θα
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 150
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
La tempera de ruido a la entrada del equipo receptor (LNA) es, con
TA= 290º K, L=1 dB y F = 3 dB
)1(1111 00 −+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −+=+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ −+= FT
LT
LT
TL
TL
TT oi
Aampl
As
)110(29010
1129010290 3,0
1,01,0 −+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −+=sT
KT os 636,578626,28865,5936,230 =++=
Sustituyendo valores, nos queda que la relación G/T es:
KdBKdBTG
KdBsat
/345,96241,27103,038/
=−−−−=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
La relación C/No del enlace ascendente o de subida es:
6,2280
+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+−=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
satnpropagacio
subidaTGLPIRE
NC
dBHzNC
subida
54.1036,22834.99.2065.720
=++−=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
No es necesario conocer las características de la antena, conectores, el LNA y
transpondedores del satélite si se conocen los contornos G/T del mismo. Se puede hacer
una interpolación entre los contornos más cercanos a la ubicación de la estación terrena y
el valor de G/T)sat leído se sustituye directamente en los cálculos mostrados en este
ejercicio.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 151
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
ENLACE ASCENDENTE O DE SUBIDA CON LLUVIA
Ejemplo 9: Con los mismos datos que el ejercicio anterior, volver a calcular C/No.
Asumir atenuación por lluvia de 9 dB.
Solución:
Las perdidas totales por atenuación son:
dBLLLL lluviaaab ..9,21599,206. =+=++=
La temperatura de ruido en el enlace ascendente no es afectada por la lluvia ya que
el receptor del satélite siempre observa una tierra caliente. Luego, la temperatura de ruido
sigue siendo de 580 oK y KdBTG
sat
/34,9=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
6,2280
+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+−=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
sattotales
subidaTGLPIRE
NC
dBHzNC
subida
54.946,22834.99.2155.720
=++−=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ,o, también
lluvianpropagaciotocieloabiersubidalluviasubida
LNC
NC
−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
)(0)(0
dBHzNC
subida
54,945954.1030
=−=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
Esto quiere decir que si la disponibilidad deseada exige que la atenuación por
Lluvia no pase de 9 dB, se debe garantizar que la relación portadora – Ruido deberá ser
mayor a 94,54 dBHz.
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TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
ENLACE DESCENDENTE O DE BAJADA
Ejemplo 10: Calcular la relación C/No en un enlace descendente con cielo despejado para
los siguientes datos.
Satélite Estación terrena receptora
Potencia salida del
amplificador
40 w Temperatura de ruido del LNA 120º K
Pérdidas entre el amplificador
y la antena
1 dB Pérdidas entre la antena y el LNA 0,5 dB
Ganancia máxima de la antena 36 dBi Ganancia máxima de la antena 50 dBi
Longitud satélite 104º O Longitud ET 2 74º O
Desapuntamiento de la antena
hacia la estación terrena
1.5º O Temperatura de ruido de la Antena 26º K, Θ=40º
27º K, Θ=30º
Θ-3 dB de la antena 3o Margen de error en el apuntamiento
de la antena hacia el satélite
0,1º
Frecuencia de transmisión Ku 12 GHz Latitud ET 2 40º 45 N
Solución:
Calculo de ángulo de elevación estación terrena: 33.78 º
Cálculo del acimut: 138.5º
Cálculo de la distancia satélite a ET: 38263 km
Las perdidas por propagación en el espacio libre son:
Lb = (4πd/λ)2 = (4π38240000*12*109/3*108)2 =(3.69466850014*1020)
Lb = 205.676 dB
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 153
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
Las pérdidas por absorción atmosférica: primero se lee en la fig. 4-6, para 12 GHz
= 0.07 dB., luego aplicamos:
[ ] dBecL dBaa 1259,0776,33cos07,0.. ==
La PIRE es:
)()()( dBiGdBWPdBWPIRE T += = 10log40 dB-w + 36 dBi = 52 dBw
La PIRE debe considerar las pérdidas por desapuntamiento que son de
dBenLTdB
TT ......12
2
3⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
−θα
, dBLT
T ...335,112
2
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛= con las pérdidas entre el amplificador y
la antena de 1 dB y el desapuntamiento en el receptor de 0,1 que origina
dBLT
T .....01333,031,012
2
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
la PIRE real será: 52-1-3-0,0133 = 47,987 dBW
Las pérdidas totales en el enlace ascendente son:
L = Lb + La.a = 205.676 +0,1259 = 205.8019 dB
La figura de mérito o factor de calidad del satélite se define y calcula como:
( )receptorextremoenconectoresporyientodesapuntampor
kdBS
MaxR
KdBrrenaestaciónte
LT
GTG
...............//
−⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
[ ] 5,050/
−−=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
dBksKdBrrenaestaciónte
TTG
Las pérdidas por desapuntamiento ya se tuvieron en cuenta pero son muy pequeñas.
Calculemos TS, a la entrada del LNA de la estación terrena
amplA
s TL
TL
TT +⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −+=
110
Algunos datos son: TA= 26,5º K, LA=0,5 dB =1.1220184543,
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 154
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
KT os 155,175120
1220184543.111290
1220184543.15.26
=+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −+=
dBKTs ..434.22155.175log10 ==
Calculamos la relación G/T de la ET:
KdBTG
KdBasestterren
/066,275.0434,2250/
=−−=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
Luego la relación C/N)desc será:
6,228.0
+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+−=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
terrenaesttotal
bajadaTGLPIRE
NC
dBHzNC
bajada
..8511,976,228066.278019.205987,470
=++−=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
Ejemplo 11: Pasos para estimar la atenuación por lluvia al diseñar una red de
comunicaciones satelitales usando el método de CCIR Reporte 564-4 se procede así:
El dato importante para este diseño es conocer la atenuación por lluvia que es
excedida en un año para una disponibilidad de 99.99%, las frecuencias de los enlaces,
bandas C, Ku o Ka, la polarización, las coordenadas geográficas y la altura sobre el nivel
del mar de las ciudades de interés.
1.- se calcula el ángulo de elevación de las ET utilizando las ecs. 4-1 y 4-7.
2.- obtenemos la altura real de la lluvia sobre el nivel del mar, usamos la ec. 4-14
3.- calculamos la longitud física del trayecto oblicuo o absorbente, ec. 4-16.
4.- evaluamos el factor r0.01 ec. 4-18 previamente leemos el valor de la intensidad R 0.01 de
la fig. 4-5 y tabla A4-1.
5.- calculamos la atenuación específica ec. 4-19. Los valores de a y b los leemos o
interpolamos de la tabla A4-2 o usamos las ecs. 4-22 y 4-23, para las frecuencias que se
estén usando.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 155
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
6.- calculamos la atenuación L ec. 4-24 , el segundo término de esta ec. nos da la longitud
efectiva del trayecto oblicuo.
7.- finalmente de la ec.4-25 obtenemos los decibeles de la atenuación por lluvia.
Ejemplo 12: Diseñar un enlace de comunicación satelital usando un satélite a
73ºW, banda Ku para distribuir señales de TV digital desde una ET a muchos receptores los
cuales deben tener una relación C/N = 9.5 dB para tener una buena señal de video. Se debe
estimar la potencia del enlace ascendente, la ganancia de las antenas receptoras así como la
eficiencia.
Datos:
Del satélite: Satélite GEO 73ºW; Pot total RF de salida 2.24 kW; Gant. Sat 31 dB
en Tx/Rx); Ts del Rx = 500K; Pot salida saturada del Transp. 80 W; ancho banda B del
Transp. = 54 MHz; señal comprimida video digital con velocidad de transmisión de
símbolos (symbol rate) de 43.2 Msps; (C/N)T mínimo permitido = 9.5 dB.
Datos de ET transmisora: Diámetro antena = 5m; efic. 68%; frec. Ascendente =
14.15 GHz;(C/N) requerido en el transpondedor Ku 30 dB; BOo del HPA del
transpondedor 1 dB; pérdidas menores en enlace asc = 0.3 dB.
Datos ET receptora: frec. E nlace descendente 11.45 GHz; ancho banda de ruido
amplif FI = 43.2 MHz; temp. ruido antena 30K; Temp.. ruido LNA = 110 K; (C/N)T
requerido en cielo despejado = 17 dB; pérdidas menores enlace desc = 0.2 dB; ubicación de
las ET = contorno de -3 dB de la antena transmisora del satélite.
1.- Diseño del enlace ascendente.
a) calculemos la potencia del Tx enlece ascendente necesario para tener C/N)asc = 30 dB
en condiciones de cielo despejado.
Calculemos primero la potencia de ruido del transpondedor para un ancho de banda de 43.2
MHz( TV digital) y luego agregamos 30 dB para calcular el nivel de potencia de entrada
del transpondedor.
Balance del enlace ruido ascendente:
Constante Boltzman……… -228.6 dBW/K/Hz
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TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
Tsistema= 500 K ………… 27 dBK……………(10 log(500)
B= 43.2 MHz…………………76.4 dBHz..................(10 log(43.2x106 Hz)
____________________________________________________
N potencia ruido transp...........-125.2 dBW................. (N = KTB cálculos en dB, se suman)
El nivel de potencia recibida a la entrada del transpondedor debe ser 30 dB mucho mayor
que la potencia del ruido: -125.2 + 30 dB = -95.2 dBW.
El diámetro de la antena del enlace ascendente tiene 5m y ef. De 68%, como la frecuencia
de Tx es de 14.15 GHz, calculamos la λ = o.0212 m.
La ganancia es: ( ) dBDxG 7.55/68.0log102=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡= λπ
Las pérdidas en el espacio libre: ( ) dBRL 2.207/4log102=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡= λπ
Calculamos el balance de potencia del enlace ascendente:
Pt …………………………Pt (dBW)
Gt………………………….55.7 dB
Gr…………………………..31.0 dB
L esp. libre…………. ………-207.2 dB
Lantena contorno 2dB……… -2.0 dB
Lotras………………………..-1.0 dB
Precibida en transp ……………..Pt – 123.5 dB
La potencia necesaria a la entrada del transpondedor para que se cumpla el objetivo del
C/N)asc = 30 dB es -95.2 dBW, por lo tanto:
Pt – 123.5 dB = -95.2 dBW de donde Pt = 28.3 dBW equivalentes a 675 Watts.
Dado que es una potencia muy elevada sería mejor aumentar el diámetro de la antena Tx
para aumentar su ganancia, que se traduciría en menos potencia de l Tx.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 157
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
2.- Diseño del enlace descendente:
Lo primero es calcular la relación C/N)desc del enlace que debe dar una relación C/N)T =
17dB cuando el C/N)asc = 30 dB.
De la ec. 4-78, utilizando solo los dos primeros términos del lado derecho.
(30 dB = 1000 veces; 17 dB 0 50 veces)
1/(C/N)d = 1/(C/N)T - 1/(C/N)a = 1/50 – 1/1000 = 0.019 de donde (C/N)d = 52.6 = 17.2 dB
Ahora debemos calcular la potencia de entrada al receptor necesaria para que dé c/N)d =
17.2 dB y posteriormente calcular la G antena.
Balance de la potencia de ruido del enlace descendente:
k.. Cte. Boltzman …………………..-228.6 dBW/K/Hz
Tsistema = 30 + 110 K = 140 K........ 21.5 dBK
B = 43.2 MHz..................................... 76.4 dBHz
N pot. Ruido transp......................... .-130.7 dB
De donde podemos decir que el nivel de potencia a la entrada del Rx de la ET debe ser
mayor que los 17.2 dB de potencia de ruido en cielo despejado.
La Pr a la entrada del Rx de la ET = -130.7 dBW + 17.2 dB = 113.5 dBW
Ahora se requiere calcular las pérdidasas en el espacio libre a 11.45 GHz. Si a 15.15 GHz
las pérdidas son de 207.2 dB, a 11.45 GHz éstas son:
L = 207.2 – 20 log10 (14.15/11.45)) = 205.4 dB.
Si el transpondedor lo operamos con un BOo = 1 dB , la potencia de salida estará 1 dB mas
bajo de 80 W (80W son 19.0 dBW); de donde: Pt = 19 dBW – 1 dB = 18 dBW
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 158
TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES
Balance de potencia del enlace descendente:
Pt pot. salida transp satélite…………………………….18 dBW
Gt antena satélite………………………………………..31.0 dB
Gr antena ET…………………………………………….Gr dB
L perdida el……………………………………………..-205.4 dB
La (-3 dB contorno de la ant. del satélite)……………… -3 dB
L otros…………………………………………………. – 0.8 dB
Pr pot. Recibida en transpondedor…………………….Gr – 160.2 dB
La potencia requerida en el receptor de de la ET para cumplir con el objetivo (C/N) d = 17.
2 dB es Pr = -120.1 dBW. Por lo tanto la antena del Rx debe tener una ganancia G:
Gr -160.2 dB= -113.5 dBW de donde: Gr = 46.7 dB que equivale a una relación de
46774.
El diámetro de la antena de la ET se calcula de la fórmula ( ) 46774/65.02== λπDxG
A la frecuencia de 11.45 GHz λ = 0.0262 m.
De la ec. de arriba despejamos a D, el diámetro de la antena receptora, nos da: D = 2.14 m.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 159
ANEXO TEMA IV: CÁLCULO DEL BALANCE DEL ENLACE
ANEXO
TEMA IV
Cálculo del Balance del enlace usando una herramienta computacional
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 160
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
ÍNDICE TEMÁTICO TEMA V
APLICACIONES SATELITALES
Sección
TELEVISIÓN VÍA SATÉLITE
RADIO DIGITAL
SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL
EL SATÉLITE VENESAT-1
REDES VSAT
Una vez concluido este Tema, Ud. dispondrá de las competencias necesarias para:
- Describir un sistema de televisión vía satélite
- Identificar y explicar las principales funciones de los componentes de un transmisor
y un receptor para transmisiones de TV vía satélite
- Describir las características de un sistemas de radio digital
- Explicar cuantitativamente el funcionamiento de un sistema GPS
- Describir las características del satélite VENSAT 1
- Describir una red VSAT
- Realizar cálculos operativos de redes VSAT.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 161
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
TEMA V APLICACIONES SATELITALES
TELEVISIÓN VIA SATELITE
Los satélites de difusión directa de TV ( DBS-TV), un enlace de comunicación que
transmite directamente desde el transmisor al usuario, comenzó con mucho éxito en
Europa y en USA en los años 1980 usando transmisiones analógicas en FM en banda Ku.
La transmisión de video digital se popularizó más en los años 90 debido a los bajos costos
de antenas y receptores en la banda Ku, control de error, encriptación, circuitos integrados
de alta velocidad, entro otros. El procesamiento de la señal digital se incorpora en un
circuito integrado que implementa video digital estándar usado por todos los sistemas DBS-
TV, DVB-S.
Codifi-cador
datosvideoaudio
Mux CA
Satélite
IRD
Televisión por cable
Contenidos Programador Sistema de acceso
condicional
Operadores de red Usuario
Fig. 5.1- Diagrama simplificado del sistema de televisión digital vía satélite
En la fig.5.1 se muestra un diagrama simplificado de un sistema para transmisión de
televisión digital vía satélite. Donde dice Operadores de Red, en nuestro caso es Satélite,
pudiera ser por cable, por microondas (MMDS), por red terrestre (ADSL-IPTV).
El servicio de DBS-TV se inició lentamente con un solo satélite llamado DBS-1,
seguido de otros dos DBS-2 y DBS-3 lanzados en el 94 y el 95. Se agregó otro en el 99 y
en el 2000 uno que tiene haces puntuales, ubicados en la posiciones 101º W y 109ºW.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 162
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
Todos los satélites de USA DBS-TV usan transmisiones de video digital y también
muchos de los europeos., como la Sociedad Europea de Satélites que tiene 8 satélites
Astra, los cuales son los más grandes en órbita GEO.
Otros ejemplos de satélites DBS TV: HotBird, DirecTV, AsiaSat, Amazonas.
La banda en que operan estos satélites es de 12.2 a 12.7 GHz usando potencias de
100 y 240 W con densidad de flujo sobre la superficie de la tierra de hasta -105 dBW/m2 y
-115 dBW/m2. Pueden tener mas de 32 transpondedores, dando una potencia de RF total
transmitida de 3.2 Kw. Al comienzo de la vida útil llegan atener una potencia de salida
hasta de 11 Kw, la masa en órbita es del orden de 2500 Kg a 3700 Kg., son estabilizados en
tres ejesSe usa polarización circular (Dish Network, Bell Exp Vu, Direc TV) y lineal (SKY
México, SKY Brasil). El número de transpondedores que tienen estos satélites varía entre
16 y hasta más de 32. Las velocidades de transmisión de data son del orden de 760 Mbps.
El satélite Amazonas (el mas grande Iberoamérica, lanzado en agosto del 2004), de 4,5
toneladas y estabilizado en tres ejes, tiene 63 transpondedores equivalentes, 36 operan en
banda Ku y 27 en banda C. Ver la cobertura del haz para América en la Fig.5.2.
Fig. 5.2-Cobertura del satélite Amazonas 1.
(Ref. http://www.dbstv.com/coverage/Hispasat1C
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 163
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
En las pequeñas estaciones terrenas se usan antenas de haz ancho 4º y diámetros de
0.45 m, con polarizadores controlados electrónicamente colocados detrás del alimentador
en la antena. El polarizador convierte la señal polarizada circularmente recibida en una
señal polarizada linealmente. Otros receptores más complejos usan transductores modo
ortogonal (OMT) con dos LNB para recibir las dos polarizaciones circulares (RHCP y
LHCP) al mismo tiempo.
Cuando algunos usuarios desean recibir señales de varios satélites se requiere una
antena con varios alimentadores como la mostrada en la figura 5.3.
Fig. 5.3- Antena con varios alimentadores
En la Fig 5.4. se muestra el diagrama de bloques típico de un receptor DBS-TV. La
banda de 12.2-12.7 GHz se convierte en el LNB a la banda de 900-1400 MHz, ancho de
banda de 500 MHz. Se usa QPSK la cual se demodula, siendo el resultado de esto un
caudal de bits multiplexados, a 40 Mbps típicamente. El satélite se usa para direccionar
receptores individuales, se programan los canales que se autoricen para recibir. Si algún
cliente falla en el pago por el servicio, se le indica al receptor que despliegue un mensaje
que ha sido desconectado.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 164
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
Fig. 5.4-Diagrama de bloque de un receptor DBS-TV (Ref .10)
Los diseños de estos sistemas de recepción usando antenas de 0.45 m y
transpondedores de 100 a 240 W dan márgenes de atenuación por lluvia de 3 a 8 dB y
tiempos de caída del enlace que totalizan 5 a 40 hr/año dependiendo de la ubicación del
receptor. Como los clientes no ven TV 24 hr /día, no se dan cuenta de las caídas del enlace.
Algunos autores señalan que los sistemas DVB-S se diseñaron para dar una calidad “casi
libre de error” (quasi error free, QEF), esto significa menos de un error en un evento sin
corregir por hora de transmisión, correspondiente a un BER entre 10-10 y 10-11 a la
entrada del demultiplexor MPEG-2 (después de todas las decodificaciones de correcciones
de error). Esta calidad es necesaria para asegurar que los decodificadores MPEG-2 puedan
reconstruir confiablemente la información de audio y video. (Ver fig. 5.4 y ubique a los
demultiplexores MPEG-2). Los estándares de DVB-S especifican que el rango de Eb/No
para el cual la calidad es libre de error (QEF) está entre 4.5 dB (para un FEC de ½ usando
código convolucional) a 6.4 dB (para FEC de 7/8 usando el mismo código).
Las antenas que tiene el satélite, usualmente sistemas reflectores duales
Gregorianos, tienen una estructura de alimentación compleja que produce los contornos
del haz que pueda mapear a una zona de la superficie de un país.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 165
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
En DBS-TV se usa modulación QPSK con C/N umbral de 8.6 dB, con corrección
de error adelante (FEC- Reed Solomon/Viterbi) que produce una ganancia de 6 dB en la
codificación y un BER máximo de 10-6. Las potencias de portadora recibidas típicas son
del orden de -117 dBW en cielo despejado.
En la Fig 5.5 se muestra un receptor (sintonizador, demodulador y control del
LNB) totalmente integrado en un solo chip con niveles de señal de entrada de -81 a -18
dBm y velocidad de símbolos de 1 a 45 Mbaudios, usado en DBS-TV.
Fig. 5.5- Receptor DBS-TV integrado en un chip-------
(Ref: https://www.silabs.com/products/audiovideo/satellitestb/Pages/default.aspx)
En la figura 5.6 se muestra el diagrama de una estación maestra de control del
enlace ascendente para un sistema DBS-TV. Obsérvese que las señales analógicas se
digitalizan, se codifican y entran al multiplexor, donde se une a otras entradas para salir
como ráfagas de bits para ser luego codificadas y moduladas en una portadora usando
QPSK con velocidad (SR) del orden de 20 Msps, ocupando un ancho de banda de hasta 27
MHz y en donde se envían hasta 16 canales de RF. La FI utilizada es de 70 MHz antes de
entrar al HPA. Las señales de los diferentes HPA se multiplexan y se envían a los
alimentadores de la antena y de allí al satélite.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 166
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
FIG. 5.6-Diagrama de bloque de una estación terrena transmisora DBS-TV (Ref. 10)
Instalación de antenas para DBS-TV.
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TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
RADIO DIGITAL
Los Servicios por Radio de Audio Digital Satelital ( Satellite Digital Audio Radio
Services – SADARS) funcionan de la siguiente manera: una estación de radio transmite
desde tierra al satélite ráfagas continuas de información que contienen básicamente la
programación (muchos canales de audio). La información es recibida por los satélites,
vuelta hacia la tierra donde automóviles provistos de una pequeña antena conectada a un
radio receptor satelital, serán capaces de decodificar la señal de radio.
Los satélites SDARS tienen transpondedores con alta potencia para compensar la
baja ganancia de la antena omnidireccional de los automóviles.
Como ejemplo de este tipo de satélites mencionemos a los satélites Rock y Roll,
propiedad de la empresa XM Satellite Radio Inc. la cual posee estos dos satélites GEO a
85ºW y a 115ºW, cada uno transmitiendo en una banda ancha separada de 3.7 MHz en los
rangos de frecuencia de 2332.5 y 2336.5 MHz y 2341-2345 MHz. Tienen dos
transpondedores de 16 tubos de ondas progresivas de 228 W, mas 6 de reserva, generando
cerca de 3000 W de RF. Se diseñaron para 15 años y fueron lanzados desde Sea Lunch (
cohete Zenith 3SL).
Otra empresa, Sirius Satellite Radio tiene tres satélites (Radiosat 1/3) igualmente
espaciados en una órbita elíptica polar centrada en una longitud de 100º W con su apogeo
sobre Norteamérica- Los satélites operan en la banda de 2320-2324 MHz y 2328.5-2332.5
MHz. La orbita elíptica da mayor ángulo de elevación que un GEO, esto es deseable en
ciudades para minimizar el bloqueo debido a edificios altos, aun cuando se requiere handoff
entre satélites. Dos de estos satélites están transmitiendo 16 horas en cada 24 h a usuarios
(un satélite siempre presente). Ver fig. 5.7.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 168
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 169
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
Fig. 5.7- Huella de los satélites Sirius
(Ref: http://satelliteradio.digitalinsurrection.com/siriusradio/sirius_radio.php
La modulación usada en radio digital es TDM-QPSK, enviando señales múltiples
como una ráfaga de data digital de alta velocidad, usan codificación concatenada para
control de error.
Otra empresa que transmite audio digital es Worldspace. Usan dos satélites GEOs:
AfriStar (lanzado en 1998) y AsiaStar (lanzado en el 2000) para difundir canales de audio
digitales a usuarios alrededor del mundo. Cada satélite tiene 3 haces y cada haz es capaz de
de enviar hasta 80 canales directamente a radios portátiles. Además de música, deportes y
entretenimiento proveen servicios de alertas,enterga de datos, estado del tiempo,
aprendizaje a distancia y difusión por la red (webcatings – distribuir información basada en
la web vía satélite a los usuarios). Ver fig. 5.8.
Fig. 5.8- Cobertura de los satélites AfriStar y AsiaSat
Ref: www.1worldspace.com/
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
Las tres compañías mencionadas tienen su sede en USA y ambas ofrecen entre 80 y
160 canales de audio digital.
SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS)
El sistema GPS es una red de posicionamiento por radio ubicada en el espacio que
da a los usuarios, con equipos apropiados, una alta exactitud en posición, velocidad y
tiempo.
Consiste de 24 satélites en órbita MEO a una altura de 20200 km con una
inclinación orbital de 55º, están agrupados en grupos de 4 llamados constelaciones y cada
una de éstas separadas 60º en longitud. Ver fig.5.9. El período orbital es casi la mitad de un
día sideral (11h 58 min) de tal manera que el mismo satélite (por ejemplo el No. 21)
aparece en la misma posición en el cielo dos veces cada día. En todo momento un receptor
GPS ubicado en cualquier parte del mundo puede recibir señal de hasta 4 satélites, gracias
a la órbita en que se encuentran.
Fig. 5.9- Constelación de satélites GPS.
(Ref. http://www.colorado.Edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html
Los satélites tienen una vida útil de 10 años, pesan 1877 kg, se tienen hasta 6
satélites en órbita actuando como repuesto, son propiedad de los Estados Unidos.
Estos satélites utilizan antenas helicoidales que dan una ganancia hacia la Tierra y con
transmisores de 10 W de 19 a 27 dBW (PIRE)
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 170
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
Aún cuando el principio por el cual el GPS ubica a un receptor es simple, con solo
medir con bastante exactitud el rango de tres satélites, la implementación de esta
medición con esa exactitud requerida es un proceso complejo. El rango se mide por
medio del retardo que transcurre la señal del satélite en viajar desde el satélite al receptor.
Para medir este retardo en el tiempo debemos conocer el instante preciso en el cual la señal
se transmitió y debemos tener un reloj en el receptor que está sincronizado al reloj del
satélite. Por esto, cada satélite GPS carga 4 relojes atómicos ( dos de rubidio y dos de cesio,
con exactitudes de 1 en 1011) que se calibran con estándares del tiempo en las estaciones
de control alrededor del mundo (Hawai, Colorado Springs, La Isla Ascensión en el
Atlántico, Diego García en el Indico, Kwajalein en el Pacífico; desde aquí se realizan las
mediciones cada 1.5 segundos). El resultado de esto es un tiempo GPS, un tiempo
estándar disponible en cada satélite GPS. Dado que es muy costoso incluir en cada GPS un
reloj atómico, en su lugar se usa un oscilador de cristal con exactitud de 1 en 106.
A los relojes de los receptores se les permite tener una desviación ( offset) relativa
al reloj del satélite GPS, de tal manera que cuando se hace una medición de retardo en el
tiempo, ésta tendrá un error causado por la desviación del reloj (clock offset) . esto es, si el
reloj del Rx tiene una desviación de 10 ms relativos al tiempo del GPS, entonces todas las
mediciones de distancia tendrán un error de 3000 km (d = v.t). En consecuencia, hay que
eliminar este error del reloj del receptor para poder hacer una medición exacta de posición.
El código C/A en el Rx puede sincronizar su reloj interno al tiempo del GPS dentro de
170 ns, correspondiente a una incertidumbre en la medición de distancia de 50 m y aun
menor.
Una de las fortalezas del sistema GPS es poder eliminar este error para ello se
requiere la medición del tiempo de otro satélite, para completar 4 satélites. Al error del
offset del reloj se designa con la letra τ , el cual es una incógnita más en un sistema de
ecuaciones que se resuelve para ubicar al Rx. Estas ecuaciones son:
a) La ecuación del pseudo rango. Se mide del retardo del tiempo de propagación Ti entre el
satélite ( el número i) y el receptor GPS, con c la velocidad de la luz.
TixcPRi =
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 171
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
b) La distancia R entre dos puntos A y B en un sistema de coordenadas rectangulares es:
( ) ( ) ( 2222
BABABA zzyyxxR −+−+−= )
c) Las 4 ecuaciones que relacionan el pseudo rango al tiempo de retardo, donde el error del
reloj del receptor (offset o bias) se denota con la letra .τ ( Intencionalmente no se
completaron las ecuaciones, para que las variables que falten las coloque el lector).
( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) (( ) ( ) ( )( ) +−
+−+−
−=−+−+−
−=−+−+−
24
23
23
22
22
22
22
21
21
21
21
x
x
yx
Zyx
UX
ZUyYUX
cPRUzZUYUX
cPRUZUYUX
τ
τ
)
El origen del sistema de coordenadas rectangulares del receptor y de los satélites es
el centro de la tierra y se le llama sistema de coordenadas tierra fija y centrada (ECEF), que
rota con la tierra, el cual es parte de la descripción de la tierra del Sistema Geodésico
Mundial (World Geodetic System 84; WGS-84).
WGS-84 es un sistema de coordenadas geográfico mundial, que data desde 1984, el
cual permite localizar cualquier punto de la tierra (sin necesitar otro de referencia) por
medio de tres unidades dadas. WGS-84 es una descripción acordada internacionalmente de
la forma y parámetros de la tierra, desarrollada de observaciones en varios países. Los Rx
GPS usan los parámetros del WGS-84 para calcular las órbitas de los satélites GPS con la
exactitud requerida para las mediciones precisas del rango de los satélites. El eje Z del
sistema de coordenadas está dirigido a Polo Norte de la tierra y los ejes X y Y están en el
plano ecuatorial. El eje X pasa por Greenwich y el eje Y pasa por el meridiano de 90º.
Las coordenadas del receptor son Ux, Uy, Uz y los 4 satélites tienen coordenadas
Xi (i = 1, 2, 3, 4). La distancia medida al satélite i se llama pseudo rango PRi porque usa el
reloj interno del receptor para hacer una medición de tiempo que incluye errores causados
por el Offset del reloj del Rx. Ver fig.5.10.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 172
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
PRi = Ti . c
Satélite 1 2 3 4
correlacionando
Fig.5.10-Medición de seudorangos PRi=Ti.c
Cada satélite envía una ráfaga de datos la cual aprovecha el Rx para calcular las
coordenadas del satélite relativas al centro de la tierra (Xi, Yi, Zi) y luego resuelve las 4
ecuaciones no lineales (por los términos al cuadrado) para las 4 incógnitas. Estas 4
incógnitas son la ubicación del receptor GPS (Ux, Uy, Uz) relativa al centro de la tierra y a
τ .
La posición del Rx en referencia a la superficie de la tierra, puede presentarse en
latitud, longitud y elevación.
En la fig. 5.11 se muestra el diagrama de bloques de la generación de señales en un
satélite GPS. Todos ellos transmiten una secuencia de códigos pseudoaleatorios (PN)
modulados (se usa espectro expandido secuencia directa para resistir interferencia y
jamming) por una portadora en banda L; el código C/A (coarse adquisition code) y el
código P (precisión). Las frecuencias corresponden a: L1 = 1575.42 MHz y L2 = 1227.6
MHz. Estas son las dos únicas frecuencias que transmiten los satélites GPS. Los
transmisores modulan en BPSK a la portadora. Los satélites se identifican por el uso de su
secuencia de código único transmitido. Cada satélite transmite un código propio el cual lo
reconoce el receptor GPS. El ancho de banda para los códigos P es de 20 MHz y de 2 MHz
para el código C/A. El regamiento de la potencia de la portadora es +/- 10.23 MHz (de la
frecuencia central). Los códigos P y C/A son predecibles relativos al inicio de la
secuencia del código; en consecuencia, el Rx usuario puede reproducir el mismo código
que envía el satélite (calculado por el procesador del receptor GPS del usuario).
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 173
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
Fig. 5.11- Generación de señales en un satélite GPS (Ref.5-1)
El código C/A (código Gold) generan 1023 millones de chips/s y los P 10.23
millones de chips/s. La portadora L1 es modulada por los códigos C/A y P, mientras que la
portadora L2 es modulada solo por los códigos P.
Mencionamos arriba que para medir el retardo, el Rx compara la secuencia de bits
recibidas de un satélite con la versión generada internamente. Si el retardo es de 1% del
ancho de un pulso C/A (un bit) esto es 0.01/1.023x106/segundo = 10 nanosegundos. Como
la señal se propaga a la velocidad de la luz, este tiempo representa una distancia de 3
metros. Mil ms (1000 ms) dan una ambigüedad de 300 km. La exactitud en la posición se
puede mejorar por un factor de 10 usando una señal P con una velocidad de chips más alta,
o sea:
[0.01 x 3x108 m/s]/10(1.023x106/s = 30 centímetros!
Veamos ahora lo que es el tiempo de adquisición. El receptor GPS debe encontrar
el tiempo de inicio del código C/A para cada uno de los cuatro satélites que requiere para su
funcionamiento; esto lo hace correlacionando la señal recibida con los códigos C/A
almacenados, igual que como se hace con los sistemas de espectro expandido secuencia
directa. Ver fig.5.10. Una vez obtenida la correlación, la ráfaga de datos (llamado mensaje
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 174
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
de navegación) de ese satélite el receptor comienza a leer. Como esta ráfaga de datos
contiene información (los ID) de de los satélites adyacentes, una vez que una señal ha sido
correlacionada, el Rx no necesita buscar los otros códigos para encontrar el satélite
siguiente, va directamente al código correcto (las identificaciones o ID se conocen de la
data transmitida en el mensaje de navegación de cada satélite). El Rx puede tomar 1
segundo para buscar todas las 1023 posiciones de un código C/A de 1023 bits, de tal
manera que en un caso típico, puede tomar 15 s para adquirir el primer satélite, los demás
satélites se adquieren en unos cuantos segundos más. En 20 segundos en promedio se
consigue el código C/A de un satélite, el receptor tiene que encontrar el corrimiento de la
frecuencia Doppler de al menos un satélite antes de que ocurra la correlación.
El receptor GPS necesita buscar el corrimiento Doppler debido a que la posición
del Rx relativa a los satélites no es conocida; sin embargo sus códigos C/A si lo son.
La velocidad de los satélites es de 3865 km/s, el ancho de banda teórico del código
C/A del Rx es de 1023 MHz. El ángulo entre el vector velocidad y un Rx sobre la tierra es
de 76.1º cuando el satélite está en el horizonte, de tal manera que la máxima componente de
la velocidad hacia el Rx es de vr = 928 m/s (v = vsat . cos ángulo), lo cual da un
corrimiento Doppler en la señal L1 de vr /λ = 4872 kHz, ignorando el efecto de la rotación
de la tierra.
Si el satélite está a 5º antes de que se use para una medición de posición el
corrimiento es de +/- 4 kHz. Cuando se enciende el Rx GPS éste tiene que enfrentarse a 8
corrimientos de frecuencia Doppler de +/- 4 kHz en etapas de 1 kHz cuando esté buscando
la señal de un satélite lo cual aumentaría el tiempo de adquisición en varios minutos.
En conclusión, existen 8 corrimientos Doppler para cada señal y 1023 posiciones
posibles para el código, esto da 1023 x 8 = 8184 estados posibles de la señal que se deben
buscar.
Hemos descrito aquí un proceso de correlación donde se supone que cada satélite se
adquiere secuencialmente, estos son los GPS económicos. Existen otros mas sofisticados
que tienen hasta 12 correlacionadores en paralelo para adquirir satélites en paralelo, lo
cual minimiza el tiempo de adquisición.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 175
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 176
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
Las fuentes de error: la ionosfera introduce un error cuyo efecto es de +/- 5m; el
reloj 2m; la troposfera 0.5m; errores numéricos 1m.
Con el fin de proporcionar una mayor precisión en la posición calculada se usa el
GPS diferencial (DGPS), este es un sistema que proporciona a los receptores de GPS
correcciones de los datos recibidos de los satélites GPS. Para que las correcciones DGPS
sean válidas, el receptor tiene que estar relativamente cerca de alguna estación DGPS;
generalmente, a menos de 1.000 km. La precisión lograda puede ser de unos dos metros en
latitud y longitud, y unos 3 m en altitud.
En el proceso de recepción de la señal, el Rx GPS puede recibir hasta 12 señales de
satélites GPS visibles, lo cual se expresa matemáticamente así:
( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ] iiidiii
N
iFI ltwwsentDitCAts φφ +−+= ∑
=1
Donde: Ai = amplitud de la señal recibida; Ci(t) = modulación código Gold; Di(t) =
mensaje de modulación; wi = FI de la portadora recibida; wd = corrimiento Doppler de la
señal recibida; ( )ii lφ = corrimiento de fase a lo largo de la trayectoria; Iφ = ángulo de fase
de la señal transmitida.
En la fig. 5.12 se muestra un el diagrama de bloque simplificado de receptor GPS.
Obsérvese que es un receptor superheterodino que se usa para genera una FI de ancho de
banda 2 MHz, la cual se muestrea utilizando las técnicas de muestreo I y Q para luego ser
procesadas digitalmente.
Fig. 5.12- Diagrama de bloques simplificado de un receptor GPS (Ref. 10).
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
Los niveles de señal disponibles en tierra de los satélites GPS es del orden de -160 dBW,
GLONASS es otro sistema de navegación desarrollado por Rusia, son 24 satélites en
tres planos orbitales con 8 satélites cada uno siguiendo una órbita circular inclinada 64.8º
con un radio de 25510 km. La altura de esta constelación es 19100 km, tardan 11h 15m
para completar una órbita ( el período es de 676 minutos). Los satélites pesan 1400 kg y
van a ser reemplazados por otros de 700 kg, esto permitiría lanzar 6 al mismo tiempo en un
impulsor Protón. La separación de los planos orbitales es de 120º.Además de emitir las
señales L1 (1602 MHz) y L2 (1246 MHz), envían una L3 para radionavegación
aeronáutica. La codificación no usa CDMA sino FDMA, la frecuencia del código C/A es de
0512 y el código P es de 5.11.
GALILEO, El sistema Galileo será otro sistema de navegación y posicionamiento
que surge como una iniciativa europea, estará formado por una constelación mundial de 36
satélites en órbita terrestre media distribuidos en tres planos inclinados con un ángulo de
56º hacia el ecuador, a 23616 km de altitud. Serían 10 satélites por plano y cada uno tardará
14 horas para completar la órbita de la Tierra. Operarán en la banda de 1164-1610 MHz,
con un peso de 680 kg y potencia de 1.5 kW, estabilizados en sus tres ejes..
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 177
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
EL SATELITE VENESAT-1 (SIMON BOLÍVAR)
El satélite VENESAT-1 es el primer satélite propiedad del Estado venezolano.
Fue lanzado desde China el día 29 de octubre de 2008 y es administrado por el
Ministerio del Poder Popular para la Ciencia y Tecnología a través de la Agencia
Bolivariana para Actividades Espaciales (ABAE) y Operado por CANTV. Es un satélite
geoestacionario posicionado en la orbita espacial 78° W, esta basado en la plataforma
satelital geoestacionaria DongFangHong 4 (DFH-4), diseñado para una vida útil de 15
años y opera en banda C, Ku y Ka en ambos sentidos transmisión y recepción. Ver
fig.5.13.
Fig. 5-13.- Plataforma DFH-4. (Ref:http://space.skyrocket.de/index_frame.htm?http://space.skyrocket.de/doc_sat/ch__dfh-4.htm
Sus dimensiones son de 3.6 m de altura, 2.6 m en su lado superior y 2.1 m, esto
complementado con dos paneles solares de 15,50 m cada uno. Pesa aproximadamente 6000
kg. Es un sistema mediano con una Carga Útil de 28 transponders.
Para la comunicación consta de 4 antenas (una para banda este Ku, otra banda oeste
Ku, una para banda C y otra para banda Ka), 12 transpondedores en banda Ku, 14
transpondedores en banda C y 2 transpondedores en banda Ka.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 178
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
El intervalo de frecuencia en banda C en transmisión es de 6.045-6.425 Ghz, en recepción
de 3.820-4.200 Ghz. Los canales son de 40 Mhz de separación entre la frecuencia central de
canales adyacentes, con ancho de banda de 36 MHz. Ver Tabla 5.1.
Tabla 5.1- Plan de frecuencias banda C:
En la banda Ku: Esta banda tiene dos haces, la huella del haz norte abarca a Venezuela y el Caribe y
el haz sur Bolivia, Uruguay y Paraguay. Ver fig. 5.14.
La banda Ku es en recepción de 14.08 – 14.5 GHz; en transmisión 11.7 – 11.95
GHz. Los canales son de 60 MHz de separación entre la frecuencia central de los canales
adyacentes, con ancho de banda de 54 MHz/canal.
Plan de frecuencia del haz norte banda Ku.
Plan de frecuencia del haz sur banda Ku.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 179
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
Fig.5.14--Cobertura del Vensat-1
La banda Ku es en recepción de 14.08 – 14.5 GHz; en transmisión 11.7 – 11.95
GHz. Los canales son de 60 MHz de separación entre la frecuencia central de los canales
adyacentes, con ancho de banda de 54 MHz/canal.
Plan de frecuencia del haz norte banda Ku.
Plan de frecuencia del haz sur banda Ku.
En la banda Ka:
En recepción es de 28.8 a 29.1 GHz y en transmisión es de 19.0 a 19.3 GHz. Los
canales son de 150 MHz de separación entre la frecuencia central de canales adyacentes,
con ancho de banda de 120 MHz/canal.
Para una estación terrena receptora ubicada en Barquisimeto (latitud norte 10º y longitud
oeste 69º) el acimut es de 222º y la elevación de 74º.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 180
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
Característica De La Estación Terrena. La estación terrena principal o Telepuerto Principal de Control de Operaciones y
Telepuerto Principal de Servicios ubicadado en El Sombrero, Estado Guárico y una
estación terrena o Telepuerto de Respaldo de Servicios ubicada en Luepa, Estado Bolívar.
Estas pueden conmutar actividades desde una a otra. Existe otro Telepuerto Secundario de
Servicios y Telepuerto Escuela que es el actual Teleouerto ubicado en Camatagua.
En la estación terrena de El Sombrero existen 9 antenas en total, algunas se usarán
para el telepuerto y para el Sistema de Control en Tierra (Ground Control System) del
segmento espacial, que incluye la estación de telemedida, telemando y seguimiento.Ver
fig.5.15.
Fig. 5.15-Estación Terrena de de Control (Telemando, Telemedida y Seguimiento, TTC)
La estación terrena de Control de Respaldo está equipada para actuar y recibir el
mando de la estación principal en caso de alguna contingencia, recibe en tiempo real
información referente a los datos de telemedida y telemando que fueron registrados por la
Estación Terrena de Control tiene dos antenas en banda C con diámetros de 5 y 13 metros.
Entre las funciones de la estación terrena de control están la de supervisar el
funcionamiento del Vensat 1 durante toda su vida útil, hacerle seguimiento en posición
angular y distancia, las de telemedida y telemando, supervisión de las funciones de
telecomunicación de las portadoras en los diversos transpondedores, activar o modificar las
configuraciones alternativas de operación respecto a la conectividad y cobertura.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 181
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
Antenas para banda C, en la estación terrena:
Las antenas para banda C son tipo Cassegrain; apertura de 13 m; polarización en
transmisión es LHCP/RHCP y en recepción RHCP/LHCP; la exactitud en posicionamiento
es 0.05º y en seguimiento 0.01º; su relación G/T > o igual a 31 dB/K a la frecuencia de
recepción 4 GHz y el PIRE es > o igual a 88.5 dBW a la frecuencia de transmisión 6 GHz;
TLNA es de 33ºK con potencia de salida de los HPA 3000 W y de los SSPA 100W.
Antenas para banda Ku, en la estación terrena:
Antenas para la banda Ku: tipo Cassegrain con apertura de 13 m, polarización de la
antena en transmisión LHCP/RHCP y en recepción RHCP y LHCP; exactitud en el
posicionamiento 0.05º y en seguimiento 0.030º; la relación G/T es mayor o igual a 39.0
dB/K (para 11.5 GHz y elevación mayor de 20º; el PIRE es mayor o igual a 86.0 dBW
para la frecuencia de 14 GHz.; TLNA es de 90K; HPA es de 750 W.
Antena para banda Ka, en la estación terrena:
Las antena para la banda Ka es tipo Cassegrain de 9 m y la exactitud en
posicionamiento es de 0.035º y en seguimiento 0.02º; TLNA es de 180 K y HPA es de 250
W. La relación G/T es de 37 dB/K.
PIRE y G/T para banda C:
El PIRE es de 33.3 dBW (con SSPA) y de 38 dBW (con TWTA) en el enlace
descendente; en el enlace ascendente G/T = -5dB/K (con SSPA); G/T = -5 dB/K (con
TWTA).
Beneficios para la nación
• Llevar la educación y la salud hasta las regiones más remotas, en donde no existen
redes terrestres.
• Cubrir las necesidades nacionales de movilización de tráfico de telecomunicaciones
digitales.
• Ofrecer los servicios de telefonía, fax e Internet.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 182
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
• Implementar programas de telemedicina (proyecto que permitirá dar un diagnóstico
a distancia) y tele-educación (sistema que permitirá el intercambio académico
satelital con universidades del mundo, dándole cabida a un nuevo concepto
educativo).
• Apalancar la universalización de los servicios de telecomunicaciones con sentido
social y el desarrollo de la nueva geopolítica nacional.
• Posicionamiento de vanguardia tecnológico de CANTV en la región por el uso de
banda Ka.
• Apoyo a las naciones de la región, privilegiando a los integrantes del ALBA
• Desarrollar el talento humano nacional en el área satelital.
Proyecto piloto de Teleducación y Telemedicina en el estado Delta Amacuro
Contribuirá con el desarrollo integral, inclusivo y participativo de los ciudadanos y
ciudadanas de las comunidades del Municipio Antonio Díaz del Estado Delta Amacuro,
mediante la aplicación de programas de educación y de salud, a través de las tecnologías
satelitales.
REDES VSAT
Los sistemas de terminal de muy pequeña apertura son de baja capacidad de
transmisión de data (uni o bidireccional), se utilizan en servicios de difusión de TV o de
sonidos digitales, donde usualmente el usuario está conectado directamente a la estación.
Están equipadas con antenas de 0.6 a 2 m de diámetro ya que operan en banda Ku con
potencias en los transmisores del orden de 1 a 2 W. La introducción de la banda Ka permite
unas dimensiones más pequeñas de las antenas (terminales de apertura ultra pequeña
USAT) para prestar servicios de mas alta capacidad de data, interactividad de multimedia,
conexiones a Internet tanto residenciales como empresariales, videoconferencias de dos
vías, aprendizaje a distancia y telemedicina.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 183
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
Las estaciones terrenas de los sistemas VSAT usualmente se organizan en redes
estrellas, en la cual las estaciones terrenas se conectan a una central (estación maestra) o
estación hub a través de un satélite GEO. Ver fig.5.16.
Hub
2
VSAT n
1
3
Fig. 5.16- Red VSAT en estrella de dos vías, representación simplificada.
La conexión la realizan con dos enlaces de RF, uno llamado enlace ascendente y
otro descendente por los cuales se transmite la información, modulando una portadora. El
enlace de la hub a la VSAT se llama enlace saliente (outbound ) y aquellas de las VSATs a
la hub enlaces entrantes (inbound). Ambos enlaces, los entrantes y los salientes, consisten
de dos enlaces el ascendente ( o de subida) hacia el satélite y el descendente ( o de bajada)
desde el satélite. Ver fig.5.17.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 184
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
F.Ferrer L. UNEXPO –VRB 2005
INBOUND 2
INBOUND 1(INROUTE)
GEO
VSAT n
Outbound 2
(OUTROUTE)
Outbound 1
SISTEMAS VSAT
HUB
Fig. 5.17.-Arquitectura de una red VSAT
Existen dos tipos de redes VSTAs en estrella, las que transmiten y reciben (soportan
tráfico interactivo) y las que solo transmiten (soportan servicio de difusión).
En las primeras, o modo de doble vía, existe comunicación desde el hub al usuario
y desde éste hacia el hub utilizando el mismo satélite. La arquitectura puede ser en malla o
en estrella.Ver fig. 5.18.
vs
vs
vs
vsa
Fig.5.18.- Representación simplificada de una red VSAT tipo malla.
Se transfieren paquetes de 50 a 250 bytes tanto en los enlaces entrantes o en ruta
(inbound o inroute) como en los enlaces salientes (outbound o outroute). Ejemplos:
transacciones bancarias, transferencias de fondos en puntos de ventas. Los sistemas de
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 185
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
supervisión SCADA (donde se requiere niveles de seguridad alta de la data transmitida)
son también un ejemplo, aquí se realiza una transacción por segundo o un minuto por
terminal; los paquetes entrantes son del orden de 100 bytes mientras que los salientes
(outbounds) son del orden de 10 bytes.
En las que solo transmiten se usa el satélite para difusión (difusión en banda
angosta o narrowcasting) conocido como servicio del satélite para difusión (BSS).
Utilizando un software propietario en las terminales de varios usuarios se puede accesar
parte del enlace descendente por diferentes suscriptores de acuerdo al programa ordenado
desde quien presta el servicio y pagado por el usuario. Pueden existir grupos pequeños de
recepción dentro de un área grande de difusión. Ejemplos de éstas son distribución de data
a sitios remotos, bajar datos a una computadora. Este tráfico no es sensible al retardo pero
se requiere una alta integridad en la data transferida.
Otro tipo es el llamado de dos vías o IP compartida: La implementación se usa
cuando no hay un canal de retorno normal, como por ejemplo, un servicio de satélite de
difusión en banda Ku que lleva tráfico de Internet. Aquí existe una ráfaga relativamente
alta en el enlace de bajada que no se complementa con capacidad de un enlace de subida
desde la terminal del usuario. El retorno se hace a través de un canal telefónico el cual casi
siempre es de baja capacidad. La ventaja de este método es que el costo de la terminal
VSAT es pequeño ya que no tiene capacidad de transmitir.
Las antenas que se usan son reflectoras con foco descentrado, Casegrain o
Gregorian que pueden ser para la hub de de 4 a 11 m de diámetro con mayor ganancia que
aquellas de una VSAT típica ( de 0.6 a 1.8 m).
Los estándares de INTELSAT para las antenas VSATs son:
a) Banda C: relaciones G/T van desde 22.7 (con diámetros de 3.5 a 5m) a 15.1 dB/K (
con diámetros de 1.8 m),
b) Banda Ku (11 GHz): Relaciones G/T van desde 25 dB/K ( diámetros de 2.4 a 3.5
m) hasta 19.8 dB/K ( diámetros de 1.2 m).
Las velocidades de transmisión de datos van desde unos cuantos bits hasta 256 kbps,
dependiendo de los requisitos de tráfico. Voz sobre IP es otro servicio a través de estas
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 186
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
redes, ya que algunas se ajustan para tráfico de voz acopladas a la velocidad de la voz
digitalizada.
El usuario el usuario accesa al satélite usando el modo acceso múltiple por demanda
(DAMA) cada vez que requiera enviar un mensaje obteniéndose luego la respuesta , como
por ejemplo en los puntos de venta.
La mayoría de las redes VSAT no generan suficiente tráfico para justificar un satélite
dedicado y muchos ni siquiera tienen tanto tráfico como para llenar el transponder de un
satélite, por esta razón muchas redes VSAT se diseñan utilizando un transponder alquilado
o una fracción de un transponder en caso que la red sea muy pequeña.
Los factores a tomar en cuenta a la hora de alquilar un transpondedor son, entre otros: el
Proveedor del segmento espacial (Panamsat, Intelsat, New Skies, Eutelsat, Satmex) , la
posición geográfica del satélite, la relación G/T, PIRE, el ancho de banda, banda de
frecuencia, conectividad de los haces, la ventaja geográfica, tiempo de arrendamiento
(horas, días, semanas, mese, años).
Las redes VSAT tienen controladores en sus terminales a cada lado del enlace y éstos
ocupan no solo la primera capa del modelo de siete capas de la Organización de Estándares
Internacional que especifica la interconexión de sistemas abiertos (ISO/OSI) sino que
ocupan también la capa de red y la capa de enlace. Es la capa de red la que controla, la
mayoría de las veces el sistema y es responsable de las capas restantes. El protocolo IP de
cinco capas coloca las tres primeras, mencionadas arriba, en una sola. Estas transmisiones
de data en su mayoría usan transmisión por paquetes, con direccionamiento, bits de paridad
para control de errores y alguna otra información útil antes de la transmisión. En el
extremo receptor del enlace se chequean los paquetes para detectar errores y se envía una
señal de confirmación (ACK) de que el paquete se recibió correctamente o una señal de no
confirmación (NAK) que le indica al transmisor que reenvíe un determinado paquete ya
que llegó con error. Algunos sistemas no envía sino el NAK para aumentar así la velocidad
en la transmisión. Este es el método de control de errores usado en el protocolo de Internet
TCP/IP. A este sistema se le conoce como repita la respuesta automáticamente ARQ.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 187
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
¿Arquitectura en malla o en estrella?
La respuesta depende de: el retardo en la transmisión, la estructura del flujo de
información dentro de la red y la capacidad y calidad requerida del enlace.
Ejemplo: Si lo que se requiere es difusión (broadcasting), una red en estrella prestaría
bien este servicio y además es de bajo costo (el retardo en la transmisión sería de 0.25 s y la
PIRE y la relación G/T serían pequeñas). Si se requiere es interactuar con usuarios, caso de
una compañía con estructura descentralizada se podría usar una red mallada usando
conexiones de un solo salto de VSAT a VSAT; otra manera sería una red estrella de dos
vías de dos saltos de VSAT a VSAT pasando por la hub (en este caso el retardo en la
transmisión de información sería de 0.5 s y la PIRE y la relación G/T deben ser altas).
TÉCNICAS DE ACCESO USADAS EN REDES VSAT
Dependiendo de las aplicaciones que se requieran y del ambiente en interferencias
potenciales se selecciona el método de acceso entre: FDMA, TDMA y CDMA para las
redes VSAT.
FDMA ofrece generalmente el mas bajo costo desde la perspectiva del usuario ya
que el ancho de banda del receptor y la potencia de transmisión requerida son bajas. Estos
sistemas cargan un tráfico reducido, típicamente el equivalente a un canal digital de voz 64
kbps. El ancho de banda ocupado de un canal de RF que lleva una señal digital con una
razón de símbolos de Rs y usando codificación para control de error con una razón de
código Rc se calcula así:
Boc = Rs (1 + α )/Rc Hz
Donde α es el factor de caída ( roll-off) del filtro coseno elevado usado en el enlace.
Por ejemplo, si en un enlace usando modulación QPSK un mensaje de información de 64
kbps se traduce en una razón de símbolos Rs de 32 kbps (ya que en QPSK son 2 bits de
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 188
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
información por cada símbolo transmitido) .Si el mensaje se codifica con FEC de ½, Rc =
½; usando α de 0.5 entonces el Boc es de:
Boc = 32 kbps (1+0.5)/1/2 = 96 KHz.
O sea que una VSAT que requiera transmitir una ráfaga de 64 kbps de data usando
QPSK, con FEC de ½ y α de 0.5 necesita un B de RF de 96 KHz teniendo un receptor con
ruido de ancho de banda de 64 kHz. Nótese que aún cuando el filtro incrementa el espectro
no aumenta el ancho de banda de ruido.
En los sistemas FDMA hay que agregar bandas de guardia para que las señales
adyacentes no se solapen en frecuencia en el satélite y para permitirle a los filtros en el
receptor que extraigan los canales individuales. Dado que la frecuencia del oscilador
fundamental puede tener un corrimiento en frecuencia es necesario diseñar las bandas de
guardia grandes de tal manera que el ancho de banda en el satélite en realidad viene a ser
del orden de 120 kHz para un canal de voz de 64 kbps.
Canal entrante (inbound)
HUB
Canal 64 kbps
DecFEC DemQPSK FI Rx
A otros canales VSAT
Fig. 5.19.- Sistema FDMA estrella para accesar al satélite usando canales de 64 kbps.
En la figura 5.19 arriba se muestra el procesamiento de una canal de voz equivalente
a 64 kbps desde la VSAT al hub via satélite, a este canal se le conoce como inbound o en
ruta (inroute). La transmisión de RF al satélite desde la VSAT tiene una frecuencia que cae
dentro del ancho de banda de un transponder específico del satélite. Si el satélite no tiene
OBP, retransmitirá los múltiples canales VSAT en el enlace descendente con la misma
canalización que en el enlace ascendente. En el ejemplo de la figura 5.18, se usa un
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 189
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
transpondedor de 36 MHz de ancho de banda por el que se podrían transmitir 300 canales
hacia la hub o a otras VSAT en la red. Si la red VSAT opera en el modo de malla, cada una
de ellas debe tener un sintetizador de frecuencia que permita seleccionar cualquiera de los
300 enlaces de bajada y además, la red tendrá debe tener control que le diga a cual terminal
a cual frecuencia debe transmitir y recibir. Es más usual que las redes VSAT usando
FDMA trabajen en configuración estrella. La estación terrena hub se diseña para que
reciba todos los 300 canales de bajada. La señal digital en cada canal se recupera y también
se lee la dirección de tal manera que la hub puede enviar la información al usuario. En
caso de que el usuario sea de una red externa a la VSAT la información enviada pasa a
través de equipos de interfaz de la hub a la red telefónica pública (PSTN).
El enlace de retorno de la hub al satélite, y de allí a la terminal individual VSAT ,
no se envía normalmente como varios canales de banda angosta FDMA ; en muchos
casos, el canal de retorno desde la hub a la terminal VSAT , llamado outbound o fuera de
ruta (out-route), se envía dentro de una ráfaga de banda ancha en formato TDM. En la
ráfaga TDM, las señales para las VSAT individuales separadas y de baja velocidad se
ensamblan en un formato predeterminado de tal manera que cada VSAT pueda extraer la
información requerida destinada para cada VSAT.
Cuando se calcula el balance del enlace en el diseño de un sistema FDMA se debe
tener cuidado de colocar la potencia de transmisión correcta por canal de tal manera que la
densidad espectral de potencia sea la misma para cada canal. Por ejemplo, si un transponder
de 54 MHz opera con una potencia de salida de 54 Watts, la densidad espectral de potencia
a la salida del transpondedor es de 1 Watt por MHz. Un canal inbound de bajada de 120
KHz transmitido por el satélite tendría un nivel de potencia de transmisión de (120 KHz/54
MHz) x 54 W = 120 mW. El nivel de potencia de transmisión se multiplica por la ganancia
de la antena en la dirección del hub (menos las pérdidas) para que nos de la pire, por canal
de 120 KHz.
Al operar un transpondedor usando FDMA con un gran número de canales de RF
simultáneamente se requiere un elevado back off ( de 3 a 7 dB) en éste a objeto de tener
una operación casi lineal. Las no linealidades, como se estudió en el capítulo anterior a
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 190
TEMA V: APLICACIONES SATELITALES
éste, causan productos de intermodulación de tercer orden que degradan la relación C/N en
canales SCPC.
A continuación, pueden profundizar este tema (TEMA V), consultando las
siguientes fuentes bibliográficas y dirección WEB:
(5-1) Clarke, Bill (1994) Aviator’s Guide to GPS, New York,McGraw Hill, Tab Book Division. www.1worldspace.com/ http://www.dbstv.com/coverage/Hispasat1Chttp://satelliteradio.digitalinsurrection.com/siriusradio/sirius_radio.phpwww.1worldspace.com/ http://www.colorado.Edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.htmlhttp://space.skyrocket.de/index_frame.htm?http://space.skyrocket.de/doc_sat/ch__dfh-4.htm
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 191
ANEXO TEMA V: EJEMPLO
ANEXO TEMA V
Ejemplo: Red VSAT en estrella. Dados los datos siguientes calcular la carga del transpondedor, la relación C/N)total y los BER. Datos. Distancia al satélite desde todas las estaciones= 38500 Km Potencia máxima del transmisor (Tx) = 200W, Gant Tx(14 GHz)= 50 dB; Gant Rx (11.7
GHz)= 48.5 dB; BW ruído=128 KHz; T ruido RX (ciel desp)= 150K
Potencia Tx= 2 W; T ruído Rx (cielo desp)= 150 K; Gant Tx= 41.5 dB; en Rx= 40 dB; BW
ruido sistema Rx= TBD. Diam. Ant= 1 m.
Se usan dos transponders, banda Ku potencia = 20 W, BW= 54
MHz/transp.Truido entrada transpondedor = 500 K. G ant, Tx/Rx= 34 dB
Pérdidas atmosféricas cielo desp:A 14 GHz= 0.7 dB; a 11.7 GHz= 0.5 dB.
Otros datos:
1.-Cada VSAT envia y recibe 64 Kbps hacia y desde el HUB.
2.- 64 Kbps via este enlace INBOUND 1 se envian al HUB, usando BPSK,FEC=1/2 dando
una veloc en el Transp 1 de 128 Kbps
3.- El BW de RF ocupado de cada canal VSAT es 160 KHz, correspondiente a un filtro
RRC alfa = 0.25.El enlace INBOUND usa SCPC-FDMA con canales de RF espaciados
200 KHz y Bguardia= 40 KHz. entre canales
4.-Desde el HUB a las VSATs se envía data como paquetes continuos TDM usando el
Transp. 2, BPSK, FEC = ½.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 192
ANEXO TEMA V: EJEMPLO
Procedimiento:
1.- la carga del transponder ( número de canales que pasan a través del transponder en los
enlaces inbound y outbound)
2.- Hacer los cálculos básicos de los enlaces para luego realizar cambios en los parámetros
de compromiso.
2a.- existen cuatro (4) en laces en un sistema vsat de dos vías.
2b.- cada uno de los 4 enlaces (inbound/outbound) tiene su propio C/N
2c.- el C/N del enlace inbound de subida y bajada se combinan y dan el C/N total en la
sección de FI del receptor de la estación hub.
2d.- el C/N del enlace outbound de subida y bajada se combinan y dan el C/N total en el
receptor de la VSAT
2e.- una vez conocidos los valores C/N, se calculan los BER
Cálculos: 1.- Las pérdidas en el espacio libre: para una distancia de 38500 km,
Frecuencia enlace descendente = 11.7 GHz (λ = 0.02564 m)
Frecuencia enlace ascendente = 14 GHz (λ = 0.02143 m) ; usando : Lp = 20 log (4πR/ λ)
Lp = 207.1 dB (14GHz) y 205.5 dB (para 11.7 GHz)
2.- Potencias de ruido:
2a.- Potencia de ruido en el transponder 1, canales SCPC/FDMA inbound.
Los enlaces inbound de las VSATs que pasan a través del transpondedor 1 tienen una
velocidad de 64 Kbps usando FEC = ½, dando una velocidad de transmisión de 128 kbps,
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 193
ANEXO TEMA V: EJEMPLO
modulación BPSK, el ancho de banda de ruido es 128 KHz, recuerde que BPSK tiene un
bit/símbolo.
Ts = 500 K ….27 dBK; Bn= 128 KHz…..51.1 dBHz; k = Cte. Boltzman,
Np = k Ts Bn Watts
Potencia de ruído Transp. 1 = Ntr1= -228.6 +27 + 51.1 = -150.5 dBW
2b.- Potencia de ruido en el receptor de la estación hub, canales SCPC/FDMA
inbound:
Estas señales VSATs inbound llegan a la hub después de ser retransmitidas por el satélite.
El ancho de banda de ruido es todavía 128 KHz, ya que cada canal VSAT se recibe por una
FI de recepción separada, en la hub.
La temperatura de ruido del sistema receptor de la hub es :
Ts= 150 K…….21.1 dBK. Nhub = -228 +21.8 + 51.1 = -155.7 dBW 2c.- Potencia de ruido en el transponder 2, canales TDM outbound:
Las ráfagas de bits TDM, del enlace outbound, que sale de la hub hacia las VSATs pasan a
través del transpondedor 2. No todas las VSATs transmiten y reciben simultáneamente de
tal manera que la ráfaga TDM se acomoda a la velocidad de actividad promedio de la red.
Nótese: en este problema de ejemplo, no se ha dicho nada sobre el tamaño de la red.
Supongamos para comenzar un valor de ancho de banda de ruido de 1 MHz en el receptor
de las VSATs.
Esto corresponde a una señal BPSK con una velocidad. de transmisión. de datos en banda
base de 500 kbps, FEC= ½. La ts del transpondedor 2 = 500 Kk…..27 dbk; ancho bande de
ruído del Rx de las VSATs = 1 MHz…..60; la potencia de ruido a la entrada del
transpondedor 2 es:
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 194
ANEXO TEMA V: EJEMPLO
Ntra2, u = -228.6 + 27 + 60 = -141.6 dBW
2d.- Potencia de ruido en los receptores de las VSATs, canales TDM outbound: cada
una de las VSATsrecibe la trama TDM de la estación hub en un ancho de banda de ruido 1
MHz.
La temperatura de ruido del sistema de los receptores de las VSATs es ts = 150 k…..21.8
dBK
Nvsats = -228.6 + 21.8 + 60 = -146.8 dBW
3.-Relaciones C/N de los enlaces: 3.1.-) de las VSATs a la hub: Cada VSAT transmite a 128 kbps, un caudal de 64 kbps; son bits de mensaje codificados
con FEC= ½ y modulados en BPSK. El caudal de bits de muchas VSATs se reciben vía el
satélite usando receptores con FI separadas para cada canal VSAT. Cada uno de estos
canales separados tiene un ancho de banda de ruido de 128 KHz, numéricamente igual a la
velocidad de símbolos de la señal BPSK.
3.2.-Enlaces inbound (inroute):
Siguiente etapa del diseño:
Desarrollar los balances de los enlaces y evaluar las relaciones C/N de los enlaces
inbound y outbound. Adoptar el diseño del “peor caso” con la VSAT en el contorno de los -
3 dB. del haz del satélite.
Incluir pérdidas por: desalineación de la antena, desacoplamiento en la polarización,
gases en la atmósfera y otros. Si el enlace trabaja bien para las condiciones del “peor caso”
siempre trabajará para cualquier VSAT bajo esa condición
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 195
ANEXO TEMA V: EJEMPLO
3.2a.- Balance de potencia del enlace ascendente de la VSAT:
Asumiremos que la VSAT está ubicada en el EOC del haz del satélite, en el contorno de
los -3db del patrón de la antena del enlace ascendente del satélite (recepción); la potencia
recibida en el satélite de una sola VSAT, en dB, es:
Pr = Pt + Gt + Gr – Lel – Lpérdidas
Pr = 3 + 41.5 + 34 – 207.1 -3 -0.7 -0.5 = -132.8 dBW
3.2b.- Relación C/N enlace ascendente inbound en el tranponder 1.
Cada VSAT transmite a un receptor separado, en la estación hub, con un ancho de banda
de:. BW receptor hub= 128 khz. a la entrada del receptor del transponder, la potencia
recibida de cada señal portadora VSAT es: -132.8 dbw y la potencia de ruido en el
receptor de cada canal VSAT es -150.5 dBW ( canales inbound SCPC/FDMA); la
relación C/N ascendente en un ancho de banda de ruido de 128 khz es:
C/N = -132.8 - ( - 150.5 ) = 17.7 dB (relación 58.88)
3.2c.- Balance de potencia de los canales VSATs inbound descendente a la hub
Calculemos el balance de potencia para el enlace descendente.
Pr = Pt + Gt + Gr – Lel – LEOC – Latm – L misc
Pr = Pt + 34+ 48.5- 228.5- 1–0.5– 0.5 = Pt – 125.0 dBw
Recuerde que hasta ahora no sabemos el número de canales VSATs ascendentes (inbound)
que comparten el mismo transponder satelital de 54 MHz. Sabemos que la potencia
disponible en el transpondedor es: 20 watts. Supondremos, para este ejemplo, que cada
señal VSAT inbound es retransmitida por el transponder 1 con un nivel de potencia de 1
Watt ( 0.0 dBW); o sea que: Pr = 0.0 dbw – 125.0 dbw = -125.0 dBW
3.2d.- C/N del enlace descendente a la hub desde el transponder 1 del enlace
ascendente. En el receptor de la hub se recibe el inbound desde la VSAT, transmitido
hacia abajo por el transponder 1 del satélite.
BWreceptor hub = 128 kHz.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 196
ANEXO TEMA V: EJEMPLO
Potencia de la portadora de la VSAT en la estación hub-125 dBW; potencia de ruido en el
receptor de la estación hub en un ancho de banda de 128 KHz es: -155.7 dBW.
(C/N) inbound hub = -125.0 – ( - 155.7 ) = 30.7 dB…..(relación 1175)
3.2e.- C/N total del inbound en la estacion hub 30.7 dB ….. 17.7 dB
1/((C/N)tot) = 1/((C/N)inb HUB) + 1/((C/N)transp 1)
= 1/((1175)) + 1/((58.88))
= 0.0008511 +0.0169837 = 0.0178348
(C/N) total = (1/0.0178348) = 56.0702824……17.5 dB ( en cielo despejado)
ojo!!!.....observe que el (C/N) del enlace ascendente de la VSAT (de 17.7 dB) domina la
relación (C/N) total del inbound en la estación receptora hub…. debido a la alta relación
(C/N) en el enlace descendente hacia la estación hub
3.2f.- Análisis del lado inbound del sistema VSAT
La potencia sat. de salida del transponder es de 20 w.; las ráfagas de las VSATs accesan al
satélite en el formato SCPC-FDMA, previa amplificación en el transponder 1. Cuando se
usa FDMA, con un gran número de canales simultáneos, la salida del amplificador debe
limitarse (backoff) para evitar los productos de intermodulación; back off típico: 2 a 3 db.
Si: BO = 2 db. …..Pt = 20 w ( 13 dbw) ……13 – 2 = 11 dBw( 12.6 W).
Recuerde que cada canal VSAT se supuso que usa 1 watt de potencia en los enlaces
descendentes; por tanto el transponder puede compartir 11 dBW (12.6 W ) entre un
máximo de 12.6 canales VSATs.
El cálculo de la relación total (C/N)tot en el enlace inbound de la VSAT mostró que la
relación (C/N)tot en la estación hub con cielo despejado era de 17.5 db. Para tener
suficiente margen arriba del umbral del demodulador y así cumplir con los requisitos de
disponibilidad, se supuso previamente un valor de 14 db con cielo despejado.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 197
ANEXO TEMA V: EJEMPLO
Por lo tanto hay exceso en la relación C/N del enlace entre la VSAT y la estación hub y es
posible compartir la potencia del enlace de bajada entre un gran número de VSATs y asi
mantener todavía la relación (C/N) total = 14 db.
Análisis del lado inbound del sistema vsat
Usando las relaciones recíprocas de C/N y forzando la relación (C/N)T a ser 14 db,
1/[(C/N)T] = 1/[(C/N)hub] + 1/[(C/N)transp]
Esta relación es fija, C/N ascendente del enlace inbound desde la VSAT por los parámetros
de transmisión de la VSAT es de 17.7 db……(.relación de 58.88).
El C/N mínimo permisible de bajada (C/Nn)inb hub) para mantener una relación C/Ntot =
14 db es:
((C/Nn)inb hub) = 1/((1/25) – 1/(58.88)) = 43.45 (16.4 db)
Recuerde que en cálculos previos teníamos que la relación (C/N) inb hub era de 30.7 db ;
hay un exceso de C/N = 30.7 – 16.4 = 14.3 db (relación 26.9 canales)
¿ Podemos aumentar el numero de canales ?
Si por una relación de 26.9 de los 12.6 canales que teníamos antes cuando asumimos 1
watt por canal; para un total de = 26.9 x 12.6 = 339 canales
¿ Cuál es la potencia asignada ahora a cada enlace descendente vsat a la salida del
transponder?
1 watt/26.9 ó 12.60 watts/339 = 0.037 watts/canal
Recuerde que: en el amplificador de potencia de salida del transponder se tiene un BO = 2
db para 12.6 watts: ( 20 w = 13 dbw 13 -2 = 11 dbw = 12.6 w)
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 198
ANEXO TEMA V: EJEMPLO
¿Es el enlace inbound limitado en potencia o limitado en banda?
En muchos casos se intercambia potencia por ancho de banda para dar flexibilidad
adicional al diseño del sistema.
¿De cuántos canales puede encargarse el transponder?
Cada transmisión VSAT requiere un ancho de banda de RF de: 200 KHz (160 KHz más
banda guarda a cada lado); el ancho de banda del transponder es de: 54MHz
El transponder puede tener: 54 MHz-/200khz = 270 canales
Conclusión:
Existe suficiente potencia disponible para operar con 339* canales VSATS pero solo hay
espacio para 270** canales VSATs.
El enlace inbound se considera por tanto limitado en.ancho de banda con una capacidad
máxima de 270 canales en situación de cielo despejado con un margen de 8.4 db.
4.-Enlaces inbound con 270 canales
4.1.- Balance del enlace de potencia para el canal VSAT descendente en la hub:
¿ Cuál es la potencia por canal ?¿ Cuál es la relación C/N en los canales
inbound en la hub?. Con 270 canales la potencia asignada por canal en el transponder de 20
watts es:
20/270 = 74.1 mw/canal …….. -11.3 dbw.
La potencia recibida baja desde (-125 dbw) a (-136.3 dbw), (-125-11.3)
La potencia de ruído permanece la misma (nhub = -155.7 db)
(C/N)inbound hub = -136.3 – ( -155.7 ) = 19.4 db….(relación de 87)
4.2.- C/N) total en la estación hub
la relación (C/N)tot de los canales inbound de las VSATs con 270 canales que llegan al
transponder 1 es:
1/((C/N)tot) = 1/((C/N)inb HUB) + 1/((C/N)transp 1)
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 199
ANEXO TEMA V: EJEMPLO
= 1/((87)) + 1/((58.88))
= 0.0115 + 0.0169837
= 0.0285
(C/N) tot = 1/(0.0285) = 35.1197 (15.5 dB)
Comentarios sobre este resultado: habíamos supuesto 20 canales, en esa oportunidad la
relación (C/N)tot resultó 17.5 db; ahora con 270 canales la relación (C/N)tot es de 15.5
dB, bajó 2 db. para un aumento de 11.3* dB en capacidad (de 20 a 270 canales);
mostrándonos que la relación C/N dominante en el enlace inbound son los canales
ascendentes desde las VSATs.
Como hay 270 canales ahora se requerirá más BO para evitar la intermodulación. esta
reducción en el BO para las portadoras inbound podría bajar su C/N por debajo de
aquella de la C/N de las VSATs ascendente (debajo de 58.8): 17.7 db
Si este fuese el caso, el enlace sería limitado hacia abajo (satélite a hub) en lugar de
limitado hacia arriba (VSAT a satélite.) por lo que no sería un buen diseño.
5.- Enlaces outbound (outroute)
Los enlaces TDM van desde la hub, via satélite, a las estaciones VSATs,es un enlace
continuo TDM a Rb bps ; usando BPSK y FEC = ½.
Salen paquetes de datos direccionados a la VSAT relevante secuencialmente. La relación
C/N en el receptor de las VSATs no debe ser menor al umbral de 6.1 dB que da un BER
=10-6
Diseñaremos el enlace outbound para una relación (C/N)tot de 10 db, con cielo despejado
en el receptor de la VSAT dando un margen al enlace de 3.9 db para superar -- la
atenuación por lluvia y el aumento de la temperatura de ruido ( durante la lluvia) para
cumplir con los % de disponibilidad requeridos.
Calculemos:
a.- el balance del enlace del enlace ascendente desde la hub
b.- los márgenes de C/N, para ver el desempeño de todo el sistema.
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ANEXO TEMA V: EJEMPLO
Balance del enlace ascendente desde la hub:
Pt (de la HUB)(100 W)…………………………20 dBW
Gt (ant. Tx HUB a 14 GHz)…………………… 50 dB
Gr (ant. Rx sat. A 14 GHz)……………………. 34 dB
Lp (el- a 14 GHz)……………………………… .-207.1 dB
L (pérdid por EOC de la ant. Sat)…………… -1 dB
L (gases atmosf)……………………………… .-0.7 dB
L (misc)………………………………………… - 0.5 dB
Potencia recibida entrada Transp. Sat. -105.3 dBW
5.1.- C/N enlace ascendente en el transponder 2:
La hub transmite a cada receptor VSAT en un BW de ruído de 1 MHz. Ya habíamos
calculado la potencia de ruido en el transponder del satélite para las ráfagas TDM: -141.6
dbw
(C/N)transp 2 = -105.3 – ( - 141.6) = 36.3 dB (relación 4265.8)
5.2.- Balance de potencia del enlace descendente outbound en la VSAT
El transponder 2 transporta una portadora TDM-BPSK, supongamos un BOo de 1 dB,
dando una potencia de salida de 12 W.
Balance de potencia del enlace descendente outbound en la VSAT:
Pt (del sat)…………………………………….12 dBW
Gt (ant. Tx sat 11.7 GHz)……………………34 dB
Gr (ant. Rx VSAT. a 11.7 GHz)……………….40 dB
Lp (el- a 11.7GHz)……………………………..-205.5 dB
L (pérdid contorno 1 dB de la ant. Sat)…….. -3 dB
L (gases atmosf)……………………………….-0.5 dB
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 201
ANEXO TEMA V: EJEMPLO
L (misc)…………………………………………- 0.5 dB
Potencia recibida ……………………... -123.5 dBW
Potencia recibida de cada señal portadora VSAT en el hub: -123.5 dbw.
5.3.- C/N descendente en la VSAT desde el transponder 2 enlace outbound:
Potencia recibida de cada señal portadora VSAT en el hub: -123.5 dbw.
La ráfaga outbound TDM desde la estación hub, transmitida hacia abajo por el transponder
2 en el satélite, se recibe en cada VSAT con un ancho de banda de ruido de 1 MHz. Ya
habíamos calculado la potencia de ruido en el receptor de la VSAT : -146.8 dBw.
C/N) VSAT outbound = -123.5 – ( -146.8 ) = 23.3 db (relación 213.8)
5.4.- Relación C/N total enlace outbound en la VSAT:
La relación C/N de la ráfaga outbound TDM recibida en el receptor de la VSAT se calcula
como antes, usando el recíproco de los valores C/N como relaciones de potencia, no dB.
1/((C/N)tot) = 1/((C/N)outb VSAT) + 1/((C/N)transp 2)
= 1/((213.8) + 1/(4265.8)) = da C/N)tot = 203.6 23.1 dB cielo
despejado.
5.5.- Análisis del lado outbound del sistema VSAT.
Asumimos un valor de 10 dB para el C/N)vsat en cielo despejado para alcanzar los
requisitos de disponibilidad con un BER = 10-6.
Como se puede ver de los cálculos de los outbound, existe en las VSAT un valor C/N más
alto de 10 dB. Este margen extra de C/N se podría usar para tener un BW mayor (mas
capacidad) en la trama TDM o para aumentar el margen de lluvia por la misma capacidad.
Investiguemos la máxima razón de bits que puede usarse en el enlace outbound con un
C/N)tot de 10 dB en el receptor de la VSAT en cielo despejado.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 202
ANEXO TEMA V: EJEMPLO
El C/N para el enlace outbound de la hub al satélite es alto (36.3 dB) y bajo de delsatélite a
la VSAT (23.3 dB. Para hallar el BW máximo podemos usar cualquiera de las partes del
enlace., necesitamos conseguir la reducción en el C/N), [(C/N)reducción], que se aplique
igualmente en ambas partes del enlace y todavía y nos de todavía un C/Ntot de 10 dB en
cielo despejado.
Este cálculo da 13.1 dB en cada parte del enlace.
En el enlace ascendente: 36.3 – 13.1 = 23.2 dB y en el enlace descendente : 23.3 – 13.1 =
10.2 dB.
Una reducción en el C/N de 13.1 dB es 20.4. Esto significa que la ráfaga de salida outbound
de la hub a la VSAT tiene ahora un ancho de banda de ruido de 20.4 x el BW original=
20.4 x 1 MHz = 20.4 MHz y un ancho de banda ocupado Boc = 30.6 MHz.
El BW equivalente de los canales VSAT en la trama TDM es de 128 KHz (ignorando
preámbulo –overhead- para direccionamiento y recuperación de trama) de tal manera que
el número máximo de canales VSATs que pede asistir la hub es 20.4MHz/128KHz = 159.
Como no hay suficiente potencia para dar la relación C/N requerida si el transpondedor de
54 MHz tuviera a capacidad máxima en función del BW, el enlace outbound está limitado
en potencia.
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 203
ANEXO TEMA V: EJEMPLO
Desempeño de una red VSAT estrella con antena diámetro =1m . y amplif transm 2 W. Enlace Inbound Outbound Velocidad del canal 64 kbps 10.2 Mbps Modulación BPSK BPSK
Acceso Múltiple SCPC-FDMA TDM
Num canales de 64kbps 270 159 Ancho banda (Boc) ocupado en el xponder 54 MHz 30.6 MHz C/N)asc cielo despj 17.7 dB 23.2 C/N)desc cielo despej 30.7 dB 10.2 C/N)tot cielo despej 17.5 dB 10 C/N)tot nivel umbral 6.1 dB 6.4 Mrgen desvanecimiento enlace ascendente 10.3 dB 3.6 Mrgen desvanecimiento enlace descendente 24.6 dB 3.7 Mrgen desvanec enlace asc con -7 dB ULPC No aplica 10.6 dB Margen atenuacion por lluvia enlac descend 20.5 dB 1.8 Disponibilidad del enlace, este USA 99 .995% 99.55 Disponibilidad del enlace, este USA(-7dBULPC) 99 .995% 99.70%
CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 204