Diseño De Enlaces Ascendente Y Descendente

Comunicaciones por SatéliteCurso 2008-09Diseño de enlaces ascendente ydescendenteRamón MartínezMiguel CalvoComunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. Ramón Martínez, Miguel CalvoCSAT 40

Índice Cadena del radioenlace Tierra-Satélite-Tierra Cálculo de la potencia recibida (fórmula de Friis) Modelos de atenuación atmosférica y de lluvia Cálculo de la potencia de ruido. Temperatura de ruido de antena Combinación de enlace ascendente y descendente Calidad de estaciones terrenas Objetivos de calidad y disponibilidad Amplificación no-lineal. Intermodulación. Optimización delpunto de trabajo Coordinación EjemplosComunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. Ramón Martínez, Miguel CalvoCSAT 41

NEl ruido total en recepción es: R LAFLp BITkPRLa potencia recibida es:GERIPRelación C/N Por tanto la C/N será:CPIRE GRGR 1 1 1 1 ( PIRE) ( ) N L p LA (kTBIF )T L p LA k BIFTambién puede caracterizarse el enlace a partir de la C/N0:CC N0 kTdBHzCC N N0 BIFComunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. Ramón Martínez, Miguel CalvodBCSAT 42

Factor de Calidad del Receptor Es la relación GR/T la que caracteriza la calidad delreceptor. Cuanto mayor sea la ganancia de la antena, mayorcalidad. Cuanto menores sean las pérdidas entre la antena y elamplificador LNA mayor calidad. Cuanto menor sea la temperatura de ruido del LNA,mayor calidad.– Su ganancia debe ser grande para reducir la contribución delmezclador. El valor de G/T es independiente de donde se mida. Sesuele tomar como referencia la entrada del LNA.Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. Ramón Martínez, Miguel CalvoCSAT 43

Diseño del Enlace Ascendente La densidad de potencia a la entrada del transpondedor estáfijada (densidad de flujo de saturación). Debe controlarse conla potencia transmitida por la estación terrena. El coste de los transmisores es de 10 a 15 veces el de losreceptores. Por ello, son mucho más económicas lasestaciones de sólo recepción de los sistemas de difusión(punto a multipunto). El coste de los transmisores en bandas bajas es másrazonable, lo que justifica la asignación de la banda L paracomunicaciones móviles. Para eliminar las interferencias sobre los sistemas satéliteadyacentes y optimizar el uso de la órbita GEO debecontrolarse el nivel de lóbulos secundarios de las antenas(COORDINACIÓN). La atenuación de lluvia disminuye la potencia recibida C perono aumenta significativamente la T (ya alta de unos 270 K). Secontrarresta controlando la potencia transmitida.Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. Ramón Martínez, Miguel CalvoCSAT 44

Diseño del Enlace Descendente (1) El enlace descendente está limitado por la potencia a bordo:– Deben usarse esquemas de modulación eficientes en potencia (FM,M-PSK)– Las antenas deben proporcionar áreas de cobertura pequeñas paraaumentar su ganancia y por tanto la PIRE. Para aliviar los problemas de interferencia sobre sistemasterrenales, la densidad de flujo de potencia (flujo por 4 kHz debanda) está limitado. Por ejemplo, entre 1 y 10 GHz:Fmáx -152 Elev/15 (dBW/m2)– En caso necesario hay que usar señales de dispersión para que nopueda transmitirse, por ejemplo, la portadora sin modular.Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. Ramón Martínez, Miguel CalvoCSAT 45

Diseño del Enlace Descendente (2) Los demoduladores funcionan por encima de un umbral mínimo de C/N:– FM de banda estrecha: (C/N)mín 5 dB– FM de banda ancha : (C/N)mín 11 dB (umbral extendido 8.5 dB)– BPSK/QPSK (BER 10-6): (C/N)mín 12 dB Es/No (C/N)(B/Rs)50BER0.145S/N40PB( EbNo )S/N b.e.35S/N b.a.300.0000014 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 170EbNo12C/N La atenuación por lluvia disminuye la C y aumenta la T y por tanto la N. Se requiere un MARGEN adicional para un determinado porcentaje dedisponibilidad sobre la C/N de cielo claro (depende de la frecuencia, zonaclimática, elevación del trayecto, etc.).Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. Ramón Martínez, Miguel CalvoCSAT 46

Transpondedor TransparenteEn este caso el enlace es doble y consta de un enlace ascendente con una(C/N)U y un enlace descendente con una (C/N)D .El transpondedor tiene una ganancia Gs.La potencia de señal recibida será:La potencia de ruido es:C CUGSGT GR LN ND NUGSGT GR LPor tanto:C U G S G TG R L C C N T N N D N U G S G TG R LCU1 N DLN DL N NU G SG TG R C U [(CU G S )G T ]G RCU NUGsUplinkComunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. Ramón Martínez, Miguel CalvoGTDownlinkGRCD NDCSAT 47

Balance de Enlace CompuestoTeniendo en cuenta que (CUGS) es la potencia transmitida por el satélitePT, (CUGS)GT será la PIRE transmitida por el satélite. Por lo tanto,(CUGS)GTGR/L será la potencia recibida en el enlace descendente.11 C N T N NDL N N C U (CUGS )GT GR C U C D[]Por tanto: 1 1 1 C C C N T N U N DY si el ruido se distribuye uniformemente en el ancho de banda B (N N0B): 1 1 1 C C C N 0 T N 0 U N 0 DComunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. Ramón Martínez, Miguel CalvoCSAT 48

Transpondedor regenerativo El satélite demodula, decodifica, detecta y corrigeerrores, modula y amplifica la señal, y la transmite atierra (requiere on-board processing, OBP) La caracterización del enlace (en ausencia de correcciónde errores a bordo) viene dada por:BERT BERU BERD Ejemplo: en un enlace simétrico (Eb/No)u (Eb/No)d , unsatélite regenerativo ofrece un ahorro de 2.6 dB para unaBER 10-4. El satélite regenerativo permite introducir el ahorro en elbalance en el enlace con peores condiciones El efecto de la intermodulación se reduce y el HPA delsatélite puede operar cerca de la saturaciónComunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. Ramón Martínez, Miguel CalvoCSAT 49

Objetivos de calidad y disponibilidad Umbral de prestaciones (performance threshold): nivel que debecumplirse para satisfacer los requisitos– Se define para un porcentaje de tiempo mínimo Umbral de disponibilidad (availability threshold): nivel mínimoque debe cumplirse para garantizar el servicio– Se define para un porcentaje de tiempo máximoBER10-10Umbral de prestacionesBER 10-8 para el 99.9% del tiempo10-8Región de prestaciones degradadasUmbral de disponibilidadBER 10-6 para el 99.99% del tiempo10-610-40.0010.010.11.010.0100%Porcentaje de tiempo en que se mide la BERComunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. Ramón Martínez, Miguel CalvoCSAT 50

Objetivos de calidad y disponibilidad Los enlaces por satélite se dimensionan para compensarposibles pérdidas de señal (desvanecimientos o fading) debidosa la lluvia respecto del enlace en condiciones de cielo claroSe denomina margen de enlace (link margin, fade margin)La relación entre margen de enlace, nivel de potencia y BERdependerá de la modulación usada Atenuación (dB)10Umbral de disponibilidadAtt 8 dB para el 99.99% del tiempo8Región de prestaciones degradadasUmbral de prestacionesAtt 6 dB para el 99.9% del tiempo640.0010.010.11.010.0100%Porcentaje de tiempo en que se mide la atenuaciónComunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. Ramón Martínez, Miguel CalvoCSAT 51

Especificaciones del SatéliteEl punto de trabajo, para potencia máxima de salida, es el punto de saturación.Para establecer el punto de trabajo se definen los back off de entrada y salidacomo:Po (dBm)PIREsat Fsat PIREFPIREs ,satBOo PIREBOi PosatBOoPIREsat es la PIRE que debe transmitir laestación terrena para saturar al TWTA delsatélite.Fsat es la correspondiente densidad de flujo de potencia.BOiPisatPi (dBm)PIREs,sat es la PIRE producida por el satélite en saturación.()(22Teniendo en cuenta que: F PIRE 4 πR (PIRE 4 π ) Lpλ[( C N) ] [PIRE[( C N) ] [PIREUDsat[( G T) ] [k] [B ]] [BO ] [L ] [( G T) ] [k] [B ]] [BO ] [L ] s,sat)iUoDIFseComunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. Ramón Martínez, Miguel CalvoIFCSAT 52

Transpondedor no-linealLos efectos no-lineales del TWTA generan productos de intermodulación quepueden considerarse como ruido aditivo. La relación C/IM depende delnúmero de portadoras, de sus características de modulación y frecuencia yde las características de transferencia de amplitud y fase del TWTA.La figura muestra las características típicas de un TWTA.Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. Ramón Martínez, Miguel CalvoCSAT 53

Modelo de Saleh El modelo de Saleh es un método sencillo basado en dosparámetros para caracterizar los efectos AM/AM y AM/PM Modelo basado en cuatro parámetros que se integran uenexpresiones cerradas que caracterizan el efecto delamplificadorx(t ) r (t ) cos[ω0t ψ (t )] TWTAModelo AM/AM y AM/PMA(r ) Φ (r ) y (t ) A[r (t )]cos{ω0t ψ (t ) Φ[r (t )]} αar1 βar2αφ r 21 βφ r 2 P[r (t )]cos[ω0t ψ (t )] Q[r (t )]sin[ω0t ψ (t )] Efecto en fase y cuadraturaP(r ) Q(r ) Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. Ramón Martínez, Miguel Calvoα pr1 β pr 2αqr3(1 βq r 2 )2CSAT 54

Modelo de Salehα a 1.9638αφ 2.5293β a 0.9945βφ tud de entrada �n de fase (º)0.5200.730Amplitud de salidaDistorisón de fase (º)0.6AM/PM250.8350.7β a 1.1517βφ 9.1040AM/AM10.8Amplitud de salidaα a 2.1587αφ 4.0033151050.100.511.5Amplitud de entrada (normalizada)000.511.5Amplitud de entrada (normalizada)Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. Ramón Martínez, Miguel Calvo000.511.5Amplitud de entrada (normalizada)CSAT 55

Espectro Aproximado de Portadoras e IntermodulaciónAún cuando el espectro de portadoras moduladas FM y PSK tienen forma decampana, pueden aproximarse de forma rectangular por efecto del filtradoy adición de señales de dispersión. La figura muestra un ejemplo de cargade un transpondedor con portadoras digitales y el espectro de s por Satélite. Curso 2008-09. Ramón Martínez, Miguel CalvoCSAT 56

Modelo de BerettaUna aproximación de la C/IM para un TWTA típico amplificando n portadorasiguales puede obtenerse de las expresiones (modelo de Beretta):(C IM)r(C IM)r(C IM)r 10.0 0.82BOi , n 6 9.48 0.82BOi , n 12(C(CIM )r 10.532 0.09n 1.7 10 4 n 2 0.82 BOiIM )r 10 .42759 * n - 0 .0314389 0.82 BOi 8.60 0.82BOi , n 500C/IM30AnalíticoComparación de ambosmétodos propuestosCIM( 500 , Pti( BOi ) )CIMb( 500 , BOi )CIM( 6 , Pti( BOi ) )BerettaCIMb( 6 , BOi )012Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. Ramón Martínez, Miguel CalvoBOi0CSAT 57

Punto de Trabajo ÓptimoConsiderando el ruido de intermodulación como ruido blanco (caso peor)su contribución al balance de enlace puede tenerse en cuenta como:(C N)T 1 (C N)U 1 (C N)D 1 (C IM) 1La variación típica de los tres términos y de la C/N total en función del puntode trabajo (BOi) del transpondedor es como se indica en la figura.(C/N)(C/N)UC/IMHay un punto óptimo deoperación del transpondedorque depende del número deportadoras a través de C/IM.(C/N)D(C/N)T-3 a -16 dBComunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. Ramón Martínez, Miguel Calvo0 dBBoiCSAT 58

Coordinación Las señales interferentes degradan la calidad. Se producen interferencias entre sistemas de satélites yentre estos y sistemas terrenales. Se hace necesario regular los niveles interferentes ycoordinar entre sí los sistemas.Si se consideran los efectos de las interferencias como ruidoblanco aditivo (caso peor), y se producen con niveles (C/I)U y (C/I)Den el enlace ascendente y descendente, respectivamente, la (C/N)total puede obtenerse como:(C N)T 1 (C N)U (C N)D (C IM) (C I)U (C I)D 1 1 1Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. Ramón Martínez, Miguel Calvo 1 1CSAT 59