Balance de enlace - Universidad Politécnica de Madrid

Transcripción

Comunicaciones por Satélite (5º curso)
Dpto. de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones
ETSI de Telecomunicación.
Universidad Politécnica de Madrid
Comunicaciones por Saté
Satélite
Curso 20082008-09
Balance de enlace
Segunda parte
Miguel Calvo Ramón
Ramón Martínez Rodríguez-Osorio
Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
CSAT 1
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. Ejemplos de cálculo de
balances de enlace
• Amplificación no-lineal. Intermodulación. Optimización del
punto de trabajo
• Coordinación
• Ejemplos
CSAT 2
1
Ruido Blanco
El ruido blanco es un proceso aleatorio Gaussiano de media cero y
varianza:
σ 2 = N0
La densidad espectral de potencia de ruido blanco en doble banda entregada a una carga adaptada por una fuente de ruido a temperatura Ts es:
N 0 kTs
=
2
2
Siendo k la cte de Boltzman (10 log10 k = -228.6 dBW/K).
La potencia entregada a una carga adaptada a través de un filtro ideal de
banda B es:
N = N 0 B = kTs B Watios
CSAT 3
Temperatura de Ruido
Fuente de
Ruido
Potencia
disponible (W):
N = kT s B
Temperatura
física Ts
N0(f)
N0/2
N 0 =
N
B
B
300 GHz
Frecuencia (Hz)
CSAT 4
2
Ruido de un Cuadripolo
Cuadripolo con ruido
Fuente de
ruido
externa
Fuente de
ruido
externa
G, Nn
Ts
Fuente equivalente
de ruido
Cuadripolo sin ruido
Te
G
Ts
CSAT 5
Ruido de un cuadripolo
Si el cuadripolo no es ideal tendrá una ganancia G (o pérdidas L=1/G)
y generará ruido propio. El ruido a la salida será:
N = G ( kT s B ) + N n
La ecuación anterior puede reescribirse como:
Nn
)
GkB
= GkB ( T s + T e )
N = GkB ( T s +
La potencia de ruido generada puede considerarse como producida
por un generador ficticio de ruido a la entrada con temperatura
equivalente de ruido:
Te =
Nn
GkB
CSAT 6
3
Figura de Ruido
Se define como la relación entre la potencia de ruido a la salida del
cuadripolo (sistema) y la potencia de ruido que habría si el sistema
no generara ruido y las fuentes de ruido estuviesen a la entrada a
una temperatura de referencia T0 de 290 ºK:
F=
GkT0 B + N n
T
= 1+ e
GkT0 B
T0
Por tanto la temperatura equivalente de ruido puede obtenerse de la
figura de ruido como:
Te = ( F − 1 )T0
Para un atenuador con pérdidas L su figura de ruido es F=L.
CSAT 7
Temperatura Ruido LNAs
Temp. Equiv. Ruido LNAs
1200
1000
Mezclador
800
Bipolar
600
FET
Param
400
Param enfriado
200
0
1
2
4
6
10
20
40
Fre cue ncia (GH z)
CSAT 8
4
Figura de Ruido de LNAs
Figura de ruido de LNAs
7
6
Mezclador
5
Bipolar
FET
4
Param
3
Param enfriado
2
1
0
1
2
4
6
10
20
40
Fre cue ncia (GH z)
CSAT 9
Amplificadores paramétricos
• Varactor: condensador de capacidad controlable por tensión
• Tres señales: bombeo (diodo Gunn), señal RF a amplificar y la
combinación de ambas
• Al variar la capacidad bruscamente (bombeo), aumenta el voltaje
para mantener constante la carga (Q=CV)
• A cada paso de bombeo se obtiene una pequeña amplificación
de la tensión proporcional a la variación de la capacidad
Fuente:
CSAT 10
5
LNAs comerciales
Fabricante
Banda (GHz) NF (dB)
Wraase MX-137
137 MHz
Paradise RF-3000
1750 $
3.4-4.8
30 - 45
50, 65, 70
SPC
490 $
3.4-4.2
45
> 45 dB
3.4-4.2
3.625-4.2
4.5-4.8
30, 35, 40, 45
50, 60
Comtech KLNA
1520 $
10-95-12.75
65, 75, 80, 85
50, 60
Maxtech UC-1200
995 $
11.7-12.2
110 - 65
60, 63, 66
50, 53, 56
EDO Corp.
2.0-2.15
<0.7
27.5
EDO Corp.
25.5-27.0
2.2
28
Comtech CLNA
1420 $
Truido (K)
1
Ganancia (dB)
15
CSAT 11
LNA comerciales
LNA para banda Ka
LNA para banda S
CSAT 12
6
LNB (Low Noise Block Converter)
• Incluyen el LNA, conversor de frecuencia (con OL) y primer
amplificador de FI
CSAT 13
LNBs de tipo DUAL y QUAD
LNB DUAL
LNB QUAD
High band/V
High band/H
Low band/V
Low band/H
CSAT 14
7
LNBs de tipo Twin, Quad y Quattro
La polarización se controla con
una tensión continua (13/18 V), y
la banda de frecuencia se
selecciona con un tono de 22 KHz
[CENELEC: 61319-1].
CSAT 15
Cuadripolos en Cascada
G1, Te1
G2, Te2
Gm,Tem
G, Te
G = G1G2 LGm
Te = Te 1 +
Te 2
T
Tem
+ e 3 +L+
G1 G1G2
G1G2 LGm − 1
CSAT 16
8
Ruido total en el Receptor
TA
LNB
LNA
Mx
FI
Guía
OL
Antena
Guía
T
TA
L1, Te1
T =
LNB
Ampl. LNA
Mezclador
G2, Te2
L3, Te3
T
TA L1 − 1
+
T0 + Te 2 + e 3
L1
L1
G2
CSAT 17
Temperatura de Antena
La temperatura de ruido de una antena es la suma del ruido captado por
la antena:
TA =
1
4π
∫∫ G (Ω )T (Ω )dΩ
Donde G es la ganancia de la antena y T la temperatura equivalente de ruido
(temperatura de brillo) en la dirección del ángulo sólido elemental dΩ.
FUENTES DE RUIDO:
• Ruido terrenal debido a la temperatura del suelo
• Ruido producido por el oxígeno y vapor de agua de la atmósfera
• Ruido producido por la absorción de la lluvia
• Ruido galáctico, Sol, luna, etc.
• La Tierra vista desde el satélite es una fuente de ruido
CSAT 18
9
Temperatura de brillo (Rec. ITU-R P.372)
Fa en función de la frecuencia (108 a 1011 Hz)
2,9 × 10 6
40
2,9 × 10 5
30
D
2,9 × 10 4
20
A
Fa (dB)
C
0
2,9 × 10 2
E (0°)
B
t a (K)
2,9 × 10 3
10
2,9 × 10
– 10
E (90°)
F
– 20
2,9
2,9 × 10 –1
– 30
2,9 × 10 –2
– 40
10 8
2
A:
B:
C:
D:
E:
:
F:
5
2
5
10 9
(1 GHz)
Frecuencia (Hz)
10 10
2
5
10 11
Ruido artificial mediano en una zona comercial
Ruido galáctico
Ruido galáctico (en dirección del centro galáctico para un haz infinitamente estrecho)
Sol en calma (haz con ½ grado de abertura orientado hacia el Sol)
Ruido del cielo debido al oxígeno y al vapor de agua (antena de haz muy estrecho);
curva superior, ángulo de elevación 0°; curva inferior, ángulo de elevación 90°
Cuerpo negro (ruido de fondo cósmico), 2,7 K
Nivel de
ruido mínimo previsto
0372-03
CSAT 19
Ruido de antena en uplink
• El haz principal de la antena del satélite apunta a Tierra
bajo un ángulo de visión de 17.5º.
• La Tierra es una fuente de ruido a 290 K.
• Dependiendo del ancho de haz y la zona de cobertura, el
ruido de antena puede ser menor (por ejemplo, los
continentes son más ruidosos que los océanos).
• T=290 K (valor conservador).
4K
17.5º
290 K
4K
CSAT 20
10
Temperatura de brillo (cielo claro)
Satélites GOES 11 y 12
http://cimss.ssec.wisc.edu/goes/realtime/anicsbt_g12.html
CSAT 21
Temperatura de brillo de la Tierra
14 GHz (Modelo ESA/EUTELSAT)
Fuente: Maral
CSAT 22
11
Temperatura de brillo del Polo Sur
36.5 GHz (Satélite ERS-2)
Fuente: ESA
CSAT 23
Ruido de antena en downlink
• Las fuentes de ruido que llegan a los terminales de la antena
de Tierra son:
– Tcs: recibida por la antena en condiciones de cielo despejado. Se
debe a la Tª de fondo del Universo (TU~4ºK) y sobre todo a la
presencia de un medio absorbente (gases) alrededor de la antena
(TG). Se determina por la dirección del haz principal según curvas de
la ITU-R que representan la temperatura de brillo TB.
– Tg: recibida por los lóbulos laterales (Gi, Ωi), procedente del terreno.
Su valor depende de la elevación de la antena
– TFR: debida a fuentes de radiación (Tm y ángulo aparente α) si entran
por el haz principal (sobre todo, Sol y Luna).
– TRAIN: debida a la lluvia cuando la hay. Depende de la atenuación
producida ARAIN y de la temperatura del hidrometeoro Tm. La
atenuación ARAIN afecta a las componentes de ruido TCS y TFR.
CSAT 24
12
Mapas de temperatura de ruido (sky noise)
Fuente: www.nlsa.com
CSAT 25
Temperatura de ruido de la antena en Tierra
18m diameter antenna M odel 8018 from ViaSat
Banda C
Temperatura (K)
50
40
Banda C
30
20
10
0
5
10
15
20
30
Elevación (º)
6m diameter antenna Model 8060 from ViaSat (formerly Scientific
Atlanta)
Temperatura (K)
60
50
Banda Ku
40
30
20
Banda C
10
0
10
20
40
Elevación (º)
3.6m diameter antenna M odel 8136 from ViaSat (Offset geometry)
Temperatura (K)
35
30
25
Banda Ku
20
15
Banda C
10
5
0
10
20
30
40
Elevación (º)
CSAT 26
13
Ruido de antena en downlink con y sin lluvia
• Sin lluvia:
clear sky
Tant
= Tsky + Tground + Tindividuales
• Con lluvia:
La atenuación de lluvia
afecta a las componentes
de ruido procedentes del
cielo, pero no a las
procedentes de Tierra
Fuente: Maral
CSAT 27
Ruido de antena en downlink sin lluvia
• Contribución del cielo (Tsk)
– captada por el lóbulo prinicipal
– se puede asimilar la temperatura de brillo en la dirección de
apuntamiento
• Contribución de Tierra (Tg):
– Contribución captada por los lóbulos secundarios y
parcialmente el lóbulo principal, si la elevación es pequeña
• Contribución de fuentes individuales (Tindividuales):
– Contribución debida a fuentes individuales que se sitúan
cerca de la dirección de apuntamiento (Sol, luna)
CSAT 28
14
Temperatura de brillo en función de la elevación
Fuente: ITU-R P. 372-7
1 000
500
θ = 0°
200
5°
100
Temperatura de brillo (K)
10°
50
20°
30°
20
60°
90°
10
5
2
1
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Frecuencia (GHz)
0372-05
CSAT 29
Cálculo de la Temperatura de Antena
La temperatura de antena se define como:
TA =
1
4π
∫∫ G( Ω )T ( Ω )dΩ
Se puede aproximar el diagrama de antena por un haz principal, con eficiencia
de haz ηB , apuntando al cielo con temperatura Tsk y una envolvente de lóbulos
secundarios constante apuntando la mitad hacia el suelo a temperatura Tg y la
aproximadamente otra mitad mirando al cielo, como se indica en la figura.
1
(1 − η B )
2
TA = η B Tsk +
ηB
Tsk
1
(1 − η B )
2
Tg
1
2
⎧290 K
⎪150 K
⎪
Tg = ⎨
⎪50 K
⎪⎩10 K
,
,
,
,
El < −10º
− 10º < El < 0º
0º < El < 10º
10º < El < 90º
(1 − ηB )(Tsk + Tg )
CSAT 30
15
Temperatura de Cielo Claro
Teniendo en cuenta que todos los efectos de atenuación incrementan la
temperatura de antena, la temperatura de cielo claro puede aproximarse
como la suma de la temperatura del fondo del universo 4 K incrementada
por la absorción de gases de la atmósfera (vapor de agua y oxígeno).
Tcsk = 4 + Tm ⎛⎜ 1 − 10
⎝
−Ag
10
⎞⎟
⎠
Tm es la temperatura media (270 K)
55
50
45
40
Tcsk( El , 5 ) 35
f=17 GHz
Tcsk( El , 12 ) 30
Tcsk( El , 17 ) 25
f=12 GHz
20
15
f=5 GHz
10
5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
CSAT 31
Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09.El©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Temperatura de Antena en Cielo Claro
La temperatura de antena en condiciones de cielo claro será:
TAcsk = η B Tcsk +
1
2
(1 − η B )(Tcsk + Tg )
80
70
60
Tacsk( El, 5 )
f=17 GHz
Tacsk( El, 12) 50
Tacsk( El, 17)
f=12 GHz
40
30
f=5 GHz
20
0
10
20
30
40
50
El
60
70
80
90
CSAT 32
16
Incremento de la temperatura de ruido por lluvia
Si ARAIN es la atenuación de la lluvia en dB y Tm es la temperatura
media de la lluvia, el incremento de temperatura de antena
producido es de:
(
∆TRAIN = Tm ⋅ 1 − 10
− ARAIN
10
)
Tm = 260 K (nubes)
Tm = 280 K (lluvia)
CSAT 33
Temperatura de ruido con lluvia
T Arain =
)
(
Tsk
T
+ ∆Train + Tg = sk + Tm 1 − 10 − Arain / 10 + Tg
Arain
Arain
TAntenaDL
420
f=17 GHz
370
320
f=12 GHz
Ta( El , 40 , 0.7 , 32 , 5 )
270
Ta( El , 40 , 0.7 , 32 , 12 )
Ta( El , 40 , 0.7 , 32 , 17 )
220
f=5 GHz
170
120
70
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
El
CSAT 34
17
Incremento de la temperatura de ruido por Sol y Luna
Si el haz principal apunta al Sol o la Luna, el incremento de
temperatura de antena producido es de:
TFR
si α > BW−3dB
⎧Tn
2
⎪
=⎨ ⎛ α ⎞
⎜
⎟⎟
si α < BW−3dB
⎪Tn ⋅ ⎜ BW
−3 dB ⎠
⎩ ⎝
Tn,Sol=12000f -0.75 K, α=0.5º
Tn,Luna=200 a 300 K, α=0.5º
Si ARAIN es la atenuación de la lluvia en dB, el incremento de
temperatura de antena producido es de:
TFR ,RAIN =
TFR
ARAIN
CSAT 35
Paraboloide Centrado
Tsk
Alimentador
Spillover del
alimentador
Reflector
Tg
CSAT 36
18
Paraboloide Offset
Tsk
Alimentador
Spillover del
alimentador
Reflector
Tg
CSAT 37
Configuración Cassegrain
Subreflector hiperbólico
Tsk
Reflector
parabólico
Spillover del
alimentador
Alimentador
Tg
CSAT 38
19

Balance de enlace - Universidad Politécnica de Madrid

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