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CAPÍTULO 4

ANÁLISE DE ENLACES

O projeto de sistemas de comunicações via satélite é um processo complexo, envolvendo compromissos entre vários fatores para obter um desempenho máximo com um custo aceitável. Diversos fatores dominam o projeto, entretanto, de um sistema usando um satélite geoestacionário. Estes são: - o peso do satélite - a potência DC que pode ser gerada no satélite - a banda de frequência que pode ser alocada para a comunicação do satélite. - As dimensões máximas do satélite e as antenas de estação terrena - A técnica de múltiplo acesso usada para compartilhar a capacidade de comunicação

entre as estações terrenas.

O peso do satélite é limitado pelo custo do lançamento de uma espaçonave à uma distância de 36000 Km de altura em uma órbita geoestacionária, tipicamente 50.000 dólares para cada quilo. Isto efetivamente limita o tamanho do satélite e consequentemente o número de células solares que produzem a energia para o transmissor do satélite.

A densidade de fluxo da potência resultante na superfície da terra para um satélite de comunicação é em torno de –127 dBW/m2

. Uma DBS ( direct broadcast satellite ) usando um transmissor de 200 W e antena diretiva atinge o valor de –100 dBW/m2

Este é um valor de sinal muito fraco comparado com aqueles encontrados em enlaces terrestres de microondas. Neste capítulo vamos examinar como um sinal tão fraco pode ser usado para transportar diversos canais de telefonia.

Em geral é mais fácil e barato usar frequências mais baixas disponíveis. Entretanto, a largura de faixa é limitada em baixa frequência, e o sinal sofre mais interferência nestas frequências ( especialmente em 6/4 GHz ) onde existe um intenso uso por enlaces terrestres.

As frequências mais altas oferecem uma maior largura de faixa – 3.5 em 30/20 GHz, contra 1 GHz em 6/4 GHz, por exemplo – mas aparecem dificuldades de propagação acima de 10 GHz. Antenas de um dado diâmetro podem produzir um feixe estreito em frequências mais altas.

A banda de 6/4 GHz tem sido a mais popular porque ela sofre menos atenuação do sinal, causado problemas menores de propagação, além de já possuir componentes de RF disponíveis nesta faixa.

A atenuação do sinal pela chuva é o principal fator na seleção de uma frequência de RF: a atenuação devido ao hidometeoros não é fator determinante em comunicações via satélite para ângulo de elevação acima de 50 e frequências abaixo de 10 GHz. O ruído celeste é menor em 4 GHz, tal que é possível construir receptores com mais baixa temperatura de ruído em 4 GHz do que em 11 GHz.

Há frequentemente um grande número de estações terrenas compartilhando de um satélite e fornecendo várias conexões de percurso. A técnica de compartilhamento é chamada de múltiplo acesso e pode ser atingida pelo compartilhamento da faixa do transponder (FDMA) em faixas de frequência ou intervalos de tempo disponíveis

2

(TDMA). A terceira técnica de acesso múltiplo, ou espalhamento espectral, compartilha o transponder permitindo sinais codificados se sobreporem no tempo e na frequência. A estação terrena separa os sinais reconhecendo qual deles é destinado para cada estação. As técnicas de múltiplo acesso serão discutidas no próximo capítulo.

Todo sistema de comunicação pode ser projetado para encontrar um certo desempenho ótimo com limitações da potência de transmissão e largura de faixa de RF. O mais importante critério de desempenho é a relação sinal-ruído. A relação sinal-ruído de um sistema de comunicações depende de um número de fatores que são de fundamental importância tais como: relação portadora-ruído (C/N) de uma RF ou da FI no receptor, o tipo de modulação e a largura de faixa do canal em banda básica. 5.1 Teoria Básica de Transmissão

O cálculo da potência recebida por uma estação terrena a partir do transmissor colocado no satélite é fundamental no entendimento de uma comunicação via satélite.

Considerando uma fonte transmissora, no espaço livre, irradiando uma potência total Pt (W) uniformemente em todas as direções como mostrado na figura 5.1. Tal fonte é chamada de isotrópica, ela é uma idealização que não pode ser realizada fisicamente. Em uma distância R da fonte hipotética, o fluxo de potência através da superfície esférica de raio R é dada por,

2t

R4

PF

π= (5.1)

Figura 5.1 – Densidade do fluxo produzido por uma antena isotrópica

3

Na prática, usamos antenas diretivas que tem a capacidade de irradiar em uma dada

direção desejada. Uma antena de ganho G(θ) na direção θ, é definida pela razão da potência por unidade de ângulo sólido em uma dada direção pela potência média irradiada por ângulo sólido:

πθθ4/

)()(

oP

PG = (5.2)

onde , P(θ) é a potência irradiada por ângulo sólido pela antena teste Po é a potência total irradiada pela antena teste G(θ) é o ganho da antena em um ângulo teta

O ângulo de referência teta é usualmente tomado na direção na qual a potência máxima é irradiada. O ganho da antena é então o valor de G(θ) no ângulo θ = 0, e é uma medida do aumento na potência irradiada pela antena com respeito a uma antena isotrópica irradiando a mesma potência.

Para um transmissor com potência Pt (W), aplicada em uma antena sem perdas de ganho Gt, a densidade do fluxo de potência na direção da radiação máxima em uma distância R é dada por,

2tt

R4

GPF

π= (5.3)

O produto PtGt é muitas vezes chamada de potência irradiada isotropicamente

(EIRP), e ela descreve a combinação do ganho e da potência transmitida em termos de uma fonte isotrópica com potência PtGt (W), irradiando em todas as direções.

Se tivermos uma antena ideal com área de recepção A (m2), como mostrado na figura 5.2, podemos receber uma potência Pr(W), dada por, Pr =F.A (5.4)

4

Figura 5.2- Potência recebida por uma antena de área A

Na prática uma antena com abertura física Ar (m2), não irá receber uma potência

dada pela equação 5.4. A redução da potência recebida é expressa pelo cálculo da área efetiva da antena,

Ae = ηAr (5.5) Para uma antena parabólica

4

DA

2

rπ=

Onde η é a eficiência da antena, e D o diâmetro da abertura da parabólica.

A eficiência da antena leva em conta todas as perdas entre a onda incidente e a saída da antena: estas incluem as perdas de iluminação, desfocalização, ondulações da superfície da antena etc.

A potência recebida pela antena é dada por,

24Pr

R

AGP ett

π= (5.6)

Em teoria das antenas pode-se demonstrar que,

2

4

λπ e

r

AG = (5.7)

η

λπ=ηπ

λπ=

22

2rD

4

D.

4G

Substituindo em (5.6),

2

4

=R

GGPP rttr πλ

(5.8)

Definimos como perda no espaço livre Lp que á dada por,

2

pR4

L

λπ=

5

Esta equação é conhecida como fórmula de Friis em teoria da propagação e é de fundamental importância no cálculo de rádio enlace.

A perda no espaço livre não é uma perda no sentido de absorção da energia; ela representa uma diminuição da densidade de potência pelo espalhamento da energia emitida por uma fonte de transmissão. Colocando todos os fatores juntos temos, Potência recebida =(EIRP x ganho da antena receptora)/( perda no caminho) (5.9)

Em comunicação, o decibel é usado largamente para simplificar as expressões, neste caso a equação 5.9, fica como,

Pr = (EIRP + Gr – Lp) (5.10) onde

EIRP = 10 log10 (PtGt ) dBW Gr = 10 log10(4πAe/λ2) dB Lp = perda de transmissão no espaço livre = 20 log(4πR/λ)

Quando levamos em consideração outros fatores de atenuação tais como chuva etc. a equação 5.10, pode ser escrita como,

Pr = EIRP +Gr – Lp – La – Lta – Lra (dBW) (5.11) onde La = atenuação atmosférica (chuva, gases, etc.) Lta= perda associada com a antena transmissora Lra = perda associada com antena receptora

A figura 5.3 ilustra os termos da equação 5.3. a expressão dBW significa decibel maior ou menor do que 1 W( 0 dBW). A unidade dBW e dBm (dB maior ou menor do que 1 mW) são largamente usadas em comunicações.

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Figura 5.3 – Ilustração de um enlace via satélite Exemplo 5.1 Um satélite em uma distância de 40.000 km de um ponto da superfície da terra irradia uma potência de 2 W de uma antena de ganho de 17 dB na direção do observador. Ache a densidade de fluxo no ponto de recepção, e a potência recebida por uma antena com área efetiva de 10 m2. r = 40000 km pt = 2w Gt = 17 DB Ae = 10 EIRP = Pt + Gt = 10log(2) + 17 = 20 PFD = EIRP -20log(40000*103) – 10,99 = -143dB(w/m2) pfd = 10^(-143/10)= 5,01187E-15

( ) ett

err Ar

gpApfdp

2..4.

π== =pfd*10 = 5,01187E-14 watts

Usando a equação (5.3),

215

27/1097,4

)104(4

502

4mWx

x

x

R

GPF tt −===

ππ

A potência recebida com área efetiva de 10 m2 é dada por, Pr = 4,97x10-14 W

F = 10 log10(PtGt) – 20 log10(R ) – 11,0 dB

= 20 – 152 – 11 = -143 dBW/m2

7

Exemplo 5.2 O satélite do exemplo 5.1 opera na frequência de 11 GHz. A antena receptora possui um ganho de 52.3 dB. Ache a potência recebida, considerar apenas as perdas no espaço livre. Pr = EIRP + Gr – perda no espaço livre (dB) EIRP = 20 dBW Gr = 52,3 dB Perda no espaço livre = 20 log10( 4πR/λ) = 205,3 dB Pr = 20 + 52,3 –205,3 = -133 dB 5.2 Temperatura de Ruído do Sistema e G/T Temperatura de ruído A temperatura de ruído é um conceito muito útil em telecomunicações, desde que fornece uma maneira determinar como o ruído térmico é gerado por elementos ativos e passivos no sistema de recepção. Em microondas todos os objetos com temperatura física, Tp, acima de 0 K gera ruído elétrico no receptor. A potência de ruído é dada por,

Pn = kTnB (4.12)

onde, k = constante de Boltzmann = 1,38.10-23 J/K = -228,6 dBW/K/Hz Tn = temperatura de ruído da fonte em Kelvins B = largura de faixa da potência medida em hertz Pn é a potência de ruído disponível

O termo kTn é a densidade espectral de ruído, em watts por Hz. Ela é constante em todas as frequências até 300 GHz.

Em comunicações via satélite trabalhamos com sinais de muito baixa intensidade porque as distâncias envolvidas são muito grandes. Consequentemente há uma necessidade de reduzir o nível de ruído no receptor afim de produzir uma boa ralação sinal-ruído.

Em estações terrenas de grande porte isto pode ser feito resfriando o receptor em hélio liquefeito à uma temperatura de 4 K. Temperatura de 70 até 200 K pode ser obtida com amplificadores GzAsFET ou amplificadores paramétricos. Para determinar o

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desempenho de um sistema precisamos determinar a temperatura equivalente de ruído do receptor, Ts.

Ts é a temperatura de ruído de uma fonte localizada na entrada de um receptor sem ruído, o qual produz a mesma potência de ruído do receptor original, medida na saída do receptor.

A temperatura equivalente de ruído da fonte Ts é usualmente localizada na entrada do receptor. Se o ganho total do sistema ( RF e FI ) for G e a largura de faixa for B, a potência de ruído na entrada do demodulador é,

Pn = kTsBG (5.13)

Seja Pr a potência entregue na entrada do receptor na seção de RF. A potência do sinal na entrada do demodulador é PrGr, que representa a potência contida na portadora e nas bandas laterais após a amplificação e conversão de frequência. A relação portadora-ruido no demodulador é dada por,

C/N = (PrG)/(kTsBG) = Pr/(kTsB) (5.13) 5.2.1- Cálculo da Temperatura de Ruído do Sistema

A figura 5.4 mostra um receptor de comunicações comum em amplificador de RF e um único conversor de frequência.

Figura 5.4 – Receptor da estação terrena O circuito equivalente da figura 5.5 pode ser usado para representar este receptor. O dispositivo sem ruído é substituído por uma fonte de ruído com temperatura Ts, mais um

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amplificador de sem ruído e conversor de frequência. A potência de ruído total na saída do amplificador de FI é dada por,

Pn = GFIkTFIB + GFIGmkTmB + GFIGmGRFkB(TRF +Tin) (5.15)

Figura 5.5 a- Circuito equivalente do receptor.

Figura 5.5 b- Circuito equivalente do receptor. Todas as unidades de ruído foram

substituídas por um amplificador sem ruído.

Onde GFI,Gm,GRF são ganhos do amplificador de FI, misturador, e amplificador de RF. TFI, Tm e TRF são temperatura de ruído equivalente. Tin é a temperatura de ruído da antena, medida na entrada do receptor.

A equação 5.15 pode ser escrita como,

10

+++=

+++=

RFm

FI

RF

minrfRFmFIinRF

RF

m

FIm

FIRFmFIn GG

T

G

TTTkBGGGTTkB

G

kT

GG

BkTGGGP )(

(5.16)

Uma fonte de ruído, com temperatura de ruído Ts, pode gerar a mesma potência de ruído Pn na saída do amplificador de FI, se GFIGmGRFkTsB = Ps (5.17) Então

+++=

RFm

FI

Rf

minRFs GG

T

G

TTTkBBkT

Ou

+++=

RFm

FI

RF

minRFs GG

T

G

TTTT (5.18)

Chamando Te a temperatura equivalente de ruído apenas do receptor, isto é, TS = Tin + Te

ou ainda,

m FIe RF

RF m RF

T TT T

G G G

= + + +

(5.18)

Exemplo Suponha um receptor conforme a figura 5.4 funcionando em 4 GHz com os seguintes ganhos e temperatura de ruído:

Tin = 50K GRf = 23 dB TRF = 50K Gm = 0 dB Tm = 500 K GFI = 30 dB

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TFI = 1000 K Calcule a temperatura de ruído do sistema. A temperatura de ruído do sistema é dada por,

+++=

RFm

FI

RF

minRFs GG

T

G

TTTT

Ts = ( 50 + 50 + 500/200 + 1000/20) = 100,75 K Se o misturador tem uma perda, como de usual , o efeito do amplificador de FI pode ser maior: suponha que Gm = -10 dB, isto é Gm = 0.1, então Ts = ( 50 + 50 + 500/200 + 1000/20) = 152, 5 K

Um cabo coaxial produz ruído que é função da temperatura física do cabo. A temperatura equivalente de ruído na saída do cabo é dada por,

)G1(TA

11TT pp l

l

l−=

−=

Onde, A l é a atenuação do cabo dada em valor absoluto; Tp é a temperatura física do cabo; Gl é o dado por,

l

l A

1G =

Quando um cabo é colocado entre a antena e o amplificador de RF, ele produz um ruído adicional na entrada do amplificador de RF que é somado ao ruído proveniente da antena. Neste caso a temperatura na entrada do amplificador de RF é dada por,

Tin =Gl.Ta + Tp.(1-Gl)

Onde Ta é a temperatura da antena. Exemplo 5.4 No exemplo ilustrado anteriormente, um guia de onda com perda é inserida entre a antena e o amplificador de RF. Ache a nova figura de ruído do sistema. Seja um guia de onda com perda Al= 2 dB =1,58 ( Gl = 1/ Al = 1/1.58 = 0.63). O guia de onda atenua o ruído enviado através dele e adiciona ruído gerado pela sua perda ôhmica. O gerador de ruído equivalente que representa o guia de onda tem uma temperatura de ruído Tl onde Al = 2dB

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Al = 1,58

)G1(TA

11TT pp l

l

l−=

−=

l

l A

1G =

Onde Gl é o ganho( no caso perda ) do dispositivo atenuador, e Tp é a temperatura física de perda do dispositivo. Então para Gl = 0,63 e Ta = 50K e Tp = 290K.(assumido) Tin = Gl Ta + Tp(1 – Gl) Tin = 31,5 + 107,3 = 138,8 Ta é a temperatura equivalente de ruído na entrada da antena ou seja a temperatura externa mais a temperatura da antena. Usando a expressão,

+++=

RFm

FI

RF

minRFs GG

T

G

TTTT

Ts = ( 50 + 138,8 + 500/200 + 1000/20) = 196,3 K

Esta é a temperatura de ruído na entrada do LNA devido a antena e o guia de onda. A

inserção da perda no espaço livre aumenta a temperatura de ruído do valor de 107,5 K para 196,3 K, medida na entrada do LNA.

Desde que a perda no guia de onda reduz o sinal de 2 dB, a razão portadora-ruído cairá de 4,6 dB, sendo um aumento substancialmente maior que a redução causada pela atenuação sozinha. A temperatura de ruído pode ser transladada para a saída da antena dividindo Ts, por Gl. Esta transferência é equivalente a um gerador de ruído da entrada do LNA ao terminal de saída da antena, onde o ganho da antena é usualmente dado.

No exemplo acima, a temperatura de ruído do sistema com respeito ao terminal da antena é dada por, 196/0,63 = 311,6 K.

Nota-se que quando a temperatura de ruído do sistema é baixa, cada 0,1 dB de atenuação do amplificador de RF adicionará 7 K a temperatura de ruído do sistema. (Usando a fórmula 5.22 com Tp = 290 K, Gl = -0,1 dB = 0,977, Tl = 290x0,023 = 6,6 k). Em sistemas de baixo ruído ele é importante para manter a perda do amplificador de RF à um mínimo absoluto. 5.2.2- Figura de Ruído A figura de ruído é frequentemente usada para especificar o ruído gerado internamente em um dispositivo. A figura de ruído é definida como,

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NF = (S/N)in/(S/N)out (5.18) Como a temperatura de ruído é relacionada à figura de ruído NF por, Td = T0(NF – 1) (5.19) Onde T0 é a temperatura padrão.(290 K) Exemplo – Um amplificador tem uma figura de ruído igual à 2,5 dB. Qual é sua temperatura de ruído? Usando a equação (5.19) Td = 290(1,78 –1) = 226 K 5.2.3- A Relação G/T para Estações Terrenas A equação de um enlace pode ser escrita em termos de (C/N),

2

( / )4

t t r

s

PG GC N

kB R T

λπ

= ( 5.20 )

Então (C/N) é proporcional à Gr/Ts. A relação Gr/Ts pode ser usada parra especificar a qualidade da estação terrena, desde que um aumento em Gr/Ts irá causar também um aumento em (C/N). A relação Gr/Ts é normalmente chamada de figura de mérito do receptor, e um valor prático para esta relação é 40,5 –1, em 4 GHz e 5o de ângulo de elevação. Exemplo – Uma antena de uma estação terrena tem diâmetro de 30 m, eficiência de 68 %, e recebe um sinal de 4150 GHz. Nesta frequência a temperatura de ruído do sistema é de 79 K quando a antena está apontada com um ângulo de elevação de 28º Qual é o valor da relação G/T da estação terrena ? Se uma chuva causa um aumento na temperatura tal que chega a temperatura de ruído do sistema à 88K, qual é a relação G/T? Solução.

2

4

λπη A

G r =

14

em 4150 MHz, λ = 0.0723 m. Então,

2

.30.0,68

.00723rGπ =

= 60,6 dB Convertendo em Ts, Ts = 10log79 = 19,0 dBK-1

G/T = 60,6 – 19,0 = 41,6 –1

Se Ts = 88 K com chuva pesada, G/T = 60,6 – 19,4 dBK-1

5.3 Projeto do Enlace de Descida Qualquer enlace de comunicação via satélite precisa ser projetado com os objetivos 1- Garantir a continuidade do enlace para uma dada porcentagem de tempo com uma dada

S/N. 2- Transportar um determinado número de canais mantendo um custo baixo. O primeiro objetivo nos dá um valor mínimo de (C/N) em uma dada porcentagem de tempo, é necessário usar técnicas de modulação e tratamento de sinais, para melhorar S/N. O segundo objetivo traz uma série de compromissos entre o custo da antena, o custo do receptor, sistema de rastreamento e etc. 5.5. Enlace de Descida do Intelsat IV Para termos uma ideia do nível do sinal e dimensões da antena, vamos considerara o projeto do enlace do Intelsat IV, como mostrado na figura 5.6

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Figura 5.6 – Intelsat IV Os principais parâmetros do Intelsat IV estão dados na tabela 5.1. Para um transponder operando com uma antena em feixe global, o ganho no contorno do feixe é de 16 dB; a potência de saída do transponder é de 8 dB, sendo a EIRP = 24 dBW. A largura de faixa do transponder é de 36MHz e a frequência do enlace de descida é de 3,7 até 4,2 MHz. Assumindo uma distância de 40.000 Km, a densidade de fluxo na superfície da terra é de, F = ( PtGt)/(4πR

2) = EIRP (dBW) – 20 log10(4.107) – 11( dBW/m2) = -139 dBW/m2. Tabela 5.1 – INTELSAT IV Tempo de vida 7 anos Tamanho do corpo 2,38 m de diâmetro x 2,82 m altura Altura total 6,98 m Peso total 818 Kg Configura da antena: Gobal 1 Tx w 1 Rx (corneta) Spot 4: NW, NE, SW, Tx somente Hemisférica 2: W, E, Tx, W, E, Rx TT&C Toroidal duplo modo feixe bicônico Célula solar: Área 20,5 m2

Potência DC 596 W (final de vida)

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Taxa de rotação: 45-75 rpm Precisão de apontamento 0,35o feixe global Beacons 0,1o spot beams Designação de frequência Enlace de subida 5925 – 6425 MHz Enlace de descida 3700 – 4200 MHz Polarização: Recepção global LHCP Transmissão global RHCP Recepção hemi/spot LHCP Transponder: Número 20 on line e 12 de reserva Largura de banda (por transponder) 36 MHz Potência de saturação de saída (por transponder) 6,3 W 98 dBW) Antena: Global 18,5 dB Hemi 22,7 dB Spot 25,7 dB EIRP: Global 22 dBW Hemi 22,7 dBW Spot 29 dBW G/T do receptor: Global -17,6 dB/K Hemi -11,6 dB/K Densidade do fluxo de saturação: Contorno do feixe, enlace de subida

-75,0 até –67,5 dBW/m2

Capacidade por transponder: FDMA/FM 450 canais SPADE/TDMA 800 canais Um TV (30 MHz) S/N = 54 dB Dois TV (17,5 MHz cada) S/N = 49 dB FDM/FM/FDMA 600 feixe hemi FDMA/FM/FDMA 700 canais Capacidade total do satélite: 12.500 canais em FDM/FM/FDMA

800 canais SPADE um ou dois canais de TV

Banda usada: 800 MHz canais com reuso espacial

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de frequência em hemi e spot beams O CCIR tem limitado o valor da densidade de potência F na superfície terrestre devido ao satélite na faixa de 3,7 até 4,2 MHz , para prevenir a interferência com canais terrestres. O valor máximo, Fmax, em qualquer slot de 4 KHz, para um ângulo de elevação θ é, F = -152 + θ /15 (dBW/m2) Considerando um sistema funcionando em 4 GHz e ângulo de elevação de 5o, Ta= 50 K, Ts = 70 K, podemos calcular a potência de ruído em decibels. Constante de Boltzmann, K = -228,6 dBW/K/Hz Temperatura de ruído, Ts = 18,4 dBK Largura de faixa = 36 MHz

N = - 134,6 dBW Para manter uma comunicação satisfatória (C/N) precisa ser superior a um certo limiar sobre certas condições; para um sistema usando FM, este valor varia entre 4 dB até15 dB. Para um sistema usando PSK o valor típico para C/N é de 8 dB até 15 dB. Em um sistema Intelsat, usando FM e banda de 36 MHz este valor é de 11 dB. A margem do sistema é de 7 dB para prever problemas nas comunicações e perdas nos equipamentos. 5. 5 Sistema Doméstico Usando Pequena Estação No sistema anterior (Intelsat IV) nós analisamos um sistema com uma antena de 26 m e temperatura do LNA de 20 K, com uma relação de (C/N) = 18 dB. Antena e sistemas deste tipo são muito caras, custando as vezes milhões de dólares. Há algumas situações que necessitamos usar o satélite com apenas um ou dois telefones ou uma T.V., e precisamos usar antenas de baixo custo. Sistemas DBS ( Direct Broadcast Television ) O sistema DBS tem como objetivo receber televisão diretamente do satélite, como é o caso do BRASILSAT. Neste caso para compensar a redução do tamanho será necessário aumentar a potência de transmissão. Um sistema DBS típico é mostrado na tabela 5.5, onde a potência de transmissão por canal é de 200 W.

TABELA 5.2 – Potência e ruído para um sistema típico DBS Satélite DBS

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A potência de transmissão por canal é de 200 W com uma zona de cobertura de 3o x 2o de um satélite geoestacionário (200 Km x 1400 Km de área) na frequência de 12,2 GHz. Potência de transmissão por canal 200 W Ganho da antena transmissora 37 dB EIRP/canal do satélite 60 dB Tamanho do percurso 38.000 Km Perda com céu claro 0,5 dB __________________ Densidade do fluxo (F) -103,0 dBW Estação Receptora Diâmetro da antena 0,7 m Eficiência 60% Área efetiva de abertura de recepção 0,24 m2

__________________ Potência recebida (FAe) -109,2 dbW Perdas Zona de cobertura no contorno da estação -3 dB Perdas de polarização -0,5 dB Erro de apontamento da antena receptora -1 dB Perdas no receptor antes do LNA -1 dB _________________ -114,7 dBW Potência de Ruído Constante de Boltzmann -228,6 dBW/K/Hz Temperatura de ruído do sist. de recepção (700K) 28,5 dBK Largura de faixa do canal de FI (27 MHz) 74,3 dBW ________________ Potência de ruído (N) -125,8 dBW Valor de (C/N) para o pior caso 11,1 dB Margem sobre limiar de C/N de 9 dB 2,1 dB

Enlaces de Baixa Capacidade Até 1970 grande parte das comunicações marítimas eram feitas na faixa de HF. Após 1970 as comunicações marítimas começaram a ser feitas através do sistema Marisat e Inmarsat. Como estes sistemas são usados para transmissão de voz e dados a faixa exigida não é grande podendo trabalhar em frequências mais baixas. As frequências usadas neste tipo de serviço são de 1530 até 1544 MHz e de 1626,5 até 1646 MHz.

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A figura 5.9 mostra de maneira geral o funcionamento do Inmarsat. O enlace entre a estação terrena e o satélite é feita em 6/4 GHz.

Figura 5.7 Sistema marítimo A densidade de potência é dada por,

2tt

R4

GPF

π= (5.22)

A potência recebida é,

2ett

R4

AGPC

π= (5.23)

Sendo,

)4/D(AA 2re πη=η= (5.24)

A tabela 5.6 - ilustra um caso típico de um sistema marítimo.

1. Enlace de Descida (Satélite-embarcação)

20

Banda de frequência 1535 – 1543,5 MHz Faixa de RF 2,0 MHz Número de canais 40 Banda do canal de RF 30 MHz Potência de saída do transponder 10 W Potência por canal de RF 0,25 w = - 6dBW Ganho da antena do contorno da região de cobertura 17 dB Perda no espaço livre (38000 km) 187,5 dB G/T da estação terrena -4 dBk-1

C/T para o sinal recebido -180,5 dBW/Hz;K-1

Constante de Boltzmann -228,6 dBW/Hz/K-1

KB, para o receptor com banda de 20 KHz -185,6 dBwK-1

C/N = C/(kTB) 5,1 dB 2. Enlace de subida ( embarcação- satélite) Banda de frequência 1635,5 - 1645 MHz Faixa de RF 2,0 MHz Número de canais 40 Banda do canal de RF 30 MHz EIRP( 10 W, 2m) 37 dBW Perda no Espaço livre ( 1640MHz) 188,3 dB Ganho da antena no contorno da região de cobertura 16 dB Potência no satélite C = -135,3 dBW Temperatura de ruído do satélite 27 dBK Banda do canal de RF 44,8 dBW/Hz K, constante de Boltzmann -228,6 dBW/Hz/K Potência de ruído no transponder N= -156,8 dBW (C/N) por canal no transponder 21,5 dB 5.6 Projeto do Enlace de Subida O projeto do enlace de subida é mais fácil de projetar do que o enlace de descida. Uma das facilidades está relacionado à potência de transmissão da estação terrena, onde existe abundância de energia, o que não ocorre no satélite. Na banda L ( 1000 – 2000 MHz) onde funciona o sistema marítimo, os amplificadores funcionam com potência de 50 W e o custo não é tão alto como no caso de frequências de 14 ou 30 GHz. Para o caso do Intelsat IV o transponder opera em FDMA com densidade de potência de –73,7, dBW/m2 até –67,5 dBW/m2, dependendo do ganho do transponder. Se assumirmos que a densidade é de –73,7 dBW/m2 e a distância de 40 000 Km (5o de ângulo de elevação), usando a equação 5.1, podemos estabelecer para o enlace de subida, Densidade -73,7 dBW/m2 Perda no percurso 153 dB Constante (4π) 11 dB

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EIRP 89,3 dBW

O ganho da antena da estação terrena é de 60 dB em 6 GHz, e a potência exigida será de 29,3 dBW ou 900 W. Com uma antena de pequeno diâmetro é necessário ter uma potência maior para obter a mesma EIRP. Como uma antena de maior diâmetro possui uma largura de feixe maior, haverá maior interferência do sinal em um satélite vizinho. Há uma exigência para o ganho da antena transmissora afim de minimizar a interferência o FCC estabelece que, G(teta) é o ganho da antena, e teta o ângulo entre a direção e o eixo da antena, como mostra a figura 5.8.

Figura 5.8 – Especificação do CCIR para o diagrama da antena de transmissão. Exemplo 5.5 O transponder para um satélite tem ganho de 127 dB e uma potência nominal de saída na saturação de 5 W. Uma antena receptora em 14 GHz possui ganho de 26 dB e cobre a Europa Ocidental. Calcular a potência de saída do enlace transmissor de subida que dará uma potência de saída de 1 W do transponder do satélite na frequência de 14,45 GHz quando a antena da estação terrena tem ganho de 50 dB e há uma perda de 1,5 dB nos guias de ondas entre o transmissor e antena. Assuma que a atmosfera introduz uma perda de 0,5 dB em um céu claro e a estação terrena está localizada em um contorno de – 2 dB da antena de recepção. Se a atenuação devido à chuva é de 7 dB em 0,01% do tempo no ano, qual a potência de saída exigida ao transmissor para garantir que uma saída de 1W pode ser obtida do transponder do satélite para 99,99% do ano? A potência de entrada exigida pelo transponder é a potência de saída dividida pelo ganho do receptor do transponder,

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Pin= 0dB –127 dB = -127 dBW Pela equação 5.11, Pr = Pt + Gt + Gr - Lp – La – Lta – Lra

Arranjando e colocando as perdas apropriadas,

Pt = Pin – Lp - Gt - Gr + Lwg + Lat + Lpt

Onde Lwg é a perda no guia de onda , Lat é a perda atmosférica e Lpt é a perda de apontamento. Assumindo a distância de 38 500 Km.

Pt = -127 dBW + 207,2 –50 – 26 – 1,5 + 0 + 2,0 Pt = 7,2,dBW ou 5,2 W Se admitirmos uma margem de 7 dB para compensar o desvanecimento, Pt,chuva = 7,2 + 7 = 14,2 dBW Ou 26,3 W 5.7 Projeto de um enlace para uma Relação (C/N) especificada Especificação de (C/N) O fator limitante para (C/N) é o efeito de limiar no demodulador. Em sistemas analógicos e digitais há uma relação entre (S/N) ou BER da saída do demodulador com IC/N) da entrada. A saída de (S/N) após o demodulador é dada por, (S/N)out = (C/N)in + melhoria do FM A melhoria do sistema FM é a principal razão por usá-lo ao invés do sistema AM. Esta melhoria será analisada no capítulo 5, que depende do tipo do demodulador r usado. Na figura 5.9, apresentamos dois tipos (FM e PSK) de curvas que relacionam (S/N) e BER com (C/N).

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Figura 5.9 - (a) Característica do demodulador FM. O limiar está em 10 (C/N). (b) Característica do demodulador PSK típica. Limiar de 10-6 BER está em 12,6 dB (C/N).

O limiar em um demodulador FM é definido como o nível (C/N) no qual a relação (S/N) na saída do demodulador desvia da relação linear da equação 5.32 de dB. Problemas 1. Um satélite emite uma onda CW de11,7 GHz e está localizado à 38 000 km de distância

da estação terrena. A potência de saída é de 200 W, e alimenta uma antena com 18,9 dB de ganho. A estação terrena possui uma antena de 12 pés de diâmetro e tem uma abertura com eficiência de 50 %.

a- calcular a EIRP do satélite em W, dBW, e dBm b- Calcular o ganho da antena receptora em dB c- Calcular a perda no percurso em dB d- Calcular a potência do sinal recebido em W,nW e dBm. 2. Se a temperatura de ruído da estação terrena do problema 1 é 1250 K , determinar:

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a – O valor de G/T da estação terrena em dBK-1

b – A potência de ruído em de ruído em uma banda de 100 MHz em dBm c- A relação portadora ruído em dB na banda de ruído de 100 MHz 3. Uma estação terrena entrega ao sistema de recepção uma potência de -119 dBm. A

antena possui uma temperatura de ruído de 68 K. Seguindo a antena há um guia de onda com perda de 1 dB e temperatura física de 295 k. a saída do guia de onda é conectado ao um amplificador GaAsFET com uma figura de ruído de 4 dB e ganho de 25 dB. Seguindo o amplificador há um mixer com figura de ruído de 12 dB. Calcular:

a- A temperatura de ruído do amplificador GaAsFET b- A temperatura de ruído do misturador c- O efeito da temperatura de ruído do guia d- A temperatura de ruído total do receptor referenciada à saída da antena e- A temperatura total de ruído do receptor referenciada à entrada do GaAsFET f- A relação portadora-ruído para uma faixa de 200 MHz. 4. Um satélite transmite um sinal de TV em FM na faixa de 36 MHz com uma portador de

34 dBW de EIRP. Assumindo uma distância de 40 000 km e a freqüência central de 3 700 GHz, determinar a relação (C/N) em decibels para todos as combinações do parâmetros C

a- Diâmetro das antenas 3;4,5 e 6m ( todas tendo uma eficiência de 55 %) b- A temperatura de ruído – 90 K c- A temperatura de ruído 120, 150 e 170 K. Desprezar a perda nos guias de onda. 5. Um receptor possui um diagrama que é mostrado na figura abaixo. Calcular o G/T em

dBK-1 referido à porta de saída da antena. A freqüência de operação é de 2800 MHz.

6. Intelsat V funcionando em 14 GHz tem um receptor com G/T de 3,3 dBk-1 e densidade

de fluxo de saturação de –80,3 dBW/m2. O transmissor possui uma freqüência de 11 GHz e uma EIRP de 45.4 dBW. A largura de faixa do transponder é de 72 MHz, centrada em 14,205 GHz e 11,155 MHz para freqüências de subida e descida, respectivamente. O satélite usa uma faixa de 72 MHz em um enlace entre duas estações terrenas. Assuma que ambos os enlaces de subida e descida tenham uma distância de 40 000 km . As antenas de transmissão e recepção usam antenas de 4 m de diâmetro, e a estação terrena tem um temperatura de ruído( que inclui a temperatura de ruído da antena) de 120 K.

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Ambas as antenas possuem uma eficiência de 60 %. O enlace opera com um backoff na entrada e saída do satélite de 4 dB. Determine o seguinte: a- A EIRP do transmissor do enlace de subida e descida do satélite em W e dBW. b- A relação portadora-ruído do enlace de subida em dB (C/N)ts

d- A relação portadora-ruído do enlace de subida (C/N)es em dB e- A relação portadora-ruído total (C/N)e em dB