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Carlos Nazareth Motta MarinsEstudo Analtico e Numricode um Enlace Digital deComunicao via Satliteem condio orbitalGeoestacionria2004Dissertao de MestradoInatelInstituto Nacional de TelecomunicaesFOLHA DE APROVAODissertao defendida e aprovada em _____ /_____ /_____, pela comisso julgadora:____________________________________________________________________Prof. Dr. Maurcio SilveiraDTE/INATEL____________________________________________________________________Prof. Dr. Luiz Carlos KretlyDMO/FEEC/UNICAMP___________________________________________________________________Prof. Dr. Adonias Costa da SilveiraDTE/INATEL___________________________________________________________________Coordenador do Curso de MestradoProf. Dr. Adonias Costa da SilveiraCARLOS NAZARETH MOTTA MARINSDissertaoapresentadaaoInstitutoNacionaldeTelecomunicaes, como parte dos requisitos para obteno do Ttulode Mestre em Engenharia Eltrica.ORIENTADOR: Prof. Dr. Maurcio SilveiraSanta Rita do Sapuca2004DEDICATRIA.AoMeuBomDeusquesemprefazomelhorpormimeporminhafamlia,nos dando fora e energia para vencer os desafios.minhamulherAdrianaquesempremeacompanhanosmomentosimportantes da vida, com carinho, dedicao e amor e a minha filha Maria Eduardaque me traz paz e muito amor.Aosmeuspais,CarlosNazaretheMariadeLourdesportodososensinamentos que, com muito amor, recebi ao longo da vida e a minha irm Litianepelocarinhoeatenoquesempremedispensouepelapessoaespecialquenaminha vida.AGRADECIMENTOS.Agradeo ao meu grande amor Adriana pelo companheirismo e compreensoe a minha filha Maria Eduarda pelos momentos de alegria e divertimento. Ao longodeste trabalho foram vocs a grande fonte de inspirao.AgradeoaoProf.MaurcioSilveiraportodasuadedicaoevalorosaorientaonaexecuodestetrabalho.Foramdegrandeimportnciaosensinamentostcnicosnaelaboraodestadissertao.ComoumgrandeMestreeAmigo,ultrapassouoslimitesacadmicosemetrouxegrandesensinamentosdevida.Ao INATEL por toda sua estrutura de trabalho e pelo apoio dado atravs doplano de capacitao de docentes. com muito orgulho que fao parte desta equipededicada ao engrandecimento de nosso Brasil.Aos professores de graduao e mestrado pela grande colaborao em minhacarreira. Aos alunos de iniciao cientfica e ao amigo Andr Luis Eliseu Arajo quetanto me ajudou nos programas desta tese.Finalmente,agradeoaDeuspelolardeamor,carinhoecomunhoconstitudopelosmeuspaisCarlosNazaretheMariadeLourdes.Soelesobomexemplo,paraminhacaminhadacomomarido,pai,irmo,amigo,profissionalecidado."No basta ter os meios e a vontade. preciso produzir resultados e medi-los."Zilda Arns.SUMRIOLista de Figuras.................................................................................................. iLista de Smbolos................................................................................................ viLista de Siglas..................................................................................................... xResumo................................................................................................................ xiiiAbstract............................................................................................................... xivCaptulo 1 Introduo........................................................................................11.1. Composio da dissertao...........................................................................1Captulo 2 Estaes Terrenas em Comunicaes Via Satlite com rbitageoestacionria............................................................................. 42.1. Introduo .....................................................................................................62.2. Configuraes bsicas das estaes .............................................................82.3. Antenas empregadas nas estaes terrenas...................................................92.3.1. Antenas Prime-Focus................................................................................. 102.3.2. Antena Prime-Focus com montagem off-set.............................................. 112.3.3. Antena Casegrain....................................................................................... 122.3.4. Antena Gregoriana..................................................................................... 152.3.5. Parmetros eltricos das antenas................................................................ 172.3.5.1. Polarizao.............................................................................................. 172.3.5.2. Diagrama de irradiao........................................................................... 202.3.5.3. Diretividade e Ganho.............................................................................. 212.3.5.4. Temperatura de Rudo............................................................................. 242.3.5.5. Banda de operao e impedncia............................................................ 252.4. Modulao e demodulao............................................................................ 272.4.1. Modulao FM em sistemas analgicos..................................................... 272.4.2. Modulaes digitais.................................................................................... 292.5. Equipamentos de transmisso....................................................................... 312.6. Equipamentos de recepo............................................................................ 33Referncia Bibliogrfica...................................................................................... 36Captulo 3 Tcnicas de Mltiplo Acesso em Comunicao Via Satlite........ 373.1. Introduo .....................................................................................................373.2. Mltiplo Acesso por Diviso de Freqncia.................................................413.2.1. FDM-FM-FDMA....................................................................................... 413.2.2. TDM-PSK-FDMA..................................................................................... 443.2.3. Transmisso de Sinais de Som e Imagem para TV e Rdio....................... 453.2.4. Sistema INTELSAT SCPC........................................................................ 483.2.5. Sistema de Alocao por Demanda FDMA............................................... 493.3. Mltiplo Acesso por Diviso de Tempo....................................................... 523.4. Comparao das tcnicas FDMA e TDMA.................................................. 553.4.1. Capacidade de Transmisso nos Sistemas FDMA..................................... 553.4.2. Capacidade de Transmisso nos Sistemas TDMA..................................... 563.4.3. Atraso no envio das mensagens em FDMA e TDMA............................... 573.5. Tcnicas de Mltiplo Acesso Empregando Algoritmos com ProcessoAleatrio........................................................................................................593.5.1. ALOHA...................................................................................................... 593.6. Desempenho das Tcnicas de Mltiplo Acesso Empregando Algoritmoscom Processo Aleatrio.................................................................................643.7. Concluso...................................................................................................... 68Referncia Bibliogrfica...................................................................................... 70Captulo 4 Anlise do Comportamento No Linear do Transponder deSatlite, como Repetidor de Sinais de Rdio Freqncia............ 714.1. Introduo .....................................................................................................714.2. Representao da funo de transferncia dos transponders atravs dassries de Taylor ............................................................................................734.2.1. Funo caracterstica de transferncia do transponder.............................. 734.2.2. Anlise do comportamento quadrtico....................................................... 744.2.3. Anlise do comportamento cbico............................................................. 774.2.4. Ponto de Compresso de 1dB..................................................................... 794.2.5. Produtos de intermodulao de ordens elevadas........................................ 814.2.6. Converses AM-AM e AM-PM em amplificadores no lineares.............. 844.3. Determinao dos nveis de intermodulao................................................. 864.3.1. Lema da no coincidncia.......................................................................... 864.3.2. Produtos de intermodulao com duas portadoras..................................... 884.3.3. Produtos de intermodulao com trs portadoras...................................... 904.3.4. Produtos de intermodulao com cinco portadoras.................................... 924.3.5. Produtos de intermodulao com N portadoras......................................... 934.4. Concluso...................................................................................................... 94Referncia Bibliogrfica...................................................................................... 96Captulo 5 Equacionamento de um Enlace Via Satlite em Condio Geo-Estacionria.....................................................................................975.1. Introduo...................................................................................................... 975.2. Parmetros de desempenho para atendimento dos enlaces........................... 995.3. Relao portadora/rudo no enlace via satlite.............................................. 1005.3.1. Anlise do enlace de subida....................................................................... 1015.3.2. Anlise do enlace de descida...................................................................... 1055.4. Atenuaes nos enlaces via satlite............................................................... 1075.4.1. Atenuao por espao livre........................................................................ 1075.4.2. Atenuao por desapontamento de antenas................................................ 1085.4.3. Atenuao por erros de polarizao........................................................... 1095.4.4. Atenuao por chuva.................................................................................. 1105.4.4.1. Clculo do fator de atenuao................................................................. 1105.4.4.2. Clculo da atenuao por chuva no enlace via satlite........................... 1135.4.5. Atenuao de componentes passivos da estao terrena de transmisso... 1175.4.6. Atenuao de componentes passivos da estao terrena de recepo........ 1185.4.7. Concluso................................................................................................... 119Referncia Bibliogrfica...................................................................................... 120Captulo 6 Plataformas Computacionais Implementadas.............................. 1216.1. Introduo...................................................................................................... 1216.2. Programa para Anlise de Amplificadores de RF......................................... 1226.2.1. Funo de Transferncia dos Amplificadores............................................ 1226.2.2. Anlise no domnio do tempo.................................................................... 1256.2.3. Anlise no domnio da freqncia.............................................................. 1266.3. Programa para clculo de enlace via satlite................................................. 1296.3.1. Clculo da potncia de transmisso........................................................... 1316.3.2. Clculo do dimetro da antena de transmisso.......................................... 1336.3.3. Clculo do dimetro da antena de recepo............................................... 1346.3.4. Clculo do Back-Off.................................................................................. 1366.3.5. Telas de erro............................................................................................... 137Referncia Bibliogrfica...................................................................................... 138Captulo 7 Comentrios e concluso................................................................. 1397.1. Objetivos alcanados com este trabalho........................................................ 1397.2. Proposta para novos estudos......................................................................... 1407.3. Artigos Publicados relacionados esta dissertao...................................... 1417.4. Artigos serem Submetidos no relacionados dissertao........................ 1427.5. Artigos Extras Publicados no Mestrado........................................................ 1427.6. Artigos no Prelo............................................................................................ 143Apndice A - Bandas de Freqncias em comunicaes via satlite............. 144Apndice B - Comparao de valores das larguras de feixe calculadas comas equaes (2.9) e (2.10) com valores apresentados porfabricantes de antenas................................................................ 144Apndice C - Demonstrao do Lema 1 - No coincidncia........................... 145Apndice D - Demonstrao da equao (5.4)................................................. 150Apndice E - Listagens dos programas............................................................ 152ANEXO I - Apontamento das estaes terrenas em enlaces com satlitesgeoestacionrios..............................................................................169ANEXO II - Desempenho das modulaes mais empregadas em enlaces viasatlite em condio geoestacionria...........................................173ANEXO III - Temperatura equivalente de Rudo, Figura de Rudo e Fatorde mrito para estaes de recepo (G/T).................................181iLista de figurasFigura 2.1. (a) Enlace ponto - ponto em apenas um sentido;(b) Enlace ponto- mltiplos pontos em apenas um sentido............................................................. 5Figura 2.2. (a) Enlace ponto-ponto nos dois sentidos, empregado em sistemastelefnicos para conexo de longa distncia nacional e internacional; (b) En-lace ponto-mltiplos pontos nos dois sentidos, comum em redesVSAT............. 5Figura 2.3. Configurao bsica de uma estao de transmisso para opera-o em um sentido................................................................................................ 6Figura 2.4. Configurao bsica de uma estao de recepo para operaoem apenas um sentido.......................................................................................... 7Figura 2.5. Configurao bsica de uma estao de transmisso para opera-obidirecional................................................................................................... 8Figura 2.6. Antena prime-focus com refletor simtrico....................................... 10Figura 2.7. Antena parablica com montagem offset.......................................... 11Figura 2.8. Antena com duplo refletor do tipo casegrain.................................... 12Figura 2.9. Estrutura para reflexo da onda eletromagntica entre o ilumina-dor e a antena, sem uso de cabos ou guias de onda............................................. 13Figura 2.10. Antena casegrain com duplo refletor e o modelo equivalente comrefletor nico e alimentao no ponto focal......................................................... 14Figura 2.11. Antenas casegrain e gregoriana..................................................... 16Figura 2.12. Antena gregoriana com montagem offset....................................... 16Figura 2.13. Diferentes formas para estruturas casegrain e gregoriana em-pregando refletores Elpticos (ELI), Parablicos (PAR), Hiperblicos (HIP) ePlanos................................................................................................................... 18Figura 2.14. Disposio tpica dos canais oferecidos pelos satlites de comu-nicao geoestacionria...................................................................................... 19Figura 2.15. Diagrama de irradiao de uma antena de microondas com re-fletor parablico................................................................................................... 21Figura 2.16. Temperatura equivalente de rudo da antena em funo do n-gulo de elevao................................................................................................... 25Figura 2.17. Diagrama em blocos de um modulador FM................................... 27Figura 2.18. Diagrama em blocos de um demodulador FM............................... 28Figura 2.19. Pr-nfase e d-nfase empregadas na modulao e na demo-dulao de FM, respectivamente.......................................................................... 28Figura 2.20. Estrutura bsica do processo de modulao e demodulao emcomunicao digital.............................................................................................. 31iiFigura 2.21. Equipamentos de transmisso via satlite...................................... 31Figura 2.22. Equipamentos de recepo via satlite........................................... 34Figura 3.1. Coberturas dos satlites nas condies SDMA e PDMA.................. 38Figura 3.2. Tcnicas de Mltiplo Acesso: (a) FDMA, (b) TDMA e (c) CDMA... 40Figura 3.3. Estaes transmitindo e recebendo pelo mesmo transponder desatlite usando FDMA com alocao fixa de freqncias................................... 42Figura 3.4. (a) Diagrama em blocos de uma estao operando em FDMA; (b)Transponder acessado por diferentes estaes de terra, tendo cada uma delassua sub-banda de trabalho................................................................................... 43Figura 3.5. Estrutura de mdio trfego com alocao fixa empregando FDMA 44Figura 3.6. Estao com concepo digital TDM/PSK/FDMA........................... 45Figura 3.7. Diagrama em blocos da estrutura de transmisso analgica paraTV.......................................................................................................................... 46Figura 3.8. Espectro de freqncias da banda bsica de vdeo para transmis-so do sinal de TV via satlite.............................................................................. 46Figura 3.9. Diagrama em blocos da estao de transmisso de TV na concep-o digital............................................................................................................. 47Figura 3.10. (a) Canais analgicos em half transponder; (b) Canais digitaisno padro DVB-S.................................................................................................. 47Figura 3.11. Canalizao do INTELSAT SCPC no transponder de 36MHz....... 48Figura 3.12. Canalizao do sistema SPADE..................................................... 49Figura 3.13. N(G): Nmero mximo de canais admitido por transponder e G:Nmero de estaes com G/T = 35 dB/K............................................................. 51Figura 3.14. Acesso TDMA utilizando uma estao de referncia para trans-misso do burst de sincronizao......................................................................... 52Figura 3.15. Formato do FRAME e do BURST para sistema TDMA................. 53Figura 3.16. Grfico que apresenta o tempo mdio de atraso no envio damensagem em funo do nmero de estaes nos sistemas FDMA e TDMA,com tempo de frame normalizado......................................................................... 58Figura 3.17. Algoritmo da tcnica de acesso ALOHA......................................... 60Figura 3.18. Anlise no tempo do perodo de vulnerabilidade da tcnicaALOHA................................................................................................................. 61Figura 3.19. Anlise no tempo do perodo de vulnerabilidade da tcnicaS-ALOHA.............................................................................................................. 62Figura 3.20. Exemplo de um sistema operando com R-ALOHA. Estao requi-sitando 3 slots numa estrutura com M=5 e V=6.................................................. 63Figura 3.21. Vazo dos canais nas tcnicas ALOHA e S-ALOHA...................... 67iiiFigura 4.1. Funo de transferncia dos amplificadores nacondio ideal ena condio real................................................................................................... 73Figura 4.2. (a) Funo de transferncia com comportamento quadrtico; (b)Formas de onda de entrada e sada no domnio do tempo................................... 75Figura 4.3. (a) Espectro de freqncia na entrada; (b) Espectro de freqnciana sada................................................................................................................. 75Figura 4.4. Ponto de interseo de segunda ordem em uma estrutura no li-near....................................................................................................................... 76Figura 4.5. (a) Funo de transferncia com comportamento cbico; (b)Formas de onda de entrada e sada no domnio do tempo................................... 77Figura 4.6. (a) Espectro de freqncias na entrada; (b) Espectro de freqn-cias na sada......................................................................................................... 78Figura 4.7. Ponto de interseo de terceira ordem em uma estrutura no line-ar........................................................................................................................... 79Figura 4.8. Curva de um dado amplificador com a indicao do ponto decompresso de 1dB............................................................................................... 80Figura 4.9. Sinal de dois tons: (a)No domnio do tempo; (b) No domnio dafreqncia............................................................................................................. 81Figura 4.10. Resposta de freqncia na sada de um amplificador no teste dedois tons, com todas as possibilidades de intermodulao.................................. 83Figura 4.11. (a) Intermodulao proveniente de converso AM-AM; (b) In-termodulao proveniente de converso AM-PM; (c) Intermodulao resul-tante de converses AM-AM e AM-PM simultneas............................................ 85Figura 4.12. Portadoras dispostas na banda de um canal multiacessado......... 87Figura 4.13. Funo de transferncia dos transponders com N portadoras....... 95Figura 5.1. Enlace via satlite............................................................................. 100Figura 5.2. Mapa de cobertura do satlite Brasilsat B4 com indicao do flu-xo de saturao dos transponders........................................................................ 102Figura 5.3. Curva que relaciona o fluxo de potncia de entrada com a potn-cia de sada do satlite......................................................................................... 103Figura 5.4. Comportamento da relao portadora/rudo total e das compo-nentes parciais...................................................................................................... 104Figura 5.5. Mapa de cobertura do satlite Brasilsat B4 com indicao dosvalores de (G/T)SAT, ao longo de toda sua rea de cobertura.............................. 105Figura 5.6. Mapa de cobertura do satlite Brasilsat B4 com indicao dosvalores de EIRPSAT, para o enlace de descida...................................................... 106Figura 5.7. Geometria do link, para anlise da perda por apontamento............ 108Figura 5.8. (a) KH em funo da freqncia; (b) KV em funo da freqncia.... 112ivFigura 5.9. (a) H em funo da freqncia; (b)V em funo da freqncia.... 113Figura 5.10. Representao esquemtica do enlace entre a estao terrena e aestao orbital...................................................................................................... 114Figura 5.11. Altura efetiva da chuva, com relao ao nvel do marem funoda taxa pluviomtrica........................................................................................... 114Figura 5.12.Fator de atenuao (R) em funo da freqncia........................... 116Figura 5.13. Fator de atenuao (R) em funo da taxa pluviomtrica............. 117Figura 5.14. (a) Estao utilizada para transmisso; (b) Estao para trans-misso e recepo................................................................................................. 118Figura 5.15. (a) Estao utilizada para recepo; (b) Estao para recepoe transmisso........................................................................................................ 118Figura 6.1. Tela inicial do programa para Anlise de Amplificadores............... 122Figura 6.2. (a) Entrada dos coeficientes do polinmio; (b) Comando paratraar os grficos e indicao dos valores do ponto de compresso de 1dB; (c)Comandos de operao........................................................................................ 123Figura 6.3. Figura da janela atrelada ao comando CONFIG............................. 124Figura 6.4. Comando na parte superior da primeira janela do programa......... 124Figura 6.5. Tela para anlise no domnio do tempo............................................ 125Figura 6.6. (a) Entrada de dados para as portadoras: amplitude e freqncia;(b) Apresentao dos coeficientes da srie de Taylor; (c) Seleo do nmerode portadoras e da quantidade de pontos a serem plotados................................ 126Figura 6.7. Tela com anlise no domnio da freqncia..................................... 127Figura 6.8. (a) Escolha da impedncia caracterstica de trabalho, para de-terminao dos valores de potncia; (b) Escolha dos produtos de intermodu-lao e do nmero de portadoras a ser apresentado no grfico; (c) Escolha daindicao de valores de cada componente no espectro de freqncias............... 127Figura 6.9. Espectro de freqncias com indicao do nvel de amplitude........ 128Figura 6.10. Tela inicial do programa para clculo de enlaces via satlite....... 129Figura 6.11. Entrada de dados referentes taxa de transmisso e ao tipo demodulao............................................................................................................. 129Figura 6.12. Dados do Satlite empregado no enlace......................................... 130Figura 6.13. Janela para entrada dos dados de freqncia dos enlaces de su-bida e descida e as temperaturas de rudo da antena de recepo e os amplifi-cadores de baixo rudo LNA - LNB...................................................................... 130Figura 6.14. Janela com opes de clculos oferecidas pelo programa............. 131Figura 6.15. Janela para entrada de dados para clculo da potncia detransmisso........................................................................................................... 131vFigura 6.16. Tela final com a apresentao dos resultados da potncia detransmisso em [W] e [dBW]............................................................................... 132Figura 6.17. Janela para entrada de dados para clculo do ganho da antenade transmisso...................................................................................................... 133Figura 6.18. Tela final com a apresentao dos resultados do ganho da ante-na transmissora e seu dimetro........................................................................... 134Figura 6.19. Janela para a entrada de dados para clculo do ganho da antenade recepo........................................................................................................... 135Figura 6.20. Tela final com a apresentao dos resultados de ganho da ante-na de recepo com o dimetro estimado............................................................ 135Figura 6.21. Janela de entrada dos dados para clculo do back-off.................. 136Figura 6.22. Tela final com a apresentao dos resultados do clculo deback-off................................................................................................................. 137Figura 6.23. Tela com indicao de erro............................................................. 137Figura C.1. Portadoras fundamentais e produtos de intermodulao na sadado amplificador simulado, com as hipteses do Lema 1 no atendidas.............. 146Figura C.2. Portadoras fundamentais e produtos de intermodulao na sadado amplificador simulado, com as hipteses do Lema 1 atendidas..................... 147Figura C.3. Portadoras fundamentais e produtos de intermodulao na sadado amplificador simulado, com as hipteses do Lema 1 no atendidas.............. 148Figura C.4. Portadoras fundamentais e produtos de intermodulao na sadado amplificador simulado, com as hipteses do Lema 1 atendidas..................... 149Figura D.1. Estrutura bsica de um enlace via satlite....................................... 150Figura I.1. descrio das coordenadas de um ponto sobre o globo terrestre..... 170Figura II.1. Curva de desempenho da demodulao FM.................................... 175Figura II.2. Forma de onda de um sinal modulado em BPSK............................ 176Figura II.3. Diagrama de Constelao da modulao BPSK............................. 176Figura II.4. Diagrama de constelao da modulao QPSK.............................. 177Figura II.5. Diagrama de constelao da modulao 8PSK.............................. 177Figura II.6. Diagrama de constelao da modulao 16QAM........................... 178Figura II.7. Probabilidade de Erro de smbolo em funo da relao (Eb/N0).. 179Figura III.1. Amplificador Ideal.......................................................................... 181Figura III.2. Associao de amplificadores........................................................ 183Figura III.3. Associao Hbrida de amplificadores e atenuadores................... 184Figura III.4. Estao bsica de recepo de sinais via satlite.......................... 185viLista de SmbolosRX AA Atenuao por apontamento na antena de recepo.TX AA Atenuao por apontamento na antena de transmisso.eAAtenuao por espao livre.EFETIVAArea efetiva da antena parablica.POLA Atenuao por erro de polarizao da onda eletromagntica aotrafegar pela ionosfera.01 , 0A Predio de atenuao excedida para 0,01% na mdia anual da taxapluviomtrica. Vetor unitrio ortogonal a . Vetor unitrio ortogonal a .inBOBack-off de entrada.outBOBack-off de sada.b Taxa de transmisso em bps.NCRelao portadora/rudo.IMDNCRelao portadora/rudo de intermodulao.uNCRelao portadora/rudo de subida.dNCRelao portadora/rudo de descida.D Dimetro do refletor parablico principal.( )0 0, DDiretividade para um determinado ngulo slido.adDimetro da flange do alimentador.hdDimetro do refletor hiperblico auxiliar.SdDimetro da seo transversal do alimentador.FDMAD Atraso total sofrido pela mensagem no sistema FDMA.TDMAD Atraso total sofrido pela mensagem no sistema TDMA.EVetor campo eltrico.bEEnergia de bit.vii0EIntensidade do campo na origem do sistema.EAmplitude da componente do campo eltrico.EAmplitude da componente do campo eltrico.SATEIRPPotncia efetivamente radiada pelo satlite.af Distncia entre o alimentador e o foco do refletor principal na antenacasegrain.dfDistnciado ponto focal do refletor parablico principal.efDistncia equivalente do refletor principal.( ) , f Estabelece a funo de radiao.( )dBG Ganho de uma antena parablica da direo .RXG Ganho de recepo da estao terrena.SAT RXGGanho de recepo do satlite.TXG Ganho de recepo da estao terrena.TGFator de mrito de uma estao de recepo.SATTGFator de mrito do satlite.Rh Altura da chuva.ShAltura da estao terrena.K Eficincia de radiao.1K Coeficiente do termo de primeira ordem da srie de Taylor.NKCoeficiente do termo de n-sima ordem da srie de Taylor.k Coeficientes numricos para determinao do fator de atenuao.Hk Coeficientes numricos para determinao do fator de atenuao,para polarizao horizontalVk Coeficientes numricos para determinao do fator de atenuao,para polarizao verticaleL Comprimento efetivo percorrido pela onda dentro da condio dechuva.M Nmero total de estaes na rede.0NEnergia de rudo.P Intensidade de potncia que alimenta o elemento radiante.( ) K PProbabilidade de se ter (K) novas mensagens no intervalo ().viiiSP ( ) 0 = = K P PSTXP Potncia de transmisso.RXP Potncia de Recepo.R Taxa de transmisso da rede.mR Mxima taxa de transmisso mdia da m-sima estao da rede decomunicao.1R Mxima taxa de transmisso mdia da primeira estao da rede decomunicao.FDMAR Taxa de transmisso total exigida pelo sistema FDMA.TDMAR Taxa de transmisso total exigida pelo sistema TDMA.01 , 0RTaxa pluviomtrica da estao para 0,01% na mdia anual.r Distncia radial.( )0 0, S Densidade de potncia na direo( )0 0, .NSRelao sinal/rudo.T Tempo total de frame em TDMA.AT Temperatura equivalente de rudo da antena.( ) ,bT Temperatura de brilho de radiao do corpo localizado nadireo( ) ,em que a antena oferece ganho( ) , G .( ) t VinSinal de tenso na entrada de um amplificador de RF comcomportamento no linear.( ) t VoutSinal de tenso na sada de um amplificador de RF comcomportamento no linear.W Tempo mdio de espera de um pacote para ser transmitido.TDMAW Tempo mdio de espera de um pacote para ser transmitido no sistemaTDMA. Defasagem no tempo entre as componentes ortogonais. Coeficientes numricos para determinao do fator de atenuao.H Coeficientes numricos para determinao do fator de atenuao,para polarizao horizontalV Coeficientes numricos para determinao do fator de atenuao,para polarizao verticalEficincia global de um refletor parablico.Eficincia de abertura.R Fator de atenuao por chuva.aEficincia do alimentador.ix Comprimento de onda de operao da antena. Taxa total dos pacotes transmitidos.tTaxa total de transmisso.r Taxa dos pacotes rejeitados. Pi,3,14159dB 3Abertura de feixe de uma antena com refletor parablico.1 Vazo do Canal (throughput).ALOHAVazo para tcnica ALOHA.ALOHA SVazo para tcnica S-ALOHA. dASomatrio das atenuaes no down-link. uASomatrio das atenuaes no up-link. Tempo de transmisso do pacote.TDMA Tempo de transmisso do pacote utilizando a tcnica TDMA. Freqncia angular do sinal eltrico.Erro de polarizao devido a rotao de Faraday.SATFluxo de saturao do satlite.QDemonstrao matemtica concluda.xLista de SiglasALOHA Tcnica de mltiplo acesso que emprega algoritmos aleatrios,desenvolvida na Universidade do Hava na dcada de 70.ATSC-S Padro americano para transmisso de vdeo digital via satlite, do inglsAmerican Television Society Committee- SatelliteBER Taxa de erro de bit, do ingls Bit Error Rate.BRASILSAT Frota de satlites lanados pela EMBRATEL e hoje de propriedade daSTARONE.CDMA Mltiplo Acesso por Diviso de Cdigo, do ingls Code Division MultipleAccess.DAMA Mltiplo Acesso por Demanda, do ingls Demand Assignment MultipleAccess.DVB-S Padro europeu para transmisso de vdeo digital via satlite, do inglsDigital Video Broadcasting - Satellite.dB Ganho em decibels.dBi Ganho em decibels tendo como referncia a antena isotrpica.DFT Transformada discreta de Fourier, do ingls Discrete Fourier Transform.FDM Multiplexao por Diviso de Freqncia, do ingls Frequency DivisionMultiplex.FDMA Mltiplo Acesso por Diviso de Freqncia, do ingls Frequency DivisionMultiple Access.FEC Fator de correo de erro, do ingls Forward Error CorrectionFFT Transformada rpida de Fourier, do ingls Fast Fourier Transform.FI Freqncia intermediria em sistemas de rdio, Frequency Intermediary.FM Frequency Modulation.FSK Modulao com chaveamento de Freqncia, do ingls Frequency ShiftKeying.GEO Sigla utilizada para representar satlite de rbita geoestacionria.HPA Amplificador de alta potncia, do ingls High Power Amplifier.xiIEEE Instituto de Engenharia Eltrica e Eletrnica, do ingls Institute ofElectrical and Electronic Engineers.INMARSAT Empresa provedora de acesso via satlite para uso mvel voltadoinicialmente para navegao.INTELSAT Consrcio internacional para comunicao via satlite do qual empresasbrasileiras fazem parte.IMD Intermodulao, do ingls intermodulation.ISDB-S Padro japons para transmisso de vdeo digital via satlite, do inglsIntegrated Service Digital Broadcasting - Satellite..LEO Sigla empregada para representar satlites de rbita baixa, do ingls LowEarth Orbit.LNA Amplificador de Baixo Rudo, do ingls Low Noise Amplifier.LNB Bloco de amplificao de baixo rudo, combinado com conversor defreqncia, do ingls Low Noise Block.LNBF LNB construdo de forma conjugada ao alimentador das antenas.Largamente empregado na recepo de satlite para uso residencial.MCPC Utilizao da portadora com mltiplos canais de forma simultnea, doingls Multiple Channel Per Carrier.MEO Sigla empregada para representar satlites de rbita mediana, do inglsMedium Earth Orbit.MPEG-2 Padro para compresso de vdeo, do ingls Motion Picture Expert Group.PANANSAT Empresa provedora de acesso via satlite com maior foco na cobertura doterritrio americano.PDF Funo densidade de probabilidade, do ingls Probalitity densidadefunction.PDMA Mltiplo Acesso por Diviso de Polarizao, do ingls Polarization DivisionMultiple Access.PLL Phase Lock Loop.PSK Modulao com chaveamento de fase, do ingls Phase Shift KeyingQAM Modulao digital com chaveamento de fase e amplitude pela combinaode portadoras em quadratura, do ingls Quadrature Amplitude Modulation.xiiQPSK Modulao com chaveamento e deslocamento de fase em quadratura, doingls Quadrature Shift Keying.R-ALOHA Tcnica ALOHA com reserva de time slot.S-ALOHA Tcnica ALOHA com segmentao do tempo.SCPC Utilizao de uma portadora para um nico canal, do ingls Single CarrierPer Channel.SDMA Mltiplo Acesso por Diviso de Espao, do ingls Space Division MultipleAccess.SPADE Single carrier per channel Pulse code modulated multiple Access Demandassignment Equipment.TDM Multiplexao por Diviso de Tempo, do ingls Time Division Multiplex.TDMA Mltiplo Acesso por Diviso de Tempo, do ingls Time Division MultipleAccess.TVRO Recepo via satlite para uso especfico em TV, do ingls TelevisionReception Only.VCO Voltage Control Oscillator.VSAT Terminal de pequena dimenso utilizado para rede de dados emcomunicao via satlite, do ingls Very Small Aperture TerminalVSWR Relao de Onda Estacionria, medida com valores de Tenso; do inglsVoltage Stationary Wave Ratio.xiiiResumoMarins,C.N.M.Estudoanalticodeumenlacedigitaldecomunicaoviasatliteemcondioorbitalgeoestacionria.SantaRitadoSapuca.2004.InstitutoNacional de Telecomunicaes.Osenlacesviasatlitesoafetadospelascondiesdepropagaooferecidaspelomeioepelasdistoresgeradaspeloprpriorepetidororbital.Asatenuaeseperdasdecorrentesdomeioedoscomponentespassivossobastantediscutidasebemdefinidas.Noentanto,ossistemas,emalgunscasos,sosobredimensionadosparaatenderspossveisdegeneraesquenosoconsideradasnosclculos.Estetrabalho apresenta uma anlise de todo enlace via satlite, discutindo de forma maisintensaosprodutosdeintermodulaoeasdegeneraesprovocadaspelostranspondersqueafetamarelaoportadora/rudo.Comequaes,obtidasatravsdeinduofinita,possvelobterosvaloresdarelaoportadora/rudodeintermodulaoemfunodaamplitudedasportadoras,donmerodeportadorasque trafegam simultaneamente pelo repetidor orbital, e da funo de transferncia dotransponder.Palavras-chave:Enlacesviasatlite,Intermodulao,No-linearidade,Transponder, Estaes terrenas.xivAbstractMarins,C.N.M.Analyticandnumericalapproachtodigitalsatellitecommunicationslinksinthegeostationaryorbit.SantaRitadoSapuca.2004.National Institute of Telecommunications.The links of satellites are affected by propagation conditions and distortions that aregeneratedbydevices.Thepropagationlossesaswellasthepassivecomponentsattenuationareverysimpletoanalyze,butmanycalculationsinvolvedwiththecompletelinkdemandtodiscoverthecarriertointer-modulationratio.Thisworkpresentsaninnovativesetofequationstocalculatethecarrier-to-inter-modulationratio,withnumberandamplitudeofcarriersandfeaturesofthetransponders.Theequationsaredevelopedbythefiniteinductionmethodsandpermittohaveaverygoodresultsoftheperformanceofthesatellitewithrespecttothenon-linearitycomportment.Key-words:Satellitelinks,Non-linearitytransponders,Earthcommunicationstations, inter-modulation.Captulo 1Introduo1.1.Composio da dissertaoEstetrabalhodedissertaoestdivididoemsetecaptulosparaabordar,deformadireta,odesenvolvimentodeenlacesviasatlite.Aolongodocursodemes-trado, dois programas computacionais foram desenvolvidos de forma a ilustrar a nolinearidade oferecida pelos transponders dos satlites e o projeto de um enlace digi-tal de comunicao via satlite.OCaptulo2aborda,deformaabrangente,aconcepodacomunicaoviasatlite, apresentando, inicialmente, as configuraes bsicas das estaes. Com estasinformaes foram discutidos os tipos de antenas mais empregados neste conceito decomunicaoesuasprincipaisvantagensedesvantagens,baseadasemparmetrostcnicos de maior relevncia. Alm disso, foram apresentadas as modulaes consa-gradas para este tipo de aplicao, bem como os equipamentos eletrnicos que fazemparte do projeto total dos enlaces e estaes.No Captulo 3, foram discutidas as tcnicas mais usuais de mltiplo acesso emcomunicao via satlite e os protocolos de grande utilizao em redes de dados parauso corporativo. Este captulo oferece subsdios para que, no captulo seguinte, sejamabordados os impactos da no-linearidade dos transponders nos sinais e como a es-colha da tcnica de mltiplo acesso pode beneficiar o desempenho dos sistemas.O Captulo 4 descreve o comportamento no linear dos transponders e propedoisLemasquepodembeneficiaroprojetodosenlaces.NoLema1,sediscutea2melhorformadealocaodasportadorasaolongodabandadotransponder,paraque o efeito de degenerao provocado pelos produtos de intermodulao sejam mi-nimizados. No Lema 2, so apresentadas equaes para clculo das relaes portado-ra/rudodeintermodulao,dentrodascondiesimpostaspeloLema1.Estecap-tuloofereceumagrandecontribuionadissertao,poisapresentaumaformasis-tematizadadeconsideraradegeneraoprovocadapelano-linearidadenoclculodosenlaces.Naliteraturaclssicaatual,osefeitosdano-linearidadesocomenta-dos, mas no existe uma abordagem matemtica que os quantifique, o que motivou aformulao de resultados originais na literatura e citados neste captulo.NoCaptulo5,sedescrevetodooequacionamentodosenlacesviasatlite,com todas as equaes das relaes portadora/rudo, levando em conta os desenvol-vimentos abordados no Captulo 4. O Captulo 5 o responsvel pelas rotinas com-putacionais empregadas no programa para clculo de enlace via satlite, apresentadono Captulo 6. No Captulo 5, ainda esto abordadas todas as perdas provocadas pelomeio de propagao, com destaque para a atenuao por chuva que foi abordada se-gundo as especificaes da Unio Internacional de Telecomunicaes, bem como asperdas oferecidas por componentes passivos e linhas de transmisso.OCaptulo6apresentaasduasplataformascomputacionaisgeradasaolongodocursodemestrado.Aprimeiraferramentacomputacionalumprogramaparaanlise de amplificadores que funcionou como uma grande ferramenta para a valida-o do Lema 1. O segundo programa voltado para o clculo de enlace via satlite,que oferece quatro rotinas para determinao dos principais fatores e parmetros emum link de satlite. Ambas as plataformas so programas originais.Porltimo,oCaptulo7apresentaosprincipaisobjetivosalcanadosporestetrabalho e sugere novas linhas de trabalho dentro desta rea de pesquisa.Os apndices e anexos so complementos do texto principal, na inteno de fa-cilitar a leitura e apresentar detalhes no essenciais para o entendimento do texto. NoApndiceA,estoapresentadastodasasfaixasdefreqnciasempregadasemmi-croondas, comanomenclatura e a banda que abrange. O Apndice B apresenta re-sultadosquevalidamasequaesparaclculodaaberturadefeixenasantenas.OApndiceCapresentaalgunsdosresultadosdosprodutosdeintermodulao,para3anlise com trs e quatro portadoras, que permitiram formular, atravs do Mtodo deInduo Finita, os Lemas enunciados no Captulo 4. No Apndice D, est a demons-trao referente deduo da equao (5.4) apresentada no Captulo 5. Para finalizar,o Apndice E apresenta as listagens dos programas apresentados no Captulo 6.NoAnexoI,estoapresentadasasequaesparadeterminaodeazimuteeelevao das antenas utilizadas nas estaes terrenas e a distncia entre as mesmas eos satlites. No Anexo II, so apresentadas as equaes bsicas das modulaes e osgrficosdedesempenhopara os casos maisusuaisemcomunicaoviasatlite.NoAnexoIII,feitaaapresentaodosclculosdetemperaturaequivalentederudo,figura de rudo e relao (G/T).4Captulo 2Estaes Terrenas em Comunicao Via Satlitecom rbita Geoestacionria2.1. IntroduoUm enlace de comunicao via satlite, operando emSHF e em posio orbitalgeoestacionria,contacom vriosfatoresdedegradaoqueestoligadosaomeiodetransmisso,aosequipamentosutilizadosemsuasestaes terrenaseaoprpriosatlite, que funciona como elemento de repetio nesta anlise.Paraque osistemaconsigaoferecerdesempenhossatisfatriosnosmaisdife-rentestiposdeaplicaeseservios,degrandeimportnciaqueasestaesdetransmisso e recepo sejam devidamente dimensionadas, para que possam atender,de forma mais apropriada, a todas as possveis aplicaes comentadas no captulo 1.Como qualquer outro tipo de comunicaovia rdio, o sistemavia satlite po-der oferecer trfego de informao em um ou em ambos os sentidos, dependendo dotipo de aplicao oferecida.A transmisso de sinais em apenas uma direo pode ser visualizada atravs daFigura2.1.Nacondio (a)osistemaatendeapenasaumpontoderecepoen-quantonacondio (b)vriospontosdereceposocontempladoscom osinaldaestao de transmisso.Aconfiguraoapresentadaem (b)amaisempregadadentreasduasapre-sentadaspelaFigura2.1,poisseuusobastantecomumparadifusodeinforma-5es, como realizadoem transmissode sinais de televisoe rdiopara todo terri-trio nacional.Satlit eEnlace de subida(Up-Link)Enlace de Descida(Down-Link)Estao deTransmissoEstao deRecepoSatliteEnlace de subida(Up-Link)Enlace de Descida(Down-Link)Est ao deTransmissoEstaes deRecepo(a) (b)Figura 2.1. (a) Enlace ponto - ponto em apenas um sentido;(b) Enlace ponto - mltiplos pontos em apenas um sentido.Para transmisses bidirecionais as estruturas instaladas nos extremos do enlaceso muito semelhantes no que diz respeito aos componentes envolvidos. As especifi-caes destes componentes que se alteram, para que o sistema atenda s necessida-des tcnicas e financeiras. A Figura 2.2 apresenta as possibilidades de enlaces bidire-cionais.Satlit eEnlace de subida(Up-Link)Enlace de descida(Down-Link)Estao deTransmissoEstao deRecepoSatlit eEnlace de subida(Up-Link)Enl ace de subi da(Down-Link)Estao deTransmissoEstao deRecepo(a) (b)Figura 2.2. (a) Enlace ponto - ponto nos dois sentidos, empregado em sistemas telefnicos para co-nexo de longa distncia nacional e internacional;(b) Enlace ponto - mltiplos pontos nos dois sentidos, comum em redes VSAT.62.2. Configuraes bsicas das estaesAs configuraes bsicas das estaes de transmissoe recepodo enlace re-presentadopela Figura 2.1podem servisualizadas,respectivamente,nas Figuras2.3e 2.4.ModuladorConversor deFreqncia( Up-Converter)Amplificador(HPA) Informao(Anloga ou Digital)FI70MHz ou 140MHzAntenaFigura 2.3. Configurao bsica de uma estao de transmisso para operao em um sentido.Natransmisso,podemosvisualizarqueainformaoanalgicaoudigitalmodulada e entregue, na sada do modulador, com uma freqncia intermediria (FI)que pode variar de acordo com osistema ouconfigurao.O valores tpicosusadoshoje em dia so 70 ou 140 (MHz).Parasistemasanalgicosamodulaoemfreqncia(FM)predomina,en-quantoemsistemasdigitaisexisteumagamamaiordepossibilidades,taiscomo2FSK, BPSK, QPSK, 8PSK e 16QAM com suas derivaes.Nos sistemas digitais, as modulaes de ordem maiselevada podem promoverumareduoespectralconsidervel.Noentanto,porlimitaesdelinearidadenossatlites, ouso de modulaes QAMacompanhadodemuitasrestries,oque fazseu uso bastante limitado.O sinal moduladoem FIconvertidopelo Up-Converterparafaixadetrans-missodoenlace,podendoocorreremBanda C,Banda X,Banda Ku,Banda Kaeoutras (Apndice A).O sinalmodulado econvertidopara sua faixa de canal amplificadopeloam-plificador de alta potncia (HPA - High Power Amplifier) e aplicado a uma antena detransmissoque oirradiaem direoaosatlite,comonveldepotnciaadequadopara atender s necessidades do enlace.7LNA Down-ConverterDownConverterLNBFI70MHz ou 140MHzAntenaDemoduladorInformao(Anloga ou Digital)Banda LFigura 2.4. Configurao bsica de uma estao de recepo para operaoem apenas um sentido.Osinalretransmitidopelosatliterecebidopelaantenadaestaoderecep-oeamplificadoporumaestruturadebaixorudo(LNA-LowNoiseAmplifier).Este sinal, ainda na faixa de freqncia de recepo em SHF, convertidoparaban-da L ou para 70MHz (140MHz). O sinal de FI aplicado ao demodulador que ofere-ce, na sada do sistema, o sinal de informao analgico ou digital.Quandoo LNA e o conversor so construdos em um mesmomduloe a con-versodefreqnciarealizadade SHFparabanda L,oconjuntochamandodeLNB (Low Noise Block).Nomercadodecomunicaoviasatlitecomum,principalmenteembandaKu,acomercializaodeummdulocompostopeloiluminadorepelo LNB,for-mando uma nica pea. Esta estrutura denominada LNBF (LNB Feed Assembly).Tantoo LNAcomo o LNBsomuitoencontradosemsistemasprofissionais,sendoo LNAemestruturasbidirecionaiseo LNBemestruturasunidirecionais.OLNBFencontradoem grandeescala,massomenteem sistemasdeusoresidencialpara TVRO (Television Reception Only).A Figura 2.5 apresenta a configurao bsica de uma estao bidirecional que adotada nos extremos dos sistemas ponto-ponto ou ponto-mltiplos pontos.Esta configurao a unio deuma estrutura de transmissocom outrade re-cepo,quecompartilhamumamesmaantena,utilizandoumcombinadordesinaiscom nveis diferentes que operam em freqncias distintas.Nas figuras anteriores, tanto para enlaces unidirecionais comopara enlacesbi-direcionais, no foi apresentado nenhum tipo de rastreador de sinais para as antenas.Noentanto,em comunicaesviasatlitesgeo-estacionrios,comumautilizaode sistemas de rastreamento (trackingsystems) realimentados pelonvel desinal re-8cebido, que permitem sempre o melhor posicionamento das antenas que possuem altadiretividade, com pequenas aberturas de feixe.Neste trabalhonose pretende abor-dar as estruturas de rastreamento.LNA Down-ConverterDownConverterLNBFI70MHz ou 140MHzDemoduladorInformao(Anloga ou Digital)Banda LAntenaAmplificador(HPA)Conversor deFrequncia(Up-Converter)ModuladorFI70MHz ou 140MHzInformao(Anloga ou Digital) DiplexerFigura 2.5. Configurao bsica de uma estao de transmisso para operaobidirecional.Nos tpicos seguintes sero apresentados cada um dos elementos que constitu-em uma estao terrena, com o estudo de seus principais parmetros.2.3. Antenas empregadas nas estaes terrenasEm enlaces de microondas via satlite as antenas mais comuns derivam de trsprincipais classes de antenas, sendo estas1:q Antenas cornetas (Horn Antenna);q Rede de antenas em fase (Phased Array Antenna).q Antenas parablicas (Parabolic Antenna);Asantenasdotipocornetasomuitoutilizadascomoelementoderefernciaemtestesdecomponentesdossistemasviasatlite,poisoferecemaltasfigurasdemrito. O uso destas antenas em aplicaes comerciais no foi difundido, pois, quan-dosenecessitadeganhoselevados,otamanhodasestruturascrescebastante,au-mentando o custo. O uso de cornetas foi de grande relevncia nos primeiros sistemas9decomunicaoviasatlite,comonasexperinciasrealizadascomo TELSTAR naFrana2.As redes de antenas em fase so usadas quando o feixe ou a cobertura do sat-lite est em constante movimento, como no caso de satlites de rbita mediana e bai-xa, ou para enlace com satlite geoestacionrio com um dos terminais, sendomvel,em terra.Dentrodesteconceitoexistemmodelosclssicosmuitopresentesnomer-cado atual.A localizao de veculos utiliza enlaces de rdio com satlites geoestacionri-ostrabalhandocomtaxasdetransmissomuitobaixas,exigindopequenaslargurasdefaixae,conseqentemente,nveismuitopequenosdesinalparaviabilizaraco-municao.Neste caso, as redes de antenas em fase com baixa diretividade, so construdasem circuito impresso com elementos de micro-linhas, possibilitando unidade mvelsecomunicaremqualquerpontodeoperaodosatlite,semanecessidadedeapontamento manual ou automtico.Outro exemplo de uso de redes de antenas em fase, so as unidades de comuni-caoempregadascomossatlites INMARSAT.Parapossibilitaraconstruodaantenadeformaafacilitarotransporteeaadaptaocomosoutrosequipamentos,soutilizadasestruturasemmicro-linha,montadasemsubstratosplanosedefcilacomodao.Com umnmeromaiordeelementos,estaredesetornamaisdiretivaexigindo apontamento. Na maioria dos casos o apontamento simples e rpido,per-mitindo o uso destes equipamentos em embarcaes martimas, em coberturas jorna-lsticas de guerras e catstrofes naturais, bem como em outras condies adversas.Em todos estes exemplos obaixoganhodas antenas limita a operao dos en-lacescom taxaselevadas detransmisso.Quandosenecessitadetaxasmaisaltasimprescindvel o uso de antenas de maior ganho.Porestemotivo,asantenascomusoderefletoresparablicosforamasquetrouxerammaisvantagensparaosenlacescomsatlitesgeo-estacionrios,aliandoaltos ganhos com pequenas dimenses, baixo custo e facilidade de instalao.Dentre os modelos mais encontrados no mercado, podemos destacar as antenascom montagem simtrica, conhecidas como prime-focus; asantenas com iluminao10deslocadas,chamadas de offset antennas; e asantenascom duplorefletorquesedi-videm em dois outros tipos chamados de cassegrain antennas e gregorian antennas.2.3.1. Antenas Prime-FocusAantena prime-focusaquelaemqueoalimentador(feeder)instaladonoponto focal do refletor parablico (parabolide).A maiorlimitaodesta configura-o a reduo da eficincia,devidoao fatode oiluminador bloquear parte da reailuminada do refletor.Estaobstruo,almdereduziraeficincia,tambmaumentaaintensidadedos lbuloslaterais, devido difrao por obstculo.Estacondiode aumentodoslbuloslateraisfaz com que a radiaoemitida pela superfcie terrestre seja captadapeloiluminador,comoseocorresseum transbordamentodareailuminada.Acon-seqncia deste efeito o aumento da temperatura de rudo das antenas3.Os lbulos laterais e, conseqentemente, o transbordamento podem ser atenua-dos, se o dimetrodoalimentadorfordiminudo.Para obteruma baixa temperaturaderudo,faz-senecessrioautilizaodeumalimentadordirecionaleumamaiordistncia do ponto focal1.Transbordamento(Lbulos Laterais)Diagrama doIluminadorSuperfcie TerrestreRefletorParablicoDistnciaFocalIluminador(Alimentador)00DFigura 2.6. Antena prime-focus com refletor simtrico.Este tipo de antena no o mais adequado para a instalao de circuitos e m-duloseletrnicosatrsouaoladodoiluminador.Ovolumedestesmdulospodeaumentar, consideravelmente, o efeito de obstruo.11Por este motivo,este tipode antenalargamenteutilizadoparaestaes ondesocorrerecepo,poisadimensodosmdulosamplificadoresdebaixorudo(LNA e LNB), em pouco, iro prejudicar o desempenho da antena, como apresentadona Figura 2.6.2.3.2. Antena Prime-Focuscom montagem OffsetA antena prime-focus com montagem offset aquela em queoalimentadorselocaliza no foco, mas com uma angulao em relao ao vrtice do refletor parabli-co,comodemonstradonaFigura2.7.Estaconstruoresultanumailuminaodeapenas um dos lados do parabolide, o que permite a instalao de mdulos eletrni-cos,tantopararecepocomoparatransmisso,juntoaoiluminador(feeder),semque ocorra nenhum tipo de obstruo rea iluminada.Conseqentemente, a eficincia da antena aumenta, se comparada configura-osimtrica.Noentanto,comooslbuloslaterais(transbordamento)continuamvoltadosparaaterra,atemperaturaequivalentederudodaantenacontinuanosmesmos patamares que os encontrados para a condio anterior.A anlise de vrias antenas de diferentes fabricantes possibilitou a obteno devaloresmdiosdeeficinciaparaasantenas prime-focuscommontagemsimtricaou offset.00 Vrtice doRefletor ParablicoTransbordamento(LbulosLaterais)Iluminador(Alimentador)DistnciaFocalRefletorParablicoSuperfcieTerrestreFigura 2.7. Antena parablica com montagem offset.Os resultados apontaram para eficincias em tornode 60%para as antenas si-mtricas e 70% para as antenas offset. As anlises foram realizadas atravs dos dados12fornecidospelaAndrewCorporation,JONSASatelliteAntennas,PatriotAntennaSystems, VISIOSAT e BRASILSAT4,5,6,7,8.2.3.3. Antena CasegrainAantenadotipo casegrainumaestruturaformadapordoisrefletoreseumalimentador (feeder). Na Figura 2.8, o refletor de maior dimenso parablicoe de-nominadode refletorprincipal. O refletor hiperblicodedimensomenor denomi-nado refletor auxiliar1.00Sub-RefletorHiperblicoB0RefletorParablicoRadiaoespalhada pelosub-refletorIluminador(Alimentador)Superfcie TerrestreFigura 2.8. Antena com duplo refletor do tipo casegrain.Estesdoisrefletoressodevidamenteposicionadosnointuitodeestabelecerumconjuntoquegarantaamaioreficinciadeirradiao,apresentandoresultadosquesolucionemosproblemasapontadospelasconfiguraesjdiscutidasanterior-mente.A disposio dos trs componentes que compem a antena casegrain depende-rdosfocosdosdoisrefletoresempregadosnaestrutura.Oalimentadorinstaladonovrtice dorefletor principal,na posiodoprimeirofocodorefletorauxiliarque,naFigura2.8,estrepresentadopelopontoAeosegundofocodorefletorauxiliardeve coincidir com o ponto focal do refletor principal, como representado pelo pontoB.13A configurao da antena casegrain permite que os equipamentos de transmis-soereceposejaminstaladosjuntoaoalimentadorsemqueocorramatenuaeselevadas.Paraantenasdegrandesdimensesinstaladasemgrandestele-portos,asdistnciasentreosalimentadoreseosambientesondeestoinstaladososequipa-mentossomuitograndes.Nointuitodenotrabalharcom altasperdascom cabosouguiasdeonda,osequipamentosdetransmissoereceposoligadosaosali-mentadoresatravsdeestruturasdereflexoguiada,comonaFigura2.91,9,10.Todaestaestruturapermitequeasantenasdegrandeportesejammovimentadasnosdoisplanos, com possibilidade de ajuste dos ngulos de azimute e elevao.DA BCIluminadorPrimeiroRefletor PlanoSegundoRefletor CurvadoTerceiroRefletor Curvado QuartoRefletor PlanoRefletorPrincipalPonto Virtual do Iluminador em configurao convencionalFigura 2.9. Estrutura para reflexo da onda eletromagntica entre o iluminador e a antena, sem uso de cabos ou guias de onda.Aantena casegrainmodeladausandooconceitodeumrefletorparablicoequivalente, resultando em uma estrutura igual primefocus, com um nico refletor14parablicoedeigualdimetroaorefletorprincipal,mascomumadistnciafocaldiferente, dada por fe, como apresentado na Figura 2.101,11.0dsfefdfaDedhABFigura 2.10. Antena casegrain com duplo refletor e o modelo equivalente com refletor nico e alimentao no ponto focal.Comparandoa antena casegraindeduplorefletorcom asuaestruturaequiva-lente,conclui-sequeamesmaocupaumpequenovolumepois fd< fe,mascom avantagem de uma antena com grande distncia focal. As antenas com maior distnciafocalapresentamcomovantagemumamaioruniformidadedeiluminaoemtodorefletor. Em contrapartida, as temperaturas equivalentes de rudo so mais elevadas.Asantenas casegrainoferecemtemperaturasequivalentesderudomuitobai-xas, por doismotivosprincipais:primeiro,oslbulos laterais (transbordamento)doiluminador esto voltados para o espao e nopara a terra, como ocorre nas antenasapresentadas anteriormente; osegundomotivoest ligado diretividadedoalimen-tador que muito maior, resultando em lbulos laterais muito menores.O altovalorda distnciafocal equivalente fe permite ousode alimentadoresdirecionais. Desta forma as distncias fd e fa podem ser reduzidas atenuando conside-ravelmenteos lbulos laterais.Adesvantagemdaantena casegrainestrelacionadaaosefeitosgeradospelaobstruo do refletor auxiliar. Esta obstruo causa uma pequena reduo de ganho ede largura de feixe e um significativo aumento dos lbulos laterais.15Estes efeitos so desprezveis para pequenos valores da frao (dh/D). Para an-tenasdemdioporteosefeitosdorefletorauxiliarpodemseradministrados,seasdimensesenvolvidasnaconstruodasantenasseguiremasrelaesapresentadasnas equaes 2.1 e 2.29.hadaddff(2.1)

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adafd 2(2.2)ondeaf a distncia entre o alimentador e o foco do refletor principal (A-B),df adistncia do ponto focal dorefletorparablicoprincipal,ef adistnciafocal equi-valentedorefletorprincipal,ad odimetrodaflangedoalimentador,hd odi-metro do refletor hiperblico auxiliar, D o dimetro do refletor parablico principalea a eficincia do alimentador.2.3.4. Antena GregorianaAconstruodaantena gregorianabaseadanaconfiguraodotelescpiogregoriano,quepossuiumrefletorprincipalcomaspectoparablicoeumrefletorauxiliarelptico.Aformadeoperaoidnticadaantena casegrain,comopodeser visualizado na Figura 2.113.Nas antenas degrande porte para aplicaes comerciais,a escolha daconfigu-rao casegrain ou gregoriana ocorre muitoem funo do fabricante escolhido, poisso os mesmos que optam poruma ou outra configuraonos seus processosde fa-bricao, dado que estas antenas apresentam desempenhos equivalentes.Tantoparaasantenas casegraincomoparaasantenas gregorianas,pode-seutilizar a tcnica deconstruo offset,nointuitodeeliminarosproblemascausadospelo refletor auxiliar.Normalmente, os fabricantes oferecem a eficincia total da estrutura, mas nun-ca os fatores de perda de cada um dos elementos que a compem.A tabela 2.1,ex-trada doartigode N.Lockett, demonstraas eficincias de uma antena casegrain de16grande porte. Os valores tericos confirmaram o desempenho obtido de cada um doscomponentes testados e medidos12.S2 S1S1S2Refletor ParablicoPrincipalRefletor AuxiliarHiperblicoIluminadorIluminadorRefletor ParablicoPrincipalRefletor AuxiliarElpticoFigura 2.11. Antenas casegrain e gregoriana.IluminadorRefletor AuxiliarElpticoRefletor ParablicoPrincipalFigura 2.12. Antena gregoriana com montagem offset.17Tabela 2.1. Eficincias parciais e total de antena casegrain.Fator de Eficincia Smbolo Perda (%) Perda (dB) Eficincia (%)Alimentadora 1,34 0,059 98,66RefletorhiperblicoauxiliarIh11,73 0,542 88,27Refletor parablicoprincipalIp4,00 0,177 96,00Perdas por obstruo dorefletor auxiliaroh7,40 0,334 92,60Erros de Fase e erros desuperfcieefs7,56 0,340 92,44Erros de Polarizaoep 1,15 0,050 98,85Eficincia Total- - 70,74Perda Total - - 1,502 -Embora no sejam usuais, existem vrias outras formas de implementao dasantenas casegraine gregoriana,utilizandorefletorescncavos,convexoseplanos,como apresentado na Figura 2.1311.2.3.5. Parmetros eltricos das antenasAanliseeltricadasantenaspermiteaidentificaodediversosparmetros,dependendo da forma com que se realiza a abordagem.Noentanto, aintenodestetrabalhoapresentarosprincipaispontosquefazempartedodimensionamentodeum enlace via satlite.2.3.5.1. PolarizaoA polarizao da antena descrita comosendoa orientaocom que se apre-senta ocampoeltrico da onda irradiada.A polarizaoda antenadeterminadanadireo de mxima irradiao, ou na direo do chamado lbulo principal.IA eficincia dos refletores auxiliar e principal est intimamente ligada intensidade de irradiaonos lbulos laterais. Quanto menor a eficincia de ambos, maior a incidncia de lbulos laterais.18PARHIPPAR PARELIPAR PLANO PARPARHIPPARPAR, PAR PLANOPARPAR ELIPAR PARELI(a) (b) (c)(d) (e) (f ) (g)Figura 2.13. Diferentes formas para estruturas casegrain e gregoriana empregandorefletores Elpticos (ELI), Parablicos (PAR), Hiperblicos (HIP) e Planos.Comoocampoeltricodaondacompostoporcomponentesortogonais,omesmo pode ser representado atravs da equao (2.3)( ) t E t E E + + cos cos(2.3)ondeE o vetorcampoeltrico, e so os vetores unitrios e ortogonais,EeE soamplitudesdascomponentesdocamponodomniodafreqnciae adefasagem no tempo entre estas duas componentes.Analisando a equao, verifica-se que a polarizao linear, se = 0 ou = .Noentanto, se2 ou23 a polarizao circular, com sentidode giroanti-horrio e horrio, respectivamente.As condies intermedirias geram a polarizaoelptica, com sentido anti-horrio para < e sentido horrio para > 13.Esta caracterstica permite que, em comunicao viasatlite, exista a reutiliza-o de freqncia, ou seja, a utilizao de dois sinais de mesma freqncia, mas ope-rando com polarizaes opostas em uma mesma antena tanto para transmissocomopara recepo. Com isso, uma mesma banda em microondas pode ter sua quantidade19de canais duplicada. A Figura 2.14 apresenta a disposio tpicade canais para sat-lites.. . .. . .BW = 500MHzBanda TotalBanda de Guardaent re TranspondersBandado Transponder1A 2A 3A 12A1B 2B 3B 12BEspaamentoentre CanaisPolarizaoHorizontalPolarizaoVerticalFigura 2.14. Disposio tpica dos canais oferecidos pelossatlites de comunicao geoestacionria.Adiscriminaodepolarizaoadiferenadenvelentreosinalrecebidocom polarizaodefinidapelaondaeapolarizaoortogonaladaondaII.Teorica-mente, esta relao deve tender a valor infinito, mas, na prtica, o seu valor mensu-rvel e deve atingir grandezas que podero variar entre 30dB e 45dB.Nosenlacesviasatlite,recomenda-sequeadiscriminaoentrepolarizaesseja superior relao portadora rudo nominal do enlace, para que os canais de umapolarizao no interfiram na outra.Quando a onda eletromagntica se propaga na atmosfera, ocorre uma alteraona posio espacial do vetor campo eltrico, fazendo com que a polarizao da ondase altere. Para solucionar este problema, os primeiros satlites foram concebidos compolarizaescirculares,paraqueestacondioexternanoafetasseodesempenhodo sistema.Com a experincia adquirida aolongodosanos, percebeu-se que arotao defaseexisteepraticamenteconstanteaolongodotempo,podendosofrerpequenasIIPara polarizao circular a discriminao de polarizao medida em funo do sentido de girodo vetor campo eltrico em funo do tempo ,podendo ser polarizao circular horria ou anti-ho-rria.20alteraesdeumaregiopara outra,masmantendo-sepraticamenteinalteradaparauma dada regio.Por este motivo, atualmente, os novos satlites operam com polarizao linear,pois a polarizao circular oferece como desvantagem a perda de, aproximadamente,6dB no processo de recepo do sinal. Esta atenuao ocorre pela utilizao de pola-rizadoresconstrudoscommateriaisanisotrpicos,queconvertemaspolarizaescircularesdireitaeesquerdaempolarizaeslinearesverticalehorizontal,res-pectivamente.2.3.5.2. Diagrama de radiaoA intensidade de sinal radiada pelas antenas em cada direo,varia deacordocom aestrutura fsica dasmesmas.Namaioria dos casos, os projetos de antenas oude redes de antenas sorealizados para que um determinadodiagrama deirradiaoseja atendido.Deformageneralizada,aintensidadedocampomedido,variaemfunodadistncia e da concepo do prottipo, o que permite o uso da equao (2.4)( ) ,0frEE(2.4)onde0E aintensidadedocamponaorigemdosistema; radistnciaradial,dopontoondeestsendorealizadaamedidaorigeme f(,)estabeleceafunoderadiao do prottipo singular.Nestemodeloderepresentaodocampoeltrico,conclui-seque,paraumadeterminadaesferaderaior,aformadadistribuiodocamposobreaesferaserdada pelo fator ( ) , f que descreve o diagrama de radiao.Respeitando-se a condiode campodistante, pode-se afirmar que a formadodiagrama de radiaoser sempre amesma,independentemente da distncia utiliza-daparasefazeramedio.Porestemotivo,trabalha-sedeformanormalizada,demodoa fazer com que omximovalorradiadoseja representado por 1e os demaisvalores oferecidos de forma proporcional em escalalinear oulogartmica.Odiagra-ma de radiao pode ser representado na forma tridimensional, ou por planos vertical21ehorizontalcomusodecoordenadasretangularesoupolares.AFigura2.15de-monstra o diagrama de radiaode uma antena com refletor parablico,em notaoretangular e polar.-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 2500.10.20.30.40.50.60.70.80.91MeiaPotnciaLargura de FeixeAbertura de FeixeDiagrama Retangular0.20.40.60.81302106024090270120300150330180 0Diagrama PolarFigura 2.15. Diagrama de irradiao de uma antena de microondas com refletor parablico.NodiagramaderadiaodaFigura2.15,pode-severificarapresenadosl-bulos laterais e a abertura de feixe definida como sendo a distncia em graus entre ospontosdemeiapotncia,tomandocomorefernciaovalorradiadonadireodemximo.2.3.5.3. Diretividade e GanhoA diretividade de uma antena pode ser traduzida como sendo a capacidade queamesmapossui emconcentrarsinal emumadeterminadadireo,segundoum n-gulo slido limitado. Quanto menor este ngulo, maior a diretividade13.Devidoreciprocidadeoferecidapelasantenas,adiretividadetambmpodeserdefinidacomosendoamaiorcapacidadederecepodosinalemumadetermi-nada direo.Analiticamente,adiretividadepodesertraduzidacomoarazoentreadensi-dadedepotnciaem umadeterminadadireodaantenasobestudopeladensidade22de potncia da antena de referncia que, na maior parte dos casos, a antenaisotr-pica( )( )20 00 04,,r PSD (2.5)onde ( )0 0, D adiretividadeparaumdeterminadonguloslido, ( )0 0, S adensidadedepotncianadireo( )0 0, ,24 rPadensidadedepotnciaaumadistncia r de uma antena isotrpica.Quandoasantenassomuitodiretivas,oclculodadiretividadebastantesimplificado, pois pode ser aproximado levando-se em consideraoo nguloslidoobtido pela regio contemplada entre os pontos de queda de 3dB (Abertura de Feixe)nos planos ortogonais e . Em condies reais, nem toda potncia que alimentaaantena realmentera-diada.Portanto,criou-seoconceitodeganhodepotnciaondesoconsideradasasperdas, atravs da eficincia como demonstrado na equao (2.7).Para as antenas com refletor parablico a diretividade e o ganho podem ser cal-culadosemfunodafreqnciadeoperaoedodimetrodorefletorprincipal,como apresentado nas equaes (2.6) e (2.7)11,13,14.2

,_

dD (2.6)2

,_

dG D G (2.7)onde a eficincia global, dada por K, sendo K a eficincia de radiaoe aeficincia de abertura.Narecepodosinal trabalha-secom oconceitodereaefetiva,quetambmpodeserutilizadaparaclculodadiretividadeeganho,eviceversa.Areaefetivapara antenas com refletores parablicos pode ser obtida atravs da equao (2.8)24d AEFETIVA (2.8)23Nodimensionamentode enlacesviasatlite,importantesaberavariaodeganhoemdireesdistintasdaqueladevalormximo,pois,atravsdestedado,possvel calcular as perdas por apontamento e as possveis interferncias.Paraclculodalarguradefeixede3dBemgraus,soutilizadasasequaes(2.9) e (2.10),para iluminaesuniformesenouniformes,respectivamente1.Estasequaes foram testadas neste trabalho,atravs de comparaes com dados medidose divulgados por diferentes fabricantes de antenas, resultandoem valoresmuitopr-ximos, validando o seu uso4,5,6,7,8 (Apndice B).

,_

DdB 5 , 583(2.9)

,_

DdB 703(2.10)O ganho de uma antena para uma dada direo com relao aopontode m-ximo, pode ser calculado em funo da direo desejada , da abertura de feixedB 3edo valor de ganho mximo G , como apresentado na equao (2.11)III.( )2312

,_

dBdBG G (2.11)Trabalhandocom as equaes(2.7), (2.9)e (2.10)pode-se obter os resultadosapresentados pelas equaes(2.12)e(2.14)paraasantenascomiluminaounifor-me e (2.13) e (2.15) para antenas com iluminao no uniforme.235 , 58

,_

dBG (2.12)2370

,_

dBG (2.13)GdB 5 , 583 (2.14)IIIEsta equao vlida somente para ngulos pequenos (0 23dB).24GdB 703 (2.15)2.3.5.4. Temperatura de RudoEmcomunicaoviasatliteosnveisenvolvidosnarecepodesinaissomuitobaixos,exigindoquea temperaturaderudodasantenassejabemreduzida,para que um bom desempenho do sistema seja alcanado.No caso das antenas com refletores parablicos, a temperatura de rudo afeta-da peloslbulos secundrios dodiagrama de radiaoe pelongulode elevaodaantena,comrelaosuperfcieterrestreIV.Outrosfatoresligadosaoambienteemque est instalada a antena podem influenciar nesta grandeza. De forma generalizada,a temperatura da antena pode ser traduzida, matematicamente, pela equao (2.16).( ) ( )

,_

d d sin G T Tb A, ,41(2.16)ondeAT atemperaturaequivalentedaantena(K); ( ) ,bT atemperaturadebrilhoderadiaodocorpolocalizadonadireo ( ) , emqueaantenaofereceganho( ) , G .Este dado oferecidopelos fabricantes atravs de tabelasou curvas.A Figura(2.16)apresentaocomportamentodaantenade 4,9mdaAndrewCorporationope-rando em banda C4.Existe a influncia do sol que se traduz, de maneira mais expressiva, em comu-nicaoviasatlite,naocorrnciadeeclipses.Esteseventossoprevistoseampla-mentedivulgadospelosoperadoresdesatlite,poisgeram grandesdegeneraesnaqualidade da transmisso, em pequenosintervalos de tempo.Nesta condio,a tem-peraturaderudodasantenasaumentaconsideravelmente,poisolbuloprincipalfica alinhado com o satlite e o sol,fazendocom que o nvel de rudosupere aqueledo sinal em vrios momentos.IV O Anexo I, aborda o apontamento da antena da estao terrena para satlites geoestacionrios.250 10 20 30 40 50 603234363840424446Elevao (o)Temperatura (k)Figura 2.16. Temperatura equivalente de rudo da antena em funo do ngulo de elevao.2.3.5.5. Banda de operao e impednciaPara antenas utilizadas em comunicaovia satlite a banda de operao podeser influenciada pelo tipo de refletor e peloalimentador. Quando o refletor parabli-co macio e com baixa rugosidade, a banda pode ser alterada apenas com a mudan-adoalimentador.Omesmonoocorrecomosrefletoresconstrudoscomtela.Neste caso, medida que a freqncia aumenta agravam-se os problemas com rugo-sidade e tamanho do furo de tela, no permitindo a migrao de uma banda mais bai-xa para outra mais alta, na maioria dos casos.A impedncia da antena ser definida em funodo iluminadore,normalmen-te, sua leitura realizada atravs dos parmetros VSWR , e da perda por retorno. ATabela 2.2apresenta os parmetros maisimportantes daantena de 3,7m com usodedois refletores nas bandas C, X, Ku e K.26Tabela 2.2. Especificaes eltricas da antena de 3,7 metros da Andrew Co.Recepo TransmissoC 3,40 - 4,20 GHz 5,850 - 6,725 GHzX 7,25 - 7,75 GHz 7,90 - 8,40 GHzKu 10,70 - 13,25 GHz 13,75 - 14,80 GHzFreqncia de OperaoK 10,70 - 13,25 GHz 17,30 - 18,40 GHz3,400 GHz-41,0 dB 5,850 GHz-45,9 dB3,625 GHz-41,6 dB 6,175 GHz-46,4 dB4,000 GHz-42,7 dB 6,425 GHz-46,6 dB4,200 GHz-43,1 dB 6,725 GHz-46,9 dB7,250 GHz-47,7 dB 7,900 GHz-48,2 dB7,500 GHz-47,9 dB 8,150 GHz-48,4 dB7,750 GHz-48,1 dB 8,400 GHz-48,6 dB10,700 GHz-50,6 dB 13,75 GHz-52,5 dB10,950 GHz-50,8 dB 14,00 GHz-52,7 dB11,950 GHz-51,6 dB 14,25 GHz-52,8 dB12,750 GHz-52,1 dB 14,50 GHz-53,0 dB- 14,80 GHz-53,2 dB- 17,30 GHz-54,8 dBGanho- 18,40 GHz-55,2 dBC 1,20o0,80 oX 0,42o0,36 o3 dBKu e K 0,65o0,42 oC 2,0 o1,40 oX 0,85 o0,69 oKu 1,19 o1,09 oLargura de Feixe15 dBK 0,85 o0,60 oC 43 K -X 48 K - 10oKu e K 52 K -C 52 K -X 39 K -TemperaturadeRudo da Antena50oKu e K 37 K -272.4. Modulao e demodulaoEm sistemas decomunicaoviasatliteexisteumagrandenecessidadedesetrabalharcomamximaeficincianaretransmissodesinais.Porestemotivo,ossistemas de amplificao operam nas regies de saturao, oferecendo distores quelimitam a utilizaode modulaes com variaode amplitude. Dentrodestacondi-o,asmodulaes normalmenteutilizadasemcomunicaoviasatlitesoasquese baseiam em variaes de freqncia e fase.2.4.1. Modulao FM em sistemas analgicosNos sistemas analgicos utiliza-se a modulao FM, principalmente para emis-soras de rdio difuso sonora e televisiva.O modulador de FM no trabalha apenas com amodulao propriamente, mastambm com processamento do sinal modulante que garante um bom desempenho detodo oprocesso.As Figuras 2.17e2.18,apresentam odiagramaemblocosdomo-dulador e do demodulador, respectivamente.Filtro BandaBsicaPrnfaseModulador deFMFiltro deLoopFiltro de FIBufferPLLSada de FI70MHz(140MHz)Figura 2.17. Diagrama em blocos de um modulador FMNota-se no modulador de FM a utilizao de um circuitode pr-nfase. O usodestecircuitosedeveaofatodeque,noprocessodedemodulao,aamplitudedo28rudo dentro da banda dosinal demoduladoaumentaem funodo aumentode fre-qncia.Noprocessodemodulao,aumenta-se aamplitudedossinaisdefreqnciasmaiselevadasantesdomodulador,parafazercomquearelao C/Nsemantenhaconstante para todas as componentes da banda bsica.Este reforo de ganho nas componentes mais elevadas em freqncia realiza-do atravs de um circuito RC diferenciador, com constante de tempo , que varia deacordocomasnormasdecadapas.Ocomportamentodocircuitodepr-nfase,pode ser visualizado na Figura 2.19.Limitadorde FIDiscriminador de FIFiltropassabaixaD-nfaseFiltro daBandaModulanteFiltro deFI70MHz(140MHz)Figura 2.18. Diagrama em blocos de um demodulador FM.Nademodulaoinstaladoocircuitoded-nfasequeoferececomporta-mento contrrio e permite a reproduo do sinal de banda base (sinal modulante) semnenhum tipo de distoro. A Figura 2.19 apresentaesta condio.fVfVSinal modulant eSinal modulant e apsa pr- nfasefVSinal demoduladofVSinal e rudoapsa d-nfaseRudoSinalTransmissoRecepoFigura 2.19. Pr-nfase e d-nfase empregadas na modulao ena demodulao de FM, respectivamente.29O modulador de FM um oscilador controlado por tenso (VCO),que altera afreqncia do sinal de sada em funo do sinal modulante de entrada. Este osciladorcontroladoporum sistema PLL(PhaseLockLoop)quegaranteaestabilidadedafreqncia, sem prejudicar o processo de modulao.No estgio do demodulador so utilizados dois circuitos no processo de demo-dulao da portadora FM. Inicialmente, o sinal de FI passa por um circuito limitador,que retira a modulao em amplitude dosinal, permitindoque apenas a componentede modulao em fase do rudo chegue ao discriminador. O limitador tambm inibe ainterferncia por rudo impulsivo.Odiscriminadorutilizadoem FMconstrudoporumfiltrodecurvaS,querespondecomvariaolineareinclinadadentrodabandadocanalde FI,fazendocom queem suasadatenhamosa variaodefreqnciatraduzidaemvariaodeamplitude. Este sinal com variao de amplitude proporcional variao de freqn-cia,irconter, naenvoltria,ainformaodosinalmodulante.Dentrodestacondi-o, o sinal ento aplicado a um detetor de envoltrio que oferece, em sua sada, osinal de banda bsica.Tanto na modulaoquanto na demodulaosoutilizadosfiltros que possibi-litem a limitao de banda, o que permite reduzir o nvel de rudo no caso dos filtrosde FI, e ou eliminar sinais indesejados, como a funo dos filtros de banda base.Maiores detalhes da modulao FM utilizada em comunicaovia satlite, po-dem ser vistas no Anexo II.2.4.2. Modulaes digitais.Os sistemas digitais esto, na grande maioria das aplicaes, em comunicaesvia satlite, substituindo, a cada dia, os sistemas analgicos ainda existentes. As mo-dulaesdigitaismaisempregadasemcomunicaoviasatlitesoasmodulaesem fase e freqncia. Por este motivo, podemos destacar as modulaes PSK (PhaseShift Key) e FSK(FrequencyShift Key),comosendoasmaiscomuns,emborajseencontre no mercado alguns sistemas utilizandomodulaes QAM (Quadrature Am-plitude Modulation), ou mais precisamente, a modulao 16QAM.30No caso das modulaes QAM existem restries devido s distores causadaspelafaltadelinearidadedossatlites,oque obrigaautilizaodesistemasdepr-correo.Asmodulaesdigitaismaiscomunsemcomunicaoviasatliteestoabordadas de forma mais detalhada no Anexo II.Nossistemas digitaiscomumautilizaodecdigosparacorreodeerro,pois possibilitam uma melhoria significativa no desempenho do sistema.As tcnicasde correo de erro trabalham com a adio de informao no feixe de dados, fazen-docomqueamensagempossaserrecuperadamesmonaocorrnciadeerros.Noentanto,acorreodeerroaumentaataxadetransmisso,queprovocaoconse-qenteaumentodabandadetransmisso,ocupandoumalarguramaiordafaixadecanal.Umparmetroquepodeajudarnaanlisedoimpactodacorreodeerronaocupao de banda o FEC (Forward Error Correction). Em uma seqncia de bitstransmitidos,existeumaquantidade referenteadadoseumaoutraquecorrespondeao cdigo de correo. A relaoentre o nmerode bits de dados de uma seqnciapelo nmero total de bits da mesma seqncia, define o FEC.Comoexemplo,pode-selevaremconsideraoumdeterminadosistemaquepermiteaoperaocomdoisvaloresdiferentesde FEC,sendoestesiguaisa1/2e7/8. Na primeira condio, para cada dois bits transmitidos, um o de dados e o ou-tro de correo. Desta forma, podemos concluir que a taxa de transmisso dobrar.Nasegundacondio,paracada oitobitstransmitidos,setedestesserodedadoseapenas um de correo, o que proporciona um aumento de banda de apenas 14,3%.Com o FEC igual a 1/2 o desempenho do sistema ser muito bom, pois os errosserocorrigidos numa proporomuitomaiordo que naoperaocom FECigual a7/8. No entanto, a largura de faixa ser muitomaior com FEC igual a 1/2. A decisodequalcaminhoseguirdependerdaanlisetcnicaeeconmicarealizadapeloprojetista.Atualmente,existeumagrandevariedadedecdigosparacorreodeerro,tornandoalgumassoluesproprietrias.Noentanto,oscdigosmaiscomunsemcomunicao via satlite, so o Viterbi e Reed Solomon.31Ascodificaessedividememcodificaointernaecodificaoexterna.NaFigura2.20,pode-sevisualizarasestruturasdemodulaoedemodulaodigital,com as codificaes interna e externa.DadosCodificaoExternaCodificaoInternaModuladorFI 70MHz(140MHz)DemoduladorDecodificaoInternaDecodificaoExternaFI 70MHz(140MHz)DadosFigura 2.20. Estrutura bsica do processo de modulao e demodulao em comunicao digital2.5. Equipamentos de transmissoFI70MHz ou140MHZ BANDA LBANDA CBANDA XBANDA KuBANDA KaFILTRO DEBANDA LFILTRO DEBANDA LHPAOL11 Converso 2 ConversoAntena(Iluminador)OL2X XFigura 2.21. Equipamentos de transmisso via satliteOsequipamentosdetransmissopossuemumafunocontrriacondioapresentada narecepo.Aoinvsdetrabalharcomamplificadoresdebaixorudo,trabalham com amplificadores de alta potncia e a converso de freqncia realiza-daexatamentenosentidoinverso.Damesmaformaqueaestruturaderecepoaconversode freqncia realizada, na maioria dos casos, com duas mixagens, seminverso do espectro de freqncia, como apresentado na Figura 2.21.32O equipamento de converso de freqncia utilizado na transmisso chamadode up-converter. Na Tabela 2.2, esto apresentados os principais parmetros aborda-dos para este tipo de equipamento.Tabela 2.2. Dados do Up-converter; Modelo: SFC-6400A da Radyne ComStream Co.Freqncia de Sada(Dupla Converso)5,845 - 6,425 GHzFreqncia de Entrada70 MHz t 18MHz140 MHz t 36 MHzPonto de Compresso de 1dB de Sada +15 dBmPonto de Compresso de 1dB de Entrada +10 dBmNvel Nominal de Entrada +5 dBmPonto de Interseo de terceira Ordem - IP3 +27 dBm @ -44 dBc IMD (Dois Tons)Ganho 30 dBEmisso de Esprios-80 dBm (Oscilador Local)-60 dBc (Dentro da Banda)Rudo de fase-50dBc/Hz @ 10Hz-70dBc/Hz @ 100Hz-80dBc/Hz @ 1KHz-88dBc/Hz @ 10KHz-95dBc/Hz @ 100KHz-110dBc/Hz @ 1MHzPara oamplificador de alta potncia, denominado HPA, asprincipaisinforma-es esto ligadas mxima potncia de operao, aos nveis de entrada e sada e linearidade do equipamento. Na Tabela 2.3, pode-se verificar os dados de especifica-o de umHPA.Muitos dos fabricantes destes equipamentos apresentam ao mercado uma solu-ocompleta,envolvendotanto a parte de converso,comoaparte deamplificao.Noentanto, no existe uma padronizaona forma de construo de taisprottipos.Existem casosonde os fabricantesfornecem equipamentosde conversode FIparabanda Leconversoresacompanhadosdeamplificadoresquepossuementradaembanda L e sada em uma das bandas destinadas aos enlaces de comunicao via sat-lite e na potncia nominal de trabalho10.33Tabela 2.3. Dados do HPA VZC-6962E2 CPI - Communications & Power Industries Co.Freqncia 5,850 - 6,650 GHzLargura de Faixa 800 MHzPotncia de Sada 175 WGanho 73 dBAjuste de Potncia 0 - 25 dBVSWR de Entrada 1,3:1 (Mximo)VSWR de Sada 1,3:1 (Mximo)Mximo VSWR para Carga 2,0:1Produtos Harmnicos de Sada -60 dBc (1o e 2o Harmnicos)Esprios e Rudos< -130 dBw / 4 KHz (3,4 - 4,2 GHz)< -65 dBw / 4 KHz (4,2 - 12,0 GHz)< -110 dBw / 4 KHz (12,0 - 40,0 GHz)Figura de Rudo 10 dB (Mximo)Conector de Entrada N FmeaConector de Sada CPR 1372.6. Equipamentos de recepoNa recepode sinais via satlite podemos empregar um nicodiagrama bsi-co, em blocos, para representar toda a estrutura. Noentanto,dependendodotipodeservioadisposiodosmesmossealtera,dandoorigemadiferentesestruturase,conseqentemente, ganhando outros nomes.Atravs daFigura2.22,pode-senotar quea recepodosinal consistenaam-plificaoeconversodosinaldemicroondasparafaixade FIem 70MHz(140MHz).Quandoosistemavoltadoparacomunicaodedados,utiliza-seumLNA que apenas amplifica o sinal com temperatura equivalente de rudo muito baixa.O sinal, na sada do LNA, aplicado a um conversor de freqncia (down converter)que, geralmente, realiza dupla converso para conseguir transladar o sinal da faixa demicroondas para faixade FI.Osinal,nasadade FI,entodisponibilizadoaore-ceptor que funcionar como um demodulador.Quandoarecepode sinais realizadaparacanaisdevdeoeudio,aarqui-teturaeletrnicadaFigura2.22sealtera.Aoinvsdeutilizarocomponente LNA,emprega-seoutrocomponentedenominado LNB,queconstitudodeduaspartes,34sendoaprimeira um amplificadordebaixorudoeasegundaum conversordemi-croondasparabanda L.Osinalembanda L,ento,encaminhadoaoreceptordesinaisviasatlite,quepossui,internamente,osegundoconversordosistema,querealizar a converso de banda L para faixa de FI.LNABANDA L950 - 1450 MHZ BANDA CBANDA XBANDA KuBANDA KaFILTRO DEBANDA LOL11 Converso 2ConversoFILTRO DECANALOL2BANDA CBANDA KuAntena(Iluminador)BW=500khZBW=500khZFIRECEPTOR LNBRECEPO DE SINAIS DETV E RDIODOWN CONVERTERREDES PARA COMUNICAO DEDADOS VIA SATLITECANAL DERECEPOFI70MHZFigura 2.22. Equipamentos de recepo via satlite.Asespecificaesdo LNAe do LNBsorealizadasatravsdevriosparme-tros,tendocomoprincipais:faixadefreqnciadeentrada,faixadefreqnciadesada, ganho, temperatura de rudo e rudo de fase.Tabela 2.4. Dados do LNAModelo: RF-3000Fabricante: Paradise Datacom Co.Tabela 2.5. Dados do LNBPart Number: 140105-1Fabricante: California AmplifierFreqncia deentrada3,4 a 4,8GHzFreqncia deentrada3,4 a 4,2GHzFreqncia desada3,4 a 4,8GHzFreqncia desada950 a 1750MHzGanho 65dBGanho65dBTemperaturade Rudo30 K a 45 K @ 23oCTemperaturade Rudo17 K a 20K @ 25oCRudo de fase - Rudo de fase-73dBc/Hz @ 1KHz-95dBc/Hz @ 10KHzNas Tabelas (2.4) e (2.5), so apresentadas as caractersticas eltricas dos com-ponentes utilizados amplamente no mercado de comunicao via satlite.35As especificaes do down-convertertambmsorealizadasatravsdevriosparmetros, tendocomoprincipais:faixa de freqncia deentrada,faixa defreqn-cia de sada, figura de rudo, ganho de converso e rudo de fase. O rudo de fase degrandeimportnciaemfunodaqualidadederecepo,principalmentequandosetrabalha com modulao digital, onde este pode proporcionar um aumento da taxa deerro.Tabela 2.6. Dados do Down Converter ; Modelo: SFC-1275 da Radyne ComStream Co.Freqncia de entrada10,95 - 11,70 GHz12,25 - 12,75 GHz11,70 - 12,20 GHzFreqncia de sada(Dupla Converso)70 MHz t 18MHz140 MHz t 36 MHzGanho 40dBFigura de Rudo 14dB Max.Rudo de fase-50dBc/Hz @ 10Hz-60dBc/Hz @ 100Hz-80dBc/Hz @ 1KHz-84dBc/Hz @ 10KHz-94dBc/Hz @ 100KHz-110dBc/Hz @ 1MHzSensibilidade-80dBm @ 40dB de ganho-50dBm @ 10dB de ganho36Referncias Bibliogrficas1Maral,G.;Bousquet,M., SatelliteCommunicationsSystems:Systems,Techniquesand Technology, 4th Ed.. John Wiley & Sons Inc, 2002.2Marins,CarlosN.M.,Silveira,M., AnEfficientStructureforTestingParabolicAntennasusedInHomeTVReceptionviaSatellite,IEEEAPS-URSI2003,Columbus, Ohio, USA.3 Roddy, Dennis. Satellite Communications. 3rd Ed.. Mc Graw-Hill, 2001.4 Andrew Corporation; Catalog 38.5 JONSA. Satellite Antennas Simplify Communication. Disponvel em: Acesso em: 20 de outubro de2003.6 PATRIOT ANTENNA SYSTEMS. DBS/DTH Offset AntennaSystems.Disponvelem: Acesso em 20 de outubro de 2003.7 VISIOSAT. Metal & SMC DTH Antenna. Disponvel em: Acesso em: 20 deoutubro de 2003.8 BRASILSAT. Antenas Offset. Disponvel em: Acessadoem 20 de outubro de 2003.9 Ha, Tri Ti . Digital Satellite Communications. Macmillan Publishing Co., 1986.10Pratt,Timothy;Bostian,CharlesW.;Allnutt,JeremyE.; SatelliteCommunica-tions. 2nd Ed.. John Wiley & Sons, 2002.11 Balanis, Constantine A., Antenna theory: analysis and design. 2nd Ed..John Wiley& Sons, Inc, 1997.12N. Lockett. The ElectricalPerformanceoftheMarconi90ftSpaceCommunica-tion Aerials. Marconi Review, 34, 50-80 (1971).13 Esteves, L. Cludio. Antenas: teoria e aplicaes. Mac Graw Hill do Brasil, 198014 Kraus, John D.. Antenas. Traduo: Paulo Antonio Mariotto. Guanabara Dois, Riode Janeiro 1983.37Captulo 3Tcnicas de Mltiplo Acesso emComunicao Via Satlite3.1. IntroduoNas comunicaes via satlite, os canais oferecidospelosrepetidoresorbitais,possuem largurasdebandamuitoelevadas,podendovariarentre 36MHze 72MHz,dependendodotipode satliteeda bandaem queopera.Portrabalharcombandasto grandes muito comum um nico transponder serutilizadopor diferentes servi-os, permitindo a melhor relao custo/benefcio na operao.A primeira forma de acesso empregada porsatlite realizada pela divisodeespaoepolarizao.Omltiploacessopordivisodeespao SDMA(SpaceDivi-sion Multiple Access) tambm conhecido como mltiplos feixes com re-uso de fre-qncia.AtravsdaFigura3.1 (a)percebe-sequeduasdiferentesregiesdogloboforam cobertas pela mesma faixa de freqncia, pois, na maioria dos casos, o sinal deup-linkdevidamenteprocessadoeconvertidoparafreqnciade down-link.Atra-vs da diviso de sinal entre as antenas cornetas que compem a estrutura radiante dosatlitepossvel cobrirduas ou mais regies, simultaneamente,com amesmafre-qncia de operao.Esta diviso espacial faz com que a intensidade de sinal em cada uma das regi-es sejamais elevada,poisnosocobertas as reasseminteresse.Sendoassim,aqualidade de atendimento apresentada pelo satlite maior1.38Como j apresentado anteriormente no Captulo 2, os satlites utilizam o re-usode freqncia para possibilitar o aumento do nmero de canais e, conseqentemente,o nmero de usurios. A Figura 3.1 (b) apresenta uma mesma regio coberta por doisfeixes diferentes,masnamesmafreqncia,sendoum delesradiadonapolarizaoverticaleoutronapolarizaohorizontal.EstatcnicarepresentadapelasiglaPDMA(PolarizationDivisionMultipleAccess),ou,simplesmente,re-usodefre-qncia com duas polarizaes distintas.Estas duas tcnicas podem ser empregadas simultaneamente, fazendo com que,fisicamente, o satlite tenha sua utilizao desdobrada para diferentes reas e usuri-os.Cobert uraHemisfricaSDMAMesma Freqnciaem reas Diferent esPDMAReuso de Freqncias comDifentes PolarizaesPolarizaoHorizont alPolarizaoVert icalStelit e com Mlt iplasCoberturas em Diferent esBandas de OperaoCobert urapor Zona(a) (b) (c)Figura 3.1. Coberturas dos satlites nas condies SDMA e PDMA.Umavezdefinidasasreasdecoberturasea polarizaocomqueiroperarcada canal, surgem novas necessidades demltiploacessopor canal,comoser dis-cutido ao longo deste captulo.Esteacessode diferentes usuriosaummesmomeio,queo transponderdosatlite, deve ser realizadode modoa no provocar degeneraoentre osdiferentesserviosouestaes.Porestemotivo,deve-seutilizartcnicasdemltiploacesso,para conseguir a melhor alocao e a melhor utilizaotcnica efinanceira dosiste-39ma. Existem vrias formas de mltiplo acesso em um meio, noentanto, trs tcnicasso largamente difundidas em telecomunicaes.Inicialmente, o meiofoi multi acessado atravs da partiodoespectrode fre-qncias, com a alocao de diferentes canais de comun