INPE-11433-PUD/139
CÁLCULO DE ENLACE PARA SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO
DIGITAL VIA SATÉLITE
Luciano Barros Cardoso da Silva
Marco Antonio Chamon
INPE
São José dos Campos
2004
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Enlace para sistemas de comunicação, Manuais, Projetos, Pesquisas de Sistemas de Comunicação Digital
Enlace para sistemas de comunicação
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
2017
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INPE-11433-PUD/
CÁLCULO DE ENLACE PARA SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO
DIGITAL VIA SATÉLITE
Luciano Barros Cardoso da Silva Marco Antonio Chamon
INPE São José dos Campos
RESUMO
Com o intuito de se determinar a viabilidade de um sistema espacial, torna-se necessário o levantamento de todos os parâmetros inerentes a um enlace via satélite. Esses parâmetros podem ser considerados positivos ao sistema, como o ganho das antenas ou a potência do transmissor, ou podem agir como perturbações, naturais ou não, que atenuam o enlace analisado. Todos os parâmetros necessários para o levantamento da relação característica de um enlace (relação sinal/densidade de ruído espectral), estão descritos e exemplificados no documento, a fim de se levantar a margem que caracteriza a viabilidade do sistema.
LINK ANALISYS FOR DIGITAL SYSTEMS VIA SATELLITE
ABSTRACT
In order to determine the viability of a spatial system, it is necessary to obtain all parameters existents in a link via satellite. These parameters can be considered positives to the system, like antenna gain or transmitter power, or can behave like a disturbance attenuating the link. All parameters necessary to characterize the “carrier-to-noise ratio” in a link will be described in this document to determine the margin of the system, characterizing the system viability.
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
O desempenho referente a um enlace de comunicação via satélite pode ser caracterizado em duas partes: a primeira refere-se ao enlace de RF propriamente dito, ou seja, o cálculo da Relação Sinal / Ruído ( C/No ) do sistema analisado. Já a segunda parte da análise refere-se ao desempenho do canal e ao número de canais disponíveis em função da relação C/No do enlace.
O levantamento da relação Sinal/Ruído ( C/No ) depende de diversos fatores, tanto positivos, como a Potência do Transmissor ou o Ganho das Antenas, quanto negativos, como as diversas perturbações ou atenuações (naturais ou não) ocorrentes em um enlace de RF, tais como chuva, atenuação atmosférica, desalinhamento entre as antenas, descasamento de polarizações etc.
Já a segunda parte da análise descrita acima se caracteriza quanto ao tipo de modulação (BPSK, QPSK etc.) ou quanto ao tipo de técnica de múltiplo acesso empregada no sistema.
Para sistemas digitais, calcula-se ainda a relação Energia de bit / Densidade Espectral de Potência Eb /N 0 , que tem uma importante função na análise do desempenho e confiabilidade do sistema, tendo relação direta com a probabilidade de erro de bit ( BER ), normalmente especificada pelo usuário.
Dependendo das características do sistema de comunicação, o enlace pode ainda ser classificado em: Uplink , referente ao enlace de subida, onde a Estação Terrena transmite o sinal ao satélite; e Downlink , referente ao enlace de descida, onde o satélite transmite o sinal à Estação Terrena.
Todas essas considerações feitas e toda a teoria estudada estarão descritas no decorrer do documento.
CAPÍTULO 2
INTRODUÇÃO TEÓRICA
Como dito anteriormente temos como principal objetivo em uma análise de enlace a Relação Sinal Ruído ( C/N 0 ). A equação que caracteriza essa relação está mostrada abaixo:
( C N 0 ) = ( EIRP ) ( 1 L ) ( G T ) ( 1 K )(Hz) (2.1)
A forma de obtenção e os critérios necessários para o equacionamento do problema serão descritos no decorrer do documento.
2.1 Parâmetros da Antena
As antenas podem ser consideradas como um dos principais parâmetros na análise de um sistema de comunicação, devido ao fato de seu ganho possuir relação direta na determinação da potência do Receptor.
2.1.1 Ganho
Para definirmos o ganho de uma antena, é necessário o conhecimento da teoria sobre antenas isotrópicas. A fonte pontual isotrópica é aquela que irradia uniformemente em todas as direções através do espaço que a circunda. Esse espaço é considerado sem perda.
Embora a fonte isotrópica não seja realizável na prática, estudá-la proporciona conhecimento de utilidade em projetos das antenas reais.
O ganho de uma antena caracteriza-se pela potência irradiada (ou recebida), em uma dada direção, em relação à potência irradiada (ou recebida) por uma antena isotrópica , ambas alimentadas pela mesma potência.
O ganho é máximo na direção de máxima irradiação, e para uma antena parabólica é dado por:
2 2 max ^
= ⋅^ ⋅
c
G D η^ π D f
Quando expresso em dBi , ou seja, dB em relação à antena isotrópica, a expressão torna-se:
= ∗ ⋅^ ⋅ ⋅
= ∗ ⋅^ ⋅
2 2
G max 10 logη πλ D 10 logη^ π Dc f (2.3)
onde:
η = Eficiência global da Antena
D = Diâmetro da Antena [m]
f = Freqüência de Operação [Hz]
λ = Comprimento de Onda [m]
c = Velocidade da luz [m/s].
A eficiência global η da antena é produto de vários fatores tais como: eficiência de
iluminação η i , eficiência spill-over η s , eficiência de superfície de chegada η f , perdas por
descasamento de impedância (ôhmica) η z etc. Essa eficiência global é dada por:
η = η i ⋅ η s ⋅ η f ⋅ η z L (2.4)
No total, a eficiência η, para o caso de uma antena parabólica, demonstrada acima como o
produto de vários fatores, encontra-se tipicamente entre 55 e 75% (Bousquet et al., 1993).
De um modo mais geral, define-se uma área efetiva da antena (também chamada abertura ) como sendo a área Aeff tal que o ganho da antena pode ser escrito como sendo:
2
2 2
c
G = ⋅ Aeff^ = π⋅ f ⋅ Aeff
2.1.2 Ângulo de Meia –Potência ( θ3dB )
O ângulo de meia potência θ3dB corresponde ao ângulo entre a direção de ganho máximo e a direção pela qual esse ganho cai pela metade, ou seja, – 3 dB como mostrado na Figura (2.1):
2.1.3 Polarização
A onda irradiada por uma antena possui uma componente de campo elétrico e outra de campo magnético. Estas duas componentes são ortogonais e perpendiculares em relação à direção de propagação da onda. Por convenção, a polarização da onda é definida pela direção do campo elétrico (Bousquet et al., 1993).
Em geral, a direção do campo elétrico não é fixa e sua amplitude não é constante. Durante um período, a projeção do vetor campo elétrico ( E ) em um plano perpendicular à direção de propagação da onda descreve em geral uma elipse, dando origem à polarização elíptica. A Figura (2.2) a seguir descreve o fenômeno:
Razão Axial = E (^) máx / E (^) min
Direção de Propagação
X
P
Y
E
Antena X
Y E^ máx
E (^) mín
E^ γ
FIGURA 2.2- Polarização elíptica. FONTE: Bousquet et al. (1993, p. 19).
A polarização elíptica possui três características principais:
- Direção de Rotação – diz respeito à direção de propagação, direita ou esquerda;
- Razão Axial ( AR ) – trata-se da relação entre o maior e o menor eixo da elipse. Ou
seja, se AR = 1 (0 dB) a polarização é chamada circular , se AR = 0 (ou ∞ ) a
polarização é tida como linear;
AR = (^) E max E min (2.8)
- Inclinação da elipse (γ).
2.2 Potência Transmitida e Recebida
2.2.1 EIRP
A densidade de potência irradiada por uma antena isotrópica alimentada por uma fonte RF
de potência Pt é dada por 4 P π^ t^ , que representa, na realidade, uma densidade de potência por
unidade de ângulo sólido (esfero-radianos).
Em uma direção onde o valor do ganho da transmissão é Gt , essa relação torna-se:
Gt P t (2.9)
O produto Gt Pt é chamado Potência Irradiada Isotrópica Equivalente ( EIRP ), expressa em watts (W). Quando expresso em decibéis, esse valor é normalmente indicado dBi , com o índice i referindo-se a uma antena isotrópica ideal.
2.2.2 Densidade do Fluxo de Potência
Admitindo-se uma antena receptora com área efetiva A (área que captura a potência incidente sobre a antena) situada a uma distância R da antena transmissora temos uma potência recebida dada por:
Pr = G 4 t π P t RA 2 =Φ A (W) (2.10)
A grandeza Φ, expressada em ( W/m^2 ), é chamada Densidade de Fluxo de Potência.
4 R^2
G (^) tPt
FIGURA 2.3 – Distância do Satélite 3D. FONTE: Pritchard et al. (1993, p.98).
FIGURA 2.4 – Distância do Satélite. FONTE: Pritchard et al.(1993, p.100).
Tomando a distância real d , em função do ângulo de elevação da antena da estação terrena e da altura h do satélite no nadir (90º de elevação), chega-se à seguinte expressão (Pritchard, 1993):
d = ( Re + h ) 2 −( Re cosθ )^2 − R e senθ (2.15)
onde
Re = Raio da Terra 6378,173 km
h = Altura do Satélite (nadir)
θ = Ângulo de elevação da Antena
Apesar da Perda em Espaço Livre ( LFS ) ser altamente significativa no cálculo do enlace, na prática deve-se levar em conta outras perdas adicionais no sistema, as quais serão descritas a seguir.
2.3.1 Perda Atmosférica
A Terra é rodeada por diferentes tipos de substâncias, tais como gases, átomos livres, água na forma de vapor etc. Essas substâncias, capturadas pelo campo gravitacional terrestre, espalham-se até uma altitude em torno de 650 quilômetros, constituindo a Atmosfera Terrestre.
A densidade dessas partículas diminui com a altitude. As partículas superiores da atmosfera (ionosfera) absorvem e refletem grande quantidade de energia proveniente do sol. Quando absorvida, essa energia é re-irradiada em todas as direções pela ionosfera, ionizando os átomos atmosféricos, gerando assim, em sua parte superior, uma banda de elétrons livres ao redor da Terra, os quais interagem diretamente com algum campo eletromagnético passante (Gagliard, 1984).
A Figura (2.5) abaixo mostra o comportamento desse tipo de perda em função da freqüência:
Freqüência (GHz)
Atenuação (dB)
Propagação
FIGURA 2.5 – Atenuação Atmosférica FONTE: Gagliard (1984, p. 95)
FIGURA 2.6- Regiões climáticas – NASA. FONTE: Pritchard et al. (1993, p.286).
TABELA 2.1 – Taxas de chuva. Porcentagem Regiões Climáticas da Chuva do Ano (^) A B C D 1 D 2 D 3 E F G H
Minutos por Ano
Horas por Ano 0,001 28 54 80 90 102 127 164 66 129 251 5,3 0, 0,002 24 40 62 72 86 107 144 51 109 220 10,5 0, 0,005 19 26 41 50 64 81 117 34 85 178 26 0, 0,01 15 19 28 37 49 63 98 23 67 147 53 0, 0,02 12 14 18 27 35 48 77 14 51 115 105 1, 0,05 8 9,5 11 16 22 31 52 8,0 33 77 263 4, 0,1 6,5 6,8 72 11 15 22 35 5,5 22 51 526 8, 0,2 4,0 4,8 4,8 7,5 9,5 14 21 3,8 14 31 1052 17, 0,5 2,5 2,7 2,8 4,0 5,2 7,0 8,5 2,4 7,0 13 2630 43, 1,0 1,7 1,8 1,9 2,2 3,0 4,0 4,0 1,7 3,7 6,4 5260 87, 2,0 1,1 1,2 1,2 1,3 1,8 2,5 2,0 1,1 1,6 2,8 10520 175, FONTE: Pritchard et al. (1993, p.285).
2.3.2.1 Modelo de Atenuação da Chuva
O valor da atenuação decorrente da chuva Arain é dado pelo produto da atenuação específica γR (dB/km) e o comprimento do percurso efetivo da onda na chuva LE (km).
Arain = γ RL E (2.17)
O valor de γr depende da freqüência e da intensidade r (^) p (mm/h) da chuva. O resultado é um valor de atenuação que, em média, não é excedido mais do que a porcentagem de tempo p. a determinação de Arain é feita da seguinte maneira (Dissanayake et al.,2002):
1-) Cálculo da altitude da chuva hr (km);
hr = 5 se 0< latitude <23º
hR =5-0,075(latitude-23) se latitude ≥ 23º (2.18)
2-) Cálculo inclinação do percurso na chuva;
E L hR hS S (^) sen = − (para E > 5º) (2.19)
onde hS é a altura (km) da estação terrena em relação ao nível do mar.
3-) Cálculo de r (^) 0,01 , fator de redução para 0,01% do tempo, o qual leva em conta a heterogeneidade da chuva.
r 1 ( LS L ) cos E
onde L 0 = 35 exp(− 0 , 015 R 0 , 01 ).
4-) Cálculo de LE.
L (^) E = LS ⋅ r 0 , 01 (2.21)
5-) Determinação (por meio de gráfico ou tabela de precipitação) de R0,01 , média anual excedida 0,01% do tempo na região geográfica onde a estação terrena está localizada.