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CSAT 1

Comunicaciones por SatComunicaciones por SatééliteliteCurso 2008Curso 2008--0909

Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo

Balance de enlaceBalance de enlaceSegunda parteSegunda parte

Miguel Calvo RamónRamón Martínez Rodríguez-Osorio

CSAT 2Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo

• Cadena del radioenlace Tierra-Satélite-Tierra• Cálculo de la potencia recibida (fórmula de Friis)• Modelos de atenuación atmosférica y de lluvia• Cálculo de la potencia de ruido. • Temperatura de ruido de antena• Combinación de enlace ascendente y descendente• Calidad de estaciones terrenas• Objetivos de calidad y disponibilidad. Ejemplos de cálculo de

balances de enlace• Amplificación no-lineal. Intermodulación. Optimización del

punto de trabajo• Coordinación• Ejemplos

ÍÍndicendice


El ruido blanco es un proceso aleatorio Gaussiano de media cero yvarianza:

02 N=σ

La densidad espectral de potencia de ruido blanco en doble banda entre-gada a una carga adaptada por una fuente de ruido a temperatura Ts es:

220 skTN

=

Siendo k la cte de Boltzman (10 log10 k = -228.6 dBW/K).

La potencia entregada a una carga adaptada a través de un filtro ideal de banda B es:

N N B kT B Watioss= =0

Ruido BlancoRuido Blanco


Temperatura de RuidoTemperatura de Ruido

Fuente deRuido

Potencia disponible (W):

N kT Bs=

Temperaturafísica Ts

Frecuencia (Hz)

B 300 GHzN0(f)

N0/2

BNN =0


Ruido de un Ruido de un CuadripoloCuadripolo

G, Nn

Cuadripolo con ruido

G

Cuadripolo sin ruido

TsFuente deruidoexterna

Ts

Fuente deruidoexterna

Te

Fuente equivalentede ruido


Si el cuadripolo no es ideal tendrá una ganancia G (o pérdidas L=1/G) y generará ruido propio. El ruido a la salida será:

ns NBkTGN += )(

La ecuación anterior puede reescribirse como:

)(

)(

es

ns

TTGkBGkBNTGkBN

+=

+=

La potencia de ruido generada puede considerarse como producida por un generador ficticio de ruido a la entrada con temperatura equivalente de ruido:

GkBNT n

e =

Ruido de un Ruido de un cuadripolocuadripolo


Se define como la relación entre la potencia de ruido a la salida delcuadripolo (sistema) y la potencia de ruido que habría si el sistemano generara ruido y las fuentes de ruido estuviesen a la entrada auna temperatura de referencia T0 de 290 ºK:

00

0 1TT

BGkTNBGkTF en +=

+=

Por tanto la temperatura equivalente de ruido puede obtenerse de lafigura de ruido como:

01 T)F(Te −=

Para un atenuador con pérdidas L su figura de ruido es F=L.

Figura de RuidoFigura de Ruido


Temp. Equiv. Ruido LNAs

0

200

400

600

800

1000

1200

1 2 4 6 10 20 40

Frecuencia (GHz)

MezcladorBipolarFETParamParam enfriado

Temperatura Ruido Temperatura Ruido LNAsLNAs


Figura de ruido de LNAs

0

1

2

3

4

5

6

7

1 2 4 6 10 20 40

Frecuencia (GHz)

MezcladorBipolarFETParamParam enfriado

Figura de Ruido de Figura de Ruido de LNAsLNAs


Amplificadores Amplificadores paramparaméétricostricos• Varactor: condensador de capacidad controlable por tensión• Tres señales: bombeo (diodo Gunn), señal RF a amplificar y la

combinación de ambas• Al variar la capacidad bruscamente (bombeo), aumenta el voltaje

para mantener constante la carga (Q=CV)• A cada paso de bombeo se obtiene una pequeña amplificación

de la tensión proporcional a la variación de la capacidad

Fuente:


LNAsLNAs comercialescomerciales

282.225.5-27.0EDO Corp.

50, 6065, 75, 80, 8510-95-12.75Comtech KLNA1520 $

27.5<0.72.0-2.15EDO Corp.

60, 63, 6650, 53, 56110 - 6511.7-12.2Maxtech UC-1200

995 $

50, 6030, 35, 40, 453.4-4.23.625-4.24.5-4.8

Comtech CLNA1420 $

> 45 dB453.4-4.2SPC490 $

50, 65, 7030 - 453.4-4.8Paradise RF-30001750 $

151137 MHzWraase MX-137

Ganancia (dB)Truido (K)NF (dB)Banda (GHz)Fabricante


LNA comercialesLNA comercialesLNA para banda Ka LNA para banda S


LNB (LNB (LowLow NoiseNoise BlockBlock ConverterConverter))

• Incluyen el LNA, conversor de frecuencia (con OL) y primer amplificador de FI


LNBsLNBs de tipo DUAL y QUADde tipo DUAL y QUADLNB DUAL LNB QUAD

High band/V High band/H Low band/V Low band/H


LNBsLNBs de tipo de tipo TwinTwin, , QuadQuad y y QuattroQuattro

La polarización se controla con una tensión continua (13/18 V), y la banda de frecuencia se selecciona con un tono de 22 KHz[CENELEC: 61319-1].


CuadripolosCuadripolos en Cascadaen Cascada

T T TG

TG G

TG G Ge e

e e em

m

= + + + +−

12

1

3

1 2 1 2 1

LL

mGGGG L21=

G1, Te1 G2, Te2 Gm,Tem

G, Te


Ruido total en el ReceptorRuido total en el Receptor

T TL

LL

T T TG

Ae

e= +−

+ +1

1

10 2

3

2

1

TA

Guía

LNA

OL

Mx FI

LNB

TA L1, Te1 G2, Te2 L3, Te3

TAntena Guía Ampl. LNA Mezclador

LNB


La temperatura de ruido de una antena es la suma del ruido captado por la antena:

T G T dA = ∫∫1

4π( ) ( )Ω Ω Ω

Donde G es la ganancia de la antena y T la temperatura equivalente de ruido (temperatura de brillo) en la dirección del ángulo sólido elemental dΩ.

• Ruido terrenal debido a la temperatura del suelo

• Ruido producido por el oxígeno y vapor de agua de la atmósfera

• Ruido producido por la absorción de la lluvia

• Ruido galáctico, Sol, luna, etc.

FUENTES DE RUIDO:

• La Tierra vista desde el satélite es una fuente de ruido

Temperatura de AntenaTemperatura de Antena


Temperatura de brillo (Rec. ITUTemperatura de brillo (Rec. ITU--R P.372)R P.372)

0372-03

A

E (0°)

D

C

B

E (90°)F

2 5 2 5 2 5109108 1010 1011

0

10

20

30

40

– 40

– 30

– 20

– 10

t (K

)a

Fa en función de la frecuencia (108 a 1011 Hz)

F (d

B)

a

Frecuencia (Hz)

ABCDE

F

: Ruido artificial mediano en una zona comercial: Ruido galáctico: Ruido galáctico (en dirección del centro galáctico para un haz infinitamente estrecho): Sol en calma (haz con ½ grado de abertura orientado hacia el Sol): Ruido del cielo debido al oxígeno y al vapor de agua (antena de haz muy estrecho);: curva superior, ángulo de elevación 0°; curva inferior, ángulo de elevación 90°: Cuerpo negro (ruido de fondo cósmico), 2,7 K Nivel de ruido mínimo previsto

(1 GHz)

2,9 × 10

2,9

2,9 × 106

2,9 × 105

2,9 × 104

2,9 × 103

2,9 × 102

2,9 × 10 –1

2,9 × 10–2


• El haz principal de la antena del satélite apunta a Tierra bajo un ángulo de visión de 17.5º.

• La Tierra es una fuente de ruido a 290 K.• Dependiendo del ancho de haz y la zona de cobertura, el

ruido de antena puede ser menor (por ejemplo, los continentes son más ruidosos que los océanos).

• T=290 K (valor conservador).

Ruido de antena en Ruido de antena en uplinkuplink

17.5º

290 K

4 K

4 K


Temperatura de brillo (cielo claro)Temperatura de brillo (cielo claro)

Satélites GOES 11 y 12http://cimss.ssec.wisc.edu/goes/realtime/anicsbt_g12.html


Temperatura de brillo de la TierraTemperatura de brillo de la Tierra

14 GHz (Modelo ESA/EUTELSAT) Fuente: Maral


Temperatura de brillo del Polo SurTemperatura de brillo del Polo Sur

36.5 GHz (Satélite ERS-2) Fuente: ESA


Ruido de antena en Ruido de antena en downlinkdownlink• Las fuentes de ruido que llegan a los terminales de la antena

de Tierra son:– Tcs: recibida por la antena en condiciones de cielo despejado. Se

debe a la Tª de fondo del Universo (TU~4ºK) y sobre todo a la presencia de un medio absorbente (gases) alrededor de la antena (TG). Se determina por la dirección del haz principal según curvas de la ITU-R que representan la temperatura de brillo TB.

– Tg: recibida por los lóbulos laterales (Gi, Ωi), procedente del terreno. Su valor depende de la elevación de la antena

– TFR: debida a fuentes de radiación (Tm y ángulo aparente α) si entran por el haz principal (sobre todo, Sol y Luna).

– TRAIN: debida a la lluvia cuando la hay. Depende de la atenuación producida ARAIN y de la temperatura del hidrometeoro Tm. La atenuación ARAIN afecta a las componentes de ruido TCS y TFR.


Mapas de temperatura de ruido (Mapas de temperatura de ruido (skysky noisenoise))

Fuente: www.nlsa.com


Temperatura de ruido de la antena en TierraTemperatura de ruido de la antena en Tierra18m diameter antenna Model 8018 from ViaSat

Banda C

0

10

20

30

40

50

5 10 15 20 30

Elevación (º)Te

mpe

ratu

ra (K

)

6m diameter antenna Model 8060 from ViaSat (formerly Scientific Atlanta)

0102030405060

10 20 40

Elevación (º)

Tem

pera

tura

(K)

3.6m diameter antenna Model 8136 from ViaSat (Offset geometry)

05

101520253035

10 20 30 40

Elevación (º)

Tem

pera

tura

(K)

Banda Ku

Banda C

Banda Ku

Banda C

Banda C


La atenuación de lluvia afecta a las componentes de ruido procedentes delcielo, pero no a las procedentes de Tierra

Ruido de antena en Ruido de antena en downlinkdownlink con y sin lluviacon y sin lluvia

• Sin lluvia:

• Con lluvia:

Fuente: Maral

esindividualgroundskyant TTTT ++=skyclear


Ruido de antena en Ruido de antena en downlinkdownlink sin lluviasin lluvia

• Contribución del cielo (Tsk)– captada por el lóbulo prinicipal– se puede asimilar la temperatura de brillo en la dirección de

apuntamiento

• Contribución de Tierra (Tg): – Contribución captada por los lóbulos secundarios y

parcialmente el lóbulo principal, si la elevación es pequeña

• Contribución de fuentes individuales (Tindividuales): – Contribución debida a fuentes individuales que se sitúan

cerca de la dirección de apuntamiento (Sol, luna)


Temperatura de brillo en funciTemperatura de brillo en funcióón de la elevacin de la elevacióónn

0372-05

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 601

10

1 000

100

200

500

2

5

20

50

θ = 0°

10°

20°

60°

90°

30°

5°

Tem

pera

tura

de

brill

o (K

)

Frecuencia (GHz)

Fuente: ITU-R P. 372-7


La temperatura de antena se define como: ∫∫ ΩΩΩ= d)(T)(GTA π41

Se puede aproximar el diagrama de antena por un haz principal, con eficienciade haz ηB , apuntando al cielo con temperatura Tsk y una envolvente de lóbulossecundarios constante apuntando la mitad hacia el suelo a temperatura Tg y laaproximadamente otra mitad mirando al cielo, como se indica en la figura.

( )( )T T T TA B sk B sk g= + − +η η12 1

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

<<<<

<<−−<

=

ºElº,KºElº,K

ºElº,KºEl,K

Tg

90101010050

01015010290

CCáálculo de la Temperatura de Antenalculo de la Temperatura de Antena

Tsk

Tg

ηB( )1

21− ηB

( )12

1− ηB


Teniendo en cuenta que todos los efectos de atenuación incrementan la temperatura de antena, la temperatura de cielo claro puede aproximarsecomo la suma de la temperatura del fondo del universo 4 K incrementadapor la absorción de gases de la atmósfera (vapor de agua y oxígeno).

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ −+=

−101014

gA

mcsk TT Tm es la temperatura media (270 K)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 905

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Tcsk( ),El 5

Tcsk( ),El 12

Tcsk( ),El 17

El

f=17 GHz

f=12 GHz

f=5 GHz

Temperatura de Cielo ClaroTemperatura de Cielo Claro


( )( )T T T TAcsk B csk B csk g= + − +η η12 1

La temperatura de antena en condiciones de cielo claro será:

Temperatura de Antena en Cielo ClaroTemperatura de Antena en Cielo Claro

0 10 20 30 40 50 60 70 80 9020

30

40

50

60

70

80

Tacsk( ),El 5

Tacsk( ),El 12

Tacsk( ),El 17

El

f=17 GHz

f=12 GHz

f=5 GHz


Si ARAIN es la atenuación de la lluvia en dB y Tm es la temperatura media de la lluvia, el incremento de temperatura de antena producido es de:

( )10101 RAINA

mRAIN TT−

−⋅=∆

Incremento de la temperatura de ruido por lluviaIncremento de la temperatura de ruido por lluvia

Tm = 260 K (nubes)Tm = 280 K (lluvia)


0 10 20 30 40 50 60 70 80 9070

120

170

220

270

320

370

420

Ta( ),,,,El 40 0.7 32 5

Ta( ),,,,El 40 0.7 32 12

Ta( ),,,,El 40 0.7 32 17

El

f=17 GHz

f=12 GHz

f=5 GHz

TAntenaDL

Temperatura de ruido con lluviaTemperatura de ruido con lluvia

( ) gA

mrain

skgrain

rain

skArain TT

ATTT

ATT rain +−+=+∆+= − 10/101


Si ARAIN es la atenuación de la lluvia en dB, el incremento de temperatura de antena producido es de:

⎪⎩

⎪⎨

⎧

<⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

>

=−

−

−

dBdB

n

dBn

FR BWBW

T

BWTT

3

2

3

3

si

si

ααα

Si el haz principal apunta al Sol o la Luna, el incremento de temperatura de antena producido es de:

Tn,Sol=12000f -0.75 K, α=0.5º

Tn,Luna=200 a 300 K, α=0.5º

RAIN

FRRAIN,FR A

TT =

Incremento de la temperatura de ruido por Sol y LunaIncremento de la temperatura de ruido por Sol y Luna


Paraboloide CentradoParaboloide Centrado

Tsk

Tg

Alimentador

ReflectorSpillover delalimentador


Paraboloide Paraboloide OffsetOffset

Tsk

Tg

Spillover delalimentador

Alimentador

Reflector


ConfiguraciConfiguracióón n CassegrainCassegrain

Tg

Alimentador

Reflector parabólico

Subreflector hiperbólico

Tsk

Spillover delalimentador

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