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Sistemas de Telecomunicações | 2007-2008

COMUNICAÇÕES POR SATÉLITE

Engenharia Electrica e Electrónica - TIT

Rui Marcelino

Abril 2008

Sumário

1. Revisão Histórica

2. Conceitos básicos da comunicação por satélite

3. Alocação do espectro

4. Aplicações de sistemas de satélites

5. Elementos do sistema

2 | Sistemas de Telecomunicações | 2008

5. Elementos do sistema

6. Considerações do Projecto

7. Presente e tendências futuras das comunicações por satélite

8. Referências

1Revisão Histórica


1

Foguete V2 – Final da II Guerra Mundial (Alemanha)


- 1956 – Cabo transatlântico (12 canais de telefone).

- 1957 - Primeiro satélite lançado pelo homem USSR (Sputnik, LEO).

- 1958 - Primeiro satélite Americano (SCORE). Primeira comunicação estabelecida por satélite (LEO, Menos de 35 dias em orbita. Falharam as baterias).

Factos relevantes - Anos 50


Sptunik -I


Primeiro Satélite de comunicações

1960 Primeiro Satélite de comunicações (Echo I and II).

1962: Primeiro satélite de telecomunicações não governamental Telstar I (MEO).

1963: Primeiro satélite lançado em orbita Geoestacionária Syncom 1 (falha)


1964: Criação da INTELSAT.

1965 Primeiro satélite comercial Early Bird (depois renomeado INTELSAT 1).


Echo I


Telstar I


Intelsat I


- Desenvolvimento de aplicações GEO

- 1975 Experiência da primeira difusão directa de satélite com sucesso (um ano de duração USA-India).

- 1977 Difusão directa por satélite, atribuída pelo ITU para as regiões

- 1979 Criada a organização de serviços móveis de satélite (Inmarsat).



- Expansão de aplicações GEO

- 1981 Primeiro veiculo de lançamento espacial retornável

- 1982 Comunicações marítimas operacionais

- 1983 ITU define plano de difusão directa para a zona 2.

- 1984 Primeira difusão directa residencial (Japão).


- 1984 Primeira difusão directa residencial (Japão).

- 1987 Sucesso em experiencias de comunicações moveis terrestres (Inmarsat).

- 1989-90 Comunicações móveis globais (Inmarsat)


1990-95:

- Várias organizações propõem a utilização de satélites não geoestacionários (NGSO) Para sistema de comunicações móveis

- Crescimento continuo de sistemas VSAT (Very Small Aperture Terminal)

- Alocação de frequências para sistema não-Geo

- Crescimento continuo de sistemas e difusão directa.

1997:


1997:

-Lançamento do primeiro satélite LEO para terminais portáteis de mão (Iridium).

- Serviços móveis (Inmarsat).

1998: Iridium inicia serviço

1999: Globalstar inicia serviço


Iridium


2Conceitos básicos da comunicação por

satélite


2 satélite

GEO 36,000 km

MEO 5,000 – 15,000 km

Principais tipos de Orbitas

LEO 500 -1000 km


No plano do Equador

Período da orbita equatorial = 23 h 56 min. 4.091 s= um dia sideral

(definido como uma rotação completa relativamente às estrelas fixas)

Satélite parece estacionário a um observador num ponto do equador

Orbita Geoestacionária

Satélite parece estacionário a um observador num ponto do equador

Raio da orbita, r, = 42,164.57 km

Raio da orbita= Altura da orbita+ raio da terra

Raio médio da terra= 6,378.14 km


Orbita Elíptica


Satellite Orbital Orbital Orbital System Period Height (km) Velocity (km/s) h min s

INTELSAT 35,786.43 3.0747 23 56 4.091

Velocidade e Período das orbitas

ICO-Global 10,255 4.8954 5 55 48.4

Skybridge 1,469 7.1272 1 55 17.8

Iridium 780 7.4624 1 40 27.0


Orbitas não GEO:

LEO

Orbitas GEO e não GEO

MEO

HEO


20.0

25.0

30.0

Períodos de orbitas LEO, LEO e GEO

0.0

5.0

10.0

15.0

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

Altitude [km]

Hours


F1

v

(velocity)

F2

(Inertial-Centrifugal Force)

Porque se mantêm os satélites em orbita

F1

(Gravitational Force)


3Alocação do espectro


3

• Frequência: Razão com que uma onda electromagnética altera a sua polarizada (oscila) em ciclos por segundos ou Hertz (Hz).

• Comprimento de onda: Distância entre frente de onda no espaço. Dado em metros como:

λλλλ= c/f

Onde: c = velocidade da luz (3x108 m/s no vazio)

Espectro de Frequência - Conceitos

Onde: c = velocidade da luz (3x108 m/s no vazio)

f = frequência em Hertz

• Banda de Frequência: Intervalo de Frequência.

• Largura de Banda: Tamanho ou “largura” (em Hz) de uma banda de frequências.

• Espectro electromagnético: Conjunto completo de frequência de 0 até infinito


Frequências RF : Parte do espectro electromagnético e correspondem às frequências entre 300 MHz e 300 GHz.

Propriedades das RF:

Radiação eficiente de uma sinal de potencia

Radia no espaço livre

Rádio Frequências RF

Radia no espaço livre

Eficiente recepção em ponto diferentes

As diferenças dependas das RF frequências utilizadas

- Largura de banda do sinal

- Efeito de propagação (difracção, ruído, fading)

- Tamanho das antenas


• Sub-intervalo das frequência RF entre 1GHz e 30GHz.

• Propriedades:

- Propagação em linha de vista (espaço e atmosfera).

- Limitado por meios densos (elevações, edificios, chuva)

Frequências de Microondas

- Limitado por meios densos (elevações, edificios, chuva)

- Grande largura de banda comparando com as baixas frequências.

- Antenas compactas, e possibilidade de directividade.


- ITU International Telecommunication Union Uniformidade na regulamentação

- Aloca bandas de frequência para os diferentes fins, no planeta

- Define regras de forma a limitar as interferências de RF entre países

Regulação do espectro de frequências


AM HF VHF UHF L S C X KuKa V Q

1 10 100 1

MHz GHz

SHF

0,1 10010

Espectro de RF – Bandas mais usadas

Bandas Terrestres

Bandas espaciais

Partilhadas (Terrestres e Espaciais)


Frequência de ressonância abaixo100GHz:

• 22.2GHz (H20)

Utilização de frequências Espaço-Terra

Efeitos da atenuação atmosférica

• 22.2GHz (H20)

• 53.5-65.2 GHz (Oxygen)


4Aplicações de sistemas de satélites


4

1965 Early Bird 34 kg 240 circuitos

1968 Intelsat III 152 kg 1500 circuitos

Aplicações iniciais dos satélites GEO : Telefonia

1986 Intelsat VI 1,800 kg 33,000 circuitos

2000 Large GEO 3000 kg 8 - 15 kW power 1,200 kg payload


- DIFUSÃO - principalmente Televisão

- TVCABO, PrimeStar, XM radio, …

- Comunicações Ponto-Ponto Para Multiponto

Aplicações actuais de satélites GEO

- Comunicações Ponto-Ponto Para Multiponto

- VSAT, Distribuição de sinal para TV Cabo, Telefonia, …

- Serviços Móveis

- Terrestar (4G – IP misto satélite-Terrestre), INMARSAT, …


- GPS é sistema de satélite (MEO)

- Os satélites difundem trens de impulso com elevada precisão temporal

- Um receptor adequado a “ver” 4 satélites GPS pode calcular a sua posição com uma margem de erro máxima de 30 m

- 24 em 8 orbita s de 4 satélites, com um período orbital de 12 horas

Navegação por Satélite: GPS , GLONASS e GALILEO

- 24 em 8 orbita s de 4 satélites, com um período orbital de 12 horas

- Navegação terrestre e marítima


- Novos sistemas em inicio de funcionamento

- Orbitas circulares ou inclinadas < 1400 km altitude

- Satélites cruzam o céu do horizonte-horizonte em 5 - 15 minutos

- Estações terrestre devem seguir o satélites ou possuir antenas

Satélites LEO

- Estações terrestre devem seguir o satélites ou possuir antenas omnidireccionais

- Obriga a uma constelação de satélites para uma comunicação continua.

- Handoff entre satélites.


5Elementos do sistema


5

Segmento espaço

Satélite Região de cobertura

Elementos de um sistema de satélite

Estação de controlo

Segmento Terra

EstaçõesTerrestres

cobertura


– Fase de lançamento

– Fase de colocação em orbita

– Adaptação ao funcionamento

– Funcionamento

TT&C - Tracking Telemetry and Command Station: Controla e

Segmento Espaço

TT&C - Tracking Telemetry and Command Station: Controla e monitoriza os feixes com o satélite. Corrige as distorções e orbitas. Distorções causadas por forças gravitacionais irregulares motivadas pela irregularidade da Terra (não esférica) e devido ainda à influencia do sole da Lua

– Fase de retirada do satélite


- Estabilização SPIN

- Estabilização 3 Eixos

Estabilização do satélite


Comunicações

Antenas

Transponders

Subsistema

Telemetria e comando (TT&C)

Controlo do satélite (alinhamento de antenas e posicionamento )

Subsistemas do satélite

Controlo do satélite (alinhamento de antenas e posicionamento )

Propulsão

Energia Eléctrica

Controlo Térmico


Estação Terrestre= Estação de comunicação por satélite(ar, terra ou mar, fixo ou móvel).

Segmento Terra

Serviço fixo de satélite Serviço Movél de satélite


6Considerações do Projecto


6

Satélite

Princípios Básicos

Feixe AscendenteEstação

Terrestre

Feixe Descendente

TxEntrada Informação Rx

Output Information

Estação Terrestre


- Feixe ascendente e descendente:

- FDD: Frequency Division Duplexing.

- f1 = Ascendente

- f2 = Descendente

- TDD: Time Division Duplexing.

Espectro de RF – Bandas mais usadas

- t1=Ascendente, t2=Descendente, t3=Ascendente, t4=Descendente,….

- Polarização

- Polarização Linear ( Vertical ou Horizontal)

- Polarização circular

- Entre canais/utilizadores (Acesso Multiplo):

- FDMA: Frequency Division Multiple Access; atribui a cada utilizador a sua própria frequência da portadora

- f1 = utilizador 1; f2 = utilizador 2; f3 = utilizador 3, …

- TDMA: Time Division Multiple Access; Cada utilizador tem o seu próprio intervalo de tempo

Separação dos sinais – utilização do mesmo transponder em simultâneo

próprio intervalo de tempo

- t1= utilizador 1, t2= utilizador 2, t3= utilizador 3, ...

- CDMA: Code Division Multiple Access; cada utilizador transmite simultaneamente e na mesma frequência a separação é efectuada por modulação em que cada um tem um código diferente no bitstream

- código 1 = utilizador 1; código 2 = utilizador 2; código 3 = utilizador 3


Entradadados

Codificaçãode dados

Codificaçãode canal

Modulador

TRANSMISSOR

Sistema de Comunicação Digital

RECEPTOR

CANALRF

SaídaDados

Descodificadados

Descodificador canal

Desmodulador


7Presente e tendências futuras

das comunicações por satélite


7 das comunicações por satélite

- Satélites GEO grandes e pesados para múltiplas aplicações

- Aumento da difusão directa de TV e Rádio

- Expansão para bandas Ka, Q, V (20/30, 40/50 GHz)

- Grandes crescimento de serviços baseados na Internet

O presente nas comunicações por satélite

-

- Serviços Móveis:

- Serviços de difusão em vez de ponto-a-ponto

- Serviços móveis um negócio com sucesso?


- Crescimento precisa de novas frequências

- Com a aumento da frequência RF a propagação através da chuva e das nuvens torna-se um problema

- Banda-C (6/4 GHz) pouco impacto da chuva99.99% de disponibilidade

Futuro das comunicações por satélite

- Banda-Ku (10-12 GHz) Margem de feixe ≥≥≥≥ 3 dB para garantirfor 99.8% disponibilidade

- Banda-Ka (20 - 30 GHz) Margem de feixe ≥≥≥≥ 6 dB para garantirfor 99.6% disponibilidade


8Referências


8

Referências

- John WatKinson, “The MPEG Handbook”, Focal Press, (2001)

[Cap.2 e 5]

- Keith Jack, “Video Demystified”, 4 Ed., Elsevier-Newnes (2005)

[Cap.1, 2, 3 e 4]

- Visual phantoms (Chikaku Colloquium 2004)

http://www.psy.ritsumei.ac.jp/~akitaoka/phantome.html

- Recomendação ITU-T Recommendation H.261, Video Codec for Audiovisual Services at px64 Kbits (1993)


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