Comunicações Terrestres e Via Satélite

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INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ELECTRÓNICA E TELECOMUNICAÇÕES E DE COMPUTADORES
Co mun ica çõ es Te rr es tr e s e V ia Sat é lit e
F icha n º 2
Autores: Manuel Brito dos Santos 31297
Arnaldo Monteiro 25773
Jaquelino Barbosa 32572
Engenheiro: António Serrador
ISEL, Julho de 2010
Índice
Índice de Siglas ............................................................................................................................. 3
Índice de Figuras ........................................................................................................................... 4
Introdução ..................................................................................................................................... 5
1.Análise Teórica .......................................................................................................................... 6
1.1.Escolha do satélite ............................................................................................................... 6
1.2.Escolha dos canais de comunicação .................................................................................... 9
1.2.1.Ligação Ascendente ......................................................................................... 9
1.2.2.Ligação descendente ........................................................................................ 9
1.3.Equipamentos utilizados na estação terrena ...................................................................... 11
1.3.1.Equipamento de fala ....................................................................................... 11
1.3.2.Modem ........................................................................................................... 12
1.3.3.Antena ............................................................................................................ 14
1.3.4.Filtro OMT ..................................................................................................... 15
1.3.4.Transceiver ..................................................................................................... 15
2.Link Budget .............................................................................................................................. 16
2.1.Ligação Ascendente .......................................................................................................... 17
2.2.Ligação descendente ......................................................................................................... 19
3.Conclusão ................................................................................................................................. 23
4.Bibliográfia .............................................................................................................................. 24
Página 2
Índice de Siglas
GEO – Geoestacinário
C/N – Relação portadora/ ruído
C/N0 – Relação portadora/ densidade espectral de ruído
ET – Estação terrena
VSAT – Very Small ApertureTerminal
FSS – Fixed Satellite Service
ETSI – European Telecommunication Standards Institute
Página 3
Índice de Figuras
Figura 1 – Área de cobertura do Atlantic Bird 2. ............................................................. 6
Figura 2 – Cobertura do Atlantic Bird 2 com visualização de potências. ........................ 7
Figura 3 – Principais características do satélite Atlantic Bird 2. ...................................... 7
Figura 4 – Cobertura na Europa a nível de ERB (máxima potência radiada) pelo satélite
Atlantic Bird 2. ................................................................................................................. 8
G
Figura 5 – Diagrama da figura de mérito   K 1 para a Europa. .................................. 8
T 
Figura 6 – Gama de frequências para Uplink. .................................................................. 9
Figura 7 – Gama de frequências para downlink. ............................................................ 10
Figura 8 – Canais disponibilizados pelo Atlantic Bird 2 para uplink/downlink. ............ 10
Figura 9 – Conector RJ-11. ............................................................................................ 11
Figura 10 – Interface RJ-11. ........................................................................................... 11
Figura 11 – Telefone....................................................................................................... 11
Figura 12 – Características do modem SkyStar Advantage. ........................................... 13
Figura 13 – Figura ilustrativa de uma ligação em estrela. .............................................. 13
Figura 14 - Descrição da antena utilizada. ..................................................................... 14
Figura 15 – Controlador RC3000. .................................................................................. 14
Figura 16 - Filtro OMT. .................................................................................................. 15
Figura 17 – Ilustração de um filtro OMT para banda Ku. .............................................. 15
Figura 18 - Transceiver................................................................................................... 16
Figura 19 – Esquema ilustrativo da ligação via satélite. ................................................ 17
Figura 20 – Esquema de uma ligação via satélite. .......................................................... 21
Figura 21 – Esquema da ligação via satélite a ser estabelecida...................................... 22
Página 4
Introdução
Este trabalho tem como principal objectivo projectar um sistema de comunicação de voz
via satélite assumindo um satélite geostacionário, com mobilidade. Este projecto inclui
os cálculos do Link Budget, o dimensionamento da ligação, verificação da qualidade da
ligação e uma proposta de equipamentos a adquirir na estação terrena.
Para a implementação deste projecto escolhe-se o satélite adequado, que consiga dar
cobertura a Portugal, e fornecer o serviço pretendido. Depois faz-se a proposta de
equipamento á adquirir na estação terrena, de modo a que a ligação possa ser
estabelecida e finalmente faz-se os cálculos da eficiência da respectiva ligação (cálculos
da relação sinal ruído possível para esta ligação).
Página 5
1.Análise Teórica
1.1.Escolha do satélite
Na escolha do satélite levou-se em conta a particularidade de nas comunicações via
satélite o acesso ser universal, com iguais condições de acesso em qualquer ponto da
cobertura do satélite, bem como as vantagens de estabelecimento de comunicações em
locais que as redes terrestres têm dificuldades em cobrir, o fácil acesso a esta tecnologia,
dado que não é necessária uma complexa instalação, necessitando somente de um
equipamento de recepção adequado, para além da grande potência e capacidade destas
comunicações, uma vez que é possível enviar a mesma informação para milhares de
utilizadores, a um custo reduzido.
A nossa escolha recaiu sobre um satélite da Eutelsat, o Atlantic Bird 2, por ser um
satélite que cobre a área de serviço de Portugal, garante uma grande qualidade de
serviço, oferece garantias de continuidade de serviço em casos de falhas devido aos
equipamentos e sobretudo a sua grande segurança nas comunicações.
O Atlantic Bird 2, encontra-se na posição 8º oeste, cobrindo uma grande parte da
Europa, Estados Unidos, Norte de África bem como América do Sul, como se vê na
Figura 1.
Figura 1 – Área de cobertura do Atlantic Bird 2.
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Figura 2 – Cobertura do Atlantic Bird 2 com visualização de potências.
A Figura 2 ilustra a zona de cobertura do satélite escolhido bem como as potências
radiadas para cada zona.
Este satélite pertence à frota Atlantic Bird™, tendo sido lançado em 25/9/2001, e
disponibiliza serviços de multimédia, incluindo voz. As suas principais características
técnicas podem-se resumir no quadro seguinte:
Figura 3 – Principais características do satélite Atlantic Bird 2.
Além destas características, destaca-se ainda o facto do Atlantic Bird™ suportar
comunicação com estações terrenas do tipo Very Small Aperture Terminal (VSAT) e
operar na banda de frequência Ku (10.7-14.5 GHz).
Vejamos agora em maior pormenor o diagrama da potência radiada pelo satélite para a
Europa, Figura 4.
Página 7
Figura 4 – Cobertura na Europa a nível de ERB (máxima potência radiada) pelo satélite Atlantic Bird 2.
Como se pode verificar, o satélite possui bons níveis de potência emitida, sendo que na
zona de Lisboa têm-se cerca de 46 dBW e para as Regiões Autónomas dos Açores e da
Madeira 42 dBW. Também podemos reparar no ângulo de elevação dos terminais e que
para estas zonas deve ser superior a 20º para uma boa recepção.
No que respeita à ligação ascendente, apresentamos em seguida um diagrama da figura
de mérito (G/T) do receptor do satélite., Figura 5.
Figura 5 – Diagrama da figura de mérito
 G  1
  K para a Europa.
T 
Como se pode observar na Figura 5, tem-se para Lisboa uma relação G/T a rondar os
+2dB/K.
Página 8
1.2.Escolha dos canais de comunicação
Tendo já definido o satélite a utilizar é agora necessário escolher as bandas de
frequência a serem utilizadas no estabelecimento do sistema de comunicação.
1.2.1.Ligação Ascendente
A ligação ascendente, ou na terminologia anglo-saxónica uplink, diz respeito à ligação
que é feita desde a estacão terrena até ao satélite. No Atlantic Bird™ 2, a gama de
frequências disponíveis para esta comunicação vai de 13 a 14.50 GHz, e está dividida
em vários canais com duas larguras de banda: 36, 54 e 72 MHz.
Uma vez que o serviço que pretendemos suportar sobre a ligação satélite é voz, o que
não ocupa grande largura de banda, é mais do que suficiente a utilização do canal de 36
MHz. Dentro destes podemos escolher qualquer um que tenha cobertura europeia, tendo
a nossa opção recaído sobre o canal F1, cuja frequência central é de 14 024.5 MHz e
utiliza polarização horizontal, ilustrado na Figura 6.
Figura 6 – Gama de frequências para Uplink.
1.2.2.Ligação descendente
Para a comunicação no sentido oposto é utilizada sempre uma frequência mais baixa,
isto quando falamos em ligações via satélite. O motivo deste procedimento está
relacionado com o facto de para frequência inferiores haver menor atenuação do
percurso, o que permite que o satélite não precise de emitir com tanta potência,
economizando assim os seus recursos energéticos.
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Tendo em conta que já escolhemos o canal F1 para uplink, devemos usar o canal de
downlink correspondente, que se situa nos 12 524.5 MHz, e tem a mesma largura de
banda mas polarização vertical o que permite reduzir na antena a interferência entre os
dois sentidos da comunicação.
Figura 7 – Gama de frequências para downlink.
Embora tenha sido escolhido o canal F1 para o estabelecimento da comunicação, notese que este satélite disponibiliza vários outros canais para outras possíveis
comunicações conforme ilustrado na Figura 8.
Figura 8 – Canais disponibilizados pelo Atlantic Bird 2 para uplink/downlink.
Página 10
1.3.Equipamentos utilizados na estação terrena
Neste ponto serão apresentados os equipamentos seleccionados para compor a nossa
estação terrena, ou seja o terminal que irá transportar o sinal de voz até ao satélite
através da ligação rádio.
1.3.1.Equipamento de fala
Como equipamento de fala pode-se utilizar qualquer auscultador/microfone que possua
uma interface par de cobre com conector RJ-11, Figura 9. Dada a grande variedade
destes periféricos, a sua disponibilidade e o seu baixo custo não quisemos especificar
nenhum produto em concreto, pois também trata-se de acessórios que não constituem o
nosso objecto de estudo.
Figura 9 – Conector RJ-11.
Figura 10 – Interface RJ-11.
Figura 11 – Telefone.
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1.3.2.Modem
Este equipamento é responsável pela modulação e desmodulação dos sinais eléctricos
envolvidos na comunicação, bem como pelo processamento da informação.
São variados os tipos de modems que se podem encontrar no mercado, podendo
apresentar diferentes combinações de frequências de operação, débito binário,
interfaces, aplicações e tipos de modulação (predominantemente digital). O
equipamento que escolhemos para desempenhar esta função foi o Skystar Advantage®
do fabricante Gilat®, que se destina a ser usado numa arquitectura do tipo estrela, o que
é do nosso interesse, pois pode-se ter vários terminais embarcados em veículos a
comunicarem para a estação Hub que estaria situada no ponto de controlo do sistema de
comunicação implementado.
Este equipamento sustenta várias aplicações no domínio das tecnologias de informação,
aos quais costa o serviço de voz, que é assegurado através de uma placa de expansão
destinada a este fim e que possui uma interface RJ11 para ligação ao telefone.
Na Figura 12 encontra-se ilustrado algumas características importantes relativas ao
Modem Skystar Advantage®.
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Figura 12 – Características do modem SkyStar Advantage.
Constata-se que este equipamento disponibiliza uma ligação com um débito máximo de
153,6 kbps o que é mais que suficiente para transmitir sinais de fala com uma qualidade
aceitável. Além disso, é suportada a banda do espectro escolhida para a comunicação
(Ku), bem como o acesso TDMA, tipicamente usado em sistemas de comunicação
digital. A variedade de interfaces permite ainda o enriquecimento da rede em
complexidade através da integração de novos periféricos.
Figura 13 – Figura ilustrativa de uma ligação em estrela.
Página 13
1.3.3.Antena
Este componente tem como função captar e emitir radiação electromagnética nas bandas
de comunicação desejadas.
Tendo o nosso sistema como particularidade o facto de os terminais estarem montados
em veículos, fomos à procura de antenas parabólicas destinadas a esse tipo de
montagem
e
que
tivessem
as
dimensões
pretendidas,
Figura
14.
Figura 14 - Descrição da antena utilizada.
As características desta antena não variam muito dos valores típicos para sistemas
VSAT. No entanto esta parabólica pode ser adquirida conjuntamente com um
equipamento extra do qual se destaca um controlador - o RC3000 – cujo aspecto se
mostra na Figura 15. O RC3000 está dotado da capacidade de calcular o ângulo de
azimute e o ângulo de elevação do satélite de modo a alinhar a antena com o satélite.
Com o auxílio de um módulo GPS, este equipamento realiza continuamente uma
monitorização e correcção do alinhamento da antena, o que se pode revelar bastante
versátil numa situação de emergência, poupando tempo e esforços.
Figura 15 – Controlador RC3000.
Página 14
1.3.4.Filtro OMT
Ligado directamente ao feeder da nossa antena, encontra-se o filtro Orthomode
Transducer (OMT), que destina-se a separar os sinais de Tx e Rx para guias de onda
diferentes. O filtro seleccionado é do fabricante Norsat® e reúne as principais
características:
Figura 16 - Filtro OMT.
Figura 17 – Ilustração de um filtro OMT para banda Ku.
Como se pode observar, o filtro destina-se à banda que vamos utilizar e combina uma
baixa atenuação com uma razão de rejeição de Tx na recepção de 41,8 dB.
1.3.4.Transceiver
Seguidamente ao filtro OMT está o transceiver, que não é mais do que um elemento
que combina o bloco de transmissão e o de recepção.
A componente de recepção é constituída por um bloco de baixo ruído (LNB), que está
subdividido em amplificador de baixo ruído (LNA) misturador e filtro rejeita imagem.
Página 15
O funcionamento do LNB baseia-se no princípio do receptor superheterodino,
recebendo na entrada um sinal de microondas proveniente do satélite que é amplificado
e transladado para uma frequência de RF intermédia (IF) à qual o modem está preparado
para receber.
Já no que respeita à transmissão existe o Solid State Power Block (SSPB), que está
encarregue de elevar na frequência os sinais produzidos pelo modem, injectando-lhe
potência suficiente para que cheguem ao satélite com uma relação sinal - ruído
satisfatória.
O transceiver escolhido é do fabricante TSI Technology, Inc. e apresenta as seguintes
especificações:
Figura 18 - Transceiver.
2.Link Budget
Considera-se uma ligação de voz, via satélite, e vai fazer-se uma análise à qualidade da
mesma recorrendo ao C/N0, já que o uso do C/N fica dependente da largura de banda do
sistema. Vai ainda ser verificado que valores de potência são necessários emitir na
estação terrena e que valores de potência são recebidos na recepção para ter uma
qualidade aceitável.
Tendo sido realizado a escolha dos equipamentos necessários a implementação do
sistema VSAT, tem-se então uma solução ilustrada na Figura 19.
Página 16
Figura 19 – Esquema ilustrativo da ligação via satélite.
Neste momento, estamos em condições de realizar o link budget, que é um meio de
quantificar a qualidade da ligação num determinado sentido. A relação que avalia essa
qualidade é a relação C/N (relação portadora/ruído), que aparece tipicamente em
decibéis e relaciona a potência do sinal transmitido com a potência do ruído térmico,
que aparece devido a várias fontes, em que o mais relevante é o equipamento de
recepção utilizado.
A relação C/N pode ser encontrada a partir da relação portadora / densidade espectral de
ruído - C/No – se for conhecida a largura de banda do canal, pois N = LB * No.
Logicamente, a relação C/No aparece em unidades dB * Hz, e é conhecida a expressão
para o seu cálculo:
 PTX GTXMÁX  1  G RMÁX



C  LT L FTX  L FS L A  L R L FRX L POL

N0
 TA


1 
  TR 
 TF 1 

L FRX 

 L FRX



  1 
 
k
Tendo estes conceitos presentes vamos em seguida realizar o link budget para cada uma
das ligações.
2.1.Ligação Ascendente
Nesta ligação recorde-se que estamos a usar o canal F1 de uplink do Atlantic Bird™ que
corresponde à frequência central de 14 024.5 MHz e logo λ= c/f = 21,39 mm. Tendo
agora o comprimento de onda, vamos calcular a atenuação no percurso que é dada pela
seguinte expressão:
Página 17
Sendo R a distância da estacão terrena ao satélite e R0 a distancia do equador ao
satélite. Como é conhecido, e tendo como referência a capital do país para efeitos de
planeamento, Lisboa localiza-se a 38º Norte e 9º Oeste. O satélite escolhido tem
longitude 8º Oeste e latitude 0º, pois trata-se de um GEO e logo vai estar na linha do
equador. Sendo assim vem:
2
 R

 R0

  1  0.42(1  cos 38 cos(  8  9 ))  1.089

LFS
  4 * 35779 *10 3  2

 *1.089   206.82dB
 10 log 


0.02139



Quanto à atenuação introduzida pelos gases da atmosfera não nos é possível quantificála com exactidão, pois apresenta um grande dinamismo, podendo variar ao longo da
existência do canal de comunicação. Por esse motivo, achamos adequado considerar
LA=1dB, o que não está longe dos valores médios obtidos na prática.
No que respeita ao desalinhamento do feixe não podemos indicar o seu valor preciso,
não obstante o facto de a antena estar embarcada num veículo e a sua orientação não ser
sempre a mesma. Apesar de termos um controlador que efectua o alinhamento, seria
ingénuo da nossa parte admitir que este era perfeito. Assim, decidimos considerar um
desalinhamento de 0,1º, o que parece ser aceitável. Para se calcular a atenuação
induzida por este factor precisamos antes de mais, saber qual a abertura da antena a
3dB. Contudo, esta informação não nos é fornecida nas especificações do utilizador,
mas podemos calculá-la.
 3dB  70 / D 
70 * 0,02139
 1,2478º
1,2
A atenuação devido ao desalinhamento vem:
2
 
 0,1º 
LT  12 T   12
  0,077dB
 1,2478º 
  3dB 
2
Quanto à potência de emissão consideramos a máxima que a secção SSPB do
transceiver consegue fornecer e que é de PTx=50W = 17dBW.
Página 18
A antena utilizada no terminal possuiu um ganho de transmissão máximo GTmax =
43,5dBi, e uma atenuação no feed de LFTX=0,1dB.
Recorde-se que para a zona de Lisboa a figura de mérito do receptor do satélite é de
2dB/K.
Reunindo agora estes dados, calculemos então a nossa relação C/N0:
 PTX GTXMÁX  1  G RMÁX



 LT LFTX  LFS L A  LR LFRX LPOL
C


N0
 TA


1 
  TR 
 TF 1 

 LFRX 
 LFRX

C
N0


  1 
 
k
 EIRP  LFS  L A  G / T  10 log k
dB
EIRP  PT x  GT max  LT  LFTX  17  43,5  0,077  0,1  60,32dBW
C
N0
 60,32  206,82  1  2  228,599  83,099dB.Hz
dB
Como sabemos também a largura de banda do canal (36MHz) usado na ligação
podemos por fim calcular a relação portadora/ruído.
C
N

dB
C
N0
 LBdB  83,099  10 log( 36 *10 6 )  7,536dB
dB
2.2.Ligação descendente
No que diz respeito à ligação descendente ou downlink, é usada a frequência de 12
524,5 MHz, a que corresponde a um comprimento de onda λ = 23,953 mm. Para este
 R
valor calcule-se a atenuação do percurso, não esquecendo que a relação  
 R0 
2
permanece inalterada e igual a 1,089, pois a nossa localização de referência é a mesma.
LFS
  4 * 35779 *10 3  2

 *1.089   205.84dB
 10 log 


0.023953



Para as perdas da atmosfera, consideremos novamente LA=1dB.
Em seguida é preciso calcular a figura de mérito do receptor do VSAT o que se
consegue a partir da seguinte expressão:
Página 19
G RMÁX
G /T 
LR LFRX LPOL
 TA


1 
  TR 
 TF 1 

 LFRX 
 LFRX

Os parâmetros TA e TF dizem respeito à temperatura de ruído da antena e do feed e que
podem ser encontrados na especificações do fabricante daquele equipamento, sendo
igual a 53K para uma elevação de 30º que deverá estar próxima da que necessitamos
para orientar a antena em direcção ao satélite.
O TR identifica a temperatura de ruído do bloco que se segue ao feed (secção LNB do
transceiver) e que tem o valor típico de 80K.
O LFRX é a atenuação introduzida pelo feed na recepção que é de 0,3dB. Quanto ao
ganho máximo da antena para Rx é de 41,8dBi. As perdas devidas ao desalinhamento
do feixe admitindo novamente um desvio de 0,1º, podem ser novamente calculadas:
 3dB  70 / D 
70 * 0,023953
 1,39725º
1,2
2
 
 0,1º 
LR  12 R   12
  0,0615dB
 1,39725º 
  3dB 
2
Quanto à atenuação relacionada com problemas de polarização resolvemos desprezá-la,
pois acreditamos não vir a ter grande significado no total do cálculo, devido à sua ordem
de grandeza reduzida.
Calculemos então a figura de mérito:
15135,61
13927,03
1,01426 *1,0715 *1
G /T 

 104,715K 1  20,2dB / K
133
 53

1 

 531 
  80

 1,0715 
1,0715

A EIRP fornecida pelo satélite é de 46dBW, como se pode verificar nos diagramas de
cobertura do Atlantic Bird™ 2, pelo que agora temos reunidas todos os dados
necessários ao calculo de C/N0.
C
N0
 EIRP  LFS  L A  G / T  10 log k  46  205,84  1  20,2  228,6  87,96dB.Hz
dB
À semelhança do que fizemos para a ligação ascendente podemos ainda achar a relação
portadora - ruído:
Página 20
C
N

dB
C
N0
 LBdB  87,96  10 log( 36 *10 6 )  12,396dB
dB
Como conclusão da realização do link budget das duas ligações, podemos observar que
a qualidade de recepção é superior em relação à de transmissão em cerca de 4dB o que é
bastante considerável (melhor 125%).
Esquematizando, temos a comunicação bidireccional descrita na Figura 20.
Figura 20 – Esquema de uma ligação via satélite.
Página 21
Figura 21 – Esquema da ligação via satélite a ser estabelecida.
Página 22
3.Conclusão
Na elaboração do presente trabalho levou-se em conta alguns aspectos que se
consideram importante numa ligação via satélite. Problemas que possam resultar da
interligação dos vários equipamentos, bem como de outros aspectos externos aos
sistemas terrestres que poderão influenciar em muito a ligação. Para a ligação dos vários
equipamentos teve-se em atenção que estes têm de ser compatíveis entre si,
nomeadamente na interligação de frequências, sendo também importante verificar
interferências que poderão existir entre estes.
Também em relação à disposição dos equipamentos pode-se salientar ainda a
importância do alinhamento das antenas terrestres com o satélite, visto que um pequeno
desvio poderá aumentar bastante a atenuação ao sinal. Em relação aos factores externos
verificou-se que com a variação das condições atmosféricas pode-se ter uma variação da
atenuação, provocando assim um decréscimo dos níveis de potência do sinal.
Em jeito de balanço final do trabalho podemos concluir que foram alcançados os
objectivos propostos, tendo-se conseguido dimensionar uma ligação de voz via satélite e
de uma forma geral alargar o nosso conhecimento no âmbito de equipamentos de
telecomunicações bem como a aplicação na prática de alguns dos conhecimentos
adquiridos no âmbito da disciplina de CTVS.
Página 23
4.Bibliográfia
Modem Skystar Advantage:
http://www.eutelsat.com/satellites/4_5_1_1.html
Controlador da antena (Equipamento RC3000):
http://www.researchconcepts.com/rc3000.htm
Utilização de terminais VSAT:
http://www.override.pt/solucoes_primesat.htm
Filtro OMT:
http://en.wikipedia.org/wiki/Orthomode_transducer
Transceivers:
http://www.echelon.com/products/transceivers/default.htm
LNB (Low-Noise Block Converter):
http://pt.wikipedia.org/wiki/LNB
SOLID-STATE POWER block:
http://www.tpub.com/neets/book7/27.htm
Satellites Atlantic Bird:
http://www.eutelsat.com/satellites/8wab2_popd.html#
Página 24

Comunicações Terrestres e Via Satélite

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