manual integrado comunicaciones satelitales

TEMA I: CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATELITES

ÍNDICE TEMÁTICO TEMA I

CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATÉLITES

Secciones

INTRODUCCIÓN

El origen de las comunicaciones satelitales

Breve Historia

DESCRIPCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS SATÉLITES

Clasificación de los Satélites

TRAYECTORIAS Y ÓRBITAS SATELITALES

PARÁMETROS ORBITALES

TIPOS DE ÓRBITAS

LANZAMIENTO Y OPERACIONES EN ÓRBITA

Colocación de satélites en órbita

Una vez concluido este Tema, Usted, dispondrá de las competencias necesarias para:

- Describir las características principales de los sistemas satelitales

- Describir las trayectorias y orbitas satelitales.

- Identificar las órbitas satelitales y sus parámetros.

- Explicar el procedimiento para la puesta en órbita de un satélite.

CONATEL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 1


TEMA I

CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LOS SATÉLITES.

INTRODUCCION El objetivo fundamental de los sistemas satelitales es el de proveer, mediante

estaciones satelitales en órbita, servicios de comunicaciones entre estaciones terrenas fijas

situadas en tierra que proporcionan interfaz con las redes fijas (redes telefónicas, redes de

datos, red digital de servicios integrados o redes cerradas de usuarios), y estaciones terrenas

móviles. En la mayoría de los casos, los sistemas satelitales ofrecen más flexibilidad que

los cables submarinos, cables subterráneos, radios de microondas en línea de vista o

sistemas de fibra óptica.

Un satélite de comunicaciones es un repetidor de radio en el cielo (transponder). Un

sistema satelital esta conformado por un Transponder, una Estación basada en Tierra (para

controlar su funcionamiento) y una red de usuario (de las estaciones terrestres), que

proporciona las facilidades para transmisión y recepción de tráfico de comunicaciones, a

través del sistema de satélite.

El origen de las comunicaciones satelitales El físico y escritor de ciencia ficción Arthur C. Clark, autor del libro 2001: Una

odisea del espacio, propuso la idea de aplicar el concepto de la orbita geoestacionaria para

ubicar en ella satélites artificiales para comunicación de cobertura global. “La orbita geoestacionaria es aquella en el plano del ecuador donde los satélites cumplen una circunvolución completa alrededor de la Tierra en un día, por lo que desde cualquier punto sobre ésta en que puedan detectarse parecen estar inmóviles, ocupando un circulo virtual único con capacidad para un numero limitado de ellos.” [1]

En 1945 Clarke notó que un satélite en una orbita circular ecuatorial con un radio de

aproximadamente 42.242 km podría tener una velocidad angular igual a la de la tierra, y así

recibir y retransmitir señales desde casi todo un hemisferio. Tres satélites separados 120°

podrían cubrir toda la tierra (con algún solapamiento), lográndose así la comunicación entre



dos puntos cualesquiera de la tierra, retransmitiéndose los mensajes a través de los estos

satélites. Observemos la siguiente figura:

Figura 1-1. Cobertura global con tres satélites geoestacionarios

Para llevar a cabo esta idea de Clarke, el satélite debe desplazarse en el mismo

sentido de rotación de la tierra; además, para no perder altura y completar una vuelta cada

24 horas, debe estar aproximadamente a 36.000 km de altura sobre el nivel del mar y girar a

una velocidad de 3.705 m/s.

Figura 1-2. Orbita geoestacionaria

Breve Historia



La historia de las comunicaciones satelitales se remonta a los últimos años de la

década de los 50 cuando la fuera naval de Estados Unidos utilizó la Luna como reflector

pasivo para la comunicación mediante transmisión de datos a baja velocidad entre

Washington D.C. y Hawai. En Octubre de 1957 la Unión Soviética lanzó el Sputnik I,

convirtiéndose este en el primer satélite terrestre activo. Un satélite activo es el que de

manera electrónica, repite una señal a la tierra (por ejemplo, recibe, amplifica y

retransmite la señal). Este primer satélite envió información Telemétrica por 21 días. En

Enero de 1958 los Estados Unidos lanzaron el Explorer I que funcionó por 5 meses, y en

diciembre de ese mismo año se puso en órbita el satélite Score, que se convirtió en el

primer satélite artificial usado para retransmitir comunicaciones Terrestres. En Julio de

1962 la compañía Bell System lanzó el Telstar I, este fue el primer satélite utilizado para

una transmisión intercontinental. En Mayo de 1963 lanzaron el Telstar II, que fue el primer

satélite en realizar una transmisión de video intercontinental. En julio de 1963 fue lanzado

el primer satélite en una orbita geoestacionaria, el Syncom II, 18 años después que Clark

concibió la idea. En 1964 se creó la INTELSAT (Internacional Telecommunication

Satellite: Organización Internacional de Comunicaciones Satelitales) que posteriormente

envió al espacio el Early Bird (INTELSAT I), el primer satélite comercial.

Después de estos logros, se registró una intensa actividad espacial que permitió el

desarrollo de las comunicaciones satelitales por parte de muchos países tanto para servicios

comerciales como gubernamentales.



DESCRIPCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS SATÉLITES

Los satélites pueden enviar y recibir desde el espacio ondas de radio en cualquier

dirección. Las señales emitidas por los satélites se reciben con intensidad similar y

simultáneamente en cualquier punto de una gran superficie terrestre. Esta es la razón

principal por la que se usan los satélites de comunicaciones.

Un sólo satélite puede emplearse para cubrir un tercio de la tierra, o sólo un país y aún

emitir haces adicionales que cubran con mayor intensidad una porción menor de un país.

Esta característica permite enviar y recibir señales desde y hasta cualquier estación ubicada

en cualquier punto del área cubierta por el satélite. Esta área de la tierra cubierta por un

satélite depende de la ubicación del satélite en su orbita geosincrónica o geoestacionaria, su

frecuencia de portadora y la ganancia de sus antenas.

Figura 1-3. Área de cobertura de un satélite

La representación geográfica del patrón de radiación de la antena de un satélite se

llama una huella. Las líneas de contorno representan los límites de la densidad de potencia

de igual recepción.



Figura 1-4. Huella de un satélite

La órbita ecuatorial llamada geoestacionaria representa un círculo virtual a cerca de

36.000 km sobre la superficie terrestre. Allí los satélites giran en sincronía con la tierra. Los

satélites están sometidos a perturbaciones que pueden sacarlos de sus posiciones en esta

órbita, para contrarrestar este efecto, se emplean pequeñas fuerzas de corrección en

determinados intervalos de tiempo. Siempre y cuando el satélite no se salga de la gran caja

imaginaria mostrada en la figura 1-5, no hay ningún problema de comunicación

Figura 1-5. Desplazamiento de un satélite en órbita

Para un satélite en la órbita geoestacionaria, la tierra abarca aproximadamente 17º

de ángulo visual, por lo que los haces de emisión y recepción de un satélite se deben

conservar en este ángulo o en uno menor para que la comunicación sea óptima y evitar la

radiación de energía al espacio exterior. Por otra parte, las antenas de las estaciones terrenas

pueden concentrar la energía enviada o recibida desde un satélite en haces con un ángulo de

1° o menos, lo que contribuye a aumentar la potencia recibida de las señales del satélite.




Los satélites ubicados en órbitas no síncronas o también llamados satélites orbitales,

giran alrededor de la Tierra en un patrón elíptico o circular de baja altitud. Estos satélites no

permanecen estacionarios en relación a ningún punto en particular de la Tierra, por lo tanto

se tienen que usar cuando están disponibles, lo cual puede ser un corto periodo de tiempo,

por ejemplo, 15 minutos por órbita.

Una de las principales ventajas del uso de orbitas geoestacionarias es que se elimina

el uso de sistemas de rastreo y seguimiento de las satélites. Esta ventaja se aprovecha por

ejemplo en los sistemas de TV vía satélite. Otra ventaja notable es la posibilidad de instalar

estaciones terrenas desde prácticamente cualquier parte de su área de cobertura, en un

tiempo relativamente corto, brindando así el acceso a servicios de comunicaciones a zonas

poco atendidas como por ejemplo las zonas rurales. Por su parte, el uso de satélites

orbitales requiere de equipos especializados en las estaciones terrenas que permitan el

rastreo y seguimiento del satélite.

Entre las desventajas de los satélites se cuentan por ejemplo la probabilidad de falla

de su lanzamiento, puesta en órbita o funcionamiento. Por otro lado, la vida útil de los

satélites comerciales en orbitas geoestacionarias es de 10 años o más.

Clasificación de los Satélites Hay 2 Clasificaciones principales para los Satélites de Comunicaciones:

1. Hiladores (Spinners): Utilizan el movimiento angular de su cuerpo giratorio para

proporcionar una estabilidad de giro.

Figura 1-6. Satélite tipo Hilador


2. Satélites Estabilizadores de tres ejes: Su cuerpo permanece fijo en relación a la

superficie de la tierra, mientras que el subsistema de Control de Orientación

proporciona la estabilización de giro.

Figura 1-7. Satélite tipo 3 ejes

TRAYECTORIAS Y ÓRBITAS SATELITALES

Un satélite permanece en órbita porque las fuerzas centrífugas causadas por su

rotación en torno a la tierra se equilibran con la atracción gravitacional de ésta. El

astrónomo alemán, Johannes Kepler, descubrió las leyes que gobiernan el movimiento de

los satélites. Estas son las mismas leyes del movimiento de los planetas alrededor del sol,

conocidas como las leyes de Kepler. Estas leyes tienen su sustento matemático en las leyes

de Newton. Las leyes de Kepler son:

1. La órbita de cada planeta es una elipse con el Sol en el foco

2. La línea que une un planeta con el Sol describe áreas iguales en tiempos

iguales.

3. El cuadrado del período de la órbita es proporcional al cubo de la distancia

media al foco.

La ley de gravitación universal de Newton establece que la fuerza de atracción entre

dos cuerpos es proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al

cuadrado de la distancia entre sus centros, es decir:

(1-1) 2r

GMmF −=



Donde:

F: Fuerza de atracción

G: Constante de gravitación fundamental (6,672x10-11 m3 kg-1 s-2)

M: masa del cuerpo mayor (Tierra: 5,9742x1024 kg)

m: masa del Satélite

r : distancia entre los centros de los dos cuerpos

La segunda ley de movimiento de Newton establece que la aceleración de un cuerpo

tiene la misma dirección de la fuerza que se le aplique y es proporcional a la magnitud de

esta e inversamente proporcional a su masa, esto es:

(1-2) dtdvmF =

Donde:

F: Fuerza de atracción

m: masa del Satélite

v : velocidad

dv/dt : aceleración

Igualando las ecuaciones (1-1) y (1-2) se obtiene la ecuación del movimiento de dos

cuerpos dada por

(1-3) GMdv µ

22 rrdt−=−=

Con µ = GM ≈ 398601 km3 / s2.

A partir de la segunda ley de Kepler se obtiene que.

2211 ·vmr·vmrL == (1-4)

Donde:

L: Momento angular

m: Masa del satélite

r: distancia de la tierra al satélite

v: velocidad



Figura 1-8. Vectores de velocidad y posición de una orbita elíptica

Para que la órbita sea circular, los vectores de posición y velocidad deben ser

perpendiculares entre sí en todos los puntos de la trayectoria, por lo que no habrá una

componente de fuerza de gravitación en dirección de la trayectoria que modifique la

magnitud de la velocidad lineal, sino sólo su dirección, existiendo un equilibrio constante

entre la atracción gravitacional y la inercia. Así, la aceleración centrifuga aparente, debida a

la inercia, tendrá la magnitud v2/r, por lo que al sustituirla en la ecuación (1-3) obtendremos

rv µ= (1-5)

Recordando que la longitud de la circunferencia esta dada por

rl π2= (1-6)

Y si llamamos T al tiempo que tarda un satélite en recorrer la trayectoria circular, entonces

lvT = (1-7)

Combinando adecuadamente las ecuaciones (1-5), (1-6) y (1-7), se puede calcular el tiempo

total que tarda el satélite en recorrer la trayectoria como

µπ 324 rT = (1-8)

Ejemplo 1. Empleado la ecuación (1-8), demuestre que un satélite geoestacionario esta

ubicado a 36000 km de altura.

Observemos a continuación la solución:



Solución:

Si el satélite geoestacionario tarda 24 horas en recorrer su trayectoria, entonces:

shT 8640024 ==

y recordando que µ = GM ≈ 398601 km3 / s2, al despejar r de la ecuación (1-8)

se tiene que:

kmr 241.42=

Como r esta medida desde el centro de la tierra, para calcular la altura del

satélite respecto al nivel del mar, debemos restarle a r el radio de la tierra, el

cual se conoce y es aproximadamente igual a 6300 km. Por tanto la altura del

satélite geoestacionario es:

kmkmkmaltura 000.36953.356300241.42 ≅=−=

Se puede demostrar que al integrar la ecuación (1-3) se obtiene la ecuación general:

θcos1)1( 2

eear

+−

= (1-9)

Donde:

a : semieje mayor de la elipse

: excentricidad e )10( << e

θ : ángulo polar (también llamado anomalía verdadera por los astrónomos)

Apogeo Perigeo Tierra θ

Satélite

e a

Figura 1-9. Parámetros de una orbita elíptica



En la figura 1-9 se puede observar que a causa de la excentricidad, en una órbita

elíptica la distancia del satélite al foco no es constante. En consecuencia, se tendrán dos

puntos importantes en la órbita llamados perigeo (punto de la órbita más cercano a la

tierra) y apogeo (punto de la órbita más alejado de la tierra). Observando la figura 1-8

puede notarse que el vector de velocidad sólo será perpendicular al de posición en el

perigeo y en el apogeo. Además, usando la ecuación (1-4), podemos demostrar que:

1122 rvrv = (1-10)

Donde:

: velocidad en el apogeo ( ) 2v Av

: velocidad en el perigeo ( ) 1v Pv

: distancia de la tierra al apogeo ( ) 1r Ar

: distancia de la tierra al perigeo ( ) 2r Pr

Debido a que , para satisfacer la igualdad de la ecuación (1-10), la velocidad en el

perigeo ( ) será mayor que en el apogeo ( ).

PA rr >

Pv Av

Se puede considerar que la energía específica ( ) o energía por unidad de masa de

un satélite será la misma en todo momento, ya que no existen pérdidas por arrastre o

fricción. El valor de esta energía específica dependerá de la energía acumulada en la

trayectoria ascendente del vehículo de lanzamiento, la cual será transferida al satélite al

momento de su separación. Esta energía se puede calcular como la suma de la energía

cinética y la potencial como lo expresa la ecuación (1-11).

mE

rvEm

µ−=

2

2

(1-11)

Si se conoce el valor de la constante se puede relacionar la velocidad

instantánea del satélite con la distancia

mE

r para una órbita cualquiera. Se puede demostrar

que:

aEm 2

µ−= (1-12)



Sustituyendo (12) en (11) se obtiene la ecuación de la velocidad orbital (1-13).

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

arv 12µ (1-13)

Esta ecuación puede ser usada para calcular la velocidad en cualquier órbita. En caso de

que esta sea circular se tiene ar = , en consecuencia se tendría la ecuación (1-5).

PARÁMETROS ORBITALES

Los parámetros calculados en la sección anterior, el semieje mayor de la elipse ( )

y la excentricidad ( e ) permiten analizar las características geométricas de las orbitas

satelitales. Sin embargo, existen otros parámetros clásicos que caracterizan una órbita, para

revisar estos parámetros es necesario observar la figura 1-10, donde se muestra el plano

ecuatorial, que corresponde al un plano imaginario que pasa por el ecuador terrestre, y el

plano de la órbita del satélite, suponiendo que esta sea elíptica e inclinada. Se puede

observar en la figura 1-10 el nodo ascendente, que representa el punto del plano ecuatorial

donde la trayectoria del satélite lo cruza de sur a norte. El nodo descendente representa

entonces el punto del plano ecuatorial donde la trayectoria del satélite lo cruza de norte a

sur. La línea que une los nodos ascendentes y descendentes se llama línea de los nodos.

a

Figura 1-10. Orientación de la orbita




Una vez entendida la figura, podemos describir los parámetros orbitales presenten

en estas, los cuales son:

El ángulo de inclinación ( i ): es el ángulo del plano de la órbita del satélite

respecto al plano ecuatorial.

El ángulo de ascensión recta del nodo ascendente (Ω): es el ángulo medido

hacia el este en el plano ecuatorial desde la dirección del equinoccio de

marzo hasta dicho nodo.

El ángulo de argumento del perigeo (ω): es el ángulo del perigeo medido

desde el nodo ascendente en dirección del movimiento del satélite.

TIPOS DE ÓRBITAS

En forma general, un satélite puede seguir tres trayectorias al girar alrededor de la

tierra, estas son: Inclinada, Ecuatorial y Polar.

Órbitas Inclinadas: son virtualmente todas, excepto las que están directamente

sobre el plano ecuatorial o directamente arriba de los polos.

Órbita Ecuatorial: es cuando el satélite gira en órbita sobre el plano ecuatorial,

por lo general en una trayectoria circular. En este caso el ángulo de inclinación es

de 0°. Todos los satélites geoestacionarios están en órbitas circulares.

Órbitas Polar: Es cuando el satélite gira en una trayectoria que lo hace pasar sobre

los polos Norte y Sur, en una órbita perpendicular al plano ecuatorial, es decir, con

un ángulo de inclinación de 90°

Figura 1-11. Orbitas satelitales


También se pueden clasificar las orbitas de los satélites por su altura de la manera

siguiente:

Órbitas Bajas (LEO: Low Earth Orbit): se ubican entre 500 y 1.500 km

aproximadamente. Los satélites en esta órbita se desplazan a 28.000 km/h

aproximadamente, por lo que sólo están visibles para una estación terrestre 15

minutos o menos. Tardan aprox. 1 ½ hora en girar alrededor de la tierra.

Órbitas Medias (MEO: Medium Earth Orbit): se ubican entre 6.000 y 11.000 km

aproximadamente. Los satélites en esta órbita tardan de 5 a 12 horas en girar

alrededor de la tierra y están visibles para una estación terrestre de 2 a 4 horas por

orbita.

Órbita Geoestacionaria (GEO: Geostationary Earth Orbit): se ubica a 35.787 Km.

Los satélites en esta órbita parecen prácticamente inmóviles para una estación

terrestre, y tienen un tiempo de disponibilidad de 24 horas.

Órbitas muy Elípticas (HEO: Highly Elliptical Orbit): permiten cubrir algunas

regiones, especialmente zonas polares donde los satélites Geoestacionarios no

pueden dar servicio. El Satélite más famoso con órbita elíptica es el Molniya. A

principios de esta década se lanzaron un par de satélites en EEUU con órbitas

elípticas con el que ofrecen servicio de Radio Móvil Digital.




LANZAMIENTO Y OPERACIONES EN ÓRBITA

El desarrollo tecnológico de vehículos espaciales permitió llevar a los satélites de

comunicaciones a la orbitas adecuadas para su funcionamiento. Para que un satélite alcance

una orbita geoestacionaria, es necesario que acelere hasta una velocidad de 3.070 m/s en

una orbita no inclinada y alcance una distancia de 42.242 km desde el centro de la tierra.

Existen dos tecnologías para lograr esto, los vehículos de lanzamiento no reutilizables

(ELV: Expendable Launch Vehicles) y los vehículos de lanzamiento reutilizables (STS:

Space Transportation System). El tipo de vehículo a utilizar lo determinará, entre otras

cosas, la potencia requerida para llegar a la orbita satelital, el ángulo de inclinación del

plano orbital, la ubicación geográfica del centro espacial utilizado, el tamaño y peso del

satélite y el costo del lanzador.

Figura 1-12. Vehículo de lanzamiento no reutilizable

Figura 1-13. Vehículo de lanzamiento reutilizable


La ubicación geográfica de los centros espaciales ofrece algunas ventajas

adicionales al lanzamiento de los vehículos espaciales. En la figura 1-14 se muestran los

principales lugares de lanzamiento. En los Estados Unidos, el centro espacial Vandenberg,

localizado entre Los Ángeles y San Francisco, es ideal para lanzar satélites que deben

quedar en orbitas polares. Cabo Cañaveral es utilizado para lanzar cohetes que llevan

satélites de varias toneladas a bordo, destinados a permanecer en orbitas geoestacionaria,

geosincrónica, elíptica o circular inclinada.

Desde aquí se han lanzado satélites de comunicaciones INTELSAT, Inmarsat,

Globalstar, entre otros. En Brasil se encuentra el centro espacial Alcántara cuya ventaja

principal radica en estar cerca del ecuador. Así mismo, el centro espacial Kourou, ubicado

en Guyana, es considerado el mejor centro espacial del mundo porque su cercanía al

ecuador (5° N) favorece la colocación de satélites geoestacionarios con el menor consumo

de energía. Desde allí son lanzados más del 50% de los satélites geoestacionarios.

En Kazajstán se encuentra el centro espacial Baikonur, el mayor complejo

astronáutico del mundo, desde allí se lanzó el Sputnik I. Desde este centro espacial se han

lanzado satélites a todas las órbitas, a pesar de estar lejos del plano ecuatorial. Esta

limitante llevó a los rusos y ucranianos a buscar socios occidentales, estableciendo alianzas

con el consorcio Sea Launch, que tiene una plataforma móvil remolcada por un gran buque

hasta alta mar, la cual sitúan a 0° de latitud, convirtiéndose en el sitio ideal para lanzar

satélites geoestacionarios con el menor consumo de energía posible y sin riesgo para áreas

pobladas.

Observemos la siguiente figura:



Figura 1-14. Lugares de lanzamiento de vehículos espaciales

Existen otros sitios de lanzamiento que tienen menor tamaño y uso como los de

India, Australia, Noruega e Israel. China tiene tres centros de lanzamiento, pero el más

importante es el Xichang, desde donde se han lanzado satélites a orbitas geoestacionarias

como el Satélite Simón Bolívar (Venesat-1).

Colocación de satélites en órbita En el año 1925, el científico alemán Walter Hohmann publicó una teoría en la que

explicaba como trasladar una nave espacial de una órbita circular a otra utilizando dos

impulsos de su motor. El buscó un procedimiento para hacer cambios de órbita con el

menor consumo posible de energía, y descubrió que era necesario usar una órbita elíptica

de transferencia o intermedia que fuese tangente tanto a la órbita inicial como a la órbita

final. Usando la teoría de Hohmann, un satélite se coloca primero en un órbita circular baja,

después debe encender algún motor para acelerar la carga y pasarla a una nueva órbita

elíptica muy alargada, cuyo perigeo esté a la altura de la órbita circular baja inicial y su



apogeo a la misma altura que la órbita circular final, en este caso la órbita geoestacionaria.

Este procedimiento se ilustra en la figura 1-15.

Figura 1-15. Uso de la órbita elíptica de transferencia

A continuación, pueden profundizar este tema (TEMA I), consultando las

siguientes fuentes bibliográficas y dirección WEB:

[1] Rosado Carlos. (1999). Comunicación por satélite. Editorial Limusa, México D.F.

Tomasi, Wayne (2003). Sistemas de Comunicaciones electrónicas. Pearson Education, México.

Neri Vela, Rodolfo. (2003). Comunicaciones por satélite. Internacional Thompson Editores, S.A. México.

http://www.spaceandtech.com/spacedata/satellites/satellites.shtml


http://www.spaceandtech.com/spacedata/satellites/satellites.shtml

TEMA II: TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES

ÍNDICE TEMÁTICO TEMA II

TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES

Secciones

INTRODUCCION

TECNICAS DE MULTIPLEXAJE

Multiplexión por División de Frecuencia

Modulación en Frecuencia

Multiplexión por División de Tiempo

Modulación Digital

CODIFICACION Y CORRECION DE ERRORES

CIFRADO O ENCRIPTACION

TÉCNICAS ACCESO MULTIPLE

Acceso Múltiple por División de Frecuencia

Acceso Múltiple por División de Tiempo

Acceso Múltiple por División de Código

Acceso Múltiple por División de Tiempo con

Conmutación en el Satélite

Una vez concluido este Tema, Ud. Dispondrá de las competencias necesarias para:

- Describir las diferentes técnicas de multiplexaje utilizadas en los sistemas satelitales

- Explicar los principales esquemas de modulación implementados en las

comunicaciones satelitales.

- Identificar los esquemas de codificación y corrección de errores usados en los

sistemas satelitales.

- Describir las técnicas de acceso múltiple que permites compartir los recursos de un

satélite.



TEMA II

TÉCNICAS BÁSICAS EN COMUNICACIONES SATELITALES

INTRODUCCION Como se describió en el capitulo anterior, un satélite de comunicaciones es un

repetidor de radio, por tanto este recibe señales de una estación terrena, las amplifica y las

reenvía a otra estación terrena, como se muestra en la figura 2-1.

Figura 2-1. Enlace satelital

Imagen tomada de http://148.225.72.135/educacion/en_linea/P4.htm1.jpg

Una estación terrena puede transmitir un grupo de señales (canales de Banda

Ancha) que serán separadas, amplificadas, procesadas (digitalmente), trasladadas en

frecuencia, amplificadas y reagrupadas nuevamente para ser enviadas a tierra. Como se

observa en la figura 2-2, cada grupo de señale es un canal de Banda Ancha, cada canal tiene

un ancho de banda de varios MHz y puede contener canales de datos, voz, TV, según las

tasas de transmisión y las técnicas de acceso múltiple. A cada canal de Banda Ancha se le

llama transponder (transmitter-responder). Un satélite típico tiene 12 transponders para

una determinada banda (C, Ku, Ka, etc.)


http://148.225.72.135/educacion/en_linea/P4.htm1.jpg


Figura 2-2. Diagrama de bloques de un transponder

Imagen tomada de [1] pag. 394

TECNICAS DE MULTIPLEXAJE

El multiplexaje se refiere básicamente a la transmisión desde más de una fuente a

más de un destino. Es una operación reversible que permite combinar varias señales en una

sola señal, más compleja. Las señales combinadas en un multiplexor por lo general vienen

de fuentes independientes, como por ejemplo suscriptores en una red telefónica. La

reversibilidad de la operación de multiplexión permite la recuperación de las señales

originales que a menudo tienen destinos diferentes. Esta operación inversa se llama

demultiplexión. La multiplexión puede hacerse por medio de técnicas digitales o

analógicas.

Según Neri Vela “las técnicas analógicas fueron usadas ampliamente en el siglo

XX, pero han ido perdiendo terreno en forma progresiva frente a los modernos métodos

digitales, cuyos formatos y filosofía de transmisión los han hecho muy atractivos, flexibles

y útiles comercialmente” [2]

En la figura 2-3 se muestran las técnicas de multiplexaje analógicas y digitales. En

ambos casos, las señales de entrada se combinan a través del multiplexor para producir una

sola señal en banda base. En el caso del enlace analógico, la señal de entrada pueden ser

voz o video analógico, que luego de ser multiplexadas pasan a ser moduladas, adecuándolas

para ser trasmitidas a través de la estación terrena. En el caso del enlace digital, las señales

de entrada pueden ser digitales o analógicas digitalizadas previamente (ejemplo voz y



video). Una vez multiplexadas se pasan por un codificador que permita reducir el número

de errores en la transmisión y finalmente son moduladas para ser enviadas a través de la

estación terrena.

Figura 2-3. Técnicas de multiplexaje usadas en sistemas satelitales


Las señales en banda base se trasladan a una frecuencia intermedia (FI) normalizada

de 70 o 140 MHz. La normalización de la FI permite el intercambio de moduladores o

demoduladores independientemente de las estaciones terrenas. Antes de ser enviada al

satélite, la señal en FI es elevada a la frecuencia asignada a la estación terrena. Obviamente

la estación receptora invierte todo este proceso hasta obtener la señal de información

deseada.

Multiplexión por División de Frecuencia (FDM: Frecuency Division

Multiplexing) Este método de multiplexaje originalmente se utilizó alrededor de 1930 en redes

telefónicas para transmitir 12 canales telefónicos en una sola portadora. Su uso se extendió

a otras aplicaciones y luego comenzó a usarse en sistemas satelitales alrededor de 1960. El

método consiste básicamente en que 12 señales analógicas individuales de voz se adecuan

para contener sólo componentes de 300 Hz hasta 3,4 kHz, cada señal se modula espaciada a



4 kHz usando el método de banda lateral única con portadora suprimida, formando un

grupo primario básico como se muestra en la figura 2-4.

Figura 2-4. Formación de un grupo usando FDM


Nótese que el grupo ocupa un ancho de banda de 48 kHz (de 60 kHz a 108 kHz) y

cada canal individual es asignado a una determinada posición en frecuencia dentro del

ancho de banda disponible; además, la separación entre el inicio de un canal y el siguiente

se hace de 4 kHz para evitar solapamientos e interferencias. Como se observa en la figura

2-5, cada canal tiene un ancho de banda de 3,1 kHz, quedando 0,9 kHz para la banda de

guarda.

Figura 2-5. Grupo multicanal formado por 12 canales


Con 5 grupos primarios trasladados a frecuencias distintas (cada uno en una sóla

operación con sus 12 canales) se forma un supergrupo de 60 canales que ocupan una banda

de 312 a 552 kHz. De la misma manera, 5 supergrupos forman un mastergrupo y 3



mastergrupos forman un super-mastergrupo. En la tabla 2-1 se observan las características

de cada uno de estos grupos. Esta agrupación de canales telefónicos y bandas es

recomendada por la CCITT.

Tabla 2-1. Agrupación de canales telefónicos según la CCITT

Tomada de [2] pag. 20

No de Canales Denominación Banda ocupada (kHz)

12 Grupo 60 - 108 60 Supergrupo

(5 grupos) 312 – 552

300 Mastergrupo (5 Supergrupos)

812 – 2.044

900 Super-mastergrupo (3 Mastergrupos)

8.516 – 12.388

El demultiplexaje se realiza en la estación terrena receptora mediante filtros para

separar por frecuencia los grupos y canales, finalizando con la demodulación de estos o

puede efectuarse parcialmente en una red terrenal interconectada.

Este sistema ha caído en desuso por la generalización de la digitalización de las señales

telefónicas.

En el caso de las señales analógicas de televisión, al realizar la multiplexión por

división de frecuencia se obtiene una señal compuesta, que consiste en la suma de la señal

de luminancia, dos señales de diferencia de color moduladas en banda base así como la

señal de audio también modulada en banda base. Otra opción es separar las señales y

enviarlas por un transponder diferente.

Modulación en Frecuencia (FM: Frequency Modulation) La modulación en frecuencia (FM) es la única forma de modulación usada en

sistemas satelitales analógicos, tal como se mostró en la figura 2-4. A pesar de su amplio

ancho de banda y su poca eficiencia espectral, este esquema de modulación ofrece una

buena relación señal a ruido (S/N), lo que le permite sobreponerse a los bajos niveles de



relación portadora a ruido (C/N) característicos de los sistemas satelitales. En esta sección

no nos dedicaremos a explicar la modulación FM, la cual forma parte de un curso básico de

sistemas de comunicaciones, sino que trataremos su aplicación a los sistemas satelitales.

La modulación FM es utilizada en telefonía multicanal por portadora (MCPC:

Multiple Channel Per Carrier), en sistema de un sólo canal por portadora (SCPC: Single

Channel Per Carrier) y en radiodifusión y sistemas de TV.

a) Sistema SCPC b) Sistema MCPC

Figura 2-6. Número de canales por portadora Imagen tomada de [3] pag. 268

El ancho de banda requerido para un sistema FM esta dado por la regla de Carlson,

la cual se expresa de la siguiente forma:

( ) ( )122 +=+∆= mfffB mmpico (2-1)

Donde:

B : Ancho de Banda

: Desviación pico de frecuencia del modulador picof∆

: Frecuencia más alta de la señal moduladora mf

: Índice de modulación = m mpico ff /∆

En sistemas FM de banda ancha se tiene que 25,0≥m

Para mejorar la calidad de la señal transmitida, esta se acondiciona a través de filtros

de preenfasis. La figura 2-7 muestra la curva característica de preenfasis recomendada por

la CCIR, alli se observa una mejora de aproximadamente 4 dB en la relación S/N.




Figura 2-7. Curva característica de preenfasis recomendada por la CCIR


Matemáticamente se tiene que para una señal multicanal MCPC,

PWbB

ff

NC

NS

m

tono

dB

++⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆+=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ log10log20 (2-2)

Donde:

: Ganancia del preenfasis (4 dB) W

P : Ganancia adicional (2,5 dB para canales de voz)

B : Ancho de Banda del canal (Transponder)

: Ancho de Banda Base del canal b

: Desviación rms producida por un tono de prueba senoidal tonof∆

NC : Cociente de potencias de la portadora sobre el ruido

Para calcular la potencia equivalente de una señal multicanal FDM en función del

número de canales multiplexados ( ) en la banda base, la CCIR estableció dos formulas

empíricas para calcular el factor de carga multicanal . Estas formulas son:

n

S

240][log1015 ≥+−= ndBnS (2-3)

240][log41 <+−= ndBnS (2-4)


El factor de carga multicanal permite calcular la desviación rms en frecuencia de la

portadora y su correspondiente ancho de banda B , es decir:

tono

S

rms ff ∆⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡=∆

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

2010 (2-5)

Cuando el número de canales se puede calcular el 24>n picof∆ usando el factor de

pico multicanal, que vale 3,16.

rmspico ff ∆=∆ 16,3 (2-6)

Para señales SCPC la ecuación (2-2) debe reescribirse de la siguiente manera:

Cmm

pico

dB

IPWfB

ff

NC

NS

+++⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆+=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ log1076,1log20 (2-7)

Donde:

: Ganancia del preenfasis (6,3 dB) W

: Ganancia adicional (2,5 dB para canales de voz) P

: Factor de mejora de compasión para SCPC (entre 15 y 20 dB, tipico: 17 dB) CI

En el caso de que la señal SCPC sea de video, se tiene que

PWfB

ff

rNC

NS

mm

pico

dB

++⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆+=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ log1076,1log20 (2-8)

Donde:

ciónsincroniza de pulso incluyendo TV de completa Señal

luminanciadeseñalladePicopicoValor −=r

B : Ancho de banda de RF de la señal de TV modulada)

: Depende del estándar de TV (varía entre 10 y 14 dB) W

P : Depende del estándar de TV (varía entre 2 y 3 dB)



En términos generales, las estaciones terrenas que tienen poco tráfico y utilizan

pocos canales en SCPC son más baratas que si emplearan MCPC, ya que se elimina el

costo de los Multiplexores y Demultiplexores. Por otro lado, es más sencillo reconfigurar

un sistema SCPC que un MCPC; además los sistemas SCPC sólo transmiten cuando su

canal está activo, lo que permite el ahorro de potencia, mientras que en los MCPC la

portadora siempre está presente aun cuando algunos canales no estén transmitiendo.

Ejercicio 2-1:

Una portadora cuando se modula ocupará 9 MHz de un transponder del satélite

INTELSAT V produce una dBNC 7,14= en una estación terrena. Asumiendo dB

NS 0,51= .

¿Cuántos canales se pueden transportar?

Solución:

De la ecuación (2-2) sabemos que:

PWbB

ff

NC

NS

m

tono

dB

++⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆+=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ log10log20

Sustituyendo los datos del problema en esta ecuación tenemos:

5,24101,3

109log10log207,1451 3

6

++⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆+=

HzxHzx

ff

m

tono

Luego:

83,4log20 −=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆

m

tono

ff

De donde se obtiene:

573,010 20/83,4 ==⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆ −

m

tono

ff



La se puede estimar asumiendo maxf Nf 4200max = , donde N es el número de

canales. De allí entonces:

573,04200

=∆

Nftono

Despejando N tenemos,

)573,0(4200tonofN ∆

=

Despejando de la ecuación (2-5) y sustituyendo en la ecuación anterior nos queda, tonof∆

]10)[573,0(4200 20/SrmsfN ∆

=

Despejando de la ecuación (2-6) y sustituyendo en la ecuación anterior nos queda, rmsf∆

]10[86,7604)16,3](10)[573,0(4200 20/20/ S

picoS

pico ffN

∆=

∆=

De la ecuación (2-1) tenemos

( ) ( )NfffHzxB picompico 420022109 6 +∆=+∆==

De donde se obtiene que

HzNxf pico )4200105,4( 6 −=∆

Por lo que N será ahora

]10[86,76044200105,4

20/

6

S

NxN −= (*)



Si asumimos el número de canales entonces podemos utilizar la ecuación

(2-3)

240≥N

240][log1015 ≥+−= NdBNS

Pero al sustituir S en (*) se obtiene 195≈N , lo cual no satisface la suposición

inicial de que , por lo tanto esta respuesta no es válida. 240≥N

Si asumimos ahora que el número de canales 240<N entonces podemos utilizar la

ecuación (2-4)

240][log41 <+−= ndBnS

Al sustituir S en (*) se obtiene 191≈N , lo cual sí satisface la suposición de que

, por lo tanto se concluye que el número de canales que se pueden transportar es

240 canales.

240<N

Multiplexión por División de Tiempo (TDM: Time Division

Multiplexing)

Este método permite que diversas señales compartan un mismo medio de

comunicación comprimiendo en el tiempo sus trenes de impulsos e intercalándolos en

secuencia en una sola señal en banda base antes de la modulación, tal como se mostró en la

figura 2-3. En TDM, la tasa de bits del conjunto es mayor que la suma de las tasas de las

señales de entrada. El multiplexaje puede ser realizado intercalando bits o caracteres,

dependiendo de las fuentes o requerimientos, y tiene la gran ventaja de que las señales de

entrada no tienen que ser forzosamente iguales, sino que pueden ser una gama de señales de

datos, voz y video digitalizados, si es el caso. Sin embargo, al igual como se describió para

FDM, para TDM existen algunos formatos definidos y estructurados para fines comerciales

prácticos, con base en una jerarquía.



La tabla 2-2 muestra la jerarquía digital utilizada en Estados Unidos, las siglas DS

corresponden a Digital Signal. En Europa y Japón utilizan niveles distintos.

Tabla 2-2. Jerarquía digital usada por Estados Unidos

Tomada de [2] Pág. 215 Nivel Número de canales

de voz digitalizada Equivalencias con

otros niveles Tasa de bits (Mb/s)

DS1 24 ---------- 1,544 DS1C 48 2 x DS1 3,152 DS2 96 4 x DS1 6,312 DS3 672 7 x DS2 44,736 DS4 4.032 6 x DS3 274,176

La tasa de bits se obtiene para DS1, por ejemplo, de multiplicar los 24 canales por

64 kb/s (estándar de digitalización de un canal de voz), con lo cual se obtienen los 1,544

Mb/s una vez incluidos los bits de sincronización en el extremo del receptor.

En la figura 2-8 se muestra el diagrama de bloques de un generador de señal DS1.

Notese que los 24 canales de voz son llevados de su forma analógica a digital a través de un

codificador de onda PCM. La salida del codificador es de 64 kb/s. Si la señal es de

naturaleza digital entonces se elimina el codificador y se conecta directamente a la entrada

del multiplexor.

Figura 2-8. Multiplexor TDM


Existen otras jerarquías digitales como la SONET (Synchronous Optical Network) o

también conocida como SDH (Synchronous Digital Hierarchy), la cual resulta importante



para los satélites multimedia de banda ancha y su interconexión con las redes terrestres de

fibra óptica. La tabla 2-3 muestra algunos niveles de esta jerarquía.

Tabla 2-3. Jerarquía digital SONET

Tomada de [2] pag. 215 Nivel Tasa de bits (Mb/s)

1 51,840

3 155,520

9 466,560

12 622,080

18 933,120

Modulación Digital Usar sistemas digitales tiene muchas ventajas respecto a los analógicos, como por

ejemplo, una alta confiabilidad, menor costo, menor susceptibilidad al ruido, la posibilidad

de usar codificación para la detección y corrección de errores. En esta sección no nos

dedicaremos a explicar los distintos esquemas de modulación digital, lo cual forma parte de

un curso básico de sistemas de comunicaciones, sino que trataremos su aplicación a los

sistemas satelitales.

Existen varios tipos de modulación digital como por ejemplo: PSK (Phase Shift

Keying: Modulación por desplazamiento de fase), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying:

Modulación por desplazamiento de fase en cuadratura), QAM (Quadrature Amplitude

Modulation: Modulación de amplitud en cuadratura 16 niveles), entre otros. En la

transmisión vía satélite se debe evaluar el compromiso entre el ancho de banda de la señal,

la eficiencia espectral y los requerimientos de potencia para escoger el esquema de

modulación más adecuado. Por ejemplo, la modulación 16QAM permite usar mejor el

ancho de banda en comparación con QPSK y 8PSK, pero es menos eficiente en términos

del uso de la potencia; se usa para transmitir portadoras con tasas muy grandes, del orden

de 34 Mb/s o 45 Mb/s, entre estaciones terrenas también grandes. Además, 16QAM es más



sensible a la lluvia y a las no linealidades de los amplificadores de los satélites y las

estaciones terrenas que QPSK y 8PSK.

La modulación de mayor uso en los enlaces satelitales es PSK, QPSK es utilizada en

servicio fijo para telefonía SCPC, transmisión de datos y difusión de TV comprimida con

los estándares MPEG-2; BPSK es empleada en los enlaces de telemetría y comando, ya que

es menos susceptible al ruido que QPSK.

Es necesario recordar que en la modulación PSK la fase de la portadora cambia con

cada bit de información de la banda base de la señal moduladora. El número M de estados

o fases que la portadora puede tomar depende del número de bits de información

original que sea usado para formar cada símbolo, a través de la siguiente relación:

N

NM 2= (2-9)

Además, la tasa de bits de la banda base original se mide en bits/s y la tasa de

símbolos de la portadora modulada es cuantificada en símbolos/s o baudios, es decir,

bR sR

][log2

baudiosM

RR bs = (2-10)

Por otro lado, la eficiencia espectral se obtiene a través de la ecuación siguiente:

]//[BRF

HzsbitsRb=η (2-11)

Donde:

: Ancho de banda RF RFB

En la tabla 2-4 se muestra un resumen de las características de algunos esquemas de

modulación digital. Nótese que mientras mayor es el número de bits de codificación, el

ancho de banda disminuye y la eficiencia espectral aumenta.



Tabla 2-4. Resumen de la modulación digital Tomada de [4] pag. 505

Modulación Codificación Ancho de Banda (Hz) )(baudios

Rsimbolos )//( Hzsbitsη

BPSK Un bit bf bf 1 QPSK Dibit 2/bf 2/bf 2 8PSK Tribit 3/bf 3/bf 3 16PSK Cuadribit 4/bf 4/bf 4 16QAM Cuadribit 4/bf 4/bf 4

En la práctica, debido al uso de filtros para evitar la interferencia intersimbólica

(ISI), como por ejemplo los filtros de coseno alzado, el ancho de banda teórico se recalcula

añadiendo un 20 % como se expresa en la ecuación (2-12).

sRF RB 2,1= (2-12)

Si se transmite una portadora de C watts durante el intervalo de un símbolo, se puede

calcular la energía de símbolo de la siguiente manera:

sSS R

CTCE == . (2-13)

Donde:

: Potencia de la portadora (watts) C

: Tiempo de símbolo (segundos) ST

La densidad espectral de ruido ( ) se obtiene dividiendo la potencia de ruido ( )

entre el ancho de banda a la entrada del demodulador, es decir,

0N N

BNN =0 (2-14)




En los sistemas digitales, es un factor importante la relación entre la energía de

símbolo y la densidad espectral de ruido, así como la relación de la energía promedio de un

bit ( ) entre la densidad espectral de ruido. Estas relaciones se describen a continuación. bE

ss

S

RB

NC

NB

RC

NE

==0

(2-15)

0NE

BR

NC bb= (2-16)

Otro factor importante es la relación portadora sobre densidad de ruido, la cual esta

dada por la ecuación (2-17).

][)log(1000

dBHzRNE

NC

bb +⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ (2-17)

El desempeño de la transmisión de señales digitales se evalúa principalmente por la

proporción de bits erróneos recibidos. Recordemos que la probabilidad de error teórica se

obtiene por,

021

NEerfcP b

e = (2-18)

Donde: erfc es la función de error complementario definida por

duexerfcx

u∫∞ −=

22)(π

(2-19)

Para objetivos de calidad en cuanto a la proporción total de errores en telefonía la

UIT recomienda que no se excedan los valores de 10 valor medio durante 10 minutos

durante mas del 20% de cualquier mes, valor medio durante 1 minuto durante mas de

0,3% de cualquier mes, y valor medio durante 1 segundo durante mas de 0,05% de

6−

410−

310−


cualquier mes. La relación de estas proporciones con la anual media depende de las

características particulares de la precipitación en los extremos del enlace que se trate.

Para la transmisión de datos en redes privadas es muy frecuente que se especifique

una proporción de bits erróneos de y para televisión comprimida hasta de , para

los porcentajes de disponibilidad establecidos en cada caso. Estos valores generalmente se

obtienen implementando técnicas de codificación de canal para la corrección de errores en

el receptor.

710− 1010−

CODIFICACION Y CORRECION DE ERRORES

Se puede reducir el número de bits errados en un sistema satelital aumentando la

potencia de portadora a fin de mejorar la relación S/N; sin embargo, los sistemas satelitales

suelen estar limitados en potencia, por lo que se busca reducir el número de bits errados

utilizando métodos alternativos como la codificación para la detección y corrección de

errores. Con la codificación se añaden bits de control a la información antes de la

modulación, tal como se mostró en la figura 2-3, este procedimiento conlleva el aumento

del ancho de banda o la reduccion de la velocidad de transmisión, pero evita el aumento de

potencia.

Existen dos clases de control de errores: la petición automática de repetición (ARQ:

Automatic Repeat Request) y la correción de errores en recepción (FEC: Forward Error

Correction).

La ARQ consiste en que el receptor, al detectar un error, solicita a la estación

transmisora que le vuelva a enviar el bloque de información de acuerdo a un protocolo

preestablecido. Se pueden emplear métodos como la verificación de paridad, la violación de

código y la verificación de redundancia cíclica. Entre las desventajas de esta técnica esta la

necesidad de contar con una memoria transitoria de amortiguamiento para almacenar los

bloque con error y subsecuentes hasta que sean retransmitidos, esto trae como consecuencia

tiempos de retraso en la transmisión. Esta técnica sólo es aplicable a satélites

geoestacionarios con bajas velocidades de transmisión.



La codificación FEC permite corregir el error en el receptor sin solicitar la

retransmisión. Se basa en códigos de bloques y códigos de desarrollo contínuo o

convolucionales, que agregan bits de información antes de la modulación (Viterbi, Reed-

Solomon, entre otros). Esta técnica de codificación es la más utilizada en redes satelitales

aunque su implementación es mas costosa.

La relación de codificación R entre la velocidad binaria de información y la

velocidad binaria de transmisión para la codificación FEC se puede calcular como,

bR

cR

c

b

RRR = (2-20)

La relación de codificación se expresa en fracciones, por ejemplo 87,

43,

21

=R . Esto

significa que si 87

=R , por cada 7 bits de información se añade 1 de redundancia, lo cual

hace que la velocidad de transmisión sea 1,14 veces mayor que la velocidad de

información.

CIFRADO O ENCRIPTACION

Dado que no se puede evitar la recepción de la señal de los sistemas satelitales en

cualquier punto dentro de su área de cobertura, se pueden utilizar métodos de seguridad

especializados que no permitan que personas distintas a los destinatarios conozcan y

utilicen la información transmitida.

En aplicaciones comerciales analógicas como la difusión de TV vía satélite, lo que

se hace es alterar la forma de las ondas transmitidas, ya sea sumándoles en banda base

alguna señal de interferencia, o bien cambiarlas en tiempo o frecuencia siguiendo algún

patrón (scrambling).



Para las señales digitales se utilizan técnicas de encriptación o codificación. La más

utilizada en sistemas satelitales es la llave o código privado. También se utilizan las

técnicas de código público.

La encriptación también se utiliza para proteger los enlaces de telemetría y comando

de los satélites. Estos comandos se utilizar para modificar la posición y orientación del

satélite, así como cambios en los transponders o para reprogramar procesadores de datos a

bordo de los satélites.

TÉCNICAS ACCESO MULTIPLE

En general, en los sistemas de comunicaciones, el acceso múltiple es la forma en

que los sistemas activos (circuitos, canales, transponders, etc.) se asignan a los usuarios. El

proceso, también llamado control de acceso al medio (MAC) para algunas redes

inalámbricas, es muy importante ya que garantiza la adecuada capacidad y disponibilidad

de enlace, en particular durante los momentos de mayor demanda de los sistemas

comunicaciones.

Los sistemas satelitales son especialmente dependientes de las técnicas de acceso

múltiple, porque los satélites suelen estar limitados en potencia o en frecuencias disponibles

y no tienen la capacidad de atender a todos los usuarios simultáneamente. El objetivo de las

técnicas de acceso múltiple es garantizar a los usuarios el acceso al sistema satelital

independientemente de la alta demanda que exista del mismo. Así, los sistemas de acceso

múltiple permiten que dos o más estaciones terrenas compartan simultáneamente los

recursos del mismo transponder o canales de la misma frecuencia.

Los tres métodos de acceso múltiple utilizados son:

FDMA TDMA CDMA



Acceso Múltiple por División de Frecuencia (FDMA: Frequency

Division Multiple Access) Esta técnica fue la primera y sigue siendo la más utilizada tanto en sistemas

analógicos como digitales MCPC o SCPC. Consiste en dividir el ancho de Banda del

transponder en secciones o ranuras, separadas por bandas de guarda. La figura 2-9 muestra

un ejemplo de esa aplicación, allí se observa que el ancho de banda de 36 MHz de un

transponder se ha subdividido en 3 ranuras que no necesariamente tienen el mismo ancho

de banda.

Figura 2-9. Ejemplo de FDMA Imagen tomada de [2] pag. 233

El subdividir el ancho de banda en ranuras fijas ofrece una configuración rígida o

invariable, ya que cada estación debe transmitir siempre en la misma frecuencia. Por eso se

le conoce como asignación fija. Si alguna de las estaciones no transmite continuamente se

estará desperdiciando esa porción de ancho de banda, por lo que existe la alternativa de

asignación por demanda (DAMA: Demand Assigned Multiple Access).

La técnica DAMA asigna las ranuras a las estaciones terrenas que las solicitan, y

una vez que dejan de transmitir, estas ranuras son liberadas para cualquier otra estación que

la solicite. La asignación de las ranuras disponibles se hace a través de una estación central

que coordina el banco de frecuencias disponibles. La desventaja de este sistema es que cada

estación terrena debe tener la capacidad de cambiar su frecuencia de transmisión según la

banda que se le asigne.



La figura 2-10 muestra la configuración del sistema SPADE de INTELSAT, el cual

es un sistema DAMA con algunas adaptaciones. Este consiste en un transponder de 36

MHz rasurado en 800 secciones de 45 kHz entre centros, capaces de conducir

simultáneamente 400 conversaciones telefónicas (400 ranuras para canales de ida y 400

ranuras para canales de retorno); cada ranura tiene su frecuencia de portadora y puede ser

usada temporal e indistintamente por cualquiera de los países afiliados al sistema,

sincronizándose con el banco central de frecuencias mediante un canal digital de

solicitudes.

Figura 2-10. Sistema SPADE


Existen muchas variantes en cuanto a la forma de ranurar en frecuencia un

transponder y acceder a el y ocuparlo desde varias estaciones terrenas. Como norma

general, SCPC con asignación por demanda se utiliza para comunicar puntos con tráfico

ocasional, como zonas rurales o de poco intercambio entre sí. Para enlazar puntos que

generan tráfico de manera permanente, se emplea la asignación fija, y esta puede ser SCPC

(para poco tráfico pero constante) o MCPC. En MCPC en tamaño de la ranura dependera

del número de canales que contenga, estos canales pueden ser analógicos o digitales con

multiplexión en frecuencia o en tiempo respectivamente.

La presencia simultánea de varias portadoras en un mismo amplificador del satélite

produce ruido de intermodulación. Esto obliga a operar el amplificador en un punto de

trabajo por debajo de la potencia máxima de salida, con una disminución o back-off que

puede ser de varios decibelios. Por ejemplo, en TV analógica ocupando todo el transponder

(36 MHz), el back-off típico de salida es 4,5 dB.



Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA: Time Division

Multiple Access)

Esta técnica en la más utilizada actualmente y es aplicable sólo a portadoras

digitales. Consiste en asignar a todas las estaciones terrenas de la red satelital la misma

ranura (que puede ser todo un transponder o parte de el), la cual comparten

secuencialmente en el tiempo, es decir, a cada estación se le asigna exclusivamente toda la

ranura durante un tiempo T para realice su transmisión. Una vez agotado ese tiempo, debe

dejar de transmitir para que lo haga la próxima estación según la secuencia establecida.

Cada estación transmite en la misma frecuencia, pero en ráfagas separadas por

breves tiempos de guarda para evitar que se superpongan, tal como se muestra en la figura

2-11. Así, la ráfaga enviada por la estación se sincroniza para que llegue al transponder de

satélite a un tiempo diferente. Todas las estaciones terrenas reciben las ráfagas de cada una

de las estaciones participantes, teniendo que seleccionar la destinada a ella.

La ventaja de esta técnica es que al tener una sola portadora, se elimina el problema

de la intermodulación, lo cual permite al transponder operar a su potencia máxima lo que

conlleva a la mejora de la relación C/N. La desventaja principal es la necesidad de

sincronización, la cual depende también de la distancia de cada estación al satélite.

Figura 2-11. Sistema TDMA

Imagen tomada de [4]



El tiempo de transmisión T no necesariamente es igual para todas las estaciones. Es

probable que algunas estaciones tengan mayor tráfico que otras, por lo que se les asignaría

un tiempo mayor. Si estos tiempos son fijos, se dice que tenemos un sistema TDMA con

asignación fija. Si estos tiempos se ajustan (manual o automáticamente) cuando algunas de

las estaciones tengan exceso de tráfico, se dice que tenemos un sistema TDMA con

asignación variable.

Si el tráfico de una estación no es tan grande como para que ocupe todo un

transponder sino sólo una parte de este, el ancho de banda del transponder se puede

compartir con otras estaciones que no formen parte de la red TDMA utilizando FDMA. La

figura 2-12b muestra un ejemplo de este caso, en el que una ranura TDMA se comparte con

una señal de video analógico y telefonía SCPC. En este caso, el transponder no podrá

trabajar a su máxima potencia, para reducir el problema de la intermodulación.

Figura 2-12. Ocupación de portadoras de un transponder de 72 MHz con TDMA

a) Ocupación completa b) Ocupación parcial TDMA compartida con FDMA Imagen tomada de [2] pag. 240

Acceso Múltiple por División de Código (CDMA: Code Division

Multiple Access) En esta técnica, un transponder completo o parte de el es ocupado por varias

estaciones terrenas de una red satelital que transmiten a la misma frecuencia y al mismo

tiempo. En otras palabras, cada transmisor de estación terrena puede transmitir, cada vez

que lo desee, y puede utilizar cualquier ancho de banda o todos los anchos de banda



asignados a un sistema o canal de satélite en particular. CDMA es útil en transmisiones

confidenciales o sensibles a interferencia; originalmente fue diseñada para aplicaciones

militares pero su uso se ha extendido a aplicaciones comerciales como los sistemas

satelitales de comunicaciones móviles.

Al CDMA tambien se lo conoce como SSMA (Spread Spectrum Multiple Access:

Acceso multiple por espectro expandido) por la expansión del espectro en frecuencia de la

señal al codificar cada bit de información en un nuevo tren de pulsos. Debido a este

ensanchamiento del espectro de las señales, su densidad espectral es muy baja; sin

embargo, ofrece una alta protección contra el deterioro que pudiera ocurrir sobre las

portadoras moduladas, causado por interferencias debidas a trayectorias múltiples, o por la

misma interferencia propia del medio donde los sistemas móviles operan.

La figura 2-13 muestra un sistema CDMA en el que tres estaciones terrenas

transmiten simultáneamente y otras tres estaciones terrenas reciben simultáneamente todo

lo que envía cada una de las estaciones transmisoras; sin embargo, sólo la estación terrena

que conozca el código con el que fue transmitida la información será capaz de reconstruir el

mensaje original.

Figura 2-13. Sistema CDMA

Imagen tomada de [4]



Acceso Múltiple por División de Tiempo con conmutación en el

Satelite (SS/TDMA: Satellite Switched Time Division Multiple Access)

Esta técnica mejora significativamente la eficiencia de un sistema satelital, ya que

permite la reutilización de frecuencias. En los sistemas satelitales modernos, las antenas

instaladas son muy directivas, lo que permite cubrir diferentes zonas geográficas con muy

alta densidad de potencia. Cada uno de los haces de estas antenas puede estar asociado con

ciertos transmisores o receptores, lo que hace posible conmutar parte de la información (o

toda) de un haz a otro mediante una matriz de microondas.

La figura 2-14 muestra un sistema SS/TDMA en el que cada zona es cubierta por

una antena puntual, si las zonas están lo suficientemente separadas para evitar la

interferencia, se hace la reutilización de frecuencia.

Figura 2-14. Sistema SS/TDMA Imagen tomada de [2] pag. 244



A continuación, pueden profundizar este tema (TEMA II), consultando las


[1] ITU. (2002). Handbook on Satellite Communications. 3era Edicion.Wiley

[2] Neri Vela, Rodolfo. (2003). Comunicaciones por satélite. Internacional Thompson Editores, S.A. México.

[3] Ippolito, Louis (2008). Satellite Communications Systems Engineering. John Wiley & Sons Ltd. UK

[4] Tomasi, Wayne (2003). Sistemas de Comunicaciones electrónicas. Pearson Education, México.

Rosado Carlos. (1999). Comunicación por satelite. Editorial Limusa, Mexico D.F.


TEMA III: CONFIGURACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN POR SATÉLITE

ÍNDICE TEMÁTICO TEMA III

CONFIGURACIÓN DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES

POR SATÉLITE.

Secciones

A. ELEMENTOS DE LOS SISTEMAS POR SATÉLITE

CONSIDERACIONES SOBRE REGLAMENTACIÓN Y PLANIFICACIÓN DE SISTEMAS SATELITALES UIT-Unión Internacional de Telecomunicaciones: CONATEL- Comisión Nacional de Telecomunicaciones. ASIGNACIÓN DE FRECUENCIAS

Posiciones Orbitales SERVICIOS

B. ESTACIONES TERRENAS

CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS: Ganancia y Eficiencia

Directividad Polarización

MONTAJES DE LAS ANTENAS SEGUIMIENTO DEL SATÉLITE TIPOS DE ESTACIONES TERRENAS RECEPTORES Y AMPLIFICADORES DE BAJO RUIDO TRANSMISORES Y AMPLIFICADORES DE GRAN POTENCIA SISTEMAS FDM SISTEMAS TDM ESTACIONES TÍPICAS SEGÚN EL TIPO DE SERVICIO: FIJO, RADIODIFUSIÓN Y MÓVIL.

C. SEGMENTO ESPACIAL

ANTENAS SUBSISTEMA DE COMUNICACIONES TRANSPONDEDORES EL SISTEMA DE CONTROL DE ORIENTACIÓN SISTEMA DE TELEMETRÍA, TELEMANDO Y CONTROL SISTEMA DE ENERGÍA SUBSISTEMA DE CONTROL TERMICO



Una vez concluido este Tema, Ud. dispondrá de las competencias necesarias para:


- Describir los organismos nacionales e internacionales que regulan los aspectos

satelitales.

- Identificar las bandas de frecuencias satelitales, sus usos y aplicaciones.

- Describir los principales tipos de servicios satelitales


- Describir y evaluar el funcionamiento de una estación terrena satelital

- Describir cuantitativamente las antenas usadas en estaciones terrenas así como las

normas y tipos de monturas

- Identificar y explicar los componentes de los bloques de transmisión y recepción

- Explicar los sistemas usados para transmisión y recepción de varias señales de voz,

video y datos


- Describir los diferentes tipos y características de las antenas satelitales

- Describir los tipos de antenas de acuerdo a la cobertura deseada

- Realizar cálculos con haces de sección circular y elíptica

- Explicar las principales funciones del subsistema de comunicaciones de un satélite

- Analizar, con ayuda de un diagrama de bloques, la operación de un transpondedor,

su ganancia, su frecuencia de operación y potencias típicas de transmisión.

- Describir las técnicas para realizar el control de orientación de un satélite

- Identificar y describir las funciones de un sistema TTC

- Describir las funciones del sistema de energía y de control térmico de un satélite.




CONSIDERACIONES SOBRE REGLAMENTACIÓN Y

PLANIFICACIÓN DE SISTEMAS SATELITALES.

La implementación de un nuevo sistema satelital, bien sea un sistema regional con

la participación de un grupo de países, o un sistema nacional (doméstico), es obviamente

mucho más difícil que la utilización de un sistema existente: de hecho, la decisión de poner

en práctica un nuevo sistema satelital por lo general es resultado de un proceso a largo

plazo en el que primero debe considerarse si los satélites existentes no pueden manejar los

servicios previstos.

Al planificar un nuevo sistema satelital, es necesario considerar la posibilidad de

interferencia mutua entre sistemas existentes y el nuevo sistema planificado. Las

Regulaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) establecen

procedimientos y límites con el fin de evitar la interferencia a cualquier servicio de

telecomunicaciones.

Los Estados miembros de la UIT han establecido un régimen legal a través de una

Constitución/Convención, que incluye las Regulaciones de Radio (RR). Estos instrumentos

contienen los principios y las regulaciones específicas que gobiernan los siguientes

elementos principales:

Asignaciones de espectro de frecuencia a las categorías diferentes de servicios de

radiocomunicación (Artículo S9 de las Regulaciones de Radio).

El reconocimiento internacional de estos derechos registrando las frecuencias

asignadas y las posiciones orbitales usadas o asignadas en el Registro principal de

Frecuencia Internacional (Artículo S11 de las Regulaciones de Radio)

En términos generales, las Regulaciones de Radio se distinguen entre satélites no

geoestacionarios y geoestacionarios, las cuales están sujetas a regímenes diferentes

regulatorios. Cualquier sistema satelital geoestacionario en cualquier banda de frecuencia

tiene que coordinar el uso de su órbita y espectro de frecuencia con cualquier otro sistema



geoestacionario con probabilidad de ser. Los sistemas satelitales no geoestacionarios están

sujetos a la coordinación sólo con ciertos servicios espaciales específicos en ciertas bandas

de frecuencia identificadas por notas a pie de página en las Tablas de Asignaciones de

Frecuencia (nota a pie de página con una referencia al uso del RR No S9.11A).

Los tipos de servicios, reglas, nomenclaturas, recomendaciones, manuales, programas

informáticos, etc., establecidos por la UIT pueden consultarse en la página web de este

organismo: http://www.itu.int/publications. Estas publicaciones están disponibles en varios

idiomas, entre ellos el castellano.

UIT-UNIÓN INTERNACIONAL DE TELECOMUNICACIONES:

Es un organismo técnico de la Organización de las Naciones Unidas. Este organismo

establece las recomendaciones técnicas, sobre el uso de los recursos y tecnologías en

Telecomunicaciones. La regulación de los satélites se coordina en la Unión Internacional de

Telecomunicaciones (UIT).

La UIT-R se encarga de regular el uso del espectro radioeléctrico y de las órbitas satelitales,

no sólo para servicios de radiocomunicaciones terrestres y por satélite de todo tipo (fijos,

móviles, de difusión, etc.), sino también para servicios de posicionamiento, meteorológicos,

observación del medio ambiente e investigación espacial. En general, la UIT:

Asigna el espectro de radiofrecuencia y registra las radiofrecuencias asignadas.

Efectúa un registro ordenado de las posiciones asignadas por los países a los

satélites geoestacionarios.

Coordina los esfuerzos encaminados a armonizar el desarrollo de las

telecomunicaciones, especialmente las que emplean técnicas especiales, a fin de

aprovechar cabalmente todas las posibilidades.

promueve el establecimiento y mejoramiento de equipos y redes de

telecomunicación en los países en desarrollo.


http://www.itu.int/publications


Fomenta la adopción de medidas para garantizar la seguridad de la vida por

conducto de la cooperación entre los servicios de telecomunicaciones.

Emprende estudios, aprueba reglamentos y formula recomendaciones y opiniones

sobre cuestiones relativas a las telecomunicaciones.

Los ámbitos de la UIT son los siguientes:

Ámbito técnico: promover el desarrollo y funcionamiento eficiente de las

instalaciones de telecomunicaciones, a fin de mejorar la eficacia de los servicios de

telecomunicaciones y el acceso del público a los mismos.

Ámbito de políticas: promover la adopción de un enfoque más amplio de las

cuestiones relativas a las telecomunicaciones en la economía y sociedad de la

información mundial.

Ámbito de desarrollo: promover y ofrecer asistencia técnica a los países en

desarrollo en la esfera de las telecomunicaciones, promover la movilización de los

recursos humanos y financieros necesarios para desarrollar las telecomunicaciones y

hacer que los beneficios de las nuevas tecnologías lleguen a todos los pueblos del

mundo.

CONATEL- COMISIÓN NACIONAL DE TELECOMUNICACIONES.

Es el organismo regulador de las telecomunicaciones en Venezuela, a su vez,

CONATEL adopta las recomendaciones de la UIT, tal como se expresa en la Ley Orgánica

de Telecomunicaciones (Publicada en Gaceta Oficial Nº 36.970 del 12 de Junio de 2000), la

cual puede consultarse en http://www.conatel.gob.ve/.

En su artículo 69, esta ley expresa lo siguiente:

ARTICULO 69.- Corresponde a la Comisión Nacional de Telecomunicaciones, la administración, regulación, ordenación y control del espectro radioeléctrico, de conformidad con lo establecido en esta Ley y en las normas vinculantes dictadas por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), procurando además armonizar sus actividades con las recomendaciones de dicho organismo.


http://www.conatel.gob.ve/


La Comisión Nacional de Telecomunicaciones ejercerá la coordinación necesaria

para la utilización del espectro radioeléctrico en su proyección internacional, de

conformidad con esta Ley y los tratados y acuerdos internacionales suscritos y ratificados

por la República Bolivariana de Venezuela.

Específicamente, la Ley Orgánica de Telecomunicaciones dedica su capitulo IV a los

sistemas satelitales. A continuación solo presentaremos el artículo 119, el resto del capítulo

puede consultarse en la página Web antes indicada. A continuación artículo 119: ARTICULO 119.- Corresponde a la Comisión Nacional de Telecomunicaciones la administración, regulación, ordenación y control del espectro radioeléctrico asociado a redes de satélites, así como el acceso y la utilización del recurso órbita-espectro para redes espaciales asignadas por la República y registradas a nombre de ésta, todo ello de conformidad con los tratados internacionales suscritos y ratificados válidamente por la República. Estos recursos podrán explotarse sólo mediante concesión otorgada de conformidad con las disposiciones de esta Ley y demás normas que resulten aplicables, atendiendo a la naturaleza de los mismos.

ASIGNACIÓN DE FRECUENCIAS

La UIT ha asignado para los sistemas satelitales las bandas de frecuencia mostradas

en la tabla 3A-1. Tabla 3A-1

Atribuciones de las Bandas de Frecuencias según recomendación de la UIT

Bandas de Frecuencias satelitales

Banda Rango de Frecuencias Servicio Usos

VHF 30 – 300 MHz Fijo Telemetría UHF 300 – 1000 MHz Móvil Navegación, Militar

L 1 – 2 GHz Móvil Emisión de audio, radiolocalización S 2 – 4 GHz Móvil Navegación C 4 – 8 GHz Fijo Voz, datos, video X 8 – 12 GHz Fijo Militar Ku 12 – 18 GHz Fijo Voz, datos, video

K 18 – 27 GHz Fijo Emisión de video, comunicación intersatelital

Ka 27 – 40 GHz Fijo Emisión de video, comunicación intersatelital



Cada Banda de Frecuencias dispone de una parte de la misma para los enlaces

ascendentes Tierra-Satélite y otra para los enlaces descendentes Satélite-Tierra a fin de

evitar interacciones inconvenientes. La tabla 3ª-2 muestra un ejemplo de estas frecuencias

ascendentes y descendentes más utilizadas.

Tabla 3A-2

Frecuencias ascendentes y descendentes para satélites geoestacionarios. El ancho de banda disponible se muestra entre paréntesis.

Banda Enlace Ascendente (GHz)

Enlace Descendente (GHz)

C: 6/4 GHz 5,925 – 6,425 (500 MHz)

3,7 – 4,2 (500 MHz)

X: 8/7 GHz 7,9 – 8,4 (500 MHz)

7,25 – 7,75 (500 MHz)

Ku: 14/12 GHz 14 – 14,5 (500 MHz)

11,7 – 12,2 (500 MHz)

Ku: 17/12 GHz 17,3 – 17,8 (500 MHz)

12,2 – 12,7 (500 MHz)

Ka: 30/20 GHz 27,5 – 31 (3.500 MHz)

17,7 – 21,2 (3.500 MHz)

Mientras más alta sea la frecuencia de la portadora, más pequeño es el diámetro

requerido de la antena para una ganancia específica. Debe tenerse cuidado al diseñar una

red satelital para evitar interferencias con los enlaces de microondas establecidos en tierra.

Posiciones Orbitales

El perímetro de la órbita geoestacionaria es de 265.000 km, lo que permitiría

colocar en órbita una gran cantidad de satélites geoestacionarios con una baja probabilidad

de colisión bajo condiciones normales de funcionamiento. La separación ente los satélites

está determinada por los niveles de interferencia radioeléctrica. Estas interferencias ocurren

porque las antenas tanto de las estaciones terrenas como de los satélites tienen lóbulos

secundarios por los que se puede radiar en direcciones indeseables, tal como lo muestra la

figura 3A-1. En esta figura, las líneas continuas representan las señales útiles mientras que

las líneas punteadas representan las interferencias. Los patrones de radiación de las antenas



usadas en los sistemas satelitales deben cumplir las normas internacionales y los operadores

satelitales deben vigilar las posibles interferencias.

Figura 3A-1

Interferencias entre dos sistemas satelitales geoestacionarios Imagen tomada de [5]

La separación mínima promedio que debe haber entre dos satélites vecinos para

evitar interferencias es de 2° de arco, lo que representa casi 1.500 km de distancia. Sólo en

regiones donde existe mucho congestionamiento se permite una separación menor a 2°,

como por ejemplo, a finales de 1980 Estados Unidos, Canadá y México firmaron un

convenio aceptándose la reducción del espaciamiento entre los satélites de Canadá y

México a 1,9° en el arco orbital.

Figura 3A-2

Distribución aproximada de satelitales geoestacionarios Imagen tomada de [3]



SERVICIOS

Los tres principales tipos de servicios satelitales definidos por la UIT con conocidos por

las siglas FSS, MSS y BSS.

FSS (Fixed Satellite Service: Servicio fijo por satélite), es un termino genérico que

se aplica a todo servicio de comunicaciones que no sea ni móvil ni de radiodifusión.

La mayoría de los satélites de comunicaciones corresponde a esta categoría.

MSS (Mobile Satellite Service: Servicio móvil por satélite), se refiere a toda

comunicación entre dos puntos arbitrarios en tierra firme, aire o mar; uno de estos

puntos puede estar cambiando de posición, o bien ambos.

BSS (Broadcast Satellite Service: Servicio de radiodifusión por satélite), es una

categoría especial en la que las señales transmitidas son recibidas directamente en

los hogares. Tambien se le conoce como DBS (Direct Broadcas Satellite: Satélite de

radiodifusión directa) o DTH (Direct to Home Satellite: Satélite directo al hogar).

A continuación, pueden profundizar este tema (TEMA III, parte A),

consultando las siguientes fuentes bibliográficas y dirección WEB:

[1] Ippolito, Louis (2008). Satellite Communications Systems Engineering. John Wiley & Sons Ltd. UK [2] ITU. (2002). Handbook on Satellite Communications. 3era Edicion.Wiley

[3] Neri Vela, Rodolfo. (2003). Comunicaciones por satélite. Internacional Thompson Editores, S.A. México.

[4] Tomasi, Wayne (2003). Sistemas de Comunicaciones electrónicas. Pearson Education, México.

[5] Rosado Carlos. (1999). Comunicación por satélite. Editorial Limusa, Mexico D.F.

http://www.itu.int/publications (pagina oficial de la Unión Internacional de Telecomunicaciones) http://www.conatel.gob.ve/ (pagina oficial de la Comisión Nacional de Telecomunicaciones de Venezuela)


http://www.itu.int/publications

http://www.conatel.gob.ve/




Una estación terrena es cualquier sistema de transmisión o recepción que envía o

recibe señales desde un satélite y se utilizan para comunicarse con otras estaciones

similares. Pueden estar ubicadas en tierra, en el mar o en alguna aeronave. Al diseñar una

estación terrena hay que tomar en cuenta aspectos logísticos como vías de comunicación,

energía eléctrica y aspectos radioeléctricos como las interferencias.

En la figura 3B.1 se muestra el diagrama funcional de una estación terrena de gran

capacidad. Las partes más importantes de una estación de alta capacidad son: El sistema de

antena, los transmisores y receptores, los moduladores y demoduladores, los procesadores

en banda base, las interfaces con redes terrenales el sistema de energía y la infraestructura

general, el sistema de supervisión, control y comunicación del servicio.

Fig.3b-1. Diagrama funcional de una estación terrena (Ref.9)

Para efectos de diseño se deben considerar los elementos principales de una estación

terrena, en transmisión: el PIRE y en recepción: G/T

Este último se calcula de la siguiente manera:

)()log(10 1−−= dBKTGTG

SrS

r (3b.1)



Donde:

Gr : ganancia de la antena receptora Ts: temperatura de ruido de la antena (en Kelvins)

La C/N (relación portadora a ruido) es la que realmente indica la calidad del enlace.

El enlace descendente es el más crítico en una estación terrena por la limitación del

PIRE del satélite; se deben detectar señales muy débiles en un ambiente ruidoso (esto es

con una temperatura del sistema Ts de ruido alta) por lo que se debe tener una alta

ganancia en la antena Gr, de aquí el término factor de calidad, el cual es la relación Gr/Ts

(dB/K) de la estación terrena.

(3b.2)

s

rtt

TG

RkBGP

NC 2

4 ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=πλ

De esta ecuación se ve que C/N es directamente proporcional a Gr/Ts por lo que es

este término, de una estación terrena, el que afecta la relación C/N en un enlace

descendente, a la frecuencia de transmisión. Para que esta relación sea óptima se debe

establecer un compromiso entre el costo de una antena grande, para aumentar la Gr, y el

costo de un sistema de ruido bajo para disminuir la Ts.

Una manera de mejorar la relación G/T es utilizando un preamplificador que tenga

un factor de ruido bastante bajo, ubicado en la antena (LNA). La calidad del enlace

descendente queda determinado por la pire del satélite, que en los sistemas actuales tiene un

valor bastante alto.

La temperatura de ruido del subsistema de recepción referida a la antena se obtiene

de la Fig. 3b2.

(3b.3)

Guia de onda LNA Downconverter Te1,L1Antena Ta Te2,G Fig. 3b-2. Elementos de una cadena de recepción

Te3,G3


( ) ( ) 032

1101

32

1211

11 TFGLTLTLT

TGLTLTTTs

LNAa

eeeaA

−++−+=

+++=

En la figura 3b-3 se muestra el diagrama de una estación terrena da baja capacidad,

son de menor tamaño y complejidad, tipo VSAT para voz y datos. Estas estacionas remotas

son muy utilizadas porque representan un menor costo por estación, alta fiabilidad, mínimo

espacio requerido, simplificación del equipo y facilidad de operación son aprovechadas en

redes en estrella, que enlazan una estación maestra de mayor capacidad con remotas de

poco tráfico. Constan de El sistema de antena, una unidad exterior y una unidad interior.

Fig. 3b-3. Diagrama de bloques de una estación VSAT (Ref. 11)

CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS

Las antenas son la parte más visible de las estaciones terrenas. Los principales

objetivos del diseño de las antenas son: lograr suficiente ganancia de transmisión y

recepción con las menores dimensiones posibles; bajo efecto de interferencia en

transmisión y baja captación de interferencia en recepción; poca captación de ruido térmico

por radiación del suelo; emisión y recepción con gran pureza de polarización; resistencia al

viento y una alta eficiencia.



Entre los tipos de antenas más usados tenemos: Antenas de Apertura, de Bocina,

Cassegrain, Gregorian. Ver figura 3b-4.

Gregorian Cassegrain

Fig. 3b-4. Tipos de antenas

Los parámetros esenciales de las antenas son:

Ganancia y Eficiencia La ganancia de la antena es la relación, entre la potencia radiada de la antena en una

dirección dada, y la potencia radiada por una antena isotrópica, alimentada con la misma

potencia. La ganancia es máxima, en la dirección de máxima radiación.

Recordemos que:

(3b.4) 2

4

Ademas, c = velocidad de la luz = 3x108 m/s

En el caso de un reflector parabólico con abertura circular de diámetro D:

(3b.5)

Por lo que la ecuación (3b.4) podemos reescribirla como:

(3b.6)

λπη iAG =

4

2DAiπ

=

2

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=λπη DG



Donde la eficiencia total es: (3b.7)

pobspap ηηηηηηη εΩ=

Siendo,

Factor de gradiente de iluminación por no ser ésta uniforme =apη

Factor de desbordamiento del reflector =spη

Factor por pérdidas óhmicas y ondas estacionarias =Ωη

Factor de obstrucción causada al reflector por el alimentador

Factor de irregularidades de la superficie del reflector

Factor de polarización cruzada

La eficiencia de la antena es un factor siempre menor que uno, entre 0.6 y 0.75 para las

antenas grandes y perfeccionadas y entre 0.5 y 0.6. El factor de gradiente de iluminación o

eficiencia de abertura es muy importante, infortunadamente cuando su valor es más alto es

mayor el número de lóbulos laterales.

Directividad Es una medida del ángulo sobre el cual, más ganancia ocurre. La directividad del lóbulo

principal se representa como la anchura del haz a la mitad de la potencia entre dos

direcciones simétricas respecto del eje de radiación máxima.

(3b.7)

En donde k depende de la atenuación de iluminación en la periferia del reflector.

=bη

=εη

=poη

DkdBλθ =3



Una regla práctica para calcular el ancho del haz de una antena de reflector es:

(3b.8) DdBλθ 75

3 ≅

Se puede obtener una nueva formula para calcular la ganancia:

(3b.9) ( )

EdBHdBdB

G33

22

3

7575θθπη

θπη =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛≅

Si asumimos una eficiencia del 55%

(3b.10) ( ) EdBHdBdB

G33

23

000,30000,30θθθ

=≅

La UIT-R señala las limitaciones a la radiación de lóbulos laterales por la relación:

G=32-25logφ dB: 1º≤φ ≤48º; G= -10 dB φ >48º. (3b.11)



Fig. 3b-5.. Patrón de radiación de una antena

Polarización

La onda electromagnética radiada por una antena consiste de de una componente de

campo eléctrico E y de una componente de campo magnético H las cuales son ortogonales

y perpendiculares a la dirección de propagación de la onda, variando de acuerdo a la

frecuencia de la onda. Por convención la polarización de una onda está definida por la

dirección del campo E, el cual, en términos generales no es fijo. Durante un período, por

ejemplo, la proyección en un plano perpendicular a la dirección de propagación de la onda

del extremo que representa el campo E describe una elipse, se dice entonces que la

propagación es elíptica. Ver la figura 3b-6.



La polarización se caracteriza por los parámetros siguientes:

Dirección de rotación ( con respecto a la dirección de propagación) mano derecha

RH ( sentido agujas del reloj) o mano izquierda LH ( en contra)

Radio axial (AR): AR = Emáx/Emín -relación del eje mayor al menor de la elipse.

Cuando la elipse es un círculo AR = 1. Se dice que la polarización es circular.

Cuando la elipse se reduce a un eje (AR = infinito) el campo E mantiene una

dirección fija, la polarización se dice es lineal.

Inclinación τ de la elipse.

Fig. 3b-6. Polarización de una onda electromagnética

La polarización circular se usa en estaciones terrenas en que es difícil tener

orientación fija de la antena respecto a una polarización lineal, como ocurre en los

servicios móviles. La polarización circular es la suma de dos componentes de igual

amplitud polarizadas linealmente teniendo una diferencia de fase de π/2 radianes. Para

convertir de polarización circular a lineal se introduce una placa dieléctrica en el interior de

una guía de onda a 45º.



MONTAJES DE LAS ANTENAS

Existen varios tipos de montajes de las antenas para apuntarlas hacia el satélite en

el proceso de instalación. Estos tipos son: Azimut-Elevación (Az-El), Polar y Sistema X-Y.

El más flexible de ellos es el de Az-El.

La orientación de la antena de una estación terrena hacia un satélite con un montaje

Azimut-Elevación (ver figura 3b-7) se realiza ajustando dos ángulos, en elevación y

azimut; los valores de estos ángulos dependen de la posición geográfica de la estación (en

latitud y longitud) y de la ubicación del satélite. Tomando como referencia al eje de

simetría del plato parabólico, que coincide con su eje de máxima radiación, el ángulo de

elevación es aquel formado entre la horizontal y dicho eje de simetría dirigido hacia el

satélite; por su parte, el ángulo de azimut es la cantidad en grados que hay que girar la

antena en el sentido de las manecillas del reloj (con relación al norte geográfico de la

Tierra) para que ese mismo eje de simetría pase por la posición en longitud del satélite.

Fig3b-7. Montura Az-El

En el caso del montaje X-Y (ver figura 3b-8) tiene su eje primario colocado

horizontalmente, y el eje secundario es perpendicular a el. La configuración es práctica

para rastrear con facilidad a un satélite cuando éste pasa por el cenit, puesto que se evita

hacer desplazamientos de la antena tan rápidos como los que se necesitan hacer con el

montaje AZ-EL. El montaje X-Y es más apropiado para las antenas que se comunican con

satélites de órbita baja que con satélites geoestacionarios.



Fig. 3b-8. Montura XY

En el montaje ecuatorial (ver figura 3b-9) el eje primario es paralelo al eje de

rotación de la Tierra, y el secundario es un eje perpendicular de declinación; como, el eje

primario es paralelo al eje polar de la Tierra, a este montaje también es lo llama polar.

Normalmente este montaje se utiliza para telescopios, pues permite que la antena siga a un

objeto celeste con sólo girarla sobre su eje horario.

Fig. 3b-9. Montura ecuatorial



SEGUIMIENTO DEL SATÉLITE

El rastreo de un satélite es utilizado para corregir tanto la posición del mismo como

de una antena en una estación terrena. El satélite se ve afectado en su trayectoria por varias

fuerzas perturbadoras que lo hacen salir ligeramente de su órbita. Es necesario conocer en

cada momento la ubicación del mismo para poder orientar la antena en la posición

adecuada. Existen tres tipos de rastreo para un satélite: Rastreo preprogramado, rastreo por

pasos y rastreo monoimpulso. Los métodos mas utilizados son los dos últimos

mencionados. En la figura 3b-10 se muestra el diagrama del sistema de seguimiento

monoimpulso, utiliza 4 antenas. Los primeros diseños de sistemas monoimpulso utilizan

cuatro antenas colocadas simétricamente alrededor del foco geométrico de la parábola.

Estas reciben simultáneamente la señal guía emitida por el satélite y las detecciones de las

cuatro se comparan para determinar señales de error en el apuntamiento y efectuar las

correcciones necesarias. Para medir Az y El es necesario determinar los errores en dos

planos diferentes, esto se hace con un sistema de dos canales o con uno de tres canales

como el mostrado. De las cuatro bocinas salen diferentes señales; una señal de error

determina la elevación (A+D-B-C).



Fig. 3b-10. Sistema de seguimiento monoimpulso. (Ref.3)

TIPOS DE ESTACIONES TERRENAS

La capacidad para procesar información en una estación terrena depende del tráfico.

Los tipos de estaciones se clasifican según su capacidad de tráfico y bandas de frecuencias.

Cada norma lleva asociadas características técnicas y requisitos de calidad. Ver Tabla 3b-1.

Ejemplos:

Estaciones terrenas: Normas B y C

Norma B: INTELSAT, para usuarios con poco tráfico; relación G/T exigida es

igual a 31.7dB/ºK, cielo despejado; antena: 10 m de diámetro.

Tráfico: voz = SCPC/PCM/QPSK, datos= SCPC/QPSK; asignación por demanda

(DAMA); FDM/FM para portadoras para TV

Norma C

Desarrollado para banda 14/11 GHz; se tienen en cuenta lluvia;

G/T=39+20log(f/11.2)-L; durante el (100-P)% del tiempo, siendo L la atenuación

prevista respecto a cielo despejado, rebasada durante no más del P% del tiempo.



Normas D y E

Norma D INTELSAT // Radiodifusión; previstas para sistemas LDTS (Low density

Telephone Service) de bajacapacidad en la banda 6/4 GHz; acceso del tipo

SCPC/FDMA utilizándose FM con expansión-compresión y frecuencias

preasignadas G/T≥22.7+20log(f/4) dB/ºK; antenas de unos 4 m de diámetro

Norma E

Desarrollado para banda 14/11 GHz; G/T=29+20log(f/11); modulación QPSK y

diferentes configuraciones de acceso múltiple. Rx individual G/T=6 dB/ºK ; Rx

comunal: G/T=14 dB/ºK Tabla 3b-1. Estandares Intelsat. (Ref.7)



RECEPTORES Y AMPLIFICADORES DE BAJO RUIDO

El sistema de recepción en una estación terrena está constituido por el amplificador

de bajo ruido (LNA) , un divisor de separación de canales, un convertidor de frecuencia y el

demodulador. Ver figura 3b-11.

Fig. 3b-11. Diagrama de bloques de un sistema de recepción

Las señales satelitales recibidas en la Tierra, sean extremadamente débiles; por ello

son muy importantes la ganancia de la antena, la eficiencia del transmisor, la figura de

ruido del receptor y el tipo de modulación y técnica de acceso. Es necesario que el primer

elemento (LNA) que entra en contacto con dichas señales posea un ruido interno mucho

menor que la señal recibida, para que no se degrade la calidad. Para las estaciones de

mediano y pequeño tamaño como las receptoras de TV en los que el costo es más crítico se

utilizan los amplificadores de GaAsFET.

Los LNA utilizados en las estaciones terrenas cubren usualmente un rango de

frecuencias de unos 500 MHz de anchura a 4 GHz, o bien de 750 MHz a 11 GHz. Dichos

dispositivos están normalmente duplicados en las grandes estaciones (redundancia uno a

uno) de manera que un fallo en el LNA activo produce inmediatamente la activación del

LNA secundario. En las estaciones terrenas que utilizan técnicas de duplicado de ancho de

banda usando polarización dual la redundancia es del tipo uno a dos.



TRANSMISORES Y AMPLIFICADORES DE GRAN POTENCIA

La sección de transmisión de una estación terrena está constituida por los

convertidores de frecuencia elevadores y los amplificadores de potencia, es posible incluir

también los moduladores. Ver figura 3b-12.

Fig. 3b-12. Diagrama de bloques de un sistema de transmisión.

El parámetro más importante de una estación terrena en el enlace ascendente es la

potencia de emisión o PIRE. Las grandes estaciones terrenas utilizan con frecuencia un

gran número de amplificadores de potencia (HPA o High-Power Amplifiers) con niveles de

potencia de salida superiores a los 8.5 kW. La configuración empleada depende del número

de portadoras a transmitir y de si se emplean señales FDM o TDM. La configuración más

común emplea un HPA para cada uno de los transpondedores instalados. A 6 GHz, suelen

emplearse HPAs de anchos de banda de entre 40 y 80 MHz bien sean amplificadores de

tubo de onda progresiva (TWTA) refrigerados por aire o klystrons refrigerados por agua.

Los TWTA tienen anchos de banda mayores que los klystrons llegando hasta los 500 MHz

a 6 GHz y permitiendo que se les sintonice a la banda de cualquiera de los transpondedores.

La diferencia entre ellos son los niveles de máxima potencia que transmiten y la gama de

frecuencias en las que transmiten.

Los amplificadores de estado sólido transmiten menos potencia (100 a 500 Watts

en banda C- 6 GHz y varias decenas de Watts en banda Ku : 14 GHz), los TWT mayor y



los klystrons son muy poderosos. La eficiencia de los klystrons y de los TWT es del orden

de 30% a 50% mientras que los amplificadores de estado sólido son del orden de 30%.

Como se ve los klystrons son amplificadores de muy alta potencia por lo que requieren

potencia de entrada dc muy alta, como ésta no está disponible en los satélites se prefieren

usar en estaciones terrenas. El nivel de ruido es menor en el TWT, -64 dBm/kHz con

respecto a - 58 dBm/kHz en el Klystron. Ver figura 3b-13.

Fig. 3b-13. Comparación de los amplificadores de potencia. (Ref.3)

La transmisión FDM de varias portadoras a uno o más transpondedores requiere un

amplificador de potencia lineal si se quiere evitar la intermodulación. En una estación

terrena ni la potencia de entrada ni la eficiencia son problema, y por tanto pueden

permitirse considerables back-off a la entrada de los amplificadores para asegurar el

funcionamiento lineal y baja intermodulación. Típicamente, un HPA de 3kW operará con

12 o 14 dB de back-off de entrada, proporcionando un rango de salida de 300 a 500 W.

Cuando se utilizan varios HPAs con una antena, se requiere una red adicional para

sumar sus salidas en una guía de ondas simple. Las redes selectivas en frecuencia y las

uniones híbridas de guíaondas se utilizan para acoplar los HPAs, con unas pérdidas típicas

de 4 dB por HPA. Como resultado, un HPA de 3kW de funcionamiento con back-off de 10

dB podría proporcionar únicamente 120 W a la antena de la estación terrena.



Los sistemas de canal único por portadora (SCPC o Single channel per carrier) utilizan una

frecuencia de transmisión separada para cada canal. Dichas frecuencias son generadas por

un sintetizador de frecuencias programable y modulan la señal a la frecuencia de

transmisión. En una estación terrena de grandes dimensiones, las salidas de los

convertidores de frecuencia se suman con acopladores híbridos, y la señal FDM resultante

se aplica al HPA. Sin embargo, en las estaciones de pequeño tamaño sólo son necesarios

unos pocos canales, por lo que es posible utilizar amplificadores de estado sólido para los

HPA, tomando uno de estos amplificadores para cada canal.

Los HPAs de estado sólido tienen la ventaja de que no requieren altos voltajes. El

equipamiento de alto voltaje tiende a sufrir muchos más fallos que el de bajo voltaje, y es

mucho más grande y pesado. En estaciones terrenas transportables los amplificadores HPA

de estado sólido son muy atractivos. Sin embargo, la reducción del tamaño de la antena

requiere una potencia de transmisión mayor, por lo que las estaciones terrenas

transportables también requieren grandes potencias de transmisión.

En las figuras anteriores vimos como una sola portadora se traslada en frecuencia;

esto es existe solo hay portadora por cada canal de FI involucrado. Es posible trasladar

toda la banda de frecuencias recibidas, por tanto, trasladar todas las portadoras a la banda

de FI al mismo tiempo. Esta arquitectura se utiliza básicamente en sistemas SCPC.

En la figura 3b-14 se muestra la traslación en transmisión y recepción con doble

cambio de frecuencia. Portadoras en la banda de 52 y 88 MHz se trasladan a la banda de

5850 – 6425 MHz con doble conversión de frecuencia usando una FI de 825 MHz. En el

lado del receptor portadoras en la banda de 3625 – 4200 MHz se traladan a la banda de 52

– 88 MHz con una segunda FI de 1400 MHz. Los dos traslados utilizan un sintetizador de

frecuencias.



Fig. 3b-14. Diagrama de bloques de un sistema de Tx/Rx. (Ref.7)

SISTEMAS FDM

Los sistemas FDM utilizados inicialmente transmiten y reciben gran cantidad de

señales de voz o datos mediante la asignación de diferentes frecuencias a cada canal, bien

sea en radiofrecuencia, banda base o ambas. Los canales de voz son recopilados de una

extensa área geográfica y enviados vía gateway. En los sistemas internacionales, la gateway

está localizada en una gran ciudad, y el tráfico internacional de varios países puede ser

enrutado a través de ella. Los canales vocales de cada país o estación terrena que son

enrutados, se combinan en grupos en una estación internacional de conmutación y enviadas

entonces a la estación terrena apropiada. No es esencial que ambos caminos de ida y vuelta

sean vía satélite. Ello reduce el retardo de ida y vuelta en un enlace telefónico de larga

distancia, por ejemplo. La figura 3b-15 muestra un diseño típico para un equipo de control

de una estación terrena FDM/FDMA correspondiente al equipamiento de Fi y banda base.



Fig. 3b-15. Estación de Rx FDM/FDMA. (Ref.10)

La sección de transmisión acepta señales en banda base del interfaz terrestre y los

reparte en grupos FDM para diferentes destinos. En un sistema FDM/FDMA cada ruta de

una estación terrestre a otra tiene una frecuencia propia. Así, los canales en banda base

deben ser trasladados a la frecuencia RF apropiada según su estación de destino. El sistema

de la figura 3b-15 utiliza una doble conversión de frecuencia con dos frecuencias

intermedias, 70MHz y 770MHz. Cada canal es llevado a una portadora de radiofrecuencia

en el espectro de transmisión. La señal FDM consistente en al menos 12 canales telefónicos

o incluso hasta 1872, es modulada en una portadora de FI de 70MHz. Los filtros FI de 70

MHz definen el ancho de banda de la señal FM resultante. Su ancho de banda ronda entre

los 1.25 y 36 MHz dependiendo del tamaño de la portadora, y se ha de añadir un

ecualizador para compensar el retardo de grupo del enlace ascendente. La portadora de RF

de 70MHz es entonces reconvertida a 770MHz donde se recombina con otra portadora para

dar lugar a una señal compuesta FM/FDMA. Dicha señal es finalmente trasladada a 6GHz

para su amplificación por el Amplificador de Alta Potencia. Los sistemas FDM requieren

un gran control de potencia cuando más de una portadora se accede a un transpondedor

único para evitar excesiva intermodulación en el enlace descendente.



SISTEMAS TDM

Los sistemas TDM utilizan división en el tiempo para entrelazar señales digitales en

tramas que son secuencialmente transmitidas a través de transpondedores separados. El

equipamiento requerido por estos sistemas es muy diferente del que necesitan los

FDM/FDMA. La figura 3b-16 muestra los aspectos más relevantes de los elementos de

banda base y frecuencia intermedia de dichos sistemas, que son utilizados principalmente

en sistemas de alta velocidad:

Fig. 3b-16. Diagrama de bloques de un sistema TDM (Ref.10)

La frecuencia intermedia FI de 70 MHz utilizada para sistemas FDM debe

remplazarse por un FI de 140 MHz cuando se envían datos a 120 Mbps mediante QPSK de

ancho de banda de 80MHz. Por su parte la FI de 770MHz se sustituye por otra de 1.2GHz

en estaciones que utilizan la banda Ku donde el ancho de banda es de 750Mhz.

Las señales son transferidas por el interfaz terrestre a moduladores PSK conducidos

por portadoras de 140MHz. Las señales de voz y datos proporcionadas por dicho interfaz

son simples ráfagas de bits en formato TDM. Estos datos deben ser transformados en

tramas de acuerdo con los requerimientos del sistema, con una trama por transmisión.

Normalmente una estación terrena no rellena completamente una trama en un sistema

TDMA. Lo que se hace es transmitir una ráfaga de señales QPSK en el instante apropiado



para llenar parcialmente una trama en el satélite. Se requiere un sistema de sincronización

muy precisa en la estación terrena para asegurar que cuando la energía de la ráfaga llega al

satélite, éste se encuentra en la posición exacta (temporalmente hablando) para distinguir

dicha ráfaga de las emitidas por otras estaciones terrenas. Por tanto se requiere una

considerable cantidad de equipamiento de sincronización en la transmisión de una porción

de GCE de una estación terrena.

La eficiencia en transmisión digital de señales de voz puede incrementarse mediante

la utilización de técnicas de interpolación digitales como la DSI (Digital Speech

Interpolation). Con DSI, cualquier canal (es decir, cualquier slot temporal) que no está

siendo utilizado puede ser invadido por otro canal activo para la transmisión de sus datos.

Es decir, la DSI explota los silencios en un canal telefónico para insertar bits representando

la voz activa de otro canal en esos silencios. De esta manera un número m de canales

telefónicos de una red terrestre pueden llevarse en un multiplexor con una capacidad de n

canales telefónicos digitales donde m>n. En la figura 3b-17 se muestra este principio.

Fig. 3b-17. Sistema DSI (Ref. 7)



Dado que los circuitos telefónicos tienen un tiempo de actividad de tan sólo el 40%,

por lo menos una media de la mitad de los circuitos están inactivos en cada instante de

tiempo. En sistemas que soportan una gran cantidad de circuitos telefónicos

simultáneamente este promediado funciona bien y la técnica DSI puede utilizarse para

doblar el número de canales efectivos manejables. El equipamiento DSI se necesita tanto en

transmisión como en recepción para insertar y separar los diferentes canales. Normalmente

se transmite un mapa de canales junto a éstos para informar al receptor de la posición

exacta de cada canal.

Los equipos multiplicadores de circuitos digitales ( Digital circuit multiplication

equipment - DCME), ver figura 3b-18, permiten una mejora en la técnica de DSI en la

explotación comercial de canales telefónicos satelitales. (Especificación INTELSAT IESS

501). Este sistema combina dos técnicas de multiplexión del número de canales telefónicos

sobre un mismo canal satelital (bearer channel); estas son DSI y modulación diferencial

PCM adaptiva (ADPCM). Con esto se obtiene una ganancia de 2.

En la figura 3b-18 se muestra la organización del DCME. Los equipos de interfaz

(input data link interface DLI) manejan los troncales terrestres de 1.544 Mbps o 2.048

Mbps y entregan ráfagas de 2.048 Mbps .

Fig. 3b-18. Configuración de un equipo DCME (Ref.8)



El equipamiento de recepción y transmisión que se requiere en una estación terrena

TDM/TDMA se muestra en la figura 3b-19.

Fig. 3b-19. Diagrama de bloques de un sistema TDM. (Ref.10)

El elemento más crítico de los receptores digitales es el demodulador, normalmente

en enlaces QPSK. En éstos, la tasa de error de bit (Bit Error Rate o BER) es dependiente de

la estabilidad de la portadora en cuanto a su fase, pues influirá en el instante de muestreo en

recepción. La mayoría de los satélites proporcionan una relación portadora ruido (C/N) de

entre 10 y 25 dB a la entrada del demodulador. Como ejemplo, para una (C/N) de 10.6 dB

puede obtenerse una BER de 10-6, al menos teóricamente, ya que la mayoría de los

demoduladores requieren una (C/N) de 1.5 a 3 dB superior para obtener dicha BER.

Para mejorar la BER de estos sistemas pueden utilizarse técnicas de corrección

(Forward Error Correction o FEC). Cuando la corrección es aplicada en un enlace vía

satélite únicamente por la estación terrena, el equipo de codificación FEC puede situarse a

la entrada del modulador y el correspondiente decodificador a la salida del demodulador.



Aunque el usuario puede obtener beneficios adicionales por el uso de las técnicas

FEC en la parte terrestre del enlace, las señales de datos pueden ser codificadas

individualmente en algún punto entre el usuario y la estación terrena, siendo la decisión de

usar codificación FEC del usuario.

Las señales de voz enviadas vía satélite sufren un retardo de transmisión del orden

de 240 mseg. Cualquier fallo en el diseño del receptor puede producir un eco que será

escuchado en transmisión con un retardo de 450 a 500 mseg. Esto es tan molesto que obliga

a utilizar canceladores o supresores de eco en cada enlace del satélite, así como en la

estación terrena. Un cancelador de eco detecta la presencia de una versión retrasada de la

señal en el camino de vuelta y la cancela utilizando un filtro transversal. El supresor detecta

el sentido de la conversación y bloquea toda señal que se desplace en sentido contrario.



ESTACIONES TÍPICAS SEGÚN EL TIPO DE SERVICIO: FIJO,

RADIODIFUSIÓN Y MÓVIL.

Tabla 3b-2. Estaciones terrenas

A continuación, pueden profundizar este tema (TEMA III parte B), consultando

las siguientes fuentes bibliográficas y dirección WEB, sobre algunas empresas fabricantes

de equipos para estaciones terrenas:

www.wavestream.com (amplificadores de estado sólido)

www.comtechfdata.com (moduladores, demoduladores, conversores)

www.andrew.com, www.dhsatellite.com, (antenas)

www.rfamplifiers.com , www.xicomtech.com, www.miteq.com (amplificadores)

www.azureshine.com.tw/, (VSAT, DTH).

www.pals.com.tr ( controladores de seguimiento de antenas)


http://www.wavestream.com/

http://www.comtechfdata.com/

http://www.andrew.com/

http://www.dhsatellite.com/

http://www.rfamplifiers.com/

http://www.xicomtech.com/

http://www.miteq.com/

http://www.azureshine.com.tw/

http://www.pals.com.tr/



Esta Sección se la dedicaremos a describir un satélite de comunicaciones, sus

diferentes subsistemas de antenas, comunicaciones, posición y orientación, energía

eléctrica, propulsión, rastreo telemetría y comando.

Generalmente a los subsistemas de control de orientación, de energía, de telemetría

y telemando, estructura y control térmico y propulsión se le denomina plataforma.

Sobre la plataforma se coloca la carga del subsistema de comunicaciones. Los fabricantes

de satélites colocan equipos de comunicaciones con diferentes características los cuales

están destinados al procesamiento de las señales. A estos equipos se le llama la carga útil.

Un satélite geoestacionario, como el satélite Simón Bolívar, es un sistema complejo

expuesto a las condiciones ambientales del espacio cuya construcción, lanzamiento y

mantenimiento en órbita durante 15 años requiere de personal y estaciones terrenas que lo

monitoreen y lo controlen a un costo bastante elevado.

Existen diferentes tipos de plataformas de satélites geoestacionarios, entre ellas

existen las que tiene una gran masa en el lanzamiento del orden de 2 a 7 toneladas, con

potencias de emisión del orden de de 2 Kw, 12 Kw hasta 30 Kw. A estas plataformas, que

son verdaderos chasis, se les conoce como modelo 376, 601HP, 702, 1300, 1300S

pertenecientes a diferentes fabricantes. Como ejemplo, el satélite Simón Bolívar tiene una

plataforma de tercera generación denominada DongFangHong (este rojo) o DFH4.

Comenzaremos nuestro estudio con la carga útil o carga de comunicaciones: el

subsistema de antenas y posteriormente el subsistema de comunicaciones.

ANTENAS

Las antenas del satélite son los elementos que le permiten la radiación de la energía

al espacio o la recepción de la energía desde éste. Por el principio de reciprocidad, una

antena transmisora puede ser también una antena receptora y constituyen un sistema muy

complejo que producen haces de radiación que pueden conformar las áreas sobre la

superficie de la tierra a la cual van a servir los satélites.



Hay varios tipos básicos de antenas usadas en un satélite, con distintos tamaños,

configuraciones y acabados según las frecuencias a las que tengan que operar y a la

cobertura, entre ellas tenemos: monopolos, dipolos, helicoidales bicónicas, bocinas o

cornetas, antenas reflectoras y arreglo de antenas ( planares, dipolos y bocinas). Existen

también los elementos de alimentación, llamados alimentadores, que se usan en antenas

reflectoras y que generalmente son bocinas conectadas a guías de onda que emiten ( de los

amplificadores de potencia) energía hacia un reflector parabólico o reciben ( para

entregárselas a los receptores).

Las antena de alambre (monopolos, dipolos) básicamente se usan a frecuencias de

VHF y UHF para proveer comunicación a a los sistemas de telemetría, telemando y control

(TTC). Ellas dan una cobertura omnidireccional.

Las antenas tipo bocinas o cornetas se usan a frecuencias de microondas donde se

requiera dar una cobertura global por su haz de radiación bastante ancho. También se usan

como alimentadores para las antenas reflectoras, solas o en grupo. Es difícil obtener

ganancias mayores de 23 dB o anchos del haz mas angostos de 10º con estas antenas

bocinas. Cuando se deseen mayores ganancias o anchos de haces mas angostos es

necesario usar antenas reflectoras o arreglos.

Las antenas reflectoras se iluminan usualmente con una o mas bocinas para tener

una gran apertura la cual se puede lograr con una sola bocina.

Cuando se desee generar una ganancia muy grande es necesario generar una onda

plana en la apertura de un reflector. Esto se logra seleccionando el perfil de un reflector que

tenga longitudes de trayectoria iguales desde el alimentador a la apertura, de tal manera que

la energía radiada por el alimentador y reflejada por el reflector alcance la apertura con el

mismo ángulo de fase y cree un frente de fase uniforme. La forma del reflector con lo que

se logra esto es el paraboloide, con el alimentador colocado en el foco, otras veces

descentrado. Ver figura 3c-1



Fig.3c-1. Ubicación del alimentador

Las estaciones terrenas utilizan el paraboloide como la forma básica para la

mayoría de las antenas reflectoras; las antenas satelitales muchas veces modifican el perfil

del reflector paraboloidal para conformar el patrón de radiación para irradiar una zona de

cobertura en particular. Ver figura 3c-2

Fig. 3c-2. Maneras de irradiar un área (Ref.7 y 11)

Los lóbulos laterales al haz principal de las antenas deben ser bien reducidos para

evitar que causen interferencias intolerables en otros sistemas. Normalmente el control de

dichos lóbulos se realiza por la graduación adecuada de la variación de la iluminación de

la superficie del reflector por los radiadores primarios.

Los arreglos de antenas se usan en satélites para crear haces múltiples a partir de

una sola apertura, como por ejemplo en la serie de satélites Globastar e Iridium para

generar hasta 16 haces desde una sola apertura, para su sistema de telefonía móvil.

Las principales funciones de las antenas satelitales son:




- capturar ondas de radio transmitidas, en una determinada banda de frecuencia y con

una debida polarización, por las estaciones terrenas en dentro de una región en

particular de la superficie de la tierra,

- captura unas cuantas señales indeseables como posibles, provenientes de diferentes

regiones que no tengan los valores especificados de frecuencia y polarización,

- trasmitir ondas de radio, en una banda de frecuencia y con una polarización dada,

- transmitir el mínimo de potencia fuera de la región especificada.

El balance del enlace entre el satélite y la estación terrena (enlace descendente)

depende de la PIRE, la cual es la potencia de transmisión Pt por la ganancia de la antena

transmisora Gt. De forma similar en el enlace ascendente, una alta G/T para el satélite

requiere de un valor alto de la ganancia de la antena receptora.

Un valor alto en la ganancia de la antena se obtiene con una antena direccional y ésta

depende de la misión que se desee realizar: cobertura global sobre la tierra, cobertura zonal

o puntual.

Cuando se obtiene una alta directividad junto con un buen acomodo del haz al

contorno geométrico a ser cubierto es posible la reutilización de la frecuencia por

diversidad de espacio y en consecuencia un mejor uso del espectro.

La reutilización de la frecuencia requiere antenas con lóbulos secundarios reducidos

para limitar la interferencia. La UIT-R (S.672) provee una máscara referencial para el

patrón de radiación de la antena el cual se muestra en la figura 3c-3

Fig. 3c-3. Máscara del patrón de radiación de una antena (Ref. 7)



La máscara propuesta define la disminución de ganancia requerida como una

función de de la distancia angular desde el extremo de la cobertura. El término Ls es del

orden de -20 a -30 dBi y Go = 0 dBi.

Se puede resumir diciendo que las características más importantes del subsistema de

antenas satelitales son:

- Conformidad del haz a la región a ser cubierta

- Un patrón de radiación de antena con lóbulos reducidos,

- Alto aislamiento entre polarizaciones ortogonales, ver figura 3c-4.

- Apuntamiento exacto.

Fig- 3c-4. Haces polarizados ortogonalmente. (Ref.10 )

Las coberturas típicas de las antenas satelitales se muestran en la figura 3c-5

El patrón usualmente se especifica por su ancho de haz de -3 dB, el ángulo entre las

direcciones en la cual el campo radiado ( o recibido) cae a la mitad de su potencia en la

dirección de máxima intensidad de campo. En la figura anterior se muestran los contornos

de los haces de una antena satelital proyectada sobre la tierra.

Fig. 3c-5. Coberturas con diferentes haces.


Las antenas de un satélite de comunicaciones son un elemento limitante en el

sistema completo. En un satélite ideal habría un haz de antena para cada estación terrena,

totalmente aislada de todos los otros haces, para transmitir y recibir. Varios alimentadores

en arreglo de fase se pueden usar para crear haces de 0.5º que pueden agruparse para

servir a la zona de cobertura del satélite.

Para tener un haz separado para cada estación terrena se requiere un alimentador de

antena por cada estación terrena si se usara una antena con un solo reflector con múltiples

alimentadores. Se ha usado en muchos satélites un compromiso entre un haz por estación

y un haz para todas las estaciones usando haces de cobertura zonal y polarización

ortogonal dentro del mismo haz para proveer mas canales por satélite. En la figura 3c-6 se

muestra un reflector iluminado con un alimentador complejo que da la forma del haz

requerida para permitir una comunicación entre estaciones terrenas dentro de una zona de

cobertura dada.

Fig. 3c-6. Iluminación de un reflector con varios alimentadores. (Ref. 7 )

La figura 3c-5 muestran unas zonas de cobertura típicas. El reflector mas grande

del satélite transmite a 4 GHz produce la forma de “maní” para los haces zonales, los

cuales se diseñaron para concentrar la energía transmitida en áreas densamente pobladas

tales como Norteamérica y Europa donde se genera mucho tráfico telefónico. Las antenas

mas pequeñas se usan para dar haces hemisféricos de transmisión y recepción y los haces



puntuales de 14/11 GHz. A parte de esto existen antenas bocina para generar haces

globales.

Hasta aquí podemos decir que existen varios tipos de antenas usados para iluminar

la región de la tierra que se desea cubrir:

- un haz de sección circular

- un haz de sección elíptica

- un haz conformado

- haces múltiples.

Los haces con sección elíptica nos dan una gran flexibilidad para acoplarnos al

contorno geométrico que se quiera iluminar. El haz se caracteriza por dos anchos que

corresponden al eje mayor A y al eje menor B de la elipse. Véase la figura 3c-7.

Fig. 5-7. Haz de sección elíptica (Ref.7)

Una manera de tener haces conformados consiste en modificar la distribución de

potencia dentro del haz generado por una sola fuente. La conformación del haz se logra

modificando el contorno de la apertura o el perfil del reflector. Por cualquiera de estas

formas utilizadas la forma del haz se logra modificando cambios mecánicos los cuales no

pueden ser llevados a cabo mientras el satélite esté en órbita.

Otra manera de conformar el haz se obtiene combinando la radiación de varios

haces elementales. Estos haces se generan por múltiples radiadores elementales excitados

por señales coherentes teniendo una amplitud dada y una distribución de fase impuesta

por una red formadora de haces. Ver figura 3c-6



Otra manera de realizar haces conformados es controlando la amplitud y la

distribución de fase de los elementos radiadores. Esta posibilidad se puede implementar aun

cuando el satélite esté en órbita teniendo la red conformadora del haz con elementos que

se puedan controlar por telecomando.

Los haces múltiples implica la generación de varios haces los cuales pueden ser en

bandas de frecuencia diferentes y teniendo diferentes polarizaciones. Cuando la separación

angular es grande los haces pueden compartir la misma banda de frecuencia. Véase la

figura 3c-7

Fig. 3c-7. Uso de polarizaciones ortogonales (Ref.7)

En lugar de tener un solo haz se pueden tener haces contiguos angostos que se

solapen, con frecuencias diferentes. Cuando el número de haces es muy grande la

capacidad por haz se ve limitada además de que la información transmitida difiere de un

haz al otro. Para tener interconectividad se requiere rutear las portadoras entre haces.

Véase la figura 3c-7 arriba

SUBSISTEMA DE COMUNICACIONES

Las principales funciones del subsistema de comunicaciones de un satélite son:

- capturar las portadoras transmitidas por las estaciones terrenas de la red , en una

banda de frecuencias dada y con una polarización dada

- capturar poca interferencia

- amplificar las portadoras recibidas, del orden de picowatts, mientras se limita el

ruído y la distorsión tanto como sea posible



- cambiar las frecuencias de las portadoras recibidas

- entregar la potencia necesaria en una banda de frecuencias dada a la interafaz con

la antena transmisora (potencias del orden de diez o cientos de watts)

- irradiar las portadoras en una banda de frecuencia y con una polarización dada a

los lugares de destino, a una cierta región de la superficie de la tierra.

Si los repetidores son regenerativos también se debe realizar la demodulación y

remodelación de las portadoras así como el ruteo de portadoras entre un haz ascendente y

un haz descendente.

Los parámetros característicos del subsistema de comunicaciones de un satélite son:

- las bandas de frecuencia en tx y rx y las polarizaciones para los canales repetidores

- las coberturas de transmisión y recepción

- la pire o la densidad del flujo de potencia alcanzado en una región dada (cobertura

de transmisión del satélite)

- la figura de mérito (G/T) del sistema de recepción en una región dada (cobertura de

recepción del satélite)

- las características no-lineales

- la confiabilidad después de N años para un número especificado de canales

trabajando

La pire o densidad de flujo de potencia producidaza en una región dada se especifica

generalmente en el área del borde la cobertura ( Edge of coverage EOC) bajo condiciones

particulares de operación para un canal de repetición. Usualmente se involucra la

operación del amplificador en saturación. Existen límites regulatorios a la densidad de

flujo de potencia producidos sobre la superficie de la tierra por los satelites de

comunicaciones (UIT-R SF 358).

La figura de mérito (G/T) del sistema de recepción se define también para una

cobertura de recepción dada. (por ejemplo, para un valor mínimo en el extremo de la

cobertura EOC).

Las no linealidades se refieren a los productos de intermodulación de tercer orden.



TRANSPONDEDORES

Transpondedor es el nombre que se le asigna a un repetidor junto con sus equipos

asociados que realizan un rango de funciones sobre las portadoras desde la antena

receptora antes de entregarlas a la antena transmisora. Véase la figura 3c-8.

Fig. 3c-8. Subsistema de comunicaciones: el transpondedor (Ref.9 )

El subsistena de comunicaciones, como se muestra en la figura anterior, consta de

filtros, amplificadores, convertidores de frecuencias, conmutadores, multiplexores. Un

transpondedor posee una alta ganancia de potencia con una temperatura ruído efectiva de

entrada bastante baja y una alta potencia de salida sobre una banda de frecuencia muy

amplia.

La ganancia total a la salida de la antena receptora a la entrada de la antena

transmisora puede ser del orden de 100 a 110 dB y aún mayor para satélites de

radiodifusión directa. Por ejemplo un transpondedor en banda Ku de un satélite cuyo

atenuador se haya ajustado para saturación con una densidad de flujo de potencia de -100

dBw/m2 en su eje principal , teniendo una antena receptora con área efectiva de 4 m2 y

amplificador de potencia (HPA) de transmisión de 40 W, tendrá una ganancia de potencia

de 10 log 10 (40) – (-100+10 log10 (4) = 110 dB.

La anchura de banda de los canales, uno por cada transpondedor, en que se divide la

banda utilizada por un satélite puede ser diferente a la de otros, diferente de una banda a

otra en el mismo satélite y aún diferente en distintos transpondedores de la misma banda.

Las frecuencias de transmisión de tierra al satélite en banda C es de 5.925 a 6.425

MHz por lo que el ancho de banda para esta frecuencia de entrada es de 500 MHz y la

frecuencia del enlace de bajada es de 3.7 a 4.2 GHz por lo que el ancho de banda del enlace



de baja es de 500 MHz. El amplificador de salida usado es SSPA de usualmente 50 W o

mayor. Ver figura 3c-9. Aun cuando no se muestra se ofrece redundancia en el HPA así se

aumenta la probabilidad que dure toda su vida útil. Los transpondedores también se

arreglan para que sean redundantes a esto se le llama redundancia M para N. Es común

tener 16 para 10 o 14 para 10.

Fig. 3c-9. Diagrama de bloques de la sección de transmisión

En banda Ku las frecuencias de tierra al satélite están entre 14.0 y 14.5 GHz para

servicio fijo, las frecuencias satélite tierra están entre 11.7 a 12.2 GHz. En la 3c-10 se

muestra un convertidor de doble conversión; es mas fácil hacer filtros, amplificadores a FI

de 1100 MHz . Ver figura 3c-10.

Fig. 3c-10. Diagrama de la sección de Rx/Tx

La nomenclatura usada es de 6/4 GHz para banda C y 14/12 para banda Ku. En

banda Ka es 30/20 GHz.

Los últimos satélites GEO han usado mas de 44 transpondedores cada uno con

anchos de banda de 36, 54 y 72 MHz. La razón para usar transpondedores de ancho de

banda reducido es para evitar intermodulación cuando se transmiten varias portadoras

simultáneamente con un transmisor no lineal. Muchos satélites domésticos que operan en

4 GHz

6 GHz

Convertid. abajo

BPF 4 GHz

22225 MHz

Amplifi 4 GHz

BPF 6 GHz LNA

LPA 4 GHz

HPA 4GHz

11 GHz

14 GHz

Convers. abajo

BPF 1 GHz

OL 13 GHz

Amplifi FI 1 GHz

BPF 14 GHz LNA

Convers. arriba

BPF 1 GHz HPA 11

GHz

OL 10 GHz




6/4 tienen 24 transpondedores activos, separados de la frecuencia central de ellos 40 MHz

para permitir bandas de guardia. Ver figura 3c-11.

Fig. 3c-11. Plan de frecuencias de un repetidor en banda C y banda Ku.(Ref.9)

Para aumentar la capacidad de comunicación de los satélites se usa procesamiento a

bordo (OBP) con tecnología de haces conmutados. Un satélite haces conmutados genera

un haz de transmisión angosto para cada estación terrena con la cual se comunica y luego

transmite secuencialmente a cada unas usando señales TDM. El haz angosto solo debe

cubrir una estación, teniendo la antena de transmisión del satélite una alta ganancia

comparada con una antena de cobertura zonal. También se puede usar un haz de

exploración angosto o una combinación de haces de exploración y fijos. Se requiere

almacenamiento de datos ya que el satélite solo se comunica con una sola estación a la

vez. Véase fig. 3c-12. donde se muestra un arreglo típico de OBP.

Fig. 3c-12. Procesamiento a bordo

Multihaces

Modulador Decodificador FEC

OBP

Receptor Modulador Transmisor Codificador

FEC

Controlador a

bordo

Haces multiples


Se utiliza 16QAM con 4 bits/símbolo entre el satélite y la ET para mejorar la

eficiencia del ancho de banda. Los satélites Astrolink y Spaceway que operan en 30/20

GHz utilizan este sistema de OBP.

EL SISTEMA DE CONTROL DE ORIENTACIÓN

El objetivo del control de orientación (actitud) es mantener el apuntamiento de las

antenas del satélite hacia su zona de cobertura. Para lograrlo es necesario que la

plataforma tenga estabilidad y precisión en su orientación, empleándose diversos métodos

para estos propósitos para obtener el apuntamiento dentro de valores típicos de desviación

de +/- 0.1º o +/- 0.05º con respecto a los ejes mas importantes para la comunicación.

De no tenerse control sobre la posición del satélite en el espacio, ya que éste está sometido

a fuerzas perturbadoras que tienden a moverlo de su posición y de su órbita, habría una

pérdida de señal.

La presión solar actuando sobre los paneles solares y las antenas y el campo

magnético generando corrientes de Eddy en la estructura metálica del satélite a medida

que viaja a través del campo magnético, hacen que el cuerpo del satélite rote o se desvíe

angularmente en su orientación como de desplazamiento respecto de la posición orbital

prevista. . Los sistemas de control de orientación hacen que se atenúen cualquier torque

rotacional o movimiento. La presencia de campos gravitacionales del sol y de la luna

hacen que la órbita de un satélite GEO cambie con el tiempo. Estas perturbaciones son

cíclicas. A la altura de una orbita GEO, el campo gravitacional de la luna es dos veces tan

fuerte como el del sol.

El control de orientación de un satélite se basa en sensores para detectar cambios

en la orientación de las antenas de apuntamiento fijo, los cuales alimentan un procesador y

éste determina acciones correctivas mediante comandos enviados a los dispositivos (jets

de gas o impulsores químicos) que aplican fuerzas de giro sobre la plataforma. Ver fig.

3c-13. En el centro de control en tierra se recibe información de los sensores por el

subsistema de telemetría, por lo que también desde aquí se envían comandos directamente



al satélite para corrección en caso de alguna emergencia, de esta manera se complementan

las acciones correctivas que el satélite pueda realizar en forma autónoma.

Fig.3c-13. Diagrama funcional del sistema TTC. (Ref. )

Hay dos maneras de estabilizar el cuerpo del satélite estando en órbita:

a) el cuerpo del satélite puede rotar a una velocidad típica entre 30 y 100 rpm, para

crear una fuerza giroscópica que de estabilidad al eje de giro y lo mantenga

apuntando hacia la misma dirección. Tales satélites se conocen como hiladores

(spinners), son satélites cilíndricos, como un tambor de poca altura en relación a su

diámetro, cubiertos de celdas solares en cuya parte superior se coloca el subsistema

de comunicaciones y operados por un motor eléctrico girando en dirección opuesta

a la rotación del cuerpo del satélite para mantener las antenas apuntando hacia la

tierra. Ver fig. 3c-14.

Gracias a la rotación el satélite opone resistencia o rigidez giroscópica a las

Perturbaciones y se mantiene erecto para darle fiabilidad. El eje de máximo

Momento de inercia se escoge perpendicular al plano de la órbita.

Esta técnica tiene la desventaja de que el satélite puede tender a moverse

describiendo un cono alrededor de sus eje de giro (a esto se llama precesión) con un

período mayor que el de rotación. El efecto de la precesión en el apuntamiento

consiste en un movimiento oscilatorio norte-sur, como si ocurriera balanceo, que



degrada las señales lo cual es detectable en las ET de los usuarios. Como ejemplo

citaremos el Boeing 376 (antes Hughes 376).

Fig. 3c-14. Estabilización de un satélite Spinner.

b) Otra manera de estabilizarlo es usando ruedas de momento, a estos satélites se les

llama estabilizado por sus tres ejes. Ver fig. 3c-15. Estas ruedas son discos de metal

sólidos accionados por un motor eléctrico. Puede haber una rueda por cada eje del

satélite o una sola montada sobre un dispositivo que le de fuerza rotacional

alrededor de cualquiera de los tres ejes. Las ruedas de momento se aceleran o se

desaceleran de su velocidad angular debido a su aceleración pudiendo absorber

momentos de giro sobre su propio eje de cabeceo. Las velocidades típicas de estas

ruedas es del orden de 4500 rpm. La rigidez giroscópica opone resistencia a los

momentos que tiendan a hacer girar el satélite sobre los otros dos ejes.

La forma más conveniente de estos satélites es rectangular, no tienen rotación. Los

paneles solares son planos y se pliegan para el lanzamiento y se despliegan en órbita

separados del cuerpo principal. Como ejemplo citaremos el Boeing 701 y el satélite

Simón Bolívar.



Fig. 3c- 15. Estabilización de un satélite por sus tres ejes.

Cuando las ruedas de momento no son capaces de mantener la orientación se usan

los impulsores de propulsión (generan una fuerza por reacción química) los cuales pueden

actuar en cualquier dirección (tercera ley de Newton) y se emplean para descargar los

momentos que estén desviando a las antenas y los que estén almacenados en los

dispositivos de corrección por inercia transfiriéndolos como momentos lineales a los gases

expulsados. Existe una gran variedad de líquidos de propulsión para los impulsores (gas

jets) siendo el mas común la hidracina (N2H4). Véase fig. 3c-16.



Fig. 3c-16. Esquema simplificado del subsistema de propulsión. (Ref. )

Como un resumen en la figura 3c-17 se muestra el concepto y partes involucradas

en el sistema de control de orientación de un satélite estabilizado en sus tres ejes. Las

perturbaciones existen y como es requisito mantener un apuntamiento exacto hacia la tierra

este es el objetivo del sistema de control de orientación.

Fig. 3c-17. Concepto y parte del control de orientación de un satélite estabilizado en tres ejes. (Ref.2)

Otros tipos de impulsores son los eléctricos de iones, plasma o arco (arc jets o ion

thrusters).



Los agentes perturbadores de la órbita GEO de un satélite (entre ellas la masa de

la Luna, la masa del sol, la falta de esfericidad de la tierra y la presión solar) causan aparte

de la excentricidad de ésta, la inclinación de su plano. Para una persona ubicada en la tierra

el satélite describe un movimiento de un ocho alargado con un período de 24 horas. Ver

fig. 3c-18.

Longitud relativa *10-3

Fig. 3c-18. Traza terrestre de un satélite con valor incorrecto de inclinación. (Ref.11)

La figura anterior muestra la forma de la traza terrestre de una órbita casi GEO con

el efecto de la desviación de la inclinación de 0.9º respecto a una orbita GEO perfecta.

Para mantener el satélite dentro de su cubo de posicionamiento dentro de +/- 0.1º usando

impulsores el tiempo máximo entre correcciones en dirección N-S es de dos meses y para

mantenerlo en dirección E-O tres semanas.

En la figura 3c-19 se muestra el sistema de coordenadas usado para definir la

orientación de un satélite el cual es fijo con respecto a éste y su origen es el centro de masa

del mismo satélite. Los cambios de orientación de un satélite son rotaciones alrededor de

los tres ejes: XYZ.

El sistema de referencia XYZ se usa para especificar las direcciones y ubicaciones

de un satélite controlado en sus 3 ejes.

El eje + X (roll) es el de balanceo, rotación o roleo alrededor del eje X, en

dirección hacia el lado este, es a lo largo del vector velocidad, indica movimiento de lado

a lado, rotación alrededor de las caras este-oeste.

El eje + Y (pitch) es el de cabeceo, es inclinación, apunta hacia el sur, apunta

hacia uno de los arreglos solares.



El eje + Z (yaw) es el de pandeo, apunta hacia la tierra, indica rotación alrededor

del eje Z, como el eje apunta hacia la tierra existe rotación alrededor del eje vertical.

Fig. 3c-19. Sistema de coordenadas para definir la orientación de un satélite. (Ref.2)

Una rotación positiva en el cabeceo (Y) del satélite implica que el haz se mueve

hacia el este. Una rotación positiva en el balanceo (X) el haz se mueve hacia el norte y una

rotación positiva en el eje del pandeo (Z) implica que el haz se mueve en la dirección de

las manecillas del reloj alrededor del punto subsatelital.

SISTEMA DE TELEMETRÍA, TELEMANDO Y CONTROL

El sistema TTC es imprescindible para la operación exitosa de un satélite de

comunicaciones y forma parte del segmento espacial. Es parte de las tareas de

administración que usualmente involucra personal y una estación terrena dedicada a esto.

Telemetría son los medios por los cuales se hacen mediciones a distancia y luego

transmitidos a un observador. Seguimiento es observar y recolectar data para graficar la

trayectoria del movimiento de un objeto y comando es el medio por el cual se establece un

control y se mantiene.

En la fig. 3c-20 se muestra un diagrama funcional de un sistema TTC.



En el TTC se controla la órbita y orientación del satélite, se monitorea el estado de

todos los sensores y de los diferentes subsistemas del satélite, y se conmutan (encender o

apagar) las diferentes secciones del sistema de comunicaciones.

Fig. 3c-20. Diagrama funcional de un sistema de TTC. (Ref.3)

El centro de control es donde se realiza la supervisión del estado de los satélites y se

expiden las señales de mando para ejecutar en ellos todas las funciones que no realizan en

forma autónoma.

En el centro de control del satélite se origina una señal de mando o comando que se

envía por enlaces terrenales a la ET y luego se transmite al satélite. El receptor del satélite

lo recibe, lo demodula y lo procesa. Una vez decodificado lo verifica y se pasa la señal al

sistema de telemetría y se regresa al centro de control del satélite. Solo así se ejecuta una

señal enviada desde el centro de control, recibida, decodificada y distribuida a los

subsistemas apropiados en el satélite. Estas señales de mando se envían cuando sea

necesario controlar la orientación, la posición, la configuración de la carga de

comunicaciones y el estado de los equipos a bordo del satélite.



La estación de telemetría, telecomando y seguimiento (TTC) es el medio de enlace

entre el satélite y el centro de control y se comunica, en banda C utilizando antenas

parabólicas de 10, 12 y 13 metros de diámetro, a través de los enlaces ascendente de

telemando y del enlace descendente de telemetría. El sistema de telemetría recoge data de

los otros subsistemas, los procesa modula la señal de radiofaro, que puede ser la portadora

de telemetría (beacon) y la transmite a tierra. Los satélites usan muchos sensores para

medir desde 200 hasta cerca de 1000 parámetros para vigilar los estados, temperatura,

voltajes, corrientes, presiones, aceleraciones y ángulos relativos. En este subsistema de

telemetría se provee información operativa, análisis de fallas y se predice el desempeño del

satélite.

El seguimiento se realiza por una antena de la estación terrena controlable en Az-El.

La determinación de la distancia ET-satélite en función del tiempo se hace enviando una

señal a través del comando del enlace ascendente y regresándola por el transmisor de

telemetría. Las señales de distancia y seguimiento permiten determinar la posición del

satélite para luego enviar señales de ser necesario que la corrijan mediante los impulsores.

SISTEMA DE ENERGÍA

La fuente principal de potencia, el cual es uno de los problemas más restrictivos, en

un satélite de comunicaciones es la energía solar convertida a través de arreglos de celdas

solares. Otras fuentes de energía, como las nucleares (curio 244, plutonio y estroncio 90),

hasta este momento no son satisfactorias para usarse en satélites GEO.

Los satélites de comunicaciones generan una pire muy alta necesaria para el uso de

estaciones terrenas pequeñas lo que implica que la potencia eléctrica requerida alcance

varios cientos de kilowatts. Esta potencia eléctrica está relacionada directamente con la

potencia de radiofrecuencia de los amplificadores de la carga útil. Ver fig. 3c-21.

Esta potencia es del orden de 1, 5, 10 y hasta más de 20 kilowatts.



Receptores, TTC, control de orientación, térmico, otros 5% c/u

Amplificadores de potencia 75%

Fig. 3c-21. Distribución típica de potencia en un satélite de comunicaciones de alrededor de 1 Kw.

El subsistema de energía eléctrica consiste de tres elementos: fuente primaria,

fuente secundaria y un acondicionador de potencia (reguladores, circuitos de protección que

permitan regular y distribuir la electricidad con los niveles adecuados a cada una de las

partes del satélite). Ver fig. 3c-22.

Control

Baterías

Contactos deslizantes

-transmisores -receptores -plataforma

Paneles solares

Fig. 3c-22. Diagrama de bloques simplificado del subsistema de energía.

El elemento principal de un arreglo solar es la célula fotovoltaica, un

semiconductor. Mientras mayor sea la densidad de flujo de la radiación solar sobre ellas,

mayor es la electricidad que generan. Además, la temperatura también influye pues cuanto

más baja sea ésta, mayor será el nivel de voltaje entregado por las celdas.

Dado que los paneles solares, en los satélites de 3 ejes, deben rotar por acción de

un motor eléctrico una vez por 24 horas para mantener las celdas mirando hacia el sol, el

voltaje cae ya que se calientan entre 50º y 80º C. En los satélites tipo hiladores, las celdas



se enfrían cuando están en la sombra a 20 º y 30 º C y en este momento tiene mayor

eficiencia.

La intensidad promedio de la radiación solar a la distancia de 150 millones de

kilómetros, distancia aproximada del sol al satélite, es de 1370 watts/m2. Esta intensidad de

la radiación sobre las celdas no es constante, ya que el satélite se acerca o se aleja del sol

junto con la tierra al desplazarse alrededor de él. Como consecuencia de esto y de que el eje

de rotación de la tierra está inclinado con respecto a la eclíptica por lo que el ángulo de

incidencia de los rayos del sol sobre la tierra y sobre la superficie del satélite cambia según

la época del año conforme ambos orbitan a su alrededor creándose un movimiento aparente

del sol con respecto a la tierra (y al satélite). Hay épocas del año en que se tiene más

(equinoccios) o menos (solsticios) energía eléctrica disponible.

Un parámetro importante de las celdas solares es su eficiencia, de 8% utilizando

silicio que tenían inicialmente ahora dan 25% utilizando arseniuro de galio. Una tecnología

alternativa es usar cascada de celdas multi junturas (multijunction) y celdas de películas

delgadas (thin film). Un parámetro importante de las celdas solares es su eficiencia inicial

denominada BOL (beginning-of- life) así como su eficiencia al final de la vida útil EOL

(end-of-life ) . Ver tabla 3c-1.

Tabla. 3c-1. (Ref.7)

La eficiencia disminuye por los efectos de la radiación, 30% en 30 años es típico

para un satélite GEO. Para limitar esta degradación, las celdas se protegen por una cubierta

(cuarzo o silicio) que es transparente a la longitud de onda mayor para la cual la

sensitividad de la celda es mayor pero capaz de atenuar la parte dañina de la radiación.




Cada celda solar puede tener un área de 5 a 8 m2 y cuando se unen varias, para

armar un arreglo solar, se usan combinaciones en serie y en paralelo.

En cuanto a las baterías diremos que las mas utilizadas (durante el lanzamiento y

durante los eclipses) en los satélites de comunicaciones GEO son de níquel-hidrógeno que

dan una densidad de energía de 60 Wh/kg aún cuando las de ion litio ( Li-Ion) poseen

muchas ventajas, entre ellas dan 125 Wh/kg el doble de las de NiH y poseen mayor

eficiencia.

Los voltajes típicos de las baterías son de 20 a 50V y de 20 a 100 amperes-horas.

Tabla 3c-2. (Ref.7)

En la tabla 3c-3 se muestran los requisitos de energía para un satélite estabilizado

en tres ejes con un consumo de potencia de casi 2000 Watts durante los solsticios (junio),

equinoccios (septiembre) y eclipses.

Tabla 3c-3. (Ref. 11)


SUBSISTEMA DE CONTROL TÉRMICO

El objetivo del sistema de control térmico es mantener los equipos del satélite

dentro de los rangos de temperatura que le permitan operar satisfactoriamente.

Estos rangos que deben mantenerse difieren grandemente de un equipo a otro, como

ejemplos véase la tabla 3c-5.

Tabla 3c-5. (Ref.7)

El comportamiento de los equipos no es el mismo si están operativos o si están en

reposo. Cuando están operando generan calor usualmente generan calor el cual debe

eliminar el control térmico; cuando están en reposo, el equipo debe, en ciertos casos,

calentarse para evitar las excesivas bajas temperaturas.

El principio del control térmico es el siguiente: la temperatura media de un equipo

es el resultado de un equilibrio entre el calor generado internamente, el calor absorbido y

radiado por la superficie del equipo y el calor recibido o eliminado por conducción a través

de la montura mecánica de éste.

La temperatura media del satélite es el resultado del equilibrio entre el calor

generado internamente, el calor absorbido por la superficie del satélite y el calor radiado

por su superficie.

Por tanto el control térmico consiste en:

- ajustar las conductividades térmicas entre las varias partes del satélite, o

favoreciendo el intercambio de calor por conducción entre un punto y otro o

limitando el intercambio (usando materiales aislantes).



- Haciendo uso de las propiedades termo ópticas (emisividad y absorción) de

superficies para favorecer, por ejemplo, la extracción de calor por radiación

mientras se minimiza esa captura usando reflectores solares ópticos.

- Teniendo fuentes locales de calor si es necesario ( calentadores eléctricos)

Como ejemplo de equipos generadores de calor en un satélite tenemos los

amplificadores de potencia, los cuales dependiendo de su eficiencia convierten en calor

entre el 40% y 60% de la energía eléctrica que consumen (que a su vez es de 70% o más

de la total consumida por el satélite).

El control térmico se realiza de forma pasiva o activa:

El control pasivo se basa en las propiedades de absorción o emisión de superficies.

De acuerdo a esto se usan:

- pinturas blancas, negras, de aluminio y metales pulidos.

- superficies radiantes (cobertores de diferentes colores y materiales: teflón, mylar, dracón)

con un depósito de plata o aluminio en el reverso.

El control activo se usa como complemento del control pasivo. Consiste

principalmente de calentadores de resistencia eléctricos controlados por termostatos y tubos

de calor.

Los calentadores se usan para evitar las bajas temperaturas de elementos sensibles

cuando falta radiación solar y cuando los transpondedores generan muy poco calor, así

mismo se usan en los multiplexores, en las baterías, en los impulsores, entre otros.

Los tubos de calor son elementos cilíndricos que funcionan más eficientemente

que el mejor metal conductor para extraer y trasladar por medio de la evaporación y

condensación de un fluido volátil, por ejemplo a base de amoníaco.


TEMA IV: FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES

ÍNDICE TEMÁTICO TEMA IV

FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES

Secciones

ÁNGULOS DE ACIMUT Y ELEVACIÓN

EFECTO FARADAY

EFECTO DOPPLER

EFECTO DE LA LLUVIA

ATENUACIÓN POR ABSORCIÓN ATMOSFÉRICA

TEORÍA BÁSICA DE TRANSMISIÓN

PÉRDIDAS POR DESAPUNTAMIENTO

TEMPERATURA

TEMPERATURA DE RUIDO TÉRMICO

FIGURA DE RUIDO Y TEMPERATURA DE RUIDO

TEMPERATURA DE RUIDO VARIOS AMPLIFICADORES EN CASCADA

TEMPERATURA DE RUIDO DE UN ATENUADOR

TEMPERATURA DE RUIDO DE UNA ANTENA

(ENLACE DESCENDENTE)

FACTOR DE CALIDAD O FIGURA DE M

DISEÑO DE ENLACES SATELITALES

DISEÑO DE ENLACES DESCENDENTES

TEMPERATURA DE RUIDO DE UN ENLACE

DISEÑO DE ENLACES ASCENDENTES

RELACIÓN (C/N)T EL ENLACE

PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE ENLACES SATELITALES

ENLACE ASCENDENTE CON LLUVIA

ENLACE DESCENDENTE

ENLACE DESCENDENTE CON LLUVIA



Una vez visto concluido este Tema, Ud dispondrá de las competencias necesarias para:

- Realizar y verificar cálculos de balance del enlace en un sistema de comunicaciones

satelitales

- Calcular los ángulos de orientación para que una estación terrena se comunique con

un determinado satélite

- Analizar las consecuencias de los efectos Faraday y Doppler para las

comunicaciones satelitales

- Analizar los efectos de la lluvia y de la absorción atmosférica en enlaces satelitales

- Realizar cálculos de antenas y potencia de recepción en un enlace satelital

- Identificar y evaluar la influencia del ruido en las comunicaciones satelitales

- Diseñar un sistema satelital básico con características específicas



TEMA IV FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE REDES SATELITALES

ÁNGULOS DE ACIMUT Y ELEVACIÓN

La orientación del eje de una antena apuntando hacia el satélite queda definido por

dos ángulos: el ángulo de acimut (Ac o ϕ ) y el de elevación (El o θES). Estos ángulos

dependen de las coordenadas geográficas de la estación terrena y de la posición orbital del

satélite.

El ángulo de acimut α es el ángulo medido en el sentido de las manecillas del reloj

entre la línea que une a la estación terrena con el norte geográfico y la proyección

horizontal local de la línea de máxima radiación de la antena, la cual debe apuntar en la

dirección hacia el satélite. Ver figura 4-1.

El ángulo de

horizontal local y la l

La figura 4-2 m

rs = vector del

re = vector del

d = vector de l

CONATEL / CEDITEL

Fig. 4-1. Ángulos acimut y elevación.

elevación El o θES se define como el ángulo formado entre el plano

ínea de vista entre la estación terrena y el satélite.

uestra la geometría para calcular el ángulo de elevación; donde

centro de la tierra al satélite

centro de la tierra a la estación terrestre

a estación terrena al satélite

Comunicaciones Satelitales 109


Asumiendo y en relación a una estación terrestre de Latitud Norte Le y longitud

oeste le y el punto subsatelital con Latitud Norte Ls y Longitud Oeste ls se tiene:

)()()cos()cos()()cos( LssenLesenlelsLsLeCos +−=γ (4-1)

satélite

Plano horizontal

Punto sub-satelital

Estación terrena

Centro de la

Tierra

Fig. 4-2. Geometría básica para calcular los ángulos y la distancia al satélite desde una estación terrena.

Luego la distancia se calcula como:

(4-2) 21

s

e

2

s

es )r2rrd ⎢ ⎟⎟

⎞⎛−⎟⎟

⎞⎜⎜⎛

= γcos(rr

1⎥⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

⎠⎜⎜⎝⎠⎝

+

Realizando sustituciones queda una expresión más sencilla de la distancia,

expresada en Km.




( )[ ] 2/1cos30253825,002288235,117,164.42 γ−=d (4-2 a)

El ángulo de elevación es relacionado al ángulo central ψ de la siguiente manera:

90−=ψEl (4-3)

Por la Ley de los Senos:

(4-4) )sin()sin( γψ=

drs

Combinando las últimas tres ecuaciones obtenemos la ecuación que permite conocer el

ángulo de Elevación

(4-5) 21d ⎤⎡

Igualmente, para el ángulo de inclinación realizamos sustituciones y nos queda la

expresión:

( )( )[ ] 2/1cos30253825,002288235,1

cosγ

γ−

=senEl (4-6)

Para satélites geoestacionarios el ángulo El está dado por:

( )[ ] γλγ −−= − senEl /cos6107345,6tan 1 (4-7)

Para satélites geoestacionarios el procedimiento para calcular el Acimut es el siguiente:

Se calcula α.

(4-8)

s

e

2

s

e

s

)cos(rr2

rr1

)sin()sin(rcos(El)

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

==

γ

γγ

⎥⎦

⎤⎢⎣ )sin(L

)ltan(

e

es1- ⎡ −=

ltanα


Caso 1: si la ET está en el hemisferio Norte con

a.- SW de la Estación Terrena Az=180+α

b.- SE de la Estación Terrena Az=180-α

(4-9)

Caso 2: si la ET está en el hemisferio Sur:

c.- NW de la Estación Terrena Az=360-α

d.- NE de la Estación Terrena Az=α

Ejercicio 1: Las coordenadas geográficas de la ciudad de Barquisimeto son latitud

norte 10º 3’ 50’’ y longitud oeste 69º 18’ 56’’. Calcule los ángulos de orientación

requeridos para que una ET ubicada en la UNEXPO se comunique con el satélite Simón

Bolívar, ubicado en 78º W.

ÁNGULO DE POLARIZACIÓN

El alimentador de la estación terrena debe tener su polarización alineada con el

plano de polarización de la onda recibida, siempre que la polarización de la onda sea lineal.

Este plano contiene el campo eléctrico de la onda. Recuerde que, por convención, la

polarización de la onda está definida por la dirección del campo eléctrico.

El ángulo de polarización en la estación terrena es el ángulo entre el plano definido

por la vertical local en la estación terrena y el eje de la antena (hacia donde la ganancia es

máxima) y el plano de polarización. Un ángulo de polarización de cero corresponde a la

recepción o emisión en la ET de de una onda polarizada linealmente con su plano de

polarización conteniendo la vertical local.

EFECTO FARADAY

La ionosfera introduce una rotación del plano de polarización de una onda

polarizada linealmente. El campo E rota y a esta rotación se le conoce como rotación de

Faraday. Este ángulo es inversamente proporcional al cuadrado de la frecuencia y es



función del contenido electrónico de la ionosfera y en consecuencia varía con el tiempo,

las estaciones y el ciclo solar. El efecto de Faraday se incrementa en los años en que el sol

alcanza sus niveles máximos dentro de su ciclo de once años. La A frecuencias

correspondientes a las bandas Ku y Ka no son un problema. A la frecuencia de 4 GHz es

de 9º y a 6 GHz de 4º. En la figura 4-3 se muestra el vector campo E después de atravesar

la ionosfera.

Campo eléctrico E

Componente co polarizada Ecop

Componente polarización cruzada

Fig. 4-3. Dirección del campo eléctrico

Cuando la dirección del campo E proveniente de una señal satelital se desvía,

sucede: (a) que la potencia que llega en la dirección deseada a la antena receptora de la

estación terrena disminuye, porque una parte de la componente original de la señal se

convierte en una componente ortogonal. Aquí se produce una pérdida en la señal

copolarizada, y (b) si el enlace utiliza polarización horizontal y vertical simultáneamente,

la componente ortogonal anterior se suma como interferencia a la señal ortogonal original

del enlace. Aquí se produce una componente de ruido con polarización cruzada.

El campo E original tiene una magnitud E y al rotar un ángulo θf, por la rotación de

Faraday, hay pérdida de potencia en la señal copolarizada. Si el campo se reduce a Ecop =

E cos θf la pérdida de potencia se estima así:

fcopFaraday EEL θlog20/2log1022== (4-10)

Y la magnitud de la componente de polarización cruzada EpolX, es:



fpolX EsenE θ= (4-11)

Algunas veces a este efecto le llama despolarización de la señal.

Para corregir el efecto de la polarización de Faraday se emplea polarización circular

en lugar de lineal para transmitir las señales, una con polarización circular a la derecha y

otra con polarización circular a la izquierda, asumiendo reutilización de frecuencias.

EL EFECTO DOPLER

Para un observador estacionario, la frecuencia de un radiotransmisor móvil varía

con la velocidad del transmisor relativa al observador. Si la frecuencia que el transmisor

enviaría cuando está en reposo es fτ, la frecuencia recibida f R es mayor que fτ cuando el

transmisor se está moviendo hacia el receptor y es mas baja que fτ cuando el transmisor se

mueve alejándose del receptor. Matemáticamente se expresa así:

fR – fτ / fT = f / fτ = VT/c

f = VT fτ / λ (4-12)

c = velocidad de la luz; VT es la componente de la velocidad del transmisor dirigida

hacia el receptor; λ es la longitud de la onda de la señal transmitida. Si el Tx se mueve

alejándose del Rx VT es negativo. Este cambio en frecuencia se llama corrimiento Doppler,

efecto Doppler nombrado así en honor al físico alemán quien primero estudió este

fenómeno en las ondas sonoras. El efecto Doppler es despreciable para satélites GEO pero

para LEOs puede ser grande, requiriéndose el uso de receptores con seguimiento de

frecuencia.



EFECTOS DE LA LLUVIA

Existen muchos fenómenos que nos conducen a la pérdida de señal en transmisión

a través de la atmósfera, entre ellos la absorción atmosférica (efectos gaseosos), atenuación

por las nubes (efectos de partículas de hielo), efectos refractivos en la troposfera, la

rotación de Faraday (efecto ionosférico), la atenuación por lluvia, lluvia y despolarización

por cristales de hielo. De estas la más importante de las perdidas mencionadas es la

atenuación por lluvia a frecuencias mayores de 10 GHz.

La atenuación A es la diferencia en decibels entre la potencia recibida Pr en un

tiempo determinado t y la potencia recibida bajo condiciones ideales, referidas como cielo

despejado.

A(t) = Pr cielo despejado – Pr(t) (4-13)

La atenuación A (t) en un enlace de comunicación operando en banda C, Ku o Ka

ls causa la absorción de la señal por la lluvia. En muchos enlaces satelitales arriba de 10

GHz la atenuación por lluvia limita la disponibilidad del sistema y para desarrollar un

adecuado margen u holgura del enlace se requiere calcular la atenuación por lluvia

esperada para un porcentaje de tiempo dado.

En la figura 4-4 se muestra un modelo para calcular la atenuación por lluvia. El

mismo está basado en recomendaciones de la UIT. (RPN837-1; 838 y el Informe 564-4).

Ejemplo 2: Una estación terrena ubicada al nivel del mar se comunica con un satélite GEO

a un ángulo de elevación de 35º. La altura de la zona de lluvia hr es de 3 km. Calcule la

trayectoria a través de la lluvia (L) y encontrar la atenuación de esta trayectoria si la

atenuación específica es de 2 dB/km.



Zona de lluvia

L

hr

hacia el satélite

Dg

hielo arriba, lluvia hacia abajo de esta línea

Nivel del mar

Fig. 4-4.- Geometría para calcular la atenuación por lluvia

Solución:

La atenuación de la trayectoria se calcula así: L = hr/ sen θ = 3 / sen 35º = 5.23 km.

Se considera que la lluvia es uniforme sobre la trayectoria d. La atenuación en esta

trayectoria será de: 2 dB/km x 5.23 km = 10.46º dB.

Observe de la figura 4-4 que hr se mide desde el nivel del mar. Si la estación terrena

estuviese en un sitio alto, una colina por ejemplo, a esta altura se le denota por ho.

Para estimar la longitud del trayecto absorbente L, el CCIR en su Reporte 564-4,

recomienda el método cuyos pasos se indican:

1.- Calcular la altura h, de la Fig. 4-4 como:

hr = 3 + 0.028 l 0º ≤ l < 36º [km] (4-14)

hr = 4 – 0.075 (l – 36) l ≥ 36º [km] (4-15)

En donde l es la latitud de la estación terrena en grados, ya sea norte o sur. Se observa que

hr tiene valores entre 3 y 4km, con un punto máximo de 4km para l = 36º. Estas expresiones

ya toman en cuenta, aproximadamente, la altura de la isoterma (punto donde arriba hay



hielo y hacia abajo lluvia) de cero grados en función de la latitud, que normalmente es el

punto de arranque en los cálculos por otros métodos.

2.- Conocida hr, la longitud física del trayecto oblicuo d por el cual la señal pasa bajo la

lluvia se obtiene por simple trigonometría, de la misma figura 4-4, como:

θsenhh

d or −= (4-16)

en donde h0 es la altitud de la estación terrena sobre el nivel del mar, en kilómetros.

La misma CCIR indica que la ecuación (4-16) es adecuada para Ө ≥ 10º; pero si Ө <

10º, situación que sólo ocurre en las regiones cercanas a los polos o cuando ∆L, la

diferencia de longitudes entre una estación terrena y un satélite geoestacionario, es muy

grande, la CCIR recomienda usar, para considerar la curvatura de la Tierra, la siguiente

expresión:

( )( ) θθ senhohrsen

hohrd+

−+

−=

Re2

22

km (4-17)

En donde Re es el radio equivalente de la Tierra (≈ 8,500 km).

3.- Después hay que calcular un factor reductor r0.01 , que es aplicable a una disponibilidad

de 99.99% y que sirve para adjuntar d y obtener la longitud efectiva de la trayectoria

oblicua. Dicho factor toma en cuenta la no uniformidad de la distribución de la lluvia a

diferentes alturas, y se obtiene como:

1cos

351

1

01.0015.0

01.0≈

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+

=

− θRed

r (4-18)



En donde r0.01 es la intensidad de la lluvia en mm/h excedida 0.01% en un año,

según la Tabla A4-1 y los contornos de la Figura 4-5

Fig. 4- 5 .Regiones de América según la intensidad de lluvia que es excedida.

Tabla A4-1.- Datos estadísticos por región




)

4.- Como paso siguiente hay que obtener el coeficiente de atenuación específica γ, dando en

dB/km. El valor de este coeficiente depende de la intensidad con la que llueve y de otros

coeficientes a y b, según la relación siguiente:

( kmdBaRb

/01.0

=γ (4-19)

Los valores de los coeficientes a y b se calculan teóricamente a partir de

consideraciones sobre la propagación electromagnética a través de las gotas de lluvia, y

dependen de la polarización de la señal y de su frecuencia. En la Tabla A4-2 se

proporcionan los valores de algunos de estos coeficientes de atenuación específica

publicados por la CCIR [CCIR 564-2,82] y obtenidos usando el modelo de distribución del

tamaño de las gotas establecido por Laws y Parsons. Si la polarización de la señal es

circular, se hace un promedio usando los coeficientes de la Tabla A4-2, con las fórmulas

siguientes:

2

vhc

aaa

+= (4-20)

2

vvhhc

babab

+= (4-21)

TABLA A4- 2.- Coeficientes de atenuación específica

(h =polarización horizontal; v = vertical)


a = 4.21x10-5f2.42 2.9 GHz ≤ f ≤ 54 GHz (4-22)

b = 1.41 f-0.0779 8.5 GHz ≤ f ≤ 25 GHz (4-23)

Nótese que al usar estas últimas dos aproximaciones se supone que los coeficientes

valen lo mismo para polarización horizontal y vertical. El error es poco ya que, si se

observan los valores de la Tabla A.4-2 se ve que, en efecto, son casi iguales, y que son

mucho más dependientes de la frecuencia que de polarización.

5.- Por último, la atenuación L buscada se calcula como:

Llluvia 0.01 = γ (d) (r 0.01) [dB] (4-24)

6.- Para una disponibilidad de (100%-p), la atenuación obtenida en el paso 5 se multiplica

por un factor, de acuerdo con la relación: ( )

01.0

log043.0546.012.0 lluvia

p

lluviap LpL ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

+− dB (4-25)

La obtenida de la ecuación anterior. 01.0lluviaL

ATENUACIÓN POR ABSORCIÓN ATMOSFÉRICA

Las ondas electromagnéticas interactúan con las moléculas de los gases en la

atmósfera cuando las frecuencias de éstas son muy altas, o que se traduce en pérdida de

potencia de las señales a medida que atraviesa la atmósfera y se intensifican en las

frecuencias correspondientes al bióxido de carbono, oxígeno (60 GHz) y vapor de agua

(22.2 GHz). En la figura 4-5 se muestra una gráfica con las llamadas “ventanas” de baja

absorción atmosférica.

Para ángulos de elevación bajos de una estación terrena las pérdidas son

significativas; en dirección al cenit para ángulos de elevación altos (en banda C y Ku) estas

pérdidas son pequeñas pudiendo ser despreciadas.



La gráfica 4 arriba, corresponde a una dirección hacia arriba o sea hacia el cenit

siguiendo el camino mas corto posible; de modo que si el ángulo de elevación de la

estación terrena es otro, hay que hacer una corrección por la fórmula siguiente, para

ángulos θ entre 10º y 90º.

Laa = Lcenit dB x csc θ (4-26)

Lcenit es la lectura obtenida en la gráfica 4-5, θ es el ángulo de elevación de antena

de la estación terrena y Laa es la atenuación por absorción atmosférica para ese ángulo de

elevación.

La gráfica nos da la atenuación total del cenit debida a los gases atmosféricos

calculados desde 3 a 350 GHz. (Ref. ITU-RP 676-3 ,1997). Las dos curvas representan

atenuación gaseosa que se observa mirando hacia arriba desde el nivel del mar. La curva A

es para atmósfera sexta (sin vapor de agua presente)

FIG. 4-6. Atenuación por efecto de los gases




TEORIA BÁSICA DE TRANSMISIÓN

Comenzaremos con el cálculo de la potencia recibida por una estación terrena

desde el transmisor de un satélite, usaremos la densidad de flujo y la ecuación del enlace.

Consideremos una fuente transmitiendo en el espacio libre, radiando una potencia

de Pt Watts uniformemente en todas direcciones como se muestra en la Figura 4-7.

Fuente isotrópica

1 m2 de área en la superficie esférica, a la distancia R

Distancia R

Pt Watts

Figura 4-7. Densidad de flujo producida por una fuente isotrópica.

A la distancia de R metros la densidad de flujo que atraviesa la superficie de una

esfera con radio R es:

(4-27) 2

2 /4

mWFπ

=R

Pt

Donde Pt: la potencia transmitida

GT: la ganancia de la antena tx

2

4λπη AGmsx = (4-28)

Donde η: eficiencia de la antena

A: área física de la apertura de la antena

λ: longitud de onda

La relación entre Pt y la ganancia Gant de la antena es la potencia efectiva radiada

isotropicamente o pire.

)log(10*

dBdB GantptPireGantPtPire

+==

(4-29)



La densidad de flujo se puede también expresar como:

[ ]224 mW

rPIREFd π

= (4-30)

[ ]22

4m

WL

PIREFed

d ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

λπ (4-31)

O en forma logarítmica:

( ) [ ]22

4log10 mdBWLPIREdbF edd ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡+−=λπ (4-32)

Donde Fd: densidad de flujo de

Potencia

r: distancia entre la estación y el satélite

Led: perdidas en el espacio libre

24⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=λπrLel (4-33)

Donde Led: perdidas en el espacio libre

44,92log20log20)( ++= fddBLb (4-34)

La potencia disponible en una antena receptora de apertura A = 1 m2 es:

(4-35) W

RAGPAxFP ett

rr 24π==

Como la apertura esta relacionada con la ganancia, asi:

(4-36)

Realizando sustituciones, queda que la potencia recibida (en terminales de la antena) está

dada por:

π4GA =

(4-37)

λ2

e

WCPr ⎟⎟⎜⎜==ππ 44

GR

PIRE r

⎠

⎞

⎝

⎛ λ2

2



Potencia recibida en terminales de la antena en dBW:

(dB)L - (dBi)G ) (dBiG (dBw)P (dBw)P bRTTR ++= (4-38)

Potencia recibida en las terminales de la antena del satélite:

[ ] [ ] (dB)L - (dBi)G PIRE (dBw)P[ bsateliteRerrenaEstacion tsubidaR += (4-39)

Potencia recibida en terminales de la antena de la estación terrena:

[ ] [ ] (dB)L - (dBi)G PIRE (dBw)P[ bTerrenaEstación RSatelitebajadaR += (4-40)

PÉRDIDAS POR DESAPUNTAMIENTO

Cuando existe una alineación imperfecta entre la antena transmisora y la antena

receptora se tiene como resultado una caída en la ganancia de la antena con respecto a la

ganancia máxima en transmisión y con la ganancia máxima en recepción, a esto se le

conoce como pérdidas por desapuntamiento.

Las pérdidas por desapuntamiento, una dirección desviada α grados con relación

al eje principal de radiación, pueden calcularse de acuerdo a las ecuaciones siguientes

donde αT es el ángulo en grados entre los ejes de la antena de la estación terrestre

transmisora y la antena del satélite ; αR es el ángulo entre los ejes de la antena terrestre

receptora y la antena del satélite ; θ-3 dB es el ángulo entre los dos puntos de media

potencia del lóbulo principal del patrón de radiación de la estación terrena.

-en el receptor: dBenLRdB

RR ......12

2

3⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

−θα

(4-41)

dBenLTdB

TT ......12

2

3⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

−θα

- en el transmisor: (4-42)


Para el rango de:

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛≤≤ −

20 3dBo θ

α (4-43)

Las dos ecuaciones anteriores son el segundo término del miembro derecho de una

ecuación más completa que nos dice cuánto vale la ganancia de la antena en una cierta

dirección desviada grados con relación a la dirección de ganancia máxima. Dicha ecuación

es:

[ ] [ ] dBienGGdB

dbidbi ......123

max ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−θα

α (4-44)

lessexagesimagradosDdB −= ,753λθ (4-45)

TEMPERATURA DE RUIDO Y RUIDO TERMICO

La temperatura de ruido es un concepto útil en receptores de comunicaciones ya que

nos da una manera de determinar qué tanto ruido térmico se genera por lo dispositivos

activos y pasivos en el sistema de recepción.

La potencia del ruido producido por una fuente de ruido térmico puede ser calculada

por:

Pn = kTBn (4-46)

Donde:

K = 1.38 x 10-23 Joule/ K

Bn = Ancho de banda del ruido, en la cual se mide la potencia de ruido,

en Hertz.

T = Temperatura de ruido equivalente

Pn es potencia disponible de ruido (Watts) que se entrega solamente a una carga

cuya impedancia este acoplada a la fuente de ruido. KT es densidad espectral de potencia,

en Watts/Hz y es constante para todas las frecuencias de radio hasta 300 GHz.



Un dispositivo con una temperatura de ruido de Tn Kelvins produce a su salida la

misma potencia de ruido que un cuerpo negro a la temperatura Tn K seguido por un

amplificador sin ruido con la misma ganancia que el dispositivo actual. La unidad de

temperatura de ruido es Kelvins no grados Kelvins.

En los sistemas de comunicaciones satelitales se trabaja siempre con señales

débiles, debido a las grandes distancias involucradas, por lo que debemos hacer el ruido lo

mas bajo posible para cumplir con los requerimientos de la relación C/N, esto se consigue

teniendo ancho de banda en los receptores (amplificadores de FI) que dejen pasar la señal

(portadora con sus bandas laterales) mientras se mantiene la potencia de ruido lo mas baja

posible. El ancho de banda de la ecuación arriba debe ser el ancho de banda equivalente.

Para determinar el desempeño de un sistema de recepción necesitamos calcular la potencia

de ruido térmico total contra la señal que se va a demodular, necesitamos calcular la

temperatura de ruido del sistema Ts.

Ts es la temperatura de una fuente de ruido, ubicada a la entrada de un receptor sin

ruido, la cual de la misma potencia de ruido que el receptor original, medido a la salida del

receptor y usualmente incluye el ruido desde la antena.

En la figura 4-8 se muestra un diagrama simplificado del receptor de una estación

terrena. Este es el diagrama que corresponde a casi todos los receptores, con pocas

excepciones, se le conoce como superheterodino. Este receptor tiene tres subsistemas

principales: el extremo frente (front end) que comprende: (a) el amplificador de RF, el

mezclador y el oscilador; (b) un amplificador de FI con su filtro y (c) el demodulador y la

sección banda base. El amplificador de RF es el LNA que debe generar un nivel de ruido

tan bajo como sea posible.

Si la ganancia extremo –a-extremo (desde la entrada de RF hasta la entrada al

demodulador) de un receptor es Grx (una relación, no dB) y su ancho de banda de ruido

bien angosto es Bn, la potencia de ruido a la entrada del demodulador es

Pno = k Ts Bn Grx (W) (4-47)




La potencia de ruido referida a la entrada del receptor es Pn, donde: Pn = KTs Bn

Supongamos que la antena entrega una señal de potencia Pr a la entrada del

amplificador de RF; la potencia de la señal a la entrada del demodulador es PrGrx Watts, la

cual representa la potencia contenida en la portadora y en las bandas laterales después de la

amplificación y conversión de frecuencia dentro del receptor.

La relación C/N a la entrada del demodulador es:

C/N = Pr Grx / k Ts Bn Grx = Pr / k Ts Bn (4-48)

FIG: 4-8. Diagrama simplificado de un receptor superheterodino

En la figura 4-9 se muestra el modelo de ruido de un receptor. Ts representa TRF,

TM y TFI. Las ganancias de los amplificadores y la del mezclador se representan por: GRF,

GM y GFI. La temperatura de ruido de la antena medida en supuesto de entrada se

representa por Ten. La salida en este modelo es Pn.

Fuente de

id

Ganancia GRF GM GFI

Receptor sin

Ten

FIG. 4-9. Modelo de ruido de un receptor


La fuente de ruido equivalente tiene una temperatura de ruido del sistema de:

Ts = [ Ten +TRF +TM/ GRF+ TFI/ (GM GRF)] (4-49)

Los valores deben ser en relaciones, no en dB.

Las etapas siguientes del receptor contribuyen con menos ruido a la temperatura de

ruido total del sistema. La mayoría de las veces, cuando el amplificador de RF en el

receptor tiene una alta ganancia, el ruido con el que contribuye el amplificador de FI y las

etapas siguientes se pueden ignorar y la temperatura de ruido del sistema es simplemente la

suma de la temperatura de ruido de la antena y la del LNA.

Ts = TA + TLNA (4-50)

La antena se asume que sea una fuente de ruido, como se estudiará mas adelante,

caracterizada por una temperatura de ruido llamada temperatura de ruido de la antena TA

K.

El primer elemento como se ve de la cadena de recepción de una estación terrena es

el LNA, del mismo existen tres tipos: el paramétrico refrigerado por medio de helio, el

enfriado termoeléctricamente por efecto Peltier y el de efecto de campo sin enfriar. El

primero por ser costoso y complicado ya casi no se usa. Los dispositivos termoeléctricos

Peltier permiten que la temperatura del elemento activo se reduzca hasta -50ºC. El

amplificador mas utilizado en las estaciones terrenas actualmente es el de efecto de campo

(de arseniuro de galio GaAs y litografía submicrónica), aún cuando existen otros tipos

conocidos como transistores con movilidad de electrones alta o HEMT los cuales reducen

más la temperatura de ruido particularmente a frecuencias de 20 GHz.

La temperatura de ruido en banda C de un amplificador FET es entre 15 y 80 K,

para 12 GHz es alrededor de 60 K y para 20 GHz del orden de 110K.

Para pequeñas estaciones terrenas, se puede combinar el LNA con el convertidor de

frecuencia a esto se le llama bloque de conversión de bajo ruido o LNB, montado detrás de

la fuente es decir en el foco de una antena reflectora, seguido de un cable coaxial




(alimentador) que va hacia las siguientes etapas del receptor, este cable no contribuye

mucho al ruido de le estación.

La temperatura de ruido del sistema de un transpondedor para un satélite GEO es

del orden de 400 a 500K.

FIGURA DE RUIDO Y TEMPERATURA DE RUIDO

El término figura de ruido (NF) se usa para especificar el ruido generado dentro de

un dispositivo. Se define así:

NF = (S/N)en/(S/N)sal (4-51)

En comunicaciones satelitales es más útil la temperatura de ruido, es mejor convertir

figura de ruido a temperatura de ruido, Td.

Te = To(F -1) (4-52)

Donde To = 290 K, la temperatura de referencia, usada para definir la figura de

ruido. F se expresa en dB y se debe convertir a una relación antes de usarla en esta fórmula.

(4-53) .290º ) 1 - 10 ( T F(dB)/10e =

Por ejemplo una temperatura de ruido de 20 K equivale a una figura de ruido de

0.29.

Otra relación importante es:

)/290ºT (1 log 10 F(dB) e+= (4-54)

TEMPERATURA DE RUIDO DE VARIOS AMPLIFICADORES EN CASCADA

Algunos sistemas de recepción consisten de varios amplificadores en cascada, en

este caso la temperatura equivalente se calcula mediante esta ecuación:

(4-55) )....GG G / (T .......... )GG / (T )G / (T T T 1- N21eN21e31e2e1e ++++=

L T / )T 1).-((L 1 /TT 1 F oooe (4-56) =+=+=


TEMPERATURA DE RUIDO DE UN ATENUADOR

La lluvia, las guías de onda, las líneas de transmisión y los conectores son

elementos atenuadores de las señales, son elementos pasivos que pueden considerarse como

resistencias.

Si un atenuador produce una atenuación L, teniendo una temperatura física o

temperatura ambiente Tf, la temperatura de ruido TL del mismo referida a la salida es:

TL salida = Tf ( 1 -1/L) K. (4-57)

La temperatura Tf es la temperatura del ambiente , para objetos en la superficie

terrestre se considera 290 K, para las nubes 270 K y para la lluvia del orden de 280 K.

La atenuación es la relación entre la potencia de entrada y la potencia de salida.

L = Pi/Po o también

Po = Pi/L. (4-58)

La potencia del ruido total (No) a la salida de un atenuador es igual a la potencia

del ruido que entra (Ni) pero atenuada L veces, más la potencia de ruido generado por el

propio atenuador NL.

No = (Ni/L) + NL = kTiB/L + kTLB, (4-59)

Siendo Ti la temperatura física del atenuador, es decir Tf.

La temperatura física del atenuador es Ti, o sea Tf. También se puede considerar,

inicialmente, la temperatura To a la salida del atenuador igual a Tf:

No = k To B = k Tf B (4-60)

De las dos últimas ecuaciones se obtiene:

TL = Tf( 1 – 1/L).



La temperatura de ruido está referida a la salida del atenuador, en un punto “a” a la

entrada del LNA. Aquí se pueden sumar la temperatura de ruido debida al atenuador

(referida a su salida) y la temperatura del LNA (referida a su entrada).

Ni

a

LNAtenuador

pérdida L

En caso de que se deseara conocer la temperatura de ruido del atenuador referida a

la entrada del mismo, ésta se puede calcular simplemente dividiendo el ruido de salida

entre su “ganancia” de potencia (que en realidades 1/L); o multiplicarla por L.

TL entrada = Tf (1-1/L) x L = Tf (L-1) (4-61)

F = 1 + Te/To ; Te = To(F-1). (4-62)

La lluvia se puede considerar como un atenuador, ésta hace que se pierdan

muchos decibeles de potencia y la temperatura de ruido que se añade al sistema es de varios

Kelvins. Este ruido se calcula con Tf = 280 K aplicando

Tlluvia = Tf (1-1/Llluvia) K. (4-63)

Llluvia = (d) (r0.01 ) dB; donde = coeficiente de atenuación específica, dado

en dB/km.

TEMPERATURA DE RUIDO DE UNA ANTENA (ENLACE DESCENDENTE O DE

BAJADA)

Una antena captura ruido de los cuerpos radiantes dentro de su patrón de radiación y

su salida de ruido es una función de de la dirección en la cual la antena esté apuntando, de

su patrón de radiación y del ambiente alrededor. Como dijimos anteriormente, se asume

que la antena sea una fuente de ruido.



Para conocer con exactitud la temperatura de una antena hay que medirla para

diferentes ángulos de elevación. Teóricamente la temperatura de una antena para calcularla

habría que sumar todo lo que penetra por todos los puntos de una esfera imaginaria en cuyo

centro esté la antena o en otras palabras, integrando las contribuciones de todos los

cuerpos radiantes dentro del patrón de radiación de la antena.

( ) ( ) KddsenGTT obAntena ;,,

41 2

0 0∫ ∫=π π

ϕθθϕθϕθπ

(4-64)

T b = es la temperatura de brillo donde se tiene la ganancia máxima.

Los fabricantes de antena proporcionan la gráfica relacionada con la ecuación

anterior, en función de la frecuencia y el ángulo d elevación.

Existen dos casos a ser considerados: la antena del satélite (enlace ascendente) y la antena

de la ET (enlace descendente).

El ruido que una antena en tierra captura a través del lóbulo principal y los lóbulos

secundarios puede provenir de varias fuentes:

• Interferencia de enlaces terrestres

• Ruido de la lluvia

• Ruido de la atmósfera

• Ruido cósmico y galáctico

• Ruido solar

• Ruido del suelo

Algunas soluciones son:

• Buscar sitios de baja interferencia con blindaje natural o artificial

• Usar configuración Cassegrain



Las contribuciones más importantes al ruido de una antena de una ET se muestra

en la figura.4-10.

Tcielo

Ttierra

Atenuación por lluvia Tm A

Tcielo

Ttierra

FIG: 4- 10. Ruido que captura una antena de una estación terrenaTcielo/Alluvia Tm(1-1/Alluvia)

La contribución del ruido celeste se estima por la fórmula anterior 4-64, donde Tb

es la temperatura de brillo del cielo en la dirección (,ϕ ), en la dirección del cielo donde la

dirección del eje de la antena contribuya a la integral ya que la ganancia tiene un valor alto

solo en esa dirección.

Los valores que señala el CCIR para estos parámetros son:

TG = 290 K, para lóbulos laterales cuyo ángulo de elevación E sea menor de -10º; TG = 150

K para -10º <E<0º

TG = 50 K para 0º < E< 10º (4-64)

TG = 10 K para 10º <E< 90º

Por lo tanto la temperatura de ruido está dada por: TA = Tcielo + T tierra

Además de esto hay que tomar en cuenta también el aumento de esta temperatura

debido al efecto del sol y de la luna.

La contribución del ruido celeste se estima por la fórmula 4-64, donde Tb es la

temperatura de brillo del cielo en la dirección (,), en la dirección del cielo donde la

dirección del eje de la antena contribuya a la integral ya que la ganancia tiene un valor alto

solo en esa dirección.

Los valores que señala el CCIR para estos parámetros son:



TG = 290 K, para lóbulos laterales cuyo ángulo de elevación E sea menor de -10º; TG = 150

K para -10º <E<0º

TG = 50 K para 0º < E< 10º y TG = 10 K para 10º <E< 90º (4-65)

Por lo tanto la temperatura de ruido está dada por: TA = Tcielo + T tierra

Además de esto hay que tomar en cuenta también el aumento de esta temperatura debido al

efecto del sol y de la luna.

Con respecto a la presencia de formaciones metereológicas la temperatura de ruido

de la antena aumenta, tales como nubes y lluvia, que constituyen un absorbente y en

consecuencia un medio emisivo.

En conclusión la temperatura de ruido de una antena es una función de: la

frecuencia, el ángulo de elevación y de las condiciones atmosféricas (cielo despejado o

lluvia) Tabla A4-3. Temperatura de ruido de algunas antenas típicas.

TA(oK) Diámetro Frecuencia

(GHz)

Ganancia

(dBi) θ=10o 15 o 20 o 30 o 40 o 50 o 60 o

3,8 m 4 42,9 36,0 29,7 27,8 26,0 24,1 22,8 22,4

5 m 4 44,9 33,5 27,7 25,8 23,0 21,7 20,9 20,5

7,3 m 4 47,5 32,8 26,0 24,4 21,8 20,3 19,5 19,0

1,8 m 12 45,4 46,0 - 37,0 - 37,0 - -

3,5 m 12 50,7 43,0 36,0 31,0 27,0 26,0 25,0 25,0

Se observa en esta tabla que a medida que aumenta el diámetro de la antena, a la

misma frecuencia y ángulo de elevación, la temperatura de ruido disminuye; esto se debe a

que los lóbulos laterales son más pequeños con relación al lóbulo principal y la

contribución del suelo al ruido también se reduce.



Ejemplo 3: Calcule la temperatura total de ruido, referida a la entrada del preamplificador,

en un enlace descendente a 12 GHz, si la temperatura de ruido de la antena es de 22 K y

está conectada al preamplificador LNA por una guía y un conector que tienen una

atenuación de 0.5 dB. La temperatura de ruido equivalente del LNA es de 100 K referida a

su entrada.

atenuador LNA TA=22K

Solución:

La atenuación L de 0.5 dB equivale a 1.12. (10 FdB/10)

La temperatura total del sistema Ts en el punto entre el atenuador y el LNA es:

amplA

s TL

TL

TT +⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+=

110 (4.66)

El primer término representa la contribución de la antena, el segundo término la

contribución del atenuador y el último término la contribución del LNA.

Sustituyendo valores el resultado es 151 K.

Si se usara una antena con temperatura de ruido menor, por ejemplo, de 10 K el resultado

fuera 135 K. Al comparar estos dos resultados nos permiten concluir que el LNA es el

principal contribuyente y el atenuador contribuye con un valor más alto que la antena. Esta

es la razón por la que no se deben usar longitudes grandes de cables o de guías entre la

antena y el LNA, en su lugar el LNA se coloca, inmediatamente después del alimentador,

en el mismo foco de la antena reflectora. En la tabla se muestra las temperaturas de ruido de

algunas antenas que se consiguen en el mercado.

En caso de que haya lluvia ¿cómo influye ésta en la temperatura total de ruido referida a la

entrada del preamplificador?



Ejemplo 4: Consideremos el ejercicio anterior, donde la TA = 22 K, atenuación en el cable

0.5 dB, TLNA = 100 K, la atenuación causada por la lluvia es de 6 dB a 12 GHz.

Solución:

La lluvia atenúa 6 dB el ruido que veía la antena con cielo despejado.

Los 6 dB equivalen a 4. atenuador LNA

x

Sustituyendo valores en: TA = 22 / Llluvia + 280 (1-1 / Llluvia) = 215 K

Cuando llueve predomina el ruido de la antena.

4-14.- FACTOR DE CALIDAD O FIGURA DE MERITO G/T

La ecuación del enlace, en un sistema de comunicaciones satelitales se expresa así:

(4-67) sTkBN 4⎢⎣

=π

rtt GR

GPC 2

⎥⎦⎤⎡ λ

Aquí vemos que C/N es proporcional a Gr/Ts. Al aumentar G/T aumenta C/N. Para un

sistema satelital dado, los términos entre corchetes son todos constantes. Las terminales

satelitales pueden tener un valor negativo de G/T, lo cual es abajo de 0 dB/K; esto significa

que el valor numérico de Gr es mas pequeño que el valor numérico de Ts.



DISEÑO DE ENLACES SATELITALES

El diseño de un sistema de comunicaciones por satélite es un proceso complejo que

requiere compromisos entre muchos factores para alcanzar el mejor desempeño a un costo

aceptable. Enfocaremos este estudio a los satélites GEO ya que son los que llevan la mayor

parte del tráfico satelital mundial.

El peso es el factor más crítico en el diseño de cualquier satélite ya que mientras

más pesado es mayor es el costo. El tamaño del satélite también es crítico porque tiene

que entrar en el vehículo lanzador. Los paneles solares pueden ir plegados; las antenas son

un factor limitante ya que no pueden ir plagadas sobre todo las antenas reflectoras. El peso

de un satélite se debe al número y potencias de salida de los transpondedores y además al

peso de combustible para mantenerse en vida útil por unos 15 años.

Los otros factores que influyen en el diseño del sistema son: la selección de la

frecuencia, los efectos de la propagación atmosférica y las técnicas de acceso múltiple.

Las bandas mas usadas para comunicaciones satelitales son la de 6/4 GHz, 14/11

GHz y la 30/20 GHz.

Todos los enlaces de comunicaciones se diseñan para que cumplan con ciertos

objetivos, por ejemplo la razón de bits erróneos o BER en una comunicación digital o la

relación señal-a-ruido en un enlace analógico, medidos en el canal banda base.

La relación BER o S/N del canal banda base dependen de la relación portadora-a-

ruido C/N a la entrada del demodulador en el receptor. En muchas aplicaciones de

comunicaciones satelitales la relación C/N a la entrada del demodulador debe ser del orden

de 6 dB para que se cumplan los objetivos del BER y de S/N. Los enlaces digitales que

operen con menos de 10 dB deben usar técnicas de corrección de error para mejora el

BER entregado al usuario.

La relación C/N total en el receptor de la estación terrena depende del C/N del

enlace ascendente y del C/N del enlace descendente y ambos deben alcanzar el desempeño

requerido para un porcentaje de tiempo específico. La atenuación por lluvia puede llegar a

ser excesiva haciendo que el C/N caiga por debajo de un mínimo permitido, especialmente

cuando se usan las bandas de 30/20 GHz, esto hace que el enlace se caiga.



Diseñar un sistema de comunicaciones satelitales requiere del conocimiento del

desempeño de los enlaces ascendente y descendente, de las características de propagación y

de la atenuación por la lluvia para las bandas de frecuencia usadas en las localidades de las

estaciones terrenas así como de los parámetros del satélite y de las estaciones terrenas.

Otras restricciones son el evitar las interferencias con otros usuarios y la conservación de

ancho de banda.

DISEÑO DE ENLACES DESCENDENTES

El diseño de estos enlaces se basa en tener una mínima relación de C/N para un

porcentaje de tiempo específico y tener un ingreso máximo por tráfico a un costo mínimo.

Un enlace se puede diseñar para que tenga un margen por efecto de la lluvia de 10 o 20 dB

en lugar de 3 dB, pero las antenas de la estación terrena seguramente tendrán 5 o 7 veces

más el diámetro requerido.

Los enlaces satelitales se diseñan para que tengan una confiabilidad de 99.5 a

99.99% promediados sobre un largo período de tiempo, un año (confiabilidad anual =

365.25 días/año)(24 horas/día) = 8766 (hr/año). Esto significa que la relación C/N en el

receptor caerá abajo del valor mínimo permisible para operación debida entre 0.5 y 0.01%

del tiempo especificado, en consecuencia, el enlace tendrá caídas. El período de tiempo

sobre el cual se mide el porcentaje de tiempo puede ser de un mes, algunas veces “el peor

mes” en función de la atenuación o de un año.

Si la disponibilidad es de 99.9%, 0.1% interrupción, entonces: (0.001)(8766 hr/año)

= 8.766 hr/año = 8h 46m 33.6 s de caída.

Si la disponibilidad es de 99.99, interrupción 0.01% entonces: (0.0001)(8766

hr/año) = 52.656 min/año = 52 m 39.36 s de caída.

Efecto de la lluvia: Cuando llueve en la trayectoria descendente desde el satélite ,

la temperatura de ruido del receptor de la estación terrena cambia. Es razonable asumir

temperaturas del orden de 270 a 290 K en los trópicos. Un aumento en la temperatura del

cielo de 270 K aumenta la temperatura de la antena de recepción arriba de su valor en aire



despejado. En consecuencia, el nivel de potencia C se reduce y la potencia de ruido N, en

el receptor aumenta. La ecuación resultante del enlace descendente es:

(C/N)desc lluvia = (C/N)desc aire despej – Alluvia - Nlluvia dB (4-68)

El Balance del enlace: Es un método que se usa para evaluar la potencia recibida

y la potencia de ruido en un enlace de radio. Este balance se calcula para un transponder

individual y se debe repetir para cada uno de los enlaces individuales. En un enlace de

comunicación satelital de dos vías existirán cuatro enlaces separados, cada uno con el

cálculo de la relación C/N.

Cuando se usa un transpondedor repetidor (conocido como bent-pipe) se combinan

las relaciones C/N ascendente y C/N descendente en una sola para dar una C/N TOTAL.

TEMPERATURA DE RUIDO DE UNA ANTENA

(ENLACE ASCENDENTE O DE SUBIDA)

Como la antena del satélite apunta hacia la tierra y su haz principal de radiación es

generalmente menos ancho que el disco terrestre, ésta recibe toda la radiación térmica de la

tierra. Por ello, se suele suponer TA = 290 oK, salvo que se especifique lo contrario.

Ejemplo 5: Calcule la temperatura total de ruido a la entrada del equipo receptor

que opera con un factor de ruido de 3 dB. El enlace mostrado ascendente trabaja a 14

GHz, la antena del satélite tiene un ancho de 2° conectada al receptor a través de una guía

de 1 dB de pérdidas. Suponga la guía a 290 K.



x

receptoratenuador

Solución:

Sumaremos la temperatura de ruido de la antena, la temperatura de ruido del

atenuador/conector/guia y la temperatura de ruido del receptor, referida al punto x.

La temperatura TA se puede considerar 290 K, To = 290 K, el factor de ruido F = 3

dB equivale a 2; las pérdidas del atenuador L = 1 dB equivalen a 1.25; luego sustituimos

estos valores en la fórmula siguiente:

)1(1111 00 −+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+=+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −+= FT

LT

LT

TL

TL

TT oi

Aampl

As (4-69)

El resultado es Ts = 578 K

Al realizar los cálculos sobre la temperatura del receptor, referida al punto x, nos da

288 K. Compárese con la temperatura de la antena, son casi iguales.

Esta es la razón por lo que se considera innecesario instalar receptores de bajo ruido

en los satélites, por su costo, además de que la señal portadora puede ser enviada con

bastante potencia desde la estación terrena ya que no tienen limitaciones de potencia.

El enlace ascendente, hacia el satélite, contribuye con menos ruido que el enlace

descendente, satélite a las estaciones terrenas.



DISEÑO DE ENLACES ASCENDENTES

Generalmente es más fácil diseñar el enlace ascendente, se pueden usar transmisores

con más alta potencia en las estaciones terrenas que en el satélite; aunque en el caso de las

estaciones VSATs se usan antenas y potencias pequeñas; las potencias son orden de 2 a 5

W, dando una PIRE baja en el enlace ascendente. Los teléfonos de mano satelitales

también usan potencia restringida a 1 W debido a riesgo de las emisiones

electromagnéticas.

Para mantener los productos de intermodulación bajos, cuando un número grande de

estaciones accesan a un solo transpondedor usando FDMA, como en algunas redes VSATs

y en satélites Intelsat, se usa backoff típico de 5 a 7 dB. Aún cuando se usa un solo

transpondedor (esto es, una sola portadora presente) se aplica normalmente backoff para

prevenir la conversión PM-AM que ocurre cuando las señales moduladas se transmiten a

través de dispositivos no lineales.

La potencia de las estaciones terrenas se transmiten de acuerdo el nivel de potencia

requerido a la entrada del transpondedor., lo cual se hace de dos maneras: 1.- o un flujo de

potencia específico se requiere en el satélite (para saturar el transpondedor) , y 2.- un nivel

de potencia específico se requiere a la entrada del transpondedor.

Una densidad de flujo de -100 W/m2 se obtienen una estación terrena cuando se usa

en banda C un transmisor de 100 W con una antena de 9 m; este es un valor típico.

Aún cuando la densidad de flujo en un satélite es una forma conveniente para

determinar los requisitos de PIRE a transmitir en una ET, el análisis del enlace ascendente

requiere del nivel de potencia a la entrada del transpondedor de tal manera que se pueda

obtener la relación C/N. La ecuación del enlace se usa para hacer este cálculo, usando o

unas relación C/N específica del transpondedor o un nivel de potencia de salida del

transpondedor.

La potencia de ruido referida a la entrada del transpondedor es Ntp W, donde

Ntp = k –Ttp + Bn dBW (4-70)



Donde Ttp es la temperatura de ruido del sistema del transpondedor en dBK y Bn se

expresa en dBHz.

La potencia recibida a la entrada del transpondedor es

Prtp = Pt +Gt +- Lp - Lascd (4-71)

Pt Gt es la PIRE ascendente de la ET en dBW, Gr es la ganancia de la antena del

satélite en dB en la dirección del enlace ascendente de la ET y Lp representa las pérdidas

en la trayectoria. Lascd representan otras pérdidas diferentes a las de trayectorias, pérdidas

misceláneas.

El valor de C/N)ascd a la entrada del LNA del receptor satelital es:

C/N = 10 log10 [ Pr/ (kTs Bn)] = Prtp – Ntp dB (4-72)

La potencia de transmisión a la salida de la ET se calcula de la relación G/T de

una ET usando el valor dado de C/N en la ec. 38 y la potencia de ruido Ntp calculada de le

ec. 36. Note que la potencia recibida a la entrada del transpondedor también se calcula por:

Prtp = N + C/N dBW (4-73)

La potencia a la salida de la ET también se puede calcular de la potencia de salida

del transpondedor y de la ganancia de éste cuando estos parámetros se conocen se use un

transpondedor repetidor (tipo bent-pipe).

Prtp = Psat –BOo – Gtp dBW (4-74)

Psat es la potencia de salida en saturación del transpondedor en dBW, BOo es el

backoff de salida en dB y Gtp es la ganancia del transpondedor.

Veamos el efecto de la lluvia. La atenuación por lluvia en el enlace ascendente

hacia el satélite reduce la potencia a la entrada del receptor satélite y por tanto reduce el

C/N)asc en proporción directa a la atenuación de la trayectoria de lluvia. Si el transpondedor

opera en modo lineal, la potencia de salida se reduciría por la misma cantidad, la cual hace

que C/N)desc caiga una cantidad igual a la atenuación en el enlace ascendente. Cuando se

reducen C/N)asc y C/N) desc por una cantidad (A)asc dB, el valor de (C/N)T se reduce por la



misma cantidad, (A)asc dB. Por tanto para un transpondedor lineal la atenuación por lluvia

en un enlace ascendente

(C/N)T asc lluvia = (C/N)T c despejado - (A)asc dB (4-75)

Aquí estamos suponiendo que en el enlace ascendente no esta lloviendo. Este

resultado lo tomaremos en cuenta mas adelante al calcular la relación (C/N) total de los

enlaces ascendentes y descendentes.

El (C/N)total = 1/[1/(C/N)desc lluvia + 1/(C/N)asc] dB (4-76)

Ejemplo 6: El satélite Merce 1 distante 38500 km de la tierra opera a 14 GHz y

tiene una antena de 26 dB de ganancia, cubriendo su haz una parte del continente. Un

transpondedor tiene una ganancia lineal de 127 dB y una potencia nominal de salida en

saturación de 5 W. Se desea calcular la potencia de salida de un transmisor de un enlace

ascendente que da una potencia de salida de 1 W desde un transpondedor del satélite

operando ala frecuencia de 14.45 GHz cuando la antena de la estación terrena tiene una

ganancia de 50 dB y existen pérdidas de 1.5 dB en l guia de onda que va del Tx a la antena.

Suponga que la atmósfera en condición de cielo despejado introduce una pérdida de 0.5 dB

y que la ET está ubicada en el contorno de -2 dB de la antena de recepción del satélite.

Si la lluvia en la trayectoria causa una atenuación de 7 dB para el 0.01% del año,

qué potencia de salida se requiere para el transmisor para garantizar que -1 W de salida

se pueda obtener del transpondedor del satélite para 99.99% del año si se usa control de

potencia en el enlace ascendente.

Solución:

La potencia de salida del transp es de 1 W que equivalen a 0 dBW.

Calculemos primero la potencia de entrada requerida por el transpondedor:

Psal = Pen. Gtransp, de donde Pent = Psal – Gtransp = 0 dBW – 127 dB =- 127 dBW

Luego calculemos la potencia recibida: Pr = PIRE + Gr – Lp - Latm – Lta – Lra dBW



Donde Latm es la atenuación debida a la atmósfera (207.2 dB); Lta son las pérdidas

asociada a la antena Tx (o sea la perdida en la guía 1.5 dB); Lra las pérdidas de la antena

receptora.

Reordenando: Pt = Pr – Gt – G r + Lp +Lta + Latm + - Lpt dBW.

Aquí Lpt es perdidas en el apuntamiento de la antena. Pr es la potencia de entrada

calculada primero (-127 dBW).

Pt = -127 -50 - 26 + 207.2 1.5 + 0.5 + 2 dBW = 7.2 dBW (5.2 W)

Como la lluvia causa una atenuación de 7 dB vamos a operar al Tx con 7 dB más

de potencia de salida para compensar este desvanecimiento debido a la lluvia, la potencia

del Tx será: Pt lluvia = 7.2 + 7 = 14.2 dBW (26.3 W)

RELACION PORTADORA A RUIDO TOTAL DEL ENLACE

La combinación del enlace ascendente con el descendente determina la relación

señal a ruido en la antena de la estación terrena receptora. Para obtener el valor requerido es

necesario tomar en cuenta la alinealidad (potencia de salida a potencia de entrada de las

señales) de los amplificadores de potencia. Además, al introducirle a un amplificador más

de una señal simultánea se genera un espectro de ondas espurias (que interfieren las señales

útiles al actuar como ruido adicional que degrada los enlaces) por el efecto llamado

intermodulación, el cual aumenta en proporción al operar en la parte menos lineal que

corresponde a las proximidades del punto de saturación del amplificador. En la práctica no

siempre los HPA se operan en saturación.

La potencia de la intermodulación aumenta como el cubo de la señal de potencia; en

decibeles, cada 10 dB de aumento en la señal de potencia causa un aumento de 30 dB en

la potencia de los productos de intermodulación.

Para limitar el ruido de intermodulación cuando varias portadoras se amplifican

simultáneamente (cuando se opera el transpondedor en el modo FDMA) a un valor

compatible con los requisitos del balance del enlace total es aconsejable operar al



amplificador debajo de la región de saturación. Es decir habría una reducción de potencia

con respecto al punto de saturación o retención de potencia (backoff) que deberán aplicarse

a cada portadora para que disminuyan en proporción las ondas espúrias. A cada valor de

retención de potencia de entrada Boi corresponderá un valor de retención de potencia de

salida BOo.

satura

especi

consec

entre s

El bac

n por

operac

de la p

CONAT

FIG. 4-11. Principio de la retención de potencia

(Ref:http://www.seecs.edu.pk/~madeeha/Satellite%20Comm-LecX.pdf)

La potencia máxima de un transpondedor se conoce como potencia de salida

da y es la potencia de salida nominal que normalmente aparece en las

ficaciones. Cuando se opera a este nivel la característica es muy alineal. En

uencia, las formas de onda digitales cambian, resultando la conocida interferencia

ímbolos (ISI).

koff de salida, definido como la relación de potencia de salida entregada a una de las

tadoras (Pon) a la potencia de saturación, determina la posición del punto de

ión. El backoff de salida se usa para hacer la característica de transferencia más cerca

arte lineal.

EL / CEDITEL Comunicaciones Satelitales 145

http://www.seecs.edu.pk/~madeeha/Satellite Comm-LecX.pdf


La potencia entregada a la salida del amplificador para la portadora en

consideración es:

Pon = PHPA x BOo (4-77)

La cantidad exacta de BO requerida en una aplicación determinada depende de de la

característica específica del transpondedor y de la señal que transporta. Los valores típicos

son de 1 dB para portadoras FM o PSK a 3 dB para FDMA.

Los valores típicos para BO a la entrada podrían ser de 3 dB y 5 dB.

Para limitar los efectos de la alinealidad de los amplificadores es común usar

linealizadores, los cuales combinado con el preamplificador, o colocado antes, producen

distorsión de fase o de amplitud de la señal para así poder compensar las características

específicas de los amplificadores de potencia.

Los efectos de intermodulación hay que considerarlos, a parte del satélite, en las

estaciones terrenas que operan con portadoras múltiples simultáneas como en el caso de un

telepuerto.

La relación C/N total del enlace depende de las correspondientes al enlace

ascendente, en lace descendente, a la introducida por la intermodulación C/N)int y a la

interferencia de otros sistemas C/I.

La relación (C/I) es probable de satélites adyacentes en los sistemas VSATs y receptores

DBS-TV.

El valor combinado se obtiene de la ecuación:

1/(C/N)T = 1/(C/N)asc + 1/(C/N)desc + 1/(C/N)int + 1/(C/I) (4-78)

Este cálculo se hace no en dB, se emplean los valores de las relaciones directas ,

lineales individuales (valores absolutos). El valor resultante, en número se convierte en dB,

será menor que cualquiera de las relaciones individuales incluidas.

Existen algunas reglas para estimar la relación (/N)T: 1.- si los valores de C/N son

iguales, el (C/N)T es 3 dB mas bajo que cualquier ; 2.- s un C/N es 10B mas pequeño que

otro valor, el C/N)T es 0.4 dB mas bajo que el mas pequeño de los valores de C/N; 3.- si un



C/N es 20 dB o mas mayor que el otro valor de C/N, la relación C/N) T es igual al mas

pequeño de los valores de los dos C/N dentro de una exactitud de +/- 0.1 dB.

Para obtener una relación C/N total óptima debe tomarse en cuenta que al aumentar

la retención de potencia la intermodulación se reduce rápidamente, aumentando en la

misma proporción (C/N)int, en tanto que se deterioran (C/N)asc y (C/N)desc debido a la

menor potencia disponible. En la FIG 4-12 se muestran las variaciones de las C/N y la

(C/N)T de un enlece descendente en función de la retención de potencia de entrada de un

transpondedor, para el backoff de salida. El punto óptimo corresponde a un determinado

backoff de entrada en el transpondedor del satélite.

Ejemplo 7: El receptor de una estación terrena tiene una relación C/N)desc de 15 dB

y se recibe una señal del satélite Merce 1 con una relación C/N)asc de 15 dB. Estime el

valor de la C/N)T en la estación terrena.

Si el transpondedor introduce interferencia y ésta tiene una relación C/I de 28 dB ¿

cómo se modificaría la relación C/N)T en la estación receptora receptora ?

Solución:

Los 15 dB corresponden a una relación de 31.62; 28 dB a 631.

dB

NC

NC

NC

descasc

T12.....81.15

0316.00316.01

111

=⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

+=

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

Al sumar el valor (1/1000) al denominador de esta última ecuación nos da un valor

de 15.56 que corresponden a 11.88 dB.



FIG. 4-12. Variación de las diferentes C/N (Ref. 9 )

PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE ENLACES SATELITALES:

(Ref. 10).

1.- Determinar la banda de frecuencia en la cual va a operar el sistema. Se pueden necesitar

diseños comparativos para ayudar a tomar la decisión,

2.- Determinar los parámetros de comunicaciones del satélite. Estime cualquier valor que

no sea conocido,

3.- Determinar los parámetros de transmisión y recepción de las estaciones terrenas,

4.- Comience con la estación terrena. Establezca un balance del enlace y un balance de

potencia de ruido del transpondedor para calcular (C/N) hacia arriba en el transponder,

5.- Calcule la potencia de salida del transpondedor basado en la ganancia del transponder o

backoff de salida,

6.- Establezca un balance de potencia y ruido (descendente) para la estación receptora

terrena. Calcule (C/N)d y (C/N)o para una estación en el extremo de la cobertura (peor

caso),

7.- Calcule S/N o BER en el canal banda base. Calcule los márgenes del enlace.



8.- Evalúe los resultados y compare con los requerimientos de las especificaciones. Cambie

los parámetros del sistema si se requiere hasta obtener unos valores aceptables de: (C/N)o

… S/N … BER

9.- Determine las condiciones de propagación bajo las cuales debe operar el enlace. Calcule

los tiempos fuera de servicio o de corte para los enlaces ascendente y descendente.

10.-Rediseñe el sistema cambiando algunos parámetros si los márgenes del enlace son

inadecuados. Verifique que todos los parámetros sean razonables y que el diseño se pueda

implementar dentro del balance esperado.

A continuación veamos algunos ejemplos de cálculos de potencia de enlaces

ascendentes y descendentes.

Ejemplo 8: En la tabla se muestran los datos para calcular el C/No del enlace ascendente o

de subida entre dos localidades, con cielo despejado.

Datos:

Estación terrena Tx Satélite

Potencia salida del amplificador 100 w Factor de ruido del receptor 3 dB

Pérdidas entre el amplificador y

la antena

0,5 dB Pérdidas entre la antena y el

receptor

1 dB

Ganancia máxima de la antena 53 dBi Θ-3 dB de la antena 2,1o

Longitud (estación terrena)

Latitud

86º 40’ O

21º 15’ N

Desapuntamiento de la antena

hacia la estación terrena

0,1º

Frecuencia de transmisión Ku 14 GHz Longitud satélite 116,80 O



Solución:

Calculo de ángulo de elevación estación terrena:

De las ecs. 4-1 y 4-7 obtenemos la elevación. Elevación = 47.88º

De la ecuación 4-8 obtenemos α = 57 y de 4-9 obtenemos el acimut = 122º.

Calculo del rango o distancia (Estación-satélite) de la ec. (4-2 a) = 37217 Km.

Las pérdidas por propagación en el espacio libre son:

Lb = (4πd/λ)2 = (4π37217000*14*109/3*108)2 =(2.18246*1010)2

Lb = 206.8 dB

Las pérdidas por absorción atmosférica:

Primero leemos en la fig. 4-6, las pérdidas en el Cenit son de 0.08 dB, luego calculamos de

la ec. 4-26.

[ ] dBecL dBaa 1,088,47cos08,0.. ==

La PIRE es:

- )()()( dBiGdBWPdBWPIRE T += = 20 dB-w + 53 dBi = 73 dB-w

descontando las pérdidas por conexión (entre el amplificador y la antena) que

son de 0,5 dB la PIRE será de 72,5 dBW.

Se supone que la antena apunta directamente al satélite, luego no se consideran

perdidas por desapuntamiento que también se hubieran restado a la PIRE.

Las pérdidas totales en el enlace ascendente son:

L = Lb + La.a = 206.8 +0,1 = 206.9 dB

La figura de mérito o factor de calidad del satélite se define y calcula como:

( )receptorextremoenconectoresporyientodesapuntampor

S

MaxR

KdBsat

LT

GTG

.............../

−⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

.Gmax = 38 dBi

Como la antena no apunta al satélite las pérdidas por

desapuntamiento son: dBLRdB

RR 03.0

1,21,01212

2

3

=⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

−θα



La tempera de ruido a la entrada del equipo receptor (LNA) es, con

TA= 290º K, L=1 dB y F = 3 dB

)1(1111 00 −+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+=+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −+= FT

LT

LT

TL

TL

TT oi

Aampl

As

)110(29010

1129010290 3,0

1,01,0 −+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+=sT

KT os 636,578626,28865,5936,230 =++=

Sustituyendo valores, nos queda que la relación G/T es:

KdBKdBTG

KdBsat

/345,96241,27103,038/

=−−−−=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

La relación C/No del enlace ascendente o de subida es:

6,2280

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

satnpropagacio

subidaTGLPIRE

NC

dBHzNC

subida

54.1036,22834.99.2065.720

=++−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

No es necesario conocer las características de la antena, conectores, el LNA y

transpondedores del satélite si se conocen los contornos G/T del mismo. Se puede hacer

una interpolación entre los contornos más cercanos a la ubicación de la estación terrena y

el valor de G/T)sat leído se sustituye directamente en los cálculos mostrados en este

ejercicio.



ENLACE ASCENDENTE O DE SUBIDA CON LLUVIA

Ejemplo 9: Con los mismos datos que el ejercicio anterior, volver a calcular C/No.

Asumir atenuación por lluvia de 9 dB.

Solución:

Las perdidas totales por atenuación son:

dBLLLL lluviaaab ..9,21599,206. =+=++=

La temperatura de ruido en el enlace ascendente no es afectada por la lluvia ya que

el receptor del satélite siempre observa una tierra caliente. Luego, la temperatura de ruido

sigue siendo de 580 oK y KdBTG

sat

/34,9=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

6,2280

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

sattotales

subidaTGLPIRE

NC

dBHzNC

subida

54.946,22834.99.2155.720

=++−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ,o, también

lluvianpropagaciotocieloabiersubidalluviasubida

LNC

NC

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

)(0)(0

dBHzNC

subida

54,945954.1030

=−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

Esto quiere decir que si la disponibilidad deseada exige que la atenuación por

Lluvia no pase de 9 dB, se debe garantizar que la relación portadora – Ruido deberá ser

mayor a 94,54 dBHz.



ENLACE DESCENDENTE O DE BAJADA

Ejemplo 10: Calcular la relación C/No en un enlace descendente con cielo despejado para

los siguientes datos.

Satélite Estación terrena receptora

Potencia salida del

amplificador

40 w Temperatura de ruido del LNA 120º K

Pérdidas entre el amplificador

y la antena

1 dB Pérdidas entre la antena y el LNA 0,5 dB

Ganancia máxima de la antena 36 dBi Ganancia máxima de la antena 50 dBi

Longitud satélite 104º O Longitud ET 2 74º O

Desapuntamiento de la antena

hacia la estación terrena

1.5º O Temperatura de ruido de la Antena 26º K, Θ=40º

27º K, Θ=30º

Θ-3 dB de la antena 3o Margen de error en el apuntamiento

de la antena hacia el satélite

0,1º

Frecuencia de transmisión Ku 12 GHz Latitud ET 2 40º 45 N

Solución:

Calculo de ángulo de elevación estación terrena: 33.78 º

Cálculo del acimut: 138.5º

Cálculo de la distancia satélite a ET: 38263 km

Las perdidas por propagación en el espacio libre son:

Lb = (4πd/λ)2 = (4π38240000*12*109/3*108)2 =(3.69466850014*1020)

Lb = 205.676 dB



Las pérdidas por absorción atmosférica: primero se lee en la fig. 4-6, para 12 GHz

= 0.07 dB., luego aplicamos:

[ ] dBecL dBaa 1259,0776,33cos07,0.. ==

La PIRE es:

)()()( dBiGdBWPdBWPIRE T += = 10log40 dB-w + 36 dBi = 52 dBw

La PIRE debe considerar las pérdidas por desapuntamiento que son de

dBenLTdB

TT ......12

2

3⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

−θα

, dBLT

T ...335,112

2

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= con las pérdidas entre el amplificador y

la antena de 1 dB y el desapuntamiento en el receptor de 0,1 que origina

dBLT

T .....01333,031,012

2

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

la PIRE real será: 52-1-3-0,0133 = 47,987 dBW

Las pérdidas totales en el enlace ascendente son:

L = Lb + La.a = 205.676 +0,1259 = 205.8019 dB

La figura de mérito o factor de calidad del satélite se define y calcula como:

( )receptorextremoenconectoresporyientodesapuntampor

kdBS

MaxR

KdBrrenaestaciónte

LT

GTG

...............//

−⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

[ ] 5,050/

−−=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

dBksKdBrrenaestaciónte

TTG

Las pérdidas por desapuntamiento ya se tuvieron en cuenta pero son muy pequeñas.

Calculemos TS, a la entrada del LNA de la estación terrena

amplA

s TL

TL

TT +⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+=

110

Algunos datos son: TA= 26,5º K, LA=0,5 dB =1.1220184543,



KT os 155,175120

1220184543.111290

1220184543.15.26

=+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −+=

dBKTs ..434.22155.175log10 ==

Calculamos la relación G/T de la ET:

KdBTG

KdBasestterren

/066,275.0434,2250/

=−−=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

Luego la relación C/N)desc será:

6,228.0

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

terrenaesttotal

bajadaTGLPIRE

NC

dBHzNC

bajada

..8511,976,228066.278019.205987,470

=++−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

Ejemplo 11: Pasos para estimar la atenuación por lluvia al diseñar una red de

comunicaciones satelitales usando el método de CCIR Reporte 564-4 se procede así:

El dato importante para este diseño es conocer la atenuación por lluvia que es

excedida en un año para una disponibilidad de 99.99%, las frecuencias de los enlaces,

bandas C, Ku o Ka, la polarización, las coordenadas geográficas y la altura sobre el nivel

del mar de las ciudades de interés.

1.- se calcula el ángulo de elevación de las ET utilizando las ecs. 4-1 y 4-7.

2.- obtenemos la altura real de la lluvia sobre el nivel del mar, usamos la ec. 4-14

3.- calculamos la longitud física del trayecto oblicuo o absorbente, ec. 4-16.

4.- evaluamos el factor r0.01 ec. 4-18 previamente leemos el valor de la intensidad R 0.01 de

la fig. 4-5 y tabla A4-1.

5.- calculamos la atenuación específica ec. 4-19. Los valores de a y b los leemos o

interpolamos de la tabla A4-2 o usamos las ecs. 4-22 y 4-23, para las frecuencias que se

estén usando.



6.- calculamos la atenuación L ec. 4-24 , el segundo término de esta ec. nos da la longitud

efectiva del trayecto oblicuo.

7.- finalmente de la ec.4-25 obtenemos los decibeles de la atenuación por lluvia.

Ejemplo 12: Diseñar un enlace de comunicación satelital usando un satélite a

73ºW, banda Ku para distribuir señales de TV digital desde una ET a muchos receptores los

cuales deben tener una relación C/N = 9.5 dB para tener una buena señal de video. Se debe

estimar la potencia del enlace ascendente, la ganancia de las antenas receptoras así como la

eficiencia.

Datos:

Del satélite: Satélite GEO 73ºW; Pot total RF de salida 2.24 kW; Gant. Sat 31 dB

en Tx/Rx); Ts del Rx = 500K; Pot salida saturada del Transp. 80 W; ancho banda B del

Transp. = 54 MHz; señal comprimida video digital con velocidad de transmisión de

símbolos (symbol rate) de 43.2 Msps; (C/N)T mínimo permitido = 9.5 dB.

Datos de ET transmisora: Diámetro antena = 5m; efic. 68%; frec. Ascendente =

14.15 GHz;(C/N) requerido en el transpondedor Ku 30 dB; BOo del HPA del

transpondedor 1 dB; pérdidas menores en enlace asc = 0.3 dB.

Datos ET receptora: frec. E nlace descendente 11.45 GHz; ancho banda de ruido

amplif FI = 43.2 MHz; temp. ruido antena 30K; Temp.. ruido LNA = 110 K; (C/N)T

requerido en cielo despejado = 17 dB; pérdidas menores enlace desc = 0.2 dB; ubicación de

las ET = contorno de -3 dB de la antena transmisora del satélite.

1.- Diseño del enlace ascendente.

a) calculemos la potencia del Tx enlece ascendente necesario para tener C/N)asc = 30 dB

en condiciones de cielo despejado.

Calculemos primero la potencia de ruido del transpondedor para un ancho de banda de 43.2

MHz( TV digital) y luego agregamos 30 dB para calcular el nivel de potencia de entrada

del transpondedor.

Balance del enlace ruido ascendente:

Constante Boltzman……… -228.6 dBW/K/Hz



Tsistema= 500 K ………… 27 dBK……………(10 log(500)

B= 43.2 MHz…………………76.4 dBHz..................(10 log(43.2x106 Hz)

____________________________________________________

N potencia ruido transp...........-125.2 dBW................. (N = KTB cálculos en dB, se suman)

El nivel de potencia recibida a la entrada del transpondedor debe ser 30 dB mucho mayor

que la potencia del ruido: -125.2 + 30 dB = -95.2 dBW.

El diámetro de la antena del enlace ascendente tiene 5m y ef. De 68%, como la frecuencia

de Tx es de 14.15 GHz, calculamos la λ = o.0212 m.

La ganancia es: ( ) dBDxG 7.55/68.0log102=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡= λπ

Las pérdidas en el espacio libre: ( ) dBRL 2.207/4log102=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡= λπ

Calculamos el balance de potencia del enlace ascendente:

Pt …………………………Pt (dBW)

Gt………………………….55.7 dB

Gr…………………………..31.0 dB

L esp. libre…………. ………-207.2 dB

Lantena contorno 2dB……… -2.0 dB

Lotras………………………..-1.0 dB

Precibida en transp ……………..Pt – 123.5 dB

La potencia necesaria a la entrada del transpondedor para que se cumpla el objetivo del

C/N)asc = 30 dB es -95.2 dBW, por lo tanto:

Pt – 123.5 dB = -95.2 dBW de donde Pt = 28.3 dBW equivalentes a 675 Watts.

Dado que es una potencia muy elevada sería mejor aumentar el diámetro de la antena Tx

para aumentar su ganancia, que se traduciría en menos potencia de l Tx.



2.- Diseño del enlace descendente:

Lo primero es calcular la relación C/N)desc del enlace que debe dar una relación C/N)T =

17dB cuando el C/N)asc = 30 dB.

De la ec. 4-78, utilizando solo los dos primeros términos del lado derecho.

(30 dB = 1000 veces; 17 dB 0 50 veces)

1/(C/N)d = 1/(C/N)T - 1/(C/N)a = 1/50 – 1/1000 = 0.019 de donde (C/N)d = 52.6 = 17.2 dB

Ahora debemos calcular la potencia de entrada al receptor necesaria para que dé c/N)d =

17.2 dB y posteriormente calcular la G antena.

Balance de la potencia de ruido del enlace descendente:

k.. Cte. Boltzman …………………..-228.6 dBW/K/Hz

Tsistema = 30 + 110 K = 140 K........ 21.5 dBK

B = 43.2 MHz..................................... 76.4 dBHz

N pot. Ruido transp......................... .-130.7 dB

De donde podemos decir que el nivel de potencia a la entrada del Rx de la ET debe ser

mayor que los 17.2 dB de potencia de ruido en cielo despejado.

La Pr a la entrada del Rx de la ET = -130.7 dBW + 17.2 dB = 113.5 dBW

Ahora se requiere calcular las pérdidasas en el espacio libre a 11.45 GHz. Si a 15.15 GHz

las pérdidas son de 207.2 dB, a 11.45 GHz éstas son:

L = 207.2 – 20 log10 (14.15/11.45)) = 205.4 dB.

Si el transpondedor lo operamos con un BOo = 1 dB , la potencia de salida estará 1 dB mas

bajo de 80 W (80W son 19.0 dBW); de donde: Pt = 19 dBW – 1 dB = 18 dBW



Balance de potencia del enlace descendente:

Pt pot. salida transp satélite…………………………….18 dBW

Gt antena satélite………………………………………..31.0 dB

Gr antena ET…………………………………………….Gr dB

L perdida el……………………………………………..-205.4 dB

La (-3 dB contorno de la ant. del satélite)……………… -3 dB

L otros…………………………………………………. – 0.8 dB

Pr pot. Recibida en transpondedor…………………….Gr – 160.2 dB

La potencia requerida en el receptor de de la ET para cumplir con el objetivo (C/N) d = 17.

2 dB es Pr = -120.1 dBW. Por lo tanto la antena del Rx debe tener una ganancia G:

Gr -160.2 dB= -113.5 dBW de donde: Gr = 46.7 dB que equivale a una relación de

46774.

El diámetro de la antena de la ET se calcula de la fórmula ( ) 46774/65.02== λπDxG

A la frecuencia de 11.45 GHz λ = 0.0262 m.

De la ec. de arriba despejamos a D, el diámetro de la antena receptora, nos da: D = 2.14 m.


ANEXO TEMA IV: CÁLCULO DEL BALANCE DEL ENLACE

ANEXO

TEMA IV

Cálculo del Balance del enlace usando una herramienta computacional


TEMA V: APLICACIONES SATELITALES

ÍNDICE TEMÁTICO TEMA V

APLICACIONES SATELITALES

Sección

TELEVISIÓN VÍA SATÉLITE

RADIO DIGITAL

SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL

EL SATÉLITE VENESAT-1

REDES VSAT

Una vez concluido este Tema, Ud. dispondrá de las competencias necesarias para:

- Describir un sistema de televisión vía satélite

- Identificar y explicar las principales funciones de los componentes de un transmisor

y un receptor para transmisiones de TV vía satélite

- Describir las características de un sistemas de radio digital

- Explicar cuantitativamente el funcionamiento de un sistema GPS

- Describir las características del satélite VENSAT 1

- Describir una red VSAT

- Realizar cálculos operativos de redes VSAT.



TEMA V APLICACIONES SATELITALES

TELEVISIÓN VIA SATELITE

Los satélites de difusión directa de TV ( DBS-TV), un enlace de comunicación que

transmite directamente desde el transmisor al usuario, comenzó con mucho éxito en

Europa y en USA en los años 1980 usando transmisiones analógicas en FM en banda Ku.

La transmisión de video digital se popularizó más en los años 90 debido a los bajos costos

de antenas y receptores en la banda Ku, control de error, encriptación, circuitos integrados

de alta velocidad, entro otros. El procesamiento de la señal digital se incorpora en un

circuito integrado que implementa video digital estándar usado por todos los sistemas DBS-

TV, DVB-S.

Codifi-cador

datosvideoaudio

Mux CA

Satélite

IRD

Televisión por cable

Contenidos Programador Sistema de acceso

condicional

Operadores de red Usuario

Fig. 5.1- Diagrama simplificado del sistema de televisión digital vía satélite

En la fig.5.1 se muestra un diagrama simplificado de un sistema para transmisión de

televisión digital vía satélite. Donde dice Operadores de Red, en nuestro caso es Satélite,

pudiera ser por cable, por microondas (MMDS), por red terrestre (ADSL-IPTV).

El servicio de DBS-TV se inició lentamente con un solo satélite llamado DBS-1,

seguido de otros dos DBS-2 y DBS-3 lanzados en el 94 y el 95. Se agregó otro en el 99 y

en el 2000 uno que tiene haces puntuales, ubicados en la posiciones 101º W y 109ºW.



Todos los satélites de USA DBS-TV usan transmisiones de video digital y también

muchos de los europeos., como la Sociedad Europea de Satélites que tiene 8 satélites

Astra, los cuales son los más grandes en órbita GEO.

Otros ejemplos de satélites DBS TV: HotBird, DirecTV, AsiaSat, Amazonas.

La banda en que operan estos satélites es de 12.2 a 12.7 GHz usando potencias de

100 y 240 W con densidad de flujo sobre la superficie de la tierra de hasta -105 dBW/m2 y

-115 dBW/m2. Pueden tener mas de 32 transpondedores, dando una potencia de RF total

transmitida de 3.2 Kw. Al comienzo de la vida útil llegan atener una potencia de salida

hasta de 11 Kw, la masa en órbita es del orden de 2500 Kg a 3700 Kg., son estabilizados en

tres ejesSe usa polarización circular (Dish Network, Bell Exp Vu, Direc TV) y lineal (SKY

México, SKY Brasil). El número de transpondedores que tienen estos satélites varía entre

16 y hasta más de 32. Las velocidades de transmisión de data son del orden de 760 Mbps.

El satélite Amazonas (el mas grande Iberoamérica, lanzado en agosto del 2004), de 4,5

toneladas y estabilizado en tres ejes, tiene 63 transpondedores equivalentes, 36 operan en

banda Ku y 27 en banda C. Ver la cobertura del haz para América en la Fig.5.2.

Fig. 5.2-Cobertura del satélite Amazonas 1.

(Ref. http://www.dbstv.com/coverage/Hispasat1C


http://www.dbstv.com/coverage/Hispasat1C


En las pequeñas estaciones terrenas se usan antenas de haz ancho 4º y diámetros de

0.45 m, con polarizadores controlados electrónicamente colocados detrás del alimentador

en la antena. El polarizador convierte la señal polarizada circularmente recibida en una

señal polarizada linealmente. Otros receptores más complejos usan transductores modo

ortogonal (OMT) con dos LNB para recibir las dos polarizaciones circulares (RHCP y

LHCP) al mismo tiempo.

Cuando algunos usuarios desean recibir señales de varios satélites se requiere una

antena con varios alimentadores como la mostrada en la figura 5.3.

Fig. 5.3- Antena con varios alimentadores

En la Fig 5.4. se muestra el diagrama de bloques típico de un receptor DBS-TV. La

banda de 12.2-12.7 GHz se convierte en el LNB a la banda de 900-1400 MHz, ancho de

banda de 500 MHz. Se usa QPSK la cual se demodula, siendo el resultado de esto un

caudal de bits multiplexados, a 40 Mbps típicamente. El satélite se usa para direccionar

receptores individuales, se programan los canales que se autoricen para recibir. Si algún

cliente falla en el pago por el servicio, se le indica al receptor que despliegue un mensaje

que ha sido desconectado.



Fig. 5.4-Diagrama de bloque de un receptor DBS-TV (Ref .10)

Los diseños de estos sistemas de recepción usando antenas de 0.45 m y

transpondedores de 100 a 240 W dan márgenes de atenuación por lluvia de 3 a 8 dB y

tiempos de caída del enlace que totalizan 5 a 40 hr/año dependiendo de la ubicación del

receptor. Como los clientes no ven TV 24 hr /día, no se dan cuenta de las caídas del enlace.

Algunos autores señalan que los sistemas DVB-S se diseñaron para dar una calidad “casi

libre de error” (quasi error free, QEF), esto significa menos de un error en un evento sin

corregir por hora de transmisión, correspondiente a un BER entre 10-10 y 10-11 a la

entrada del demultiplexor MPEG-2 (después de todas las decodificaciones de correcciones

de error). Esta calidad es necesaria para asegurar que los decodificadores MPEG-2 puedan

reconstruir confiablemente la información de audio y video. (Ver fig. 5.4 y ubique a los

demultiplexores MPEG-2). Los estándares de DVB-S especifican que el rango de Eb/No

para el cual la calidad es libre de error (QEF) está entre 4.5 dB (para un FEC de ½ usando

código convolucional) a 6.4 dB (para FEC de 7/8 usando el mismo código).

Las antenas que tiene el satélite, usualmente sistemas reflectores duales

Gregorianos, tienen una estructura de alimentación compleja que produce los contornos

del haz que pueda mapear a una zona de la superficie de un país.



En DBS-TV se usa modulación QPSK con C/N umbral de 8.6 dB, con corrección

de error adelante (FEC- Reed Solomon/Viterbi) que produce una ganancia de 6 dB en la

codificación y un BER máximo de 10-6. Las potencias de portadora recibidas típicas son

del orden de -117 dBW en cielo despejado.

En la Fig 5.5 se muestra un receptor (sintonizador, demodulador y control del

LNB) totalmente integrado en un solo chip con niveles de señal de entrada de -81 a -18

dBm y velocidad de símbolos de 1 a 45 Mbaudios, usado en DBS-TV.

Fig. 5.5- Receptor DBS-TV integrado en un chip-------

(Ref: https://www.silabs.com/products/audiovideo/satellitestb/Pages/default.aspx)

En la figura 5.6 se muestra el diagrama de una estación maestra de control del

enlace ascendente para un sistema DBS-TV. Obsérvese que las señales analógicas se

digitalizan, se codifican y entran al multiplexor, donde se une a otras entradas para salir

como ráfagas de bits para ser luego codificadas y moduladas en una portadora usando

QPSK con velocidad (SR) del orden de 20 Msps, ocupando un ancho de banda de hasta 27

MHz y en donde se envían hasta 16 canales de RF. La FI utilizada es de 70 MHz antes de

entrar al HPA. Las señales de los diferentes HPA se multiplexan y se envían a los

alimentadores de la antena y de allí al satélite.


https://www.silabs.com/products/audiovideo/satellitestb/Pages/default.aspx


FIG. 5.6-Diagrama de bloque de una estación terrena transmisora DBS-TV (Ref. 10)

Instalación de antenas para DBS-TV.



RADIO DIGITAL

Los Servicios por Radio de Audio Digital Satelital ( Satellite Digital Audio Radio

Services – SADARS) funcionan de la siguiente manera: una estación de radio transmite

desde tierra al satélite ráfagas continuas de información que contienen básicamente la

programación (muchos canales de audio). La información es recibida por los satélites,

vuelta hacia la tierra donde automóviles provistos de una pequeña antena conectada a un

radio receptor satelital, serán capaces de decodificar la señal de radio.

Los satélites SDARS tienen transpondedores con alta potencia para compensar la

baja ganancia de la antena omnidireccional de los automóviles.

Como ejemplo de este tipo de satélites mencionemos a los satélites Rock y Roll,

propiedad de la empresa XM Satellite Radio Inc. la cual posee estos dos satélites GEO a

85ºW y a 115ºW, cada uno transmitiendo en una banda ancha separada de 3.7 MHz en los

rangos de frecuencia de 2332.5 y 2336.5 MHz y 2341-2345 MHz. Tienen dos

transpondedores de 16 tubos de ondas progresivas de 228 W, mas 6 de reserva, generando

cerca de 3000 W de RF. Se diseñaron para 15 años y fueron lanzados desde Sea Lunch (

cohete Zenith 3SL).

Otra empresa, Sirius Satellite Radio tiene tres satélites (Radiosat 1/3) igualmente

espaciados en una órbita elíptica polar centrada en una longitud de 100º W con su apogeo

sobre Norteamérica- Los satélites operan en la banda de 2320-2324 MHz y 2328.5-2332.5

MHz. La orbita elíptica da mayor ángulo de elevación que un GEO, esto es deseable en

ciudades para minimizar el bloqueo debido a edificios altos, aun cuando se requiere handoff

entre satélites. Dos de estos satélites están transmitiendo 16 horas en cada 24 h a usuarios

(un satélite siempre presente). Ver fig. 5.7.




Fig. 5.7- Huella de los satélites Sirius

(Ref: http://satelliteradio.digitalinsurrection.com/siriusradio/sirius_radio.php

La modulación usada en radio digital es TDM-QPSK, enviando señales múltiples

como una ráfaga de data digital de alta velocidad, usan codificación concatenada para

control de error.

Otra empresa que transmite audio digital es Worldspace. Usan dos satélites GEOs:

AfriStar (lanzado en 1998) y AsiaStar (lanzado en el 2000) para difundir canales de audio

digitales a usuarios alrededor del mundo. Cada satélite tiene 3 haces y cada haz es capaz de

de enviar hasta 80 canales directamente a radios portátiles. Además de música, deportes y

entretenimiento proveen servicios de alertas,enterga de datos, estado del tiempo,

aprendizaje a distancia y difusión por la red (webcatings – distribuir información basada en

la web vía satélite a los usuarios). Ver fig. 5.8.

Fig. 5.8- Cobertura de los satélites AfriStar y AsiaSat

Ref: www.1worldspace.com/

http://satelliteradio.digitalinsurrection.com/siriusradio/sirius_radio.php


Las tres compañías mencionadas tienen su sede en USA y ambas ofrecen entre 80 y

160 canales de audio digital.

SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS)

El sistema GPS es una red de posicionamiento por radio ubicada en el espacio que

da a los usuarios, con equipos apropiados, una alta exactitud en posición, velocidad y

tiempo.

Consiste de 24 satélites en órbita MEO a una altura de 20200 km con una

inclinación orbital de 55º, están agrupados en grupos de 4 llamados constelaciones y cada

una de éstas separadas 60º en longitud. Ver fig.5.9. El período orbital es casi la mitad de un

día sideral (11h 58 min) de tal manera que el mismo satélite (por ejemplo el No. 21)

aparece en la misma posición en el cielo dos veces cada día. En todo momento un receptor

GPS ubicado en cualquier parte del mundo puede recibir señal de hasta 4 satélites, gracias

a la órbita en que se encuentran.

Fig. 5.9- Constelación de satélites GPS.

(Ref. http://www.colorado.Edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html

Los satélites tienen una vida útil de 10 años, pesan 1877 kg, se tienen hasta 6

satélites en órbita actuando como repuesto, son propiedad de los Estados Unidos.

Estos satélites utilizan antenas helicoidales que dan una ganancia hacia la Tierra y con

transmisores de 10 W de 19 a 27 dBW (PIRE)


http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html


Aún cuando el principio por el cual el GPS ubica a un receptor es simple, con solo

medir con bastante exactitud el rango de tres satélites, la implementación de esta

medición con esa exactitud requerida es un proceso complejo. El rango se mide por

medio del retardo que transcurre la señal del satélite en viajar desde el satélite al receptor.

Para medir este retardo en el tiempo debemos conocer el instante preciso en el cual la señal

se transmitió y debemos tener un reloj en el receptor que está sincronizado al reloj del

satélite. Por esto, cada satélite GPS carga 4 relojes atómicos ( dos de rubidio y dos de cesio,

con exactitudes de 1 en 1011) que se calibran con estándares del tiempo en las estaciones

de control alrededor del mundo (Hawai, Colorado Springs, La Isla Ascensión en el

Atlántico, Diego García en el Indico, Kwajalein en el Pacífico; desde aquí se realizan las

mediciones cada 1.5 segundos). El resultado de esto es un tiempo GPS, un tiempo

estándar disponible en cada satélite GPS. Dado que es muy costoso incluir en cada GPS un

reloj atómico, en su lugar se usa un oscilador de cristal con exactitud de 1 en 106.

A los relojes de los receptores se les permite tener una desviación ( offset) relativa

al reloj del satélite GPS, de tal manera que cuando se hace una medición de retardo en el

tiempo, ésta tendrá un error causado por la desviación del reloj (clock offset) . esto es, si el

reloj del Rx tiene una desviación de 10 ms relativos al tiempo del GPS, entonces todas las

mediciones de distancia tendrán un error de 3000 km (d = v.t). En consecuencia, hay que

eliminar este error del reloj del receptor para poder hacer una medición exacta de posición.

El código C/A en el Rx puede sincronizar su reloj interno al tiempo del GPS dentro de

170 ns, correspondiente a una incertidumbre en la medición de distancia de 50 m y aun

menor.

Una de las fortalezas del sistema GPS es poder eliminar este error para ello se

requiere la medición del tiempo de otro satélite, para completar 4 satélites. Al error del

offset del reloj se designa con la letra τ , el cual es una incógnita más en un sistema de

ecuaciones que se resuelve para ubicar al Rx. Estas ecuaciones son:

a) La ecuación del pseudo rango. Se mide del retardo del tiempo de propagación Ti entre el

satélite ( el número i) y el receptor GPS, con c la velocidad de la luz.

TixcPRi =



b) La distancia R entre dos puntos A y B en un sistema de coordenadas rectangulares es:

( ) ( ) ( 2222

BABABA zzyyxxR −+−+−= )

c) Las 4 ecuaciones que relacionan el pseudo rango al tiempo de retardo, donde el error del

reloj del receptor (offset o bias) se denota con la letra .τ ( Intencionalmente no se

completaron las ecuaciones, para que las variables que falten las coloque el lector).

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) (( ) ( ) ( )( ) +−

+−+−

−=−+−+−

−=−+−+−

24

23

23

22

22

22

22

21

21

21

21

x

x

yx

Zyx

UX

ZUyYUX

cPRUzZUYUX

cPRUZUYUX

τ

τ

)

El origen del sistema de coordenadas rectangulares del receptor y de los satélites es

el centro de la tierra y se le llama sistema de coordenadas tierra fija y centrada (ECEF), que

rota con la tierra, el cual es parte de la descripción de la tierra del Sistema Geodésico

Mundial (World Geodetic System 84; WGS-84).

WGS-84 es un sistema de coordenadas geográfico mundial, que data desde 1984, el

cual permite localizar cualquier punto de la tierra (sin necesitar otro de referencia) por

medio de tres unidades dadas. WGS-84 es una descripción acordada internacionalmente de

la forma y parámetros de la tierra, desarrollada de observaciones en varios países. Los Rx

GPS usan los parámetros del WGS-84 para calcular las órbitas de los satélites GPS con la

exactitud requerida para las mediciones precisas del rango de los satélites. El eje Z del

sistema de coordenadas está dirigido a Polo Norte de la tierra y los ejes X y Y están en el

plano ecuatorial. El eje X pasa por Greenwich y el eje Y pasa por el meridiano de 90º.

Las coordenadas del receptor son Ux, Uy, Uz y los 4 satélites tienen coordenadas

Xi (i = 1, 2, 3, 4). La distancia medida al satélite i se llama pseudo rango PRi porque usa el

reloj interno del receptor para hacer una medición de tiempo que incluye errores causados

por el Offset del reloj del Rx. Ver fig.5.10.



PRi = Ti . c

Satélite 1 2 3 4

correlacionando

Fig.5.10-Medición de seudorangos PRi=Ti.c

Cada satélite envía una ráfaga de datos la cual aprovecha el Rx para calcular las

coordenadas del satélite relativas al centro de la tierra (Xi, Yi, Zi) y luego resuelve las 4

ecuaciones no lineales (por los términos al cuadrado) para las 4 incógnitas. Estas 4

incógnitas son la ubicación del receptor GPS (Ux, Uy, Uz) relativa al centro de la tierra y a

τ .

La posición del Rx en referencia a la superficie de la tierra, puede presentarse en

latitud, longitud y elevación.

En la fig. 5.11 se muestra el diagrama de bloques de la generación de señales en un

satélite GPS. Todos ellos transmiten una secuencia de códigos pseudoaleatorios (PN)

modulados (se usa espectro expandido secuencia directa para resistir interferencia y

jamming) por una portadora en banda L; el código C/A (coarse adquisition code) y el

código P (precisión). Las frecuencias corresponden a: L1 = 1575.42 MHz y L2 = 1227.6

MHz. Estas son las dos únicas frecuencias que transmiten los satélites GPS. Los

transmisores modulan en BPSK a la portadora. Los satélites se identifican por el uso de su

secuencia de código único transmitido. Cada satélite transmite un código propio el cual lo

reconoce el receptor GPS. El ancho de banda para los códigos P es de 20 MHz y de 2 MHz

para el código C/A. El regamiento de la potencia de la portadora es +/- 10.23 MHz (de la

frecuencia central). Los códigos P y C/A son predecibles relativos al inicio de la

secuencia del código; en consecuencia, el Rx usuario puede reproducir el mismo código

que envía el satélite (calculado por el procesador del receptor GPS del usuario).



Fig. 5.11- Generación de señales en un satélite GPS (Ref.5-1)

El código C/A (código Gold) generan 1023 millones de chips/s y los P 10.23

millones de chips/s. La portadora L1 es modulada por los códigos C/A y P, mientras que la

portadora L2 es modulada solo por los códigos P.

Mencionamos arriba que para medir el retardo, el Rx compara la secuencia de bits

recibidas de un satélite con la versión generada internamente. Si el retardo es de 1% del

ancho de un pulso C/A (un bit) esto es 0.01/1.023x106/segundo = 10 nanosegundos. Como

la señal se propaga a la velocidad de la luz, este tiempo representa una distancia de 3

metros. Mil ms (1000 ms) dan una ambigüedad de 300 km. La exactitud en la posición se

puede mejorar por un factor de 10 usando una señal P con una velocidad de chips más alta,

o sea:

[0.01 x 3x108 m/s]/10(1.023x106/s = 30 centímetros!

Veamos ahora lo que es el tiempo de adquisición. El receptor GPS debe encontrar

el tiempo de inicio del código C/A para cada uno de los cuatro satélites que requiere para su

funcionamiento; esto lo hace correlacionando la señal recibida con los códigos C/A

almacenados, igual que como se hace con los sistemas de espectro expandido secuencia

directa. Ver fig.5.10. Una vez obtenida la correlación, la ráfaga de datos (llamado mensaje



de navegación) de ese satélite el receptor comienza a leer. Como esta ráfaga de datos

contiene información (los ID) de de los satélites adyacentes, una vez que una señal ha sido

correlacionada, el Rx no necesita buscar los otros códigos para encontrar el satélite

siguiente, va directamente al código correcto (las identificaciones o ID se conocen de la

data transmitida en el mensaje de navegación de cada satélite). El Rx puede tomar 1

segundo para buscar todas las 1023 posiciones de un código C/A de 1023 bits, de tal

manera que en un caso típico, puede tomar 15 s para adquirir el primer satélite, los demás

satélites se adquieren en unos cuantos segundos más. En 20 segundos en promedio se

consigue el código C/A de un satélite, el receptor tiene que encontrar el corrimiento de la

frecuencia Doppler de al menos un satélite antes de que ocurra la correlación.

El receptor GPS necesita buscar el corrimiento Doppler debido a que la posición

del Rx relativa a los satélites no es conocida; sin embargo sus códigos C/A si lo son.

La velocidad de los satélites es de 3865 km/s, el ancho de banda teórico del código

C/A del Rx es de 1023 MHz. El ángulo entre el vector velocidad y un Rx sobre la tierra es

de 76.1º cuando el satélite está en el horizonte, de tal manera que la máxima componente de

la velocidad hacia el Rx es de vr = 928 m/s (v = vsat . cos ángulo), lo cual da un

corrimiento Doppler en la señal L1 de vr /λ = 4872 kHz, ignorando el efecto de la rotación

de la tierra.

Si el satélite está a 5º antes de que se use para una medición de posición el

corrimiento es de +/- 4 kHz. Cuando se enciende el Rx GPS éste tiene que enfrentarse a 8

corrimientos de frecuencia Doppler de +/- 4 kHz en etapas de 1 kHz cuando esté buscando

la señal de un satélite lo cual aumentaría el tiempo de adquisición en varios minutos.

En conclusión, existen 8 corrimientos Doppler para cada señal y 1023 posiciones

posibles para el código, esto da 1023 x 8 = 8184 estados posibles de la señal que se deben

buscar.

Hemos descrito aquí un proceso de correlación donde se supone que cada satélite se

adquiere secuencialmente, estos son los GPS económicos. Existen otros mas sofisticados

que tienen hasta 12 correlacionadores en paralelo para adquirir satélites en paralelo, lo

cual minimiza el tiempo de adquisición.




Las fuentes de error: la ionosfera introduce un error cuyo efecto es de +/- 5m; el

reloj 2m; la troposfera 0.5m; errores numéricos 1m.

Con el fin de proporcionar una mayor precisión en la posición calculada se usa el

GPS diferencial (DGPS), este es un sistema que proporciona a los receptores de GPS

correcciones de los datos recibidos de los satélites GPS. Para que las correcciones DGPS

sean válidas, el receptor tiene que estar relativamente cerca de alguna estación DGPS;

generalmente, a menos de 1.000 km. La precisión lograda puede ser de unos dos metros en

latitud y longitud, y unos 3 m en altitud.

En el proceso de recepción de la señal, el Rx GPS puede recibir hasta 12 señales de

satélites GPS visibles, lo cual se expresa matemáticamente así:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ] iiidiii

N

iFI ltwwsentDitCAts φφ +−+= ∑

=1

Donde: Ai = amplitud de la señal recibida; Ci(t) = modulación código Gold; Di(t) =

mensaje de modulación; wi = FI de la portadora recibida; wd = corrimiento Doppler de la

señal recibida; ( )ii lφ = corrimiento de fase a lo largo de la trayectoria; Iφ = ángulo de fase

de la señal transmitida.

En la fig. 5.12 se muestra un el diagrama de bloque simplificado de receptor GPS.

Obsérvese que es un receptor superheterodino que se usa para genera una FI de ancho de

banda 2 MHz, la cual se muestrea utilizando las técnicas de muestreo I y Q para luego ser

procesadas digitalmente.

Fig. 5.12- Diagrama de bloques simplificado de un receptor GPS (Ref. 10).


Los niveles de señal disponibles en tierra de los satélites GPS es del orden de -160 dBW,

GLONASS es otro sistema de navegación desarrollado por Rusia, son 24 satélites en

tres planos orbitales con 8 satélites cada uno siguiendo una órbita circular inclinada 64.8º

con un radio de 25510 km. La altura de esta constelación es 19100 km, tardan 11h 15m

para completar una órbita ( el período es de 676 minutos). Los satélites pesan 1400 kg y

van a ser reemplazados por otros de 700 kg, esto permitiría lanzar 6 al mismo tiempo en un

impulsor Protón. La separación de los planos orbitales es de 120º.Además de emitir las

señales L1 (1602 MHz) y L2 (1246 MHz), envían una L3 para radionavegación

aeronáutica. La codificación no usa CDMA sino FDMA, la frecuencia del código C/A es de

0512 y el código P es de 5.11.

GALILEO, El sistema Galileo será otro sistema de navegación y posicionamiento

que surge como una iniciativa europea, estará formado por una constelación mundial de 36

satélites en órbita terrestre media distribuidos en tres planos inclinados con un ángulo de

56º hacia el ecuador, a 23616 km de altitud. Serían 10 satélites por plano y cada uno tardará

14 horas para completar la órbita de la Tierra. Operarán en la banda de 1164-1610 MHz,

con un peso de 680 kg y potencia de 1.5 kW, estabilizados en sus tres ejes..



EL SATELITE VENESAT-1 (SIMON BOLÍVAR)

El satélite VENESAT-1 es el primer satélite propiedad del Estado venezolano.

Fue lanzado desde China el día 29 de octubre de 2008 y es administrado por el

Ministerio del Poder Popular para la Ciencia y Tecnología a través de la Agencia

Bolivariana para Actividades Espaciales (ABAE) y Operado por CANTV. Es un satélite

geoestacionario posicionado en la orbita espacial 78° W, esta basado en la plataforma

satelital geoestacionaria DongFangHong 4 (DFH-4), diseñado para una vida útil de 15

años y opera en banda C, Ku y Ka en ambos sentidos transmisión y recepción. Ver

fig.5.13.

Fig. 5-13.- Plataforma DFH-4. (Ref:http://space.skyrocket.de/index_frame.htm?http://space.skyrocket.de/doc_sat/ch__dfh-4.htm

Sus dimensiones son de 3.6 m de altura, 2.6 m en su lado superior y 2.1 m, esto

complementado con dos paneles solares de 15,50 m cada uno. Pesa aproximadamente 6000

kg. Es un sistema mediano con una Carga Útil de 28 transponders.

Para la comunicación consta de 4 antenas (una para banda este Ku, otra banda oeste

Ku, una para banda C y otra para banda Ka), 12 transpondedores en banda Ku, 14

transpondedores en banda C y 2 transpondedores en banda Ka.



El intervalo de frecuencia en banda C en transmisión es de 6.045-6.425 Ghz, en recepción

de 3.820-4.200 Ghz. Los canales son de 40 Mhz de separación entre la frecuencia central de

canales adyacentes, con ancho de banda de 36 MHz. Ver Tabla 5.1.

Tabla 5.1- Plan de frecuencias banda C:

En la banda Ku: Esta banda tiene dos haces, la huella del haz norte abarca a Venezuela y el Caribe y

el haz sur Bolivia, Uruguay y Paraguay. Ver fig. 5.14.

La banda Ku es en recepción de 14.08 – 14.5 GHz; en transmisión 11.7 – 11.95

GHz. Los canales son de 60 MHz de separación entre la frecuencia central de los canales

adyacentes, con ancho de banda de 54 MHz/canal.

Plan de frecuencia del haz norte banda Ku.

Plan de frecuencia del haz sur banda Ku.



Fig.5.14--Cobertura del Vensat-1

La banda Ku es en recepción de 14.08 – 14.5 GHz; en transmisión 11.7 – 11.95

GHz. Los canales son de 60 MHz de separación entre la frecuencia central de los canales

adyacentes, con ancho de banda de 54 MHz/canal.

Plan de frecuencia del haz norte banda Ku.

Plan de frecuencia del haz sur banda Ku.

En la banda Ka:

En recepción es de 28.8 a 29.1 GHz y en transmisión es de 19.0 a 19.3 GHz. Los

canales son de 150 MHz de separación entre la frecuencia central de canales adyacentes,

con ancho de banda de 120 MHz/canal.

Para una estación terrena receptora ubicada en Barquisimeto (latitud norte 10º y longitud

oeste 69º) el acimut es de 222º y la elevación de 74º.



Característica De La Estación Terrena. La estación terrena principal o Telepuerto Principal de Control de Operaciones y

Telepuerto Principal de Servicios ubicadado en El Sombrero, Estado Guárico y una

estación terrena o Telepuerto de Respaldo de Servicios ubicada en Luepa, Estado Bolívar.

Estas pueden conmutar actividades desde una a otra. Existe otro Telepuerto Secundario de

Servicios y Telepuerto Escuela que es el actual Teleouerto ubicado en Camatagua.

En la estación terrena de El Sombrero existen 9 antenas en total, algunas se usarán

para el telepuerto y para el Sistema de Control en Tierra (Ground Control System) del

segmento espacial, que incluye la estación de telemedida, telemando y seguimiento.Ver

fig.5.15.

Fig. 5.15-Estación Terrena de de Control (Telemando, Telemedida y Seguimiento, TTC)

La estación terrena de Control de Respaldo está equipada para actuar y recibir el

mando de la estación principal en caso de alguna contingencia, recibe en tiempo real

información referente a los datos de telemedida y telemando que fueron registrados por la

Estación Terrena de Control tiene dos antenas en banda C con diámetros de 5 y 13 metros.

Entre las funciones de la estación terrena de control están la de supervisar el

funcionamiento del Vensat 1 durante toda su vida útil, hacerle seguimiento en posición

angular y distancia, las de telemedida y telemando, supervisión de las funciones de

telecomunicación de las portadoras en los diversos transpondedores, activar o modificar las

configuraciones alternativas de operación respecto a la conectividad y cobertura.



Antenas para banda C, en la estación terrena:

Las antenas para banda C son tipo Cassegrain; apertura de 13 m; polarización en

transmisión es LHCP/RHCP y en recepción RHCP/LHCP; la exactitud en posicionamiento

es 0.05º y en seguimiento 0.01º; su relación G/T > o igual a 31 dB/K a la frecuencia de

recepción 4 GHz y el PIRE es > o igual a 88.5 dBW a la frecuencia de transmisión 6 GHz;

TLNA es de 33ºK con potencia de salida de los HPA 3000 W y de los SSPA 100W.

Antenas para banda Ku, en la estación terrena:

Antenas para la banda Ku: tipo Cassegrain con apertura de 13 m, polarización de la

antena en transmisión LHCP/RHCP y en recepción RHCP y LHCP; exactitud en el

posicionamiento 0.05º y en seguimiento 0.030º; la relación G/T es mayor o igual a 39.0

dB/K (para 11.5 GHz y elevación mayor de 20º; el PIRE es mayor o igual a 86.0 dBW

para la frecuencia de 14 GHz.; TLNA es de 90K; HPA es de 750 W.

Antena para banda Ka, en la estación terrena:

Las antena para la banda Ka es tipo Cassegrain de 9 m y la exactitud en

posicionamiento es de 0.035º y en seguimiento 0.02º; TLNA es de 180 K y HPA es de 250

W. La relación G/T es de 37 dB/K.

PIRE y G/T para banda C:

El PIRE es de 33.3 dBW (con SSPA) y de 38 dBW (con TWTA) en el enlace

descendente; en el enlace ascendente G/T = -5dB/K (con SSPA); G/T = -5 dB/K (con

TWTA).

Beneficios para la nación

• Llevar la educación y la salud hasta las regiones más remotas, en donde no existen

redes terrestres.

• Cubrir las necesidades nacionales de movilización de tráfico de telecomunicaciones

digitales.

• Ofrecer los servicios de telefonía, fax e Internet.



• Implementar programas de telemedicina (proyecto que permitirá dar un diagnóstico

a distancia) y tele-educación (sistema que permitirá el intercambio académico

satelital con universidades del mundo, dándole cabida a un nuevo concepto

educativo).

• Apalancar la universalización de los servicios de telecomunicaciones con sentido

social y el desarrollo de la nueva geopolítica nacional.

• Posicionamiento de vanguardia tecnológico de CANTV en la región por el uso de

banda Ka.

• Apoyo a las naciones de la región, privilegiando a los integrantes del ALBA

• Desarrollar el talento humano nacional en el área satelital.

Proyecto piloto de Teleducación y Telemedicina en el estado Delta Amacuro

Contribuirá con el desarrollo integral, inclusivo y participativo de los ciudadanos y

ciudadanas de las comunidades del Municipio Antonio Díaz del Estado Delta Amacuro,

mediante la aplicación de programas de educación y de salud, a través de las tecnologías

satelitales.

REDES VSAT

Los sistemas de terminal de muy pequeña apertura son de baja capacidad de

transmisión de data (uni o bidireccional), se utilizan en servicios de difusión de TV o de

sonidos digitales, donde usualmente el usuario está conectado directamente a la estación.

Están equipadas con antenas de 0.6 a 2 m de diámetro ya que operan en banda Ku con

potencias en los transmisores del orden de 1 a 2 W. La introducción de la banda Ka permite

unas dimensiones más pequeñas de las antenas (terminales de apertura ultra pequeña

USAT) para prestar servicios de mas alta capacidad de data, interactividad de multimedia,

conexiones a Internet tanto residenciales como empresariales, videoconferencias de dos

vías, aprendizaje a distancia y telemedicina.



Las estaciones terrenas de los sistemas VSAT usualmente se organizan en redes

estrellas, en la cual las estaciones terrenas se conectan a una central (estación maestra) o

estación hub a través de un satélite GEO. Ver fig.5.16.

Hub

2

VSAT n

1

3

Fig. 5.16- Red VSAT en estrella de dos vías, representación simplificada.

La conexión la realizan con dos enlaces de RF, uno llamado enlace ascendente y

otro descendente por los cuales se transmite la información, modulando una portadora. El

enlace de la hub a la VSAT se llama enlace saliente (outbound ) y aquellas de las VSATs a

la hub enlaces entrantes (inbound). Ambos enlaces, los entrantes y los salientes, consisten

de dos enlaces el ascendente ( o de subida) hacia el satélite y el descendente ( o de bajada)

desde el satélite. Ver fig.5.17.



F.Ferrer L. UNEXPO –VRB 2005

INBOUND 2

INBOUND 1(INROUTE)

GEO

VSAT n

Outbound 2

(OUTROUTE)

Outbound 1

SISTEMAS VSAT

HUB

Fig. 5.17.-Arquitectura de una red VSAT

Existen dos tipos de redes VSTAs en estrella, las que transmiten y reciben (soportan

tráfico interactivo) y las que solo transmiten (soportan servicio de difusión).

En las primeras, o modo de doble vía, existe comunicación desde el hub al usuario

y desde éste hacia el hub utilizando el mismo satélite. La arquitectura puede ser en malla o

en estrella.Ver fig. 5.18.

vs

vs

vs

vsa

Fig.5.18.- Representación simplificada de una red VSAT tipo malla.

Se transfieren paquetes de 50 a 250 bytes tanto en los enlaces entrantes o en ruta

(inbound o inroute) como en los enlaces salientes (outbound o outroute). Ejemplos:

transacciones bancarias, transferencias de fondos en puntos de ventas. Los sistemas de



supervisión SCADA (donde se requiere niveles de seguridad alta de la data transmitida)

son también un ejemplo, aquí se realiza una transacción por segundo o un minuto por

terminal; los paquetes entrantes son del orden de 100 bytes mientras que los salientes

(outbounds) son del orden de 10 bytes.

En las que solo transmiten se usa el satélite para difusión (difusión en banda

angosta o narrowcasting) conocido como servicio del satélite para difusión (BSS).

Utilizando un software propietario en las terminales de varios usuarios se puede accesar

parte del enlace descendente por diferentes suscriptores de acuerdo al programa ordenado

desde quien presta el servicio y pagado por el usuario. Pueden existir grupos pequeños de

recepción dentro de un área grande de difusión. Ejemplos de éstas son distribución de data

a sitios remotos, bajar datos a una computadora. Este tráfico no es sensible al retardo pero

se requiere una alta integridad en la data transferida.

Otro tipo es el llamado de dos vías o IP compartida: La implementación se usa

cuando no hay un canal de retorno normal, como por ejemplo, un servicio de satélite de

difusión en banda Ku que lleva tráfico de Internet. Aquí existe una ráfaga relativamente

alta en el enlace de bajada que no se complementa con capacidad de un enlace de subida

desde la terminal del usuario. El retorno se hace a través de un canal telefónico el cual casi

siempre es de baja capacidad. La ventaja de este método es que el costo de la terminal

VSAT es pequeño ya que no tiene capacidad de transmitir.

Las antenas que se usan son reflectoras con foco descentrado, Casegrain o

Gregorian que pueden ser para la hub de de 4 a 11 m de diámetro con mayor ganancia que

aquellas de una VSAT típica ( de 0.6 a 1.8 m).

Los estándares de INTELSAT para las antenas VSATs son:

a) Banda C: relaciones G/T van desde 22.7 (con diámetros de 3.5 a 5m) a 15.1 dB/K (

con diámetros de 1.8 m),

b) Banda Ku (11 GHz): Relaciones G/T van desde 25 dB/K ( diámetros de 2.4 a 3.5

m) hasta 19.8 dB/K ( diámetros de 1.2 m).

Las velocidades de transmisión de datos van desde unos cuantos bits hasta 256 kbps,

dependiendo de los requisitos de tráfico. Voz sobre IP es otro servicio a través de estas



redes, ya que algunas se ajustan para tráfico de voz acopladas a la velocidad de la voz

digitalizada.

El usuario el usuario accesa al satélite usando el modo acceso múltiple por demanda

(DAMA) cada vez que requiera enviar un mensaje obteniéndose luego la respuesta , como

por ejemplo en los puntos de venta.

La mayoría de las redes VSAT no generan suficiente tráfico para justificar un satélite

dedicado y muchos ni siquiera tienen tanto tráfico como para llenar el transponder de un

satélite, por esta razón muchas redes VSAT se diseñan utilizando un transponder alquilado

o una fracción de un transponder en caso que la red sea muy pequeña.

Los factores a tomar en cuenta a la hora de alquilar un transpondedor son, entre otros: el

Proveedor del segmento espacial (Panamsat, Intelsat, New Skies, Eutelsat, Satmex) , la

posición geográfica del satélite, la relación G/T, PIRE, el ancho de banda, banda de

frecuencia, conectividad de los haces, la ventaja geográfica, tiempo de arrendamiento

(horas, días, semanas, mese, años).

Las redes VSAT tienen controladores en sus terminales a cada lado del enlace y éstos

ocupan no solo la primera capa del modelo de siete capas de la Organización de Estándares

Internacional que especifica la interconexión de sistemas abiertos (ISO/OSI) sino que

ocupan también la capa de red y la capa de enlace. Es la capa de red la que controla, la

mayoría de las veces el sistema y es responsable de las capas restantes. El protocolo IP de

cinco capas coloca las tres primeras, mencionadas arriba, en una sola. Estas transmisiones

de data en su mayoría usan transmisión por paquetes, con direccionamiento, bits de paridad

para control de errores y alguna otra información útil antes de la transmisión. En el

extremo receptor del enlace se chequean los paquetes para detectar errores y se envía una

señal de confirmación (ACK) de que el paquete se recibió correctamente o una señal de no

confirmación (NAK) que le indica al transmisor que reenvíe un determinado paquete ya

que llegó con error. Algunos sistemas no envía sino el NAK para aumentar así la velocidad

en la transmisión. Este es el método de control de errores usado en el protocolo de Internet

TCP/IP. A este sistema se le conoce como repita la respuesta automáticamente ARQ.



¿Arquitectura en malla o en estrella?

La respuesta depende de: el retardo en la transmisión, la estructura del flujo de

información dentro de la red y la capacidad y calidad requerida del enlace.

Ejemplo: Si lo que se requiere es difusión (broadcasting), una red en estrella prestaría

bien este servicio y además es de bajo costo (el retardo en la transmisión sería de 0.25 s y la

PIRE y la relación G/T serían pequeñas). Si se requiere es interactuar con usuarios, caso de

una compañía con estructura descentralizada se podría usar una red mallada usando

conexiones de un solo salto de VSAT a VSAT; otra manera sería una red estrella de dos

vías de dos saltos de VSAT a VSAT pasando por la hub (en este caso el retardo en la

transmisión de información sería de 0.5 s y la PIRE y la relación G/T deben ser altas).

TÉCNICAS DE ACCESO USADAS EN REDES VSAT

Dependiendo de las aplicaciones que se requieran y del ambiente en interferencias

potenciales se selecciona el método de acceso entre: FDMA, TDMA y CDMA para las

redes VSAT.

FDMA ofrece generalmente el mas bajo costo desde la perspectiva del usuario ya

que el ancho de banda del receptor y la potencia de transmisión requerida son bajas. Estos

sistemas cargan un tráfico reducido, típicamente el equivalente a un canal digital de voz 64

kbps. El ancho de banda ocupado de un canal de RF que lleva una señal digital con una

razón de símbolos de Rs y usando codificación para control de error con una razón de

código Rc se calcula así:

Boc = Rs (1 + α )/Rc Hz

Donde α es el factor de caída ( roll-off) del filtro coseno elevado usado en el enlace.

Por ejemplo, si en un enlace usando modulación QPSK un mensaje de información de 64

kbps se traduce en una razón de símbolos Rs de 32 kbps (ya que en QPSK son 2 bits de



información por cada símbolo transmitido) .Si el mensaje se codifica con FEC de ½, Rc =

½; usando α de 0.5 entonces el Boc es de:

Boc = 32 kbps (1+0.5)/1/2 = 96 KHz.

O sea que una VSAT que requiera transmitir una ráfaga de 64 kbps de data usando

QPSK, con FEC de ½ y α de 0.5 necesita un B de RF de 96 KHz teniendo un receptor con

ruido de ancho de banda de 64 kHz. Nótese que aún cuando el filtro incrementa el espectro

no aumenta el ancho de banda de ruido.

En los sistemas FDMA hay que agregar bandas de guardia para que las señales

adyacentes no se solapen en frecuencia en el satélite y para permitirle a los filtros en el

receptor que extraigan los canales individuales. Dado que la frecuencia del oscilador

fundamental puede tener un corrimiento en frecuencia es necesario diseñar las bandas de

guardia grandes de tal manera que el ancho de banda en el satélite en realidad viene a ser

del orden de 120 kHz para un canal de voz de 64 kbps.

Canal entrante (inbound)

HUB

Canal 64 kbps

DecFEC DemQPSK FI Rx

A otros canales VSAT

Fig. 5.19.- Sistema FDMA estrella para accesar al satélite usando canales de 64 kbps.

En la figura 5.19 arriba se muestra el procesamiento de una canal de voz equivalente

a 64 kbps desde la VSAT al hub via satélite, a este canal se le conoce como inbound o en

ruta (inroute). La transmisión de RF al satélite desde la VSAT tiene una frecuencia que cae

dentro del ancho de banda de un transponder específico del satélite. Si el satélite no tiene

OBP, retransmitirá los múltiples canales VSAT en el enlace descendente con la misma

canalización que en el enlace ascendente. En el ejemplo de la figura 5.18, se usa un



transpondedor de 36 MHz de ancho de banda por el que se podrían transmitir 300 canales

hacia la hub o a otras VSAT en la red. Si la red VSAT opera en el modo de malla, cada una

de ellas debe tener un sintetizador de frecuencia que permita seleccionar cualquiera de los

300 enlaces de bajada y además, la red tendrá debe tener control que le diga a cual terminal

a cual frecuencia debe transmitir y recibir. Es más usual que las redes VSAT usando

FDMA trabajen en configuración estrella. La estación terrena hub se diseña para que

reciba todos los 300 canales de bajada. La señal digital en cada canal se recupera y también

se lee la dirección de tal manera que la hub puede enviar la información al usuario. En

caso de que el usuario sea de una red externa a la VSAT la información enviada pasa a

través de equipos de interfaz de la hub a la red telefónica pública (PSTN).

El enlace de retorno de la hub al satélite, y de allí a la terminal individual VSAT ,

no se envía normalmente como varios canales de banda angosta FDMA ; en muchos

casos, el canal de retorno desde la hub a la terminal VSAT , llamado outbound o fuera de

ruta (out-route), se envía dentro de una ráfaga de banda ancha en formato TDM. En la

ráfaga TDM, las señales para las VSAT individuales separadas y de baja velocidad se

ensamblan en un formato predeterminado de tal manera que cada VSAT pueda extraer la

información requerida destinada para cada VSAT.

Cuando se calcula el balance del enlace en el diseño de un sistema FDMA se debe

tener cuidado de colocar la potencia de transmisión correcta por canal de tal manera que la

densidad espectral de potencia sea la misma para cada canal. Por ejemplo, si un transponder

de 54 MHz opera con una potencia de salida de 54 Watts, la densidad espectral de potencia

a la salida del transpondedor es de 1 Watt por MHz. Un canal inbound de bajada de 120

KHz transmitido por el satélite tendría un nivel de potencia de transmisión de (120 KHz/54

MHz) x 54 W = 120 mW. El nivel de potencia de transmisión se multiplica por la ganancia

de la antena en la dirección del hub (menos las pérdidas) para que nos de la pire, por canal

de 120 KHz.

Al operar un transpondedor usando FDMA con un gran número de canales de RF

simultáneamente se requiere un elevado back off ( de 3 a 7 dB) en éste a objeto de tener

una operación casi lineal. Las no linealidades, como se estudió en el capítulo anterior a



éste, causan productos de intermodulación de tercer orden que degradan la relación C/N en

canales SCPC.

A continuación, pueden profundizar este tema (TEMA V), consultando las


(5-1) Clarke, Bill (1994) Aviator’s Guide to GPS, New York,McGraw Hill, Tab Book Division. www.1worldspace.com/ http://www.dbstv.com/coverage/Hispasat1Chttp://satelliteradio.digitalinsurrection.com/siriusradio/sirius_radio.phpwww.1worldspace.com/ http://www.colorado.Edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.htmlhttp://space.skyrocket.de/index_frame.htm?http://space.skyrocket.de/doc_sat/ch__dfh-4.htm


http://www.dbstv.com/coverage/Hispasat1C

http://satelliteradio.digitalinsurrection.com/siriusradio/sirius_radio.php

http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html

http://space.skyrocket.de/index_frame.htm?http://space.skyrocket.de/doc_sat/ch__dfh-4.htm

http://space.skyrocket.de/index_frame.htm?http://space.skyrocket.de/doc_sat/ch__dfh-4.htm

ANEXO TEMA V: EJEMPLO

ANEXO TEMA V

Ejemplo: Red VSAT en estrella. Dados los datos siguientes calcular la carga del transpondedor, la relación C/N)total y los BER. Datos. Distancia al satélite desde todas las estaciones= 38500 Km Potencia máxima del transmisor (Tx) = 200W, Gant Tx(14 GHz)= 50 dB; Gant Rx (11.7

GHz)= 48.5 dB; BW ruído=128 KHz; T ruido RX (ciel desp)= 150K

Potencia Tx= 2 W; T ruído Rx (cielo desp)= 150 K; Gant Tx= 41.5 dB; en Rx= 40 dB; BW

ruido sistema Rx= TBD. Diam. Ant= 1 m.

Se usan dos transponders, banda Ku potencia = 20 W, BW= 54

MHz/transp.Truido entrada transpondedor = 500 K. G ant, Tx/Rx= 34 dB

Pérdidas atmosféricas cielo desp:A 14 GHz= 0.7 dB; a 11.7 GHz= 0.5 dB.

Otros datos:

1.-Cada VSAT envia y recibe 64 Kbps hacia y desde el HUB.

2.- 64 Kbps via este enlace INBOUND 1 se envian al HUB, usando BPSK,FEC=1/2 dando

una veloc en el Transp 1 de 128 Kbps

3.- El BW de RF ocupado de cada canal VSAT es 160 KHz, correspondiente a un filtro

RRC alfa = 0.25.El enlace INBOUND usa SCPC-FDMA con canales de RF espaciados

200 KHz y Bguardia= 40 KHz. entre canales

4.-Desde el HUB a las VSATs se envía data como paquetes continuos TDM usando el

Transp. 2, BPSK, FEC = ½.



Procedimiento:

1.- la carga del transponder ( número de canales que pasan a través del transponder en los

enlaces inbound y outbound)

2.- Hacer los cálculos básicos de los enlaces para luego realizar cambios en los parámetros

de compromiso.

2a.- existen cuatro (4) en laces en un sistema vsat de dos vías.

2b.- cada uno de los 4 enlaces (inbound/outbound) tiene su propio C/N

2c.- el C/N del enlace inbound de subida y bajada se combinan y dan el C/N total en la

sección de FI del receptor de la estación hub.

2d.- el C/N del enlace outbound de subida y bajada se combinan y dan el C/N total en el

receptor de la VSAT

2e.- una vez conocidos los valores C/N, se calculan los BER

Cálculos: 1.- Las pérdidas en el espacio libre: para una distancia de 38500 km,

Frecuencia enlace descendente = 11.7 GHz (λ = 0.02564 m)

Frecuencia enlace ascendente = 14 GHz (λ = 0.02143 m) ; usando : Lp = 20 log (4πR/ λ)

Lp = 207.1 dB (14GHz) y 205.5 dB (para 11.7 GHz)

2.- Potencias de ruido:

2a.- Potencia de ruido en el transponder 1, canales SCPC/FDMA inbound.

Los enlaces inbound de las VSATs que pasan a través del transpondedor 1 tienen una

velocidad de 64 Kbps usando FEC = ½, dando una velocidad de transmisión de 128 kbps,



modulación BPSK, el ancho de banda de ruido es 128 KHz, recuerde que BPSK tiene un

bit/símbolo.

Ts = 500 K ….27 dBK; Bn= 128 KHz…..51.1 dBHz; k = Cte. Boltzman,

Np = k Ts Bn Watts

Potencia de ruído Transp. 1 = Ntr1= -228.6 +27 + 51.1 = -150.5 dBW

2b.- Potencia de ruido en el receptor de la estación hub, canales SCPC/FDMA

inbound:

Estas señales VSATs inbound llegan a la hub después de ser retransmitidas por el satélite.

El ancho de banda de ruido es todavía 128 KHz, ya que cada canal VSAT se recibe por una

FI de recepción separada, en la hub.

La temperatura de ruido del sistema receptor de la hub es :

Ts= 150 K…….21.1 dBK. Nhub = -228 +21.8 + 51.1 = -155.7 dBW 2c.- Potencia de ruido en el transponder 2, canales TDM outbound:

Las ráfagas de bits TDM, del enlace outbound, que sale de la hub hacia las VSATs pasan a

través del transpondedor 2. No todas las VSATs transmiten y reciben simultáneamente de

tal manera que la ráfaga TDM se acomoda a la velocidad de actividad promedio de la red.

Nótese: en este problema de ejemplo, no se ha dicho nada sobre el tamaño de la red.

Supongamos para comenzar un valor de ancho de banda de ruido de 1 MHz en el receptor

de las VSATs.

Esto corresponde a una señal BPSK con una velocidad. de transmisión. de datos en banda

base de 500 kbps, FEC= ½. La ts del transpondedor 2 = 500 Kk…..27 dbk; ancho bande de

ruído del Rx de las VSATs = 1 MHz…..60; la potencia de ruido a la entrada del

transpondedor 2 es:



Ntra2, u = -228.6 + 27 + 60 = -141.6 dBW

2d.- Potencia de ruido en los receptores de las VSATs, canales TDM outbound: cada

una de las VSATsrecibe la trama TDM de la estación hub en un ancho de banda de ruido 1

MHz.

La temperatura de ruido del sistema de los receptores de las VSATs es ts = 150 k…..21.8

dBK

Nvsats = -228.6 + 21.8 + 60 = -146.8 dBW

3.-Relaciones C/N de los enlaces: 3.1.-) de las VSATs a la hub: Cada VSAT transmite a 128 kbps, un caudal de 64 kbps; son bits de mensaje codificados

con FEC= ½ y modulados en BPSK. El caudal de bits de muchas VSATs se reciben vía el

satélite usando receptores con FI separadas para cada canal VSAT. Cada uno de estos

canales separados tiene un ancho de banda de ruido de 128 KHz, numéricamente igual a la

velocidad de símbolos de la señal BPSK.

3.2.-Enlaces inbound (inroute):

Siguiente etapa del diseño:

Desarrollar los balances de los enlaces y evaluar las relaciones C/N de los enlaces

inbound y outbound. Adoptar el diseño del “peor caso” con la VSAT en el contorno de los -

3 dB. del haz del satélite.

Incluir pérdidas por: desalineación de la antena, desacoplamiento en la polarización,

gases en la atmósfera y otros. Si el enlace trabaja bien para las condiciones del “peor caso”

siempre trabajará para cualquier VSAT bajo esa condición



3.2a.- Balance de potencia del enlace ascendente de la VSAT:

Asumiremos que la VSAT está ubicada en el EOC del haz del satélite, en el contorno de

los -3db del patrón de la antena del enlace ascendente del satélite (recepción); la potencia

recibida en el satélite de una sola VSAT, en dB, es:

Pr = Pt + Gt + Gr – Lel – Lpérdidas

Pr = 3 + 41.5 + 34 – 207.1 -3 -0.7 -0.5 = -132.8 dBW

3.2b.- Relación C/N enlace ascendente inbound en el tranponder 1.

Cada VSAT transmite a un receptor separado, en la estación hub, con un ancho de banda

de:. BW receptor hub= 128 khz. a la entrada del receptor del transponder, la potencia

recibida de cada señal portadora VSAT es: -132.8 dbw y la potencia de ruido en el

receptor de cada canal VSAT es -150.5 dBW ( canales inbound SCPC/FDMA); la

relación C/N ascendente en un ancho de banda de ruido de 128 khz es:

C/N = -132.8 - ( - 150.5 ) = 17.7 dB (relación 58.88)

3.2c.- Balance de potencia de los canales VSATs inbound descendente a la hub

Calculemos el balance de potencia para el enlace descendente.

Pr = Pt + Gt + Gr – Lel – LEOC – Latm – L misc

Pr = Pt + 34+ 48.5- 228.5- 1–0.5– 0.5 = Pt – 125.0 dBw

Recuerde que hasta ahora no sabemos el número de canales VSATs ascendentes (inbound)

que comparten el mismo transponder satelital de 54 MHz. Sabemos que la potencia

disponible en el transpondedor es: 20 watts. Supondremos, para este ejemplo, que cada

señal VSAT inbound es retransmitida por el transponder 1 con un nivel de potencia de 1

Watt ( 0.0 dBW); o sea que: Pr = 0.0 dbw – 125.0 dbw = -125.0 dBW

3.2d.- C/N del enlace descendente a la hub desde el transponder 1 del enlace

ascendente. En el receptor de la hub se recibe el inbound desde la VSAT, transmitido

hacia abajo por el transponder 1 del satélite.

BWreceptor hub = 128 kHz.



Potencia de la portadora de la VSAT en la estación hub-125 dBW; potencia de ruido en el

receptor de la estación hub en un ancho de banda de 128 KHz es: -155.7 dBW.

(C/N) inbound hub = -125.0 – ( - 155.7 ) = 30.7 dB…..(relación 1175)

3.2e.- C/N total del inbound en la estacion hub 30.7 dB ….. 17.7 dB

1/((C/N)tot) = 1/((C/N)inb HUB) + 1/((C/N)transp 1)

= 1/((1175)) + 1/((58.88))

= 0.0008511 +0.0169837 = 0.0178348

(C/N) total = (1/0.0178348) = 56.0702824……17.5 dB ( en cielo despejado)

ojo!!!.....observe que el (C/N) del enlace ascendente de la VSAT (de 17.7 dB) domina la

relación (C/N) total del inbound en la estación receptora hub…. debido a la alta relación

(C/N) en el enlace descendente hacia la estación hub

3.2f.- Análisis del lado inbound del sistema VSAT

La potencia sat. de salida del transponder es de 20 w.; las ráfagas de las VSATs accesan al

satélite en el formato SCPC-FDMA, previa amplificación en el transponder 1. Cuando se

usa FDMA, con un gran número de canales simultáneos, la salida del amplificador debe

limitarse (backoff) para evitar los productos de intermodulación; back off típico: 2 a 3 db.

Si: BO = 2 db. …..Pt = 20 w ( 13 dbw) ……13 – 2 = 11 dBw( 12.6 W).

Recuerde que cada canal VSAT se supuso que usa 1 watt de potencia en los enlaces

descendentes; por tanto el transponder puede compartir 11 dBW (12.6 W ) entre un

máximo de 12.6 canales VSATs.

El cálculo de la relación total (C/N)tot en el enlace inbound de la VSAT mostró que la

relación (C/N)tot en la estación hub con cielo despejado era de 17.5 db. Para tener

suficiente margen arriba del umbral del demodulador y así cumplir con los requisitos de

disponibilidad, se supuso previamente un valor de 14 db con cielo despejado.



Por lo tanto hay exceso en la relación C/N del enlace entre la VSAT y la estación hub y es

posible compartir la potencia del enlace de bajada entre un gran número de VSATs y asi

mantener todavía la relación (C/N) total = 14 db.

Análisis del lado inbound del sistema vsat

Usando las relaciones recíprocas de C/N y forzando la relación (C/N)T a ser 14 db,

1/[(C/N)T] = 1/[(C/N)hub] + 1/[(C/N)transp]

Esta relación es fija, C/N ascendente del enlace inbound desde la VSAT por los parámetros

de transmisión de la VSAT es de 17.7 db……(.relación de 58.88).

El C/N mínimo permisible de bajada (C/Nn)inb hub) para mantener una relación C/Ntot =

14 db es:

((C/Nn)inb hub) = 1/((1/25) – 1/(58.88)) = 43.45 (16.4 db)

Recuerde que en cálculos previos teníamos que la relación (C/N) inb hub era de 30.7 db ;

hay un exceso de C/N = 30.7 – 16.4 = 14.3 db (relación 26.9 canales)

¿ Podemos aumentar el numero de canales ?

Si por una relación de 26.9 de los 12.6 canales que teníamos antes cuando asumimos 1

watt por canal; para un total de = 26.9 x 12.6 = 339 canales

¿ Cuál es la potencia asignada ahora a cada enlace descendente vsat a la salida del

transponder?

1 watt/26.9 ó 12.60 watts/339 = 0.037 watts/canal

Recuerde que: en el amplificador de potencia de salida del transponder se tiene un BO = 2

db para 12.6 watts: ( 20 w = 13 dbw 13 -2 = 11 dbw = 12.6 w)



¿Es el enlace inbound limitado en potencia o limitado en banda?

En muchos casos se intercambia potencia por ancho de banda para dar flexibilidad

adicional al diseño del sistema.

¿De cuántos canales puede encargarse el transponder?

Cada transmisión VSAT requiere un ancho de banda de RF de: 200 KHz (160 KHz más

banda guarda a cada lado); el ancho de banda del transponder es de: 54MHz

El transponder puede tener: 54 MHz-/200khz = 270 canales

Conclusión:

Existe suficiente potencia disponible para operar con 339* canales VSATS pero solo hay

espacio para 270** canales VSATs.

El enlace inbound se considera por tanto limitado en.ancho de banda con una capacidad

máxima de 270 canales en situación de cielo despejado con un margen de 8.4 db.

4.-Enlaces inbound con 270 canales

4.1.- Balance del enlace de potencia para el canal VSAT descendente en la hub:

¿ Cuál es la potencia por canal ?¿ Cuál es la relación C/N en los canales

inbound en la hub?. Con 270 canales la potencia asignada por canal en el transponder de 20

watts es:

20/270 = 74.1 mw/canal …….. -11.3 dbw.

La potencia recibida baja desde (-125 dbw) a (-136.3 dbw), (-125-11.3)

La potencia de ruído permanece la misma (nhub = -155.7 db)

(C/N)inbound hub = -136.3 – ( -155.7 ) = 19.4 db….(relación de 87)

4.2.- C/N) total en la estación hub

la relación (C/N)tot de los canales inbound de las VSATs con 270 canales que llegan al

transponder 1 es:

1/((C/N)tot) = 1/((C/N)inb HUB) + 1/((C/N)transp 1)



= 1/((87)) + 1/((58.88))

= 0.0115 + 0.0169837

= 0.0285

(C/N) tot = 1/(0.0285) = 35.1197 (15.5 dB)

Comentarios sobre este resultado: habíamos supuesto 20 canales, en esa oportunidad la

relación (C/N)tot resultó 17.5 db; ahora con 270 canales la relación (C/N)tot es de 15.5

dB, bajó 2 db. para un aumento de 11.3* dB en capacidad (de 20 a 270 canales);

mostrándonos que la relación C/N dominante en el enlace inbound son los canales

ascendentes desde las VSATs.

Como hay 270 canales ahora se requerirá más BO para evitar la intermodulación. esta

reducción en el BO para las portadoras inbound podría bajar su C/N por debajo de

aquella de la C/N de las VSATs ascendente (debajo de 58.8): 17.7 db

Si este fuese el caso, el enlace sería limitado hacia abajo (satélite a hub) en lugar de

limitado hacia arriba (VSAT a satélite.) por lo que no sería un buen diseño.

5.- Enlaces outbound (outroute)

Los enlaces TDM van desde la hub, via satélite, a las estaciones VSATs,es un enlace

continuo TDM a Rb bps ; usando BPSK y FEC = ½.

Salen paquetes de datos direccionados a la VSAT relevante secuencialmente. La relación

C/N en el receptor de las VSATs no debe ser menor al umbral de 6.1 dB que da un BER

=10-6

Diseñaremos el enlace outbound para una relación (C/N)tot de 10 db, con cielo despejado

en el receptor de la VSAT dando un margen al enlace de 3.9 db para superar -- la

atenuación por lluvia y el aumento de la temperatura de ruido ( durante la lluvia) para

cumplir con los % de disponibilidad requeridos.

Calculemos:

a.- el balance del enlace del enlace ascendente desde la hub

b.- los márgenes de C/N, para ver el desempeño de todo el sistema.



Balance del enlace ascendente desde la hub:

Pt (de la HUB)(100 W)…………………………20 dBW

Gt (ant. Tx HUB a 14 GHz)…………………… 50 dB

Gr (ant. Rx sat. A 14 GHz)……………………. 34 dB

Lp (el- a 14 GHz)……………………………… .-207.1 dB

L (pérdid por EOC de la ant. Sat)…………… -1 dB

L (gases atmosf)……………………………… .-0.7 dB

L (misc)………………………………………… - 0.5 dB

Potencia recibida entrada Transp. Sat. -105.3 dBW

5.1.- C/N enlace ascendente en el transponder 2:

La hub transmite a cada receptor VSAT en un BW de ruído de 1 MHz. Ya habíamos

calculado la potencia de ruido en el transponder del satélite para las ráfagas TDM: -141.6

dbw

(C/N)transp 2 = -105.3 – ( - 141.6) = 36.3 dB (relación 4265.8)

5.2.- Balance de potencia del enlace descendente outbound en la VSAT

El transponder 2 transporta una portadora TDM-BPSK, supongamos un BOo de 1 dB,

dando una potencia de salida de 12 W.

Balance de potencia del enlace descendente outbound en la VSAT:

Pt (del sat)…………………………………….12 dBW

Gt (ant. Tx sat 11.7 GHz)……………………34 dB

Gr (ant. Rx VSAT. a 11.7 GHz)……………….40 dB

Lp (el- a 11.7GHz)……………………………..-205.5 dB

L (pérdid contorno 1 dB de la ant. Sat)…….. -3 dB

L (gases atmosf)……………………………….-0.5 dB



L (misc)…………………………………………- 0.5 dB

Potencia recibida ……………………... -123.5 dBW

Potencia recibida de cada señal portadora VSAT en el hub: -123.5 dbw.

5.3.- C/N descendente en la VSAT desde el transponder 2 enlace outbound:

Potencia recibida de cada señal portadora VSAT en el hub: -123.5 dbw.

La ráfaga outbound TDM desde la estación hub, transmitida hacia abajo por el transponder

2 en el satélite, se recibe en cada VSAT con un ancho de banda de ruido de 1 MHz. Ya

habíamos calculado la potencia de ruido en el receptor de la VSAT : -146.8 dBw.

C/N) VSAT outbound = -123.5 – ( -146.8 ) = 23.3 db (relación 213.8)

5.4.- Relación C/N total enlace outbound en la VSAT:

La relación C/N de la ráfaga outbound TDM recibida en el receptor de la VSAT se calcula

como antes, usando el recíproco de los valores C/N como relaciones de potencia, no dB.

1/((C/N)tot) = 1/((C/N)outb VSAT) + 1/((C/N)transp 2)

= 1/((213.8) + 1/(4265.8)) = da C/N)tot = 203.6 23.1 dB cielo

despejado.

5.5.- Análisis del lado outbound del sistema VSAT.

Asumimos un valor de 10 dB para el C/N)vsat en cielo despejado para alcanzar los

requisitos de disponibilidad con un BER = 10-6.

Como se puede ver de los cálculos de los outbound, existe en las VSAT un valor C/N más

alto de 10 dB. Este margen extra de C/N se podría usar para tener un BW mayor (mas

capacidad) en la trama TDM o para aumentar el margen de lluvia por la misma capacidad.

Investiguemos la máxima razón de bits que puede usarse en el enlace outbound con un

C/N)tot de 10 dB en el receptor de la VSAT en cielo despejado.



El C/N para el enlace outbound de la hub al satélite es alto (36.3 dB) y bajo de delsatélite a

la VSAT (23.3 dB. Para hallar el BW máximo podemos usar cualquiera de las partes del

enlace., necesitamos conseguir la reducción en el C/N), [(C/N)reducción], que se aplique

igualmente en ambas partes del enlace y todavía y nos de todavía un C/Ntot de 10 dB en

cielo despejado.

Este cálculo da 13.1 dB en cada parte del enlace.

En el enlace ascendente: 36.3 – 13.1 = 23.2 dB y en el enlace descendente : 23.3 – 13.1 =

10.2 dB.

Una reducción en el C/N de 13.1 dB es 20.4. Esto significa que la ráfaga de salida outbound

de la hub a la VSAT tiene ahora un ancho de banda de ruido de 20.4 x el BW original=

20.4 x 1 MHz = 20.4 MHz y un ancho de banda ocupado Boc = 30.6 MHz.

El BW equivalente de los canales VSAT en la trama TDM es de 128 KHz (ignorando

preámbulo –overhead- para direccionamiento y recuperación de trama) de tal manera que

el número máximo de canales VSATs que pede asistir la hub es 20.4MHz/128KHz = 159.

Como no hay suficiente potencia para dar la relación C/N requerida si el transpondedor de

54 MHz tuviera a capacidad máxima en función del BW, el enlace outbound está limitado

en potencia.



Desempeño de una red VSAT estrella con antena diámetro =1m . y amplif transm 2 W. Enlace Inbound Outbound Velocidad del canal 64 kbps 10.2 Mbps Modulación BPSK BPSK

Acceso Múltiple SCPC-FDMA TDM

Num canales de 64kbps 270 159 Ancho banda (Boc) ocupado en el xponder 54 MHz 30.6 MHz C/N)asc cielo despj 17.7 dB 23.2 C/N)desc cielo despej 30.7 dB 10.2 C/N)tot cielo despej 17.5 dB 10 C/N)tot nivel umbral 6.1 dB 6.4 Mrgen desvanecimiento enlace ascendente 10.3 dB 3.6 Mrgen desvanecimiento enlace descendente 24.6 dB 3.7 Mrgen desvanec enlace asc con -7 dB ULPC No aplica 10.6 dB Margen atenuacion por lluvia enlac descend 20.5 dB 1.8 Disponibilidad del enlace, este USA 99 .995% 99.55 Disponibilidad del enlace, este USA(-7dBULPC) 99 .995% 99.70%


manual integrado comunicaciones satelitales

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