lunes, 3 de septiembre de 2012

CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE ENLACES VIA SATELITE TIPO FLYAWAY


ABSTRACT
Most of us, when dealing with the design of a satellite system, say, for radio or television, find ourselves with a series of unknowns that provide us with no clues about how to perform the job. In this brief paper we provide the required steps to do it. This paper provides the formulation required. There is a short cut and we also talk about it. Note: In this paper we are talking only about C-band links, Ku links are a little bit more involved, because we have to consider very serious losses, due to rain. In a future paper we will talk either about the Ku link, or just the losses that have to be considered. Keywords: satellite link calculations, digital, link budget, design, equipment, flyaway. 


Las líneas siguientes estarán dedicadas a establecer los criterios y un número mínimo de relaciones o ecuaciones requeridas para el diseño de un sistema flyaway, específicamente en la banda C. Los cálculos en las banda Ku y Ka requieren atención al cálculo de las pérdidas atmosféricas y por lluvia. En defensa de este escrito se puede decir, que el uso de enlaces flyaway en banda Ku y a frecuencias más altas está muy limitado debido a la presencia de fuertes lluvias durante una gran parte del año, en la zona tropical, estos enlaces requerirían equipos amplificadores de mayor potencia y antenas de transmisión y recepción más grandes. En realidad el problema es algo más que de potencia y tamaño de las antenas, también se requeriría de un sistema de control automático de potencia, en caso de presentarse lluvia durante una transmisión. Las pérdidas en estas bandas pueden llegar a ser mayores que 10 dB, por lo que no tiene sentido utilizar alta potencia en presencia cielo claro (sin lluvia). Por eso se evita su uso en la zona tropical. En un escrito futuro se podrá estar hablando acerca del cálculo de las pérdidas en estas bandas, con lo cual quedaría completo el panorama ante el cálculo de un sistema de transmisión o enlace vía satélite.

En el diseño de un sistema flyaway para transmisión de señales de televisión vía satélite, hay que tomar en cuenta la portabilidad de los equipos, con ello van incluidos factores tales como peso, tamaño, potencia y por ende el tamaño del amplificador, también el tamaño de los contenedores para el transporte cuidadoso vía aérea o terrestre. Sin embargo, el sistema debe proveer una señal de calidad Broadcast o radiodifusión comercial. Se asume que el lector tiene algún conocimiento de equipamiento de transmisión-recepción. Por lo cual no se han incluido gráficos para la interconexión de equipos.

En la transmisión digital de video, y otras señales de datos, el parámetro que identifica la calidad de una recepción adecuada es la rata de bits errados, dada comúnmente por sus siglas en ingles “BER”, es decir, nuestra transmisión y recepción deben ser bajo tales condiciones, que se garantice una  BER de un determinado valor, este valor específico que en un sistema dado está determinado por la tecnología de fabricación de los equipos, y en primera instancia, por el sistema de modulación utilizado, nos los da el fabricante del equipo, específicamente, del equipo receptor. Esto significa, por otro lado, que a través del sistema debemos proveer una señal  a la entrada del receptor, que garantice dicho nivel de BER.

Como garantizar el BER requerido?

El BER, va a depender necesariamente de la relación señal a ruido final en recepción. Las relaciones matemáticas importantes que lo determinan son, según DENNIS RODDY, de la referencia bibliográfica, las siguientes:

EB/NO =C/NO-10*log(RB)               (1)                                                                                                           
 En la expresión anterior, todos los términos vienen dados en dB.

Donde EB/No Es la relación entre Energía por bit y la densidad espectral de ruido presente,
Rb es la velocidad de entrega de bits y C/NO es la relación entre la señal recibida y la densidad espectral de ruido No.
Se ha tomado como relación de partida la que involucra a EB/No, porque ésta determina por otro lado la BER presente, a mayor EB/No, menor BER y numéricamente están relacionadas. Para los tipos de  modulación digital BPSK y QPSK, se requiere la menor EB/NO  Para una determinada rata de bits errados, menor es la EB/NO requerida en los sistemas BPSK Y QPSK que en otros sistemas de modulación. Por razones de rendimiento, se escoge QPSK ya que este tipo de modulación proporciona 2 bits/símbolo, mientras que BPSK solo uno, sin embargo, nótese, que se sacrifica en algo la robustez de la señal al pasar de un sistema de modulación al otro. BPSK es el sistema de modulación digital más robusto que existe pero se renuncia a su robustez para utilizar la mayor capacidad de  suministro de información del sistema QPSK. Existen sin embargo sistemas de modulación más complejo, como el 8PSK y el 16QAM pero que no se utilizan o se utilizan poco en transmisiones satelitales.



La ecuación 1, nos dice que el valor de EB/NO viene determinado directamente por la relación C/NO. y es inversamente proporcional a la rata de transmisión RB. De ésta última depende la calidad de la señal deseada, y se fija en el codificador, de manera, que debemos proveer un valor de EB/NO a expensas del valor de C/NO que obtengo en el enlace de bajada, es decir, en la recepción final.





El término C/NO que se debe utilizar en la ecuación 1 es el resultado de la combinación de los siguientes términos:
(C/NO)U  que es la relación entre la señal recibida y la densidad espectral de ruido No en el enlace de subida, es decir, la que aparece a la entrada del receptor del transponedor respectivo.
(C/NO)D   relación entre la señal recibida y la densidad espectral de ruido No en el enlace de bajada,

(C/NO)IM   relación entre la señal recibida y la densidad espectral de ruido No tomado este último como ruido de intermodulación producido en los circuitos amplificadores del transpondedor, donde generalmente se amplifican varias señales simultáneamente. Este último término degrada el enlace, como lo puede hacer también cualquier otra interferencia producida, bien sea por señales terrestres, o satelitales (provenientes del mismo satélite, o algún otro vecino).

La forma en que se toman en cuenta estos tres términos es la siguiente:

NO/C = (NO/C)UP + (No/C)D + (NO/C)IM                                                                                  (2)

Téngase en cuenta, que los valores anteriores, al introducirlos en la ecuación no se expresan en dB, sino en veces, al final se invierte el resultado para obtener C/No y luego se expresa en dB para que tenga validez su inclusión en la ecuación 1.

Cálculo de los dos primeros términos requeridos por la ecuación (2):

(C /No)U = (PIRE) u + (G/T)SAT – PÉRDIDAS – K                                                                    (3)
Todos los términos expresados en dB.

PIREU  Es la Potencia Isotrópica Radiada Efectiva en el sistema de uplink.
(G/T)SAT = Factor Ganancia/Temperatura del receptor a nivel del transpondedor. Este término lo suministra el proveedor del servicio satelital.
PERDIDAS = Perdidas de espacio libre + Pérdidas de absorción atmosférica + mas pérdidas desalineación de las antenas + pérdidas por cambio de polarización. No incluye pérdidas por lluvia, ya que para éstas se incluye un margen adicional que en banda C, es muy baja y según la referencia 1 se puede estimar en 0,25 dB.
K Es la constante de Boltzman, cuyas unidades son Joules/k, y expresada en dB (10*log(k)) es numéricamente igual a -228.6.

Para el cálculo del (C/NO)D, que es el valor obtenido solo en el enlace entre el satélite y la estación terrena (flyaway)

(C/NO)D = (PIRE)D  + (G/T)D – PERDIDAS – K                                                                       (4)
Todos los valores anteriores en dB.

(PIRE)D  es el valor de la Potencia Isotrópica Radiada Efectiva proveniente del satélite, Un valor aproximado de éste dato se consigue en las páginas del sitio web del satélite que se trate, También lo obtenemos en los mapas de cobertura provistos por algunas páginas especializadas como por ejemplo: www.lyngsat.com.

(G/T)D Es la G/T calculada a la entrada del receptor de la estación terrena
PÉRDIDAS Se refiere a las pérdidas incurridas en el enlace de bajada (calculadas a la frecuencia de bajada), e incluyendo pérdidas atmosféricas, por desalineación de las antenas, por polarización y en el alimentador hasta la entrada del receptor.

Los valores (expresados en veces) provenientes de la aplicación de las ecuaciones (3) y (4) se invierten, se suman con el tercer término (ecuación (2)), y se obtiene el valor requerido en la ecuación (2), el cual se invierte, y es la relación requerida en (1).

Como nota adicional de interés, se tiene, que los cálculos anteriores, por motivos prácticos, dan como resultado, que el valor más bajo de las tres C/No involucradas en la ecuación (2) es (C/No)D, al ser éste el término dominante, la suma de la ecuación (2), una vez invertida es aproximadamente igual a este último , con lo cual a falta de los dos términos restantes podemos utilizarlo solamente, manteniendo un grado de aproximación aceptable. Esto se hace en la práctica cuando desconocemos tanto el C/No de subida, como el de intermodulación. Nos queda por tanto:

NO/C = (NO/C)UP + (No/C)D + (NO/C)IM ≈ (No/C)D
ð  C/NO ≈  (C/NO)D


Algunos proveedores satelitales citan como dato el valor C/NLOCK, (esto se vió en http://www.lyngsat.com/NSS-806.html ). el cual lo definen como el valor requerido para sincronizar el receptor cuando se opera a una determinada rata de transmisión. Este valor sin embargo, es un valor de umbral, por lo que hay que proveer un margen, que puede alcanzar hasta los 6 dB, esto último, según lo recomienda la referencia: http://www.satellite-calculations.com/  .
En este punto hay que puntualizar, que la relación entre C/N y C/No es la siguiente:

C/NO = C/N + 10*log(Ancho de banda)
C/N es la relación de señal a ruido total en toda la banda
Ancho de banda Es el ancho de banda en Hz.

CALCULO DE LA POTENCIA REQUERIDA EN EL UPLINK

PIREU = ψS –(21.45 + 20*log(f)) + PERDIDAS                                                                      (5)
En la expresión anterior, todos los términos vienen expresados en dB o unidades relacionadas.

ψS Es la densidad de flujo de saturación, viene en unidades de Watt/m2, correspondiendo por tanto a potencia por unidad de área.
PIREU  Es la Potencia Isotrópica Radiada Efectiva desde la estación terrena.
F es la frecuencia de subida expresada en GHz.
PÉRDIDAS Se refiere a las pérdidas incurridas en el enlace de subida (calculadas a la frecuencia de subida), e incluyendo pérdidas atmosféricas, por desalineación de las antenas, por polarización y en el alimentador hasta la entrada del receptor.
A partir del PIRE calculado en la ecuación (5), se puede obtener las especificaciones de potencia del transmisor de subida, y la ganancia, y por ende el tamaño, de la antena receptora, la ecuación que las relaciona es la siguiente:

PIREU = PtU + GA – Pérdidas en alimentador y conectores.                                                          (6)
Todos los valores en dB o dBW según aplique.

PtU Es la potencia del amplificador de salida del uplink
GA Es la ganancia de la antena del Uplink y
PÉRDIDAS: Pérdidas en los alimentadores y conectores en el equipo de uplink.

La escogencia individual de la potencia del transmisor y de la ganancia de la antena se hacen atendiendo a la disponibilidad en el mercado de estos elementos. Para banda C se cuenta con amplificadores que van desde los 10 W hasta los pocos cientos vatios en el caso de flyaways, y las antenas, por cuestiones de tamaño, también están limitadas como ya se ha mencionado antes, por la factibilidad de que sean transportadas por vía aérea comercial y privada. Los tamaños van desde unos pocos cm en banda Ku hasta 2 o 2.4 mts en banda C.

En resumen:

Se tienen o se estiman los valores siguientes:
PIRE del satélite = 39 dBW. Que es la potencia del satélite NSS-806. Esta es la potencia del transpondedor del satélite cuando trabaja en saturación. Cuando se trabaja amplificando varias portadoras en servicio denominado FDM o Frequency Division Multiplexing, se opera a una potencia menor, esto con el fin de evitar producir productos de intermodulación en la señal de bajada. Esta disminución en la potencia de salida se denomina en inglés Backoff o en español – disminución. El Backoff es un dato que lo da el proveedor de servicios para cada enlace individual

G/T del satélite: este es un dato que se tiene del proveedor de satélite. Se obtiene en algunos mapas de cobertura (huella) de los satélites.

ψS Este valor lo suministra el proveedor de servicios y se utiliza básicamente, para calcular el PIRE de subida requerido, tal como se describió. El valor de ψS también va a tener una correspondiente disminución cuando estamos utilizando solo una fracción del ancho de banda del transpondedor, la cantidad de disminución o “backoff” también es suministrada por el proveedor de servicios.

EB/NO  Este valor viene con algunos receptores profesionales en el folleto de especificaciones técnicas. No está presente en algunos receptores económicos, sin embargo, el mencionado C/NLOCK sustituye al valor de EB/NO. En ambos casos hay que tener en cuenta el margen de desvanecimiento requerido en cualquier enlace de microondas. Sin embargo, no se calcula igual que en los enlaces terrestres. Normalmente en banda C es suficiente unos 6 dB de márgen de implementación como suele denorminarse, tal como se anotó anteriormente. En banda Ku si hay que tener un poco más de cuidado, ya que el margen de desvanecimiento por lluvia hay que calcularlo, ya que es bastante significativo.

ESCOGENCIA DE LOS EQUIPOS

Se puede realizar un diseño y escoger los equipos necesarios acudiendo a una aplicación rigurosa de las ecuaciones anteriores, pero en la práctica esto se puede sustituir por la verificación de alguna escogencia de equipos de los que existen en el mercado. Solo hay que tener en cuenta sus características específicas de acuerdo a la aplicación particular, ejemplo, en el caso del flyaway. Lo que se hace es entonces, ingresar los datos de los equipos en los programas de cálculo en línea mencionados abajo: Transmisor. el parámetro principal es la potencia, en este punto la práctica dicta valores de potencia de entre 200W y 400W. Receptor, en realidad es un IRD o Receptor-Decodificador Integrados, el parámetro principal es el EB/NO     as requerido para obtener garantizar el BER especificado por el fabricante. El tamaño de la antena se escoge de acuerdo a criterios de facilidad de transporte, regidez, y ganancia. La práctica dicta que el diámetro en banda C no debe ser inferior a 1.5 m, ni mayor que 2 m.  Las páginas web suministradas en la referencia bibliográfica pueden ayudar a verificar el diseño, o como se dijo, a verificar, que la escogencia de los equipos realizada cumple con los requerimientos del enlace. En ningún lado hemos mencionado el Codificador, modulador y el Up Converter, o conversor de frecuencia utilizado antes del amplificador; estos equipos determinan la configuración final del sistema flyaway, y vienen determinados por la tecnología utilizada, hay equipos por ejemplo, en los que el codificador y el modulador vienen integrados, es decir, que el Codificador-Modulador son un solo equipo, el cual tiene como señales de entrada el video y audio, bien sea en formato analógico o digital, y la señal de salida es Radiofrecuencia en Banda L, es decir, la banda entre 950 y 1450 MHZ (Banda L estandar), el Upconverter y el amplificador vienen por otra parte, integrados en un solo equpo, cuya entrada es la banda L proveniente del Codificador-Modulador, y la salida es Radiofrecuencia en banda C, es decir, que su salida utiliza una guía de onda con conector tipo CPR-137 para atacar la antena, que viene con alimentador (feeder) en polarización lineal o circular según lo requiera el tipo de enlace satelital. La conexión entre la antena (LNB) y el IRD se hace en banda L con un cable coaxial tipo RG-6 y generalmente con conector tipo F.


REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
Dennis Roddy “Satellite Communications, Fourth Edition Mc Graw Hill 2006.
http://www.satsig.net/linkbugt.htm    

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