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MAESTRIA COMUNICACIONES  MOVILES Y SISTEMAS SATELITALES

DISEÑO DE ENLACES  SATELITALES

Docente: MSc. Ing. Omar Windsor Ramírez Montaño 09/10/2014

Aplicaciones Satelitales

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Contenido • • • • • •

Modelo de un Enlace Satelital Parámetros del Sistema Satelital Ecuaciones del Enlace Satelital Otras Consideraciones Importantes Calculo de un enlace satelital Análisis de Resultados

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Modelo de un enlace satelital ‒ Modelo ascendente

El principal componente es el transmisor de la estación terrena. Un transmisor típico  consiste de:  • Un modulador IF,  • Un conversor de microondas de IF a RF,  • Un amplificador de alta potencia (HPA) y  • Un filtro pasa‐banda de salida.  09/10/2014

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Modelo de un enlace satelital ‒ Modelo ascendente

• El modulador de IF convierte las señales de banda base de entrada a una frecuencia  intermedia modulada en FM, en PSK o en QAM.  • El conversor convierte la IF a una frecuencia de portadora de RF apropiada.  • El HPA proporciona una sensibilidad de entrada adecuada y potencia de salida para  propagar la señal al transponder del satélite. 09/10/2014

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Modelo de un enlace satelital ‒ Transponder

El transponder típico consta de:  • Un dispositivo para limitar la banda de entrada (BPF),  • Un amplificador de bajo ruido de entrada (LNA),  • Un traslador de frecuencia,  • Un amplificador de potencia de bajo nivel y  • Un filtro pasa‐banda de salida.  Este transponder es un repetidor de RF a RF.  09/10/2014

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Modelo de un enlace satelital ‒ Transponder

• El BPF de entrada limita el ruido total aplicado a la entrada del LNA.  • La salida del LNA alimenta a un traslador de frecuencia, que convierte la frecuencia de  subida de banda alta a una frecuencia de bajada de banda baja.  • El amplificador de potencia de bajo nivel amplifica la señal de RF para su transmisión  por medio de la bajada a los receptores de la estación terrena.  • Cada canal de RF del satélite requiere de un transponder separado. 09/10/2014

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Modelo de un enlace satelital ‒ Modelo descendente

El receptor de estación terrena incluye: • Un BPF de entrada,  • Un LNA y  • Un conversor de RF a IF.  09/10/2014

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Modelo de un enlace satelital ‒ Modelo descendente • El BPF limita la potencia del ruido de entrada al LNA.  • El LNA es un dispositivo altamente sensible, con poco ruido.  • El conversor de RF a IF es una combinación de filtro mezclador/pasa‐bandas que  convierte la señal de RF recibida a una frecuencia de IF

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Parámetros Del Sistema Satelital – Potencia Radiada Isotrópica Efectiva (PIRE) Se define como una potencia de transmisión equivalente, la cual se expresa  como:

PIRE = Pr*Gt (watts) Donde: Pr = potencia total radiada de una antena (watts)  Gt= ganancia de la antena transmisora (adimensional).  En términos logarítmicos (en dB) la ecuación anterior se escribe como:

PIRE (dBW)=Pr(dBW) + Gt(dB) 09/10/2014

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Parámetros Del Sistema Satelital Con respecto a la salida del transmisor, Pr se define como:

Pr=Pt‐Lbo‐Lbf Donde:  Pt = potencia de salida real del transmisor (dBW), Lbo = perdidas por respaldo de HPA (dB)  Lbf = ramificación total y perdida de alimentador (dB)  Por lo tanto,

PIRE= Pt‐Lbo‐Lbf+ Gt

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Parámetros Del Sistema Satelital –Temperatura equivalente de ruido (Te) La potencia de ruido es expresada como:

N=KTB Entonces,

Donde:  N = potencia total de ruido (watts),  K = constante de Boltzman (1.38 x 10‐23J/°K),  B = ancho de banda (Hz) y  T = temperatura ambiente (°K).  Es un valor hipotético que puede calcularse, pero no puede medirse.  Te frecuentemente se usa en vez de la figura de ruido, porque es un método mas exacto para  expresar el ruido aportado por un dispositivo o un receptor cuando se evalúa su rendimiento.  09/10/2014

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Parámetros Del Sistema Satelital El factor de ruido (adimensional) se expresa como:

Entonces,

Te=T(NF‐1) Siendo Te = temperatura equivalente de ruido (°K).

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Parámetros Del Sistema Satelital –Densidad de ruido Es la potencia de ruido total normalizada a un ancho de banda de 1 Hz.  Matemáticamente se expresa como:

Donde N0 = densidad de potencia de ruido (W/Hz).

–Relación de potencia de portadora a densidad de ruido (C/N0)

Donde C = potencia de la portadora de banda ancha 09/10/2014

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Parámetros Del Sistema Satelital –Relación de la densidad de energía de bit a densidad de ruido (Eb/N0)

Donde: C = potencia de la portadora N = potencia total de ruido B = ancho de banda (Hz) EblNO es uno de los parámetros más importantes y más utilizados en comunicaciones satelitales  cuando se evalúa un sistema de radio digital.  Es una manera conveniente de comparar los sistemas digitales que utilizan diferente tasa de  transmisión, diferentes esquemas de modulación o diferentes técnicas de codificación. 09/10/2014

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Parámetros Del Sistema Satelital –Relación de ganancia a temperatura equivalente de ruido (G/Te)

Donde :  Gr = ganancia de la antena receptora  GLNA = ganancia del LNA Te = temperatura de ruido equivalente • • •

G/Te es una figura de mérito usada para representar la calidad de un satélite en un receptor de  una estación terrena.  Debido a las potencias extremadamente pequeñas de la portadora de recepción que  normalmente se experimentan en los sistemas satelitales, frecuentemente un LNA está  físicamente situado en el punto de alimentación de la antena.  GlTe es un parámetro muy útil para determinar las relaciones Eb/N0 y C/N en el transponder del  satélite y receptores de la estación terrena. 09/10/2014

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Parámetros Del Sistema Satelital –Pérdidas por espacio libre (PEL o Lo)

El espacio libre es un medio homogéneo libre de corrientes y cargas eléctricas, por lo  tanto, libre de pérdidas por efecto Joule, en el cual las ondas de radio viajan en línea  recta y sin atenuación. El espacio libre es una abstracción.

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Ecuaciones del enlace satelital Para analizar las secciones de subida y de bajada de un sistema satelital. Aquí se  consideran solamente las ganancias y pérdidas ideales, así como los efectos de ruido  térmico.

–Ecuación del enlace ascendente

Donde : Lo son las pérdidas por espacio libre, Lu son las pérdidas atmosféricas de subida adicionales. •

Las señales de subida y de bajada deben pasar por la atmósfera de la tierra, donde son absorbidas parcialmente por la humedad, oxígeno y partículas en el aire. Dependiendo del ángulo de elevación, la distancia de viaje de la señal RF por la atmósfera varía de una estación terrena a otra, debido a que Lo y Lu representan pérdidas, son valores decimales menores a 1.

•

GlTe es la ganancia de la antena receptora del transponder mas la ganancia del LNA dividida por la temperatura de ruido equivalente de entrada

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Ecuaciones del enlace satelital Expresada en logaritmo es:

PIRE de la  estación  terrena

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perdidas por  espacio libre

relación de ganancia a  temperatura equivalente  de ruido del satélite

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constante de  perdidas  Boltzman atmosféricas  adicionales

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Ecuaciones del enlace satelital –Ecuación del enlace descendente

Donde Ld son las pérdidas atmosféricas de bajada adicionales. La ecuación de bajada  expresada en logaritmo es:

PIRE del satélite perdidas por  espacio libre 09/10/2014

relación de ganancia  a temperatura  equivalente de ruido Aplicaciones Satelitales

perdidas  constante de  atmosféricas  Boltzman adicionales 22

Ecuaciones del enlace satelital

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Otras Consideraciones importantes  para el cálculo de enlaces satelitales –Potencia por unidad de superficie o nivel de iluminación a una  distancia D del punto de transmisión W

Si la antena tiene ganancia, entonces Como la PIRE=PtGt, entonces: Si se considera que:  Gr es la ganancia de una antena de 1m2 con una eficiencia de 100%,  Pr será el nivel de iluminación por unidad de superficie (en dBw/m2)

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Otras Consideraciones importantes  para el cálculo de enlaces satelitales –Factores de ajuste debidos a la ubicación geográfica Factores Beta (β) = corrección del ángulo de mira o ventaja del diagrama de radiación se aplican a todos los haces del satélite. El factor β se define como la diferencia entre la ganancia en el borde del haz del satélite y  la ganancia en dirección de una estación terrena.  Para cada estación terrena se deben tener en cuenta tanto los factores β: • βu del enlace ascendente • βd como del enlace descendente

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Otras Consideraciones importantes  para el cálculo de enlaces satelitales –Punto de funcionamiento del transponder A fin de evitar distorsiones no lineales del amplificador de potencia de salida del transponder ya que un TWTA (amplificador con base en tubos) típico representa un derroche de la potencia disponible, existen dos métodos para reducir al mínimo ese derroche. •

Utilizar SSPA (amplificador de estado sólido)

•

El empleo de los TWTA con un linealizador (LT- WTA). Ambos métodos mejoran las características de intermodulación de los transpondedores.

La reducción de la potencia de entrada (IBO) se define como la relación entre la densidad del flujo de saturación y la densidad del flujo de operación de una portadora :

X = la relación de la ganancia de compresión entre la reducción de la potencia de entrada y de  salida. PIRE de funcionamiento del transponder:  09/10/2014

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Otras Consideraciones importantes  para el cálculo de enlaces satelitales –Densidad de flujo de potencia del satélite en la superficie terrestre Las posibilidades de interferencia provenientes del satélite transmisor se limitan reduciendo en la superficie terrestre la densidad de flujo de potencia máxima producida por un satélite; dichos límites varían en función del ángulo de llegada. Es posible realizar una evaluación en cada caso aplicando la siguiente expresión: PAD4KHZ=W‐10Log (B/4KHZ) Donde:  W es el nivel de iluminación y calculado para el enlace descendente;  B es el ancho de banda ocupado por la portadora e IDR es la Tasa de bit de datos intermedia.

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Otras Consideraciones importantes  para el cálculo de enlaces satelitales –Unidad de canal QPSK/IDR

Consiste en cuatro módulos.  • El primero es el de adición de overhead, el cual se encarga de agregar a la banda base digital  información que se emplea para operación y mantenimiento o para enlaces de datos entre  estaciones.  • En segundo lugar se encuentra el modulo de Scrambler, cuya función principal es codificar la señal para que tenga el mayor número de transiciones (cruces por cero) y posibilitar la  recuperación del reloj de sincronismo en recepción .  • El tercer módulo es el encargado de generar el FEC para la detección de errores. •

Por último, se encuentra el módulo QPSK, el cual convierte la señal digital de una portadora digital IDR en frecuencia intermedia (FI), adecuada para ser transmitida. 09/10/2014

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Otras Consideraciones importantes  para el cálculo de enlaces satelitales –Características de rendimiento (BER) La probabilidad de error (BER), para la cual se diseña el enlace, es el parámetro que indica la calidad del enlace y por ende el grado de disponibilidad que pueda tener. Su valor se obtiene según la recomendación IESS‐308.

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Cálculo de un enlace satelital A continuación se presentan los ítems propuestos por seguir para la realización del cálculo de un enlace satelital entre dos coordenadas específicas

–Escoger el satélite de acuerdo con la ubicación de los puntos por enlazar

El satélite que cubre los dos puntos debe estar ubicado sobre la región del Atlántico. El  satélite que cubre esta posición es el Intelsat905 (serie IX de Intelsat). Posición orbital:           Longitud = 335.5°E.

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Cálculo de un enlace satelital

Enlace satelital Bogotá‐Madrid. 09/10/2014

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Cálculo de un enlace satelital –Escoger el transpondedor que interconectará los dos puntos por enlazar, teniendo en cuenta disponibilidad y potencia • El transponder debe tener en cuenta los patrones de cubrimiento (huellas) y las características de interconeción definidas por el operador.  • De la hoja de especificaciones del Intelsat905 se observa que el más conveniente es el transponder 95/55 que interconecta el haz zonal sur Z2 (Southwes‐ tZone) y el haz zonal norte Z3 (NortheastZone).  • Este se encuentra ubicado en el canal 9, opera con polarización circular tipo B (Uplink  RPC y Down‐ link LPC) 

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Cálculo de un enlace satelital –Una vez seleccionado, y de acuerdo con el plan de frecuencias del satélite, se seleccionan las frecuencias (portadoras) de  subida y bajada El plan de frecuencias es:  • 6280MHz Uplink y  • 4055MHz Downlink.  Estas son las frecuencias a las cuales se sintonizan el Up‐Converter (E.T.BOGOTÁ) y el  Down‐Converter (E.T.MADRID)

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Cálculo de un enlace satelital –Escoger los parámetros del segmento espacial según la posición del satélite seleccionado Los parámetros del segmento se obtienen del estándar INTELSAT IESS‐410 . 1.Posición orbital: Longitud = 335.5°E. 2.PIRE de saturación del transponder (PIRESATU)=  28dBW. 3.Ancho de banda = 36MHz. 4.Densidad de flujo de potencia (SFD): ‐69.6 dBW/m2. 5.G/T del sistema de recepción = ‐7 dB/K. 6.Relación de potencia de la portadora a interferencia cocanal (S/I): 17dB. 7.Intermodulación del transponder: ‐37 dBW/4KHz. 8.Relación de ganancia de potencia de compresión: 3dB. 09/10/2014

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Cálculo de un enlace satelital –Escoger los parámetros de la estación terrena según su ubicación geográfica, tipo de antena y en general de los sistemas de  transmisión y recepción empleados Las características de estas dos estaciones son:

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Cálculo de un enlace satelital –Escoger los parámetros de la portadora (fundamental para determinar el ancho de banda del TX) El tipo y tamaño de la portadora dependen del tráfico, técnicas de acceso, tipo de modulación,  entre otras. •Unidad de canal Q ‐ PSK. •Velocidad de la información (IR) = 1024Kbps. •FEC = 3/4 BER (proyectado en el punto de RX) = 1*10‐6. •Velocidad compuesta (CR) = IR + OH (bits de información de header) = 1024Kbps+0=1024Kbps. •Velocidad de transmisión (R) =CR / FEC = (1024Kbps)/(3/4) = 1365.33Kbps. •Velocidad de símbolos (SR) =r / 2 = 1365.33Kbps / 2 = 682.67Kbps. •Ancho de banda ocupado (B) =0.6*R = (0.6)*(1365.33Kbps) = 819.2KHz. • 09/10/2014

para un BER = 1*10‐6 y un FEC=3/4 (recomendación IESS‐306). Aplicaciones Satelitales

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Cálculo de un enlace satelital –Hacer los cálculos para determinar la relación portadora a ruido total (C/N)t  y compararla con la C/N proyectada Relación portadora a densidad de ruido (C/No)

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Cálculo de un enlace satelital Relación portadora a temperatura de ruido (C/T)

Relación portadora a ruido (C/N)

Este resultado es un caso ideal.

Cálculo de un enlace satelital Distancia Oblicua (D) E.T BOGOTÁ ‐ SATÉLITE = DB‐S = 38352.71Km E.T SATÉLITE ‐ MADRID = DS‐M = 37893.10Km Pérdidas por espacio libre (PEL) =

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Cálculo de un enlace satelital Pire del satélite

Esta PIRE es la mínima potencia de transmisión, ya que se consideran todas las pérdidas, donde  b = ventaja geográfica de la estación terrena RX (MADRID) y m = margen de pérdidas por lluvia y  rastreo = 3.5 típico.

Reducción de potencia de salida (OBO)

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Cálculo de un enlace satelital Reducción de potencia de entrada (IBO)

Donde X = relación de la ganancia de compresión entre la IBO y la OBO. Esta es información del  operador del satélite.

Nivel de iluminación del satélite (W)

Pire de la estación terrena TX (BOGOTÁ)

Donde e= eficiencia de  la antena = 1 y d= 1m.

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Cálculo de un enlace satelital Potencia requerida por el HPA(PT)

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Cálculo de un enlace satelital – Calidad de los enlaces En este ítem hay que verificar que se cumplan los parámetros de calidad del enlace  (BER seleccionada para el ancho de banda de TX). La calidad general de un enlace se  calcula determinando el valor de C/T : C/T del enlace ascendente

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Cálculo de un enlace satelital Productos de intermodulación en el satélite

Interferencia cocanal en el satélite

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Cálculo de un enlace satelital C/T del enlace descendente

C/T total

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Cálculo de un enlace satelital Cálculo de C/N en el receptor

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Análisis de resultados •

Cuando la relación portadora a temperatura de ruido (C/T) total es menor que la proyectada, lo  cual afecta también el valor de la relación portadora a ruido en recepción ‐ C/N, se produce un  aumento en el BER del enlace, haciendo que para este ejemplo de cálculo realizado pueda ser  mucho mayor que el valor máximo permitido (1*10‐6) en la recomendación IESS‐306.

•

Al aumentar el BER la calidad del enlace y por ende el grado de disponibilidad que este ofrece  a sus usuarios se disminuye, lo cual afecta el intercambio de información entre los dos puntos  lejanos que se desean intercomunicar.

•

De las ecuaciones es posible determinar que el único parámetro que se puede manipular para compensar los efectos del ruido y lograr mantener el BER que se proyectó, según la  recomendación IESS‐306, es la PIRE de la estación terrena Bogotá ‐ Satélite (enlace  ascendente).

•

Al realizar el aumento de la potencia de la estación terrena hay que tener en cuenta que el  satélite (potencia máxima) se satura a 28dBw (para este ejercicio). Se recomienda subir la PIRE  de la estación terrena de acuerdo con el siguiente cálculo:

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Análisis de Resultados Por tanto,

Entonces se debe aumentar el valor de la potencia del transmisor, de esta forma:

Con lo cual hay que cambiar los siguientes parámetros:

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Análisis de Resultados Es posible también: Hacer uso de las características de otro satélite que posea una huella que cubra estos puntos terrestres por enlazar, donde ciertas características como la PIRE del satélite, la SFD, las bandas de frecuencias, el esquema de modulación, entre otros (ya descritos en esta revisión), puedan tener valores óptimos (con respecto a los descritos en el datasheet del Intelsat 905) que mejoren las características del enlace y mantengan un bajo nivel de ruido y disminuyan el BER a nivel de recepción.

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Cálculo de un enlace satelital Teniendo como base todos los anteriores conceptos se procederá con el diseño del enlace Quito (Ecuador) – Los Ángeles (California – EEUU) transmitiendo 4E1 para servicio de telefonía. 4E1 trabaja con 120 canales a una velocidad de 8448 Mbps y con un ancho de banda de 8.01 MHz Descripción de los lugares

Quito(Ecuador) Coordenadas Geográficas

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Los Ángeles (California)

Latitud: S 1° 0' / S 0° 0'

Latitud: 34° 03' 07 " N

Longitud: W 79° 0' / W 78° 0'

Longitud: 118° 140' 34" O

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Cálculo de un enlace satelital Ubicación Geográfica

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Cálculo de un enlace satelital RECOPILACIÓN DE DATOS Footprints Para el diseño del enlace se tuvieron en cuenta los footprint INTELSAT 705@307WH  (Footprint hemisferico Oeste) para la estación de los Ángeles – California y el footprint INTELSAT 705@307S2

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Cálculo de un enlace satelital PARAMETROS DE SUBIDA Y BAJADA

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Cálculo de un enlace satelital Estación Terrena en Los Ángeles

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Cálculo de un enlace satelital Estacion Terrena Quito

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Cálculo de un enlace satelital Especificaciones de la portadora

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Cálculo de un enlace satelital CALCULO HPA

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Cálculo de un enlace satelital Nº  E1 4E1

VELOCIDAD  TX 8448 Kbit/s

Satélite

INTELSAT 7 vuelo 5 (705)

Posición del satélite

Longitud 310°E

Conexión del haz

Hemisférico / Hemisférico (HW / HW)

Velocidad de información

8448 Kbit/s

Velocidad standard

8448 Kbit/s

Portadora

QPSK / IDR

Tipo de carrier

Digital

Overheath

10%

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Cálculo de un enlace satelital PARAMETROS DEL SEGMENTO ESPACIAL Ancho de banda (BW) 72 MHz Transpondedor Nº 7‐8 Frecuencias 6,220 / 4,9950 GHz Saturación del transponder (EIRPsat‐sat) 32.8 dBW Densidad de flujo de saturación (SFD) ‐87,0 dBW/m2  Factor de mérito (G/TSAT) ‐8.7 dB/ºK Interferencia cocanal (C/ICO) 19,0 dB PARAMETROS DE LAS ESTACIONES TERRENAS Diámetro antena Eficiencia antena G/T del sistema Factor β Tracking Margen Pérdida GW 09/10/2014

14 mts 70% 35 dB/°K β UP = 2,7 dB Auto MUP = 2,5 dB 3,6 dB

14 mts 70% 31,8 dB/°K β DW = 3,0 dB Auto MDW=3,5 dB (Lluvia+Tracking) 3,6 dB Aplicaciones Satelitales

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Cálculo de un enlace satelital PARAMETROS DE LA PORTADORA Velocidad standard FEC Banda ocupada BER punto de operación C/T  punto de operación C/N0 punto de operación C/N

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8448 Kbit/s ¾ 14,345 Mbps 1 x 10‐6 ‐142,5 dBW/°K 87,1 dB‐Hz  11,6 dB

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Cálculo de un enlace satelital Se tiene un 4E1= 8448 Kbit/s para una portadora IDR. Se desea establecer un enlace desde Quito (Ecuador) a Los Ángeles (California) para proveer  servicios  de  telefonía  a  través  de  un  enlace IDR/LRE. Quito hará la transmisión a través del  satélite INTELSAT 705_310 Estación Terrena Quito Angulo de Elevación:

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Cálculo de un enlace satelital Angulo de Azimut:

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Cálculo de un enlace satelital Estación Terrena Los Ángeles Angulo de Elevación:

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Cálculo de un enlace satelital Angulo de Azimut:

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Cálculo de un enlace satelital Ganancia de la antena GdBi = 10logη + 20logf + 20logd + 20.4dB η = Eficiencia de la antena.(Esta se asume del 70%)  d = diámetro de la antena (metros) f = Frecuencia operativa (Ghz) Estación Quito GTX = 20log(0,7) + 20log(6,220) + 20log(14) + 20.4dB GE/S Quito = 56.1 dBi Estación Los Ángeles GTX = 20log(0.7) + 20log(4,9950) + 20log(14) + 20.4dB G E/S LA = 54.2 dBi 09/10/2014

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Cálculo de un enlace satelital Distancia Estación Quito ‐ Satélite INTELSAT VII

Distancia Estación Los Ángeles ‐ Satélite INTELSAT VII

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Cálculo de un enlace satelital PERDIDAS EN ESPACIO LIBRE (FSL): FSL|UP (dB) =

20 log (f) + 20 log (D) + 92.5 dB

f = Frecuencia (GHz) D = Distancia estación ‐ satélite en Km FSL (Quito UP) FSL|UP (dB) = 20 log (6,22) + 20 log (36519,1) + 92.5 FSL|UP = 199,62 dB FSL (Los Angeles Down) FSL|DOWN (dB) = 20 log (4,9950) + 20 log (40655,9) + 92.5 FSL|DOWN = 198,65 dB 09/10/2014

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Cálculo de un enlace satelital Calculos en el satelite

Backoff De Salida Del Satélite (OBO)

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Cálculo de un enlace satelital Backoff De Entrada Al Satélite (IBO)

Densidad De Flujo De Operación Del Satélite (OFD)

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Cálculo de un enlace satelital Cálculos En La Estación Terrena Transmisora (Quito)

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Cálculo de un enlace satelital HPA = HIGH POWER AMPLIFIER

CALIDAD DEL ENLACE Enlace de subida

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Cálculo de un enlace satelital Enlace de bajada

Producto de intermodulación del satélite

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Cálculo de un enlace satelital Interferencia cocanal en el satélite

C/TTOT del enlace

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Cálculo de un enlace satelital Relación a Densidad de Ruido

Relación entre la energía binaria y la densidad de ruido

Relación Portadora a Ruido

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