diseño de enlaces ascendente y descendente - upm · 2008. 11. 23. · comunicaciones por...
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CSAT 40
Comunicaciones por SatComunicaciones por SatééliteliteCurso 2008Curso 2008--0909
Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
DiseDiseñño de enlaces ascendente y o de enlaces ascendente y descendentedescendente
Ramón MartínezMiguel Calvo
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CSAT 41Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
• Cadena del radioenlace Tierra-Satélite-Tierra• Cálculo de la potencia recibida (fórmula de Friis)• Modelos de atenuación atmosférica y de lluvia• Cálculo de la potencia de ruido. • Temperatura de ruido de antena
• Combinación de enlace ascendente y descendente• Calidad de estaciones terrenas• Objetivos de calidad y disponibilidad• Amplificación no-lineal. Intermodulación. Optimización del
punto de trabajo• Coordinación• Ejemplos
ÍÍndicendice
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CSAT 42Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
ApR
R LLGPIREP
⋅⋅
=
IFkTBN =
La potencia recibida es:
El ruido total en recepción es:
Por tanto la C/N será:
IFAp
R
IFAp
RBkLLT
GPIREkTBLLGPIRE
NC 1111)()(
)(⋅⋅⋅⋅⋅=
⋅⋅⋅
=
RelaciRelacióón C/Nn C/N
También puede caracterizarse el enlace a partir de la C/N0:
dBHzkTC
NC
=0
dBBNC
NC
IF0=
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CSAT 43Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
• Es la relación GR/T la que caracteriza la calidad del receptor.
• Cuanto mayor sea la ganancia de la antena, mayor calidad.
• Cuanto menores sean las pérdidas entre la antena y el amplificador LNA mayor calidad.
• Cuanto menor sea la temperatura de ruido del LNA, mayor calidad. – Su ganancia debe ser grande para reducir la contribución del
mezclador.
• El valor de G/T es independiente de donde se mida. Se suele tomar como referencia la entrada del LNA.
Factor de Calidad del ReceptorFactor de Calidad del Receptor
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CSAT 44Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
DiseDiseñño del Enlace Ascendenteo del Enlace Ascendente• La densidad de potencia a la entrada del transpondedor está
fijada (densidad de flujo de saturación). Debe controlarse con la potencia transmitida por la estación terrena.
• El coste de los transmisores es de 10 a 15 veces el de los receptores. Por ello, son mucho más económicas las estaciones de sólo recepción de los sistemas de difusión (punto a multipunto).
• El coste de los transmisores en bandas bajas es más razonable, lo que justifica la asignación de la banda L para comunicaciones móviles.
• Para eliminar las interferencias sobre los sistemas satélite adyacentes y optimizar el uso de la órbita GEO debe controlarse el nivel de lóbulos secundarios de las antenas (COORDINACIÓN).
• La atenuación de lluvia disminuye la potencia recibida C pero no aumenta significativamente la T (ya alta de unos 270 K). Se contrarresta controlando la potencia transmitida.
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CSAT 45Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
DiseDiseñño del Enlace Descendente (1)o del Enlace Descendente (1)
• El enlace descendente está limitado por la potencia a bordo:– Deben usarse esquemas de modulación eficientes en potencia (FM,
M-PSK)– Las antenas deben proporcionar áreas de cobertura pequeñas para
aumentar su ganancia y por tanto la PIRE.
• Para aliviar los problemas de interferencia sobre sistemas terrenales, la densidad de flujo de potencia (flujo por 4 kHz de banda) está limitado. Por ejemplo, entre 1 y 10 GHz:
Fmáx = -152 + Elev/15 (dBW/m2)
– En caso necesario hay que usar señales de dispersión para que no pueda transmitirse, por ejemplo, la portadora sin modular.
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CSAT 46Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
• Los demoduladores funcionan por encima de un umbral mínimo de C/N:– FM de banda estrecha: (C/N)mín ≈ 5 dB– FM de banda ancha : (C/N)mín ≈ 11 dB (umbral extendido 8.5 dB)– BPSK/QPSK (BER=10-6): (C/N)mín ≈ 12 dB → Es/No=(C/N)(B/Rs)
0.1
0.000001
PB( )EbNo
120 EbNo C/N
BER
• La atenuación por lluvia disminuye la C y aumenta la T y por tanto la N.• Se requiere un MARGEN adicional para un determinado porcentaje de
disponibilidad sobre la C/N de cielo claro (depende de la frecuencia, zona climática, elevación del trayecto, etc.).
DiseDiseñño del Enlace Descendente (2)o del Enlace Descendente (2)
30
35
40
45
50
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
S/N b.e.S/N b.a.
S/N
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CSAT 47Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
En este caso el enlace es doble y consta de un enlace ascendente con una (C/N)U y un enlace descendente con una (C/N)D .
El transpondedor tiene una ganancia Gs.
La potencia de señal recibida será: C C G G G LU S T R=
La potencia de ruido es: N N N G G G LD U S T R= +
Por tanto:
( )[ ] RTSUD
URTS
DU
U
RTSUD
RTSU
T
GGGCLN
CN
GGGLNN
CLGGGNN
LGGGCNC
NC
+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=+
=+
==⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
1
TranspondedorTranspondedor TransparenteTransparente
Gs
CU NU
CD ND
GT
GRUplink Downlink
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CSAT 48Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Teniendo en cuenta que (CUGS) es la potencia transmitida por el satélitePT, (CUGS)GT será la PIRE transmitida por el satélite. Por lo tanto,(CUGS)GTGR/L será la potencia recibida en el enlace descendente.
( )[ ]
CN N
CN L
C G G GNC
NC
T
U
D
U S T R U D
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
=⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
+=
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
+ ⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
1 1
Por tanto:111 −−−
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
DUT NC
NC
NC
Y si el ruido se distribuye uniformemente en el ancho de banda B (N=N0B):
1
0
1
0
1
0
−−−
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛+⎟
⎠
⎞⎜⎝
⎛=⎟
⎠
⎞⎜⎝
⎛
DUT NC
NC
NC
Balance de Enlace CompuestoBalance de Enlace Compuesto
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CSAT 49Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
TranspondedorTranspondedor regenerativoregenerativo
• El satélite demodula, decodifica, detecta y corrige errores, modula y amplifica la señal, y la transmite a tierra (requiere on-board processing, OBP)
• La caracterización del enlace (en ausencia de corrección de errores a bordo) viene dada por:
• Ejemplo: en un enlace simétrico (Eb/No)u= (Eb/No)d , un satélite regenerativo ofrece un ahorro de 2.6 dB para una BER=10-4.
• El satélite regenerativo permite introducir el ahorro en el balance en el enlace con peores condiciones
• El efecto de la intermodulación se reduce y el HPA del satélite puede operar cerca de la saturación
DUT BERBERBER +=
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CSAT 50Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Objetivos de calidad y disponibilidadObjetivos de calidad y disponibilidad
0.001 0.01 0.1 1.0 10.0 100%
Porcentaje de tiempo en que se mide la BER
BER
10-8
10-6
10-4
10-10
Umbral de prestacionesBER
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CSAT 51Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Objetivos de calidad y disponibilidadObjetivos de calidad y disponibilidad• Los enlaces por satélite se dimensionan para compensar
posibles pérdidas de señal (desvanecimientos o fading) debidos a la lluvia respecto del enlace en condiciones de cielo claro
• Se denomina margen de enlace (link margin, fade margin)• La relación entre margen de enlace, nivel de potencia y BER
dependerá de la modulación usada
0.001 0.01 0.1 1.0 10.0 100%
Porcentaje de tiempo en que se mide la atenuación
Atenuación (dB)
8
6
4
10
Umbral de disponibilidadAtt
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CSAT 52Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Especificaciones del SatEspecificaciones del SatééliteliteEl punto de trabajo, para potencia máxima de salida, es el punto de saturación.Para establecer el punto de trabajo se definen los back off de entrada y salidacomo:
FF
PIREPIREBO satsati ==
PIREPIRE
BO sat,so =
PIREsat es la PIRE que debe transmitir la estación terrena para saturar al TWTA del satélite. Fsat es la correspondiente densidad de flujo de potencia.PIREs,sat es la PIRE producida por el satélite en saturación.
Teniendo en cuenta que: ( ) ( ) ( )F PIRE R PIRE Lp= = ⋅4 42 2π π λ
( )[ ] [ ] [ ] [ ] ( )[ ] [ ] [ ]CN PIRE BO L GT k BU sat i U s IF= − − + − −( )[ ] [ ] [ ] [ ] ( )[ ] [ ] [ ]CN PIRE BO L GT k BD s sat o D e IF= − − + − −,
BOo
BOiPisat
Posat
Pi (dBm)
Po (dBm)
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CSAT 53Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Los efectos no-lineales del TWTA generan productos de intermodulación quepueden considerarse como ruido aditivo. La relación C/IM depende delnúmero de portadoras, de sus características de modulación y frecuencia yde las características de transferencia de amplitud y fase del TWTA.La figura muestra las características típicas de un TWTA.
TranspondedorTranspondedor nono--lineallineal
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CSAT 54Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Modelo de Modelo de SalehSaleh
• El modelo de Saleh es un método sencillo basado en dos parámetros para caracterizar los efectos AM/AM y AM/PM
• Modelo basado en cuatro parámetros que se integran uenexpresiones cerradas que caracterizan el efecto del amplificador
• Modelo AM/AM y AM/PM • Efecto en fase y cuadratura
( ) 21 rrrAa
aβ
α+
=
( ) 22
1 r
rr
φ
φ
β
α
+=Φ
( ) 21 rr
rPp
p
β
α
+=
( )( )22
3
1 r
rrQ
q
q
β
α
+=
( ) ( ) ( )[ ]tttrtx ψω += 0cos( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]{ }
( )[ ] ( )[ ] ( )[ ] ( )[ ]tttrQtttrPtrtttrAty
ψωψωψω
+−+==Φ++=
00
0sincos
cosTWTA
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CSAT 55Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Modelo de Modelo de SalehSaleh
0 0.5 1 1.50
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Amplitud de entrada (normalizada)
Am
plitu
d de
sal
ida
AM/AM
0 0.5 1 1.50
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Amplitud de entrada (normalizada)
Dis
toris
ón d
e fa
se (º
)
AM/PM
0 0.5 1 1.50
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Amplitud de entrada (normalizada)
Am
plitu
d de
sal
ida
AM/AM
0 0.5 1 1.50
5
10
15
20
25
Amplitud de entrada (normalizada)
Dis
toris
ón d
e fa
se (º
)
AM/PM
0033.41587.2
==
φααa
1040.91517.1
==
φββa
5293.29638.1
==
φααa
8168.29945.0
==
φββa
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CSAT 56Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Aún cuando el espectro de portadoras moduladas FM y PSK tienen forma decampana, pueden aproximarse de forma rectangular por efecto del filtradoy adición de señales de dispersión. La figura muestra un ejemplo de cargade un transpondedor con portadoras digitales y el espectro de intermodulaciónresultante.
frecuencia
Espectro Aproximado de Portadoras e Espectro Aproximado de Portadoras e IntermodulaciIntermodulacióónn
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CSAT 57Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Modelo de Modelo de BerettaBerettaUna aproximación de la C/IM para un TWTA típico amplificando n portadorasiguales puede obtenerse de las expresiones (modelo de Beretta):
( )C IM BO nr i= + =10 0 0 82 6. . ,( )C IM BO nr i= + =9 48 0 82 12. . ,( )C IM BO nr i= + =8 60 0 82 500. . ,
( )( ) i.-r
ir
BOn.IMC
BOnnIMC
8204275910
82010710905321003143890
24
.*=
....
+
+×+−= −
Comparación de ambosmétodos propuestos
30
0
CIM( ),500 Pti( )BOi
CIMb( ),500 BOi
CIM( ),6 Pti( )BOi
CIMb( ),6 BOi
012 BOi
Beretta
Analítico
C/IM
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CSAT 58Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Considerando el ruido de intermodulación como ruido blanco (caso peor)su contribución al balance de enlace puede tenerse en cuenta como:
( ) ( ) ( ) ( )C N C N C N C IMT U D− − − −
= + +1 1 1 1
La variación típica de los tres términos y de la C/N total en función del punto de trabajo (BOi) del transpondedor es como se indica en la figura.
Hay un punto óptimo deoperación del transpondedorque depende del número deportadoras a través de C/IM.
Punto de Trabajo Punto de Trabajo ÓÓptimoptimo
Boi
(C/N)
C/IM (C/N)U
(C/N)D
(C/N)T
0 dB-3 a -16 dB
-
CSAT 59Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
• Las señales interferentes degradan la calidad.• Se producen interferencias entre sistemas de satélites y
entre estos y sistemas terrenales.• Se hace necesario regular los niveles interferentes y
coordinar entre sí los sistemas.
Si se consideran los efectos de las interferencias como ruido blanco aditivo (caso peor), y se producen con niveles (C/I)U y (C/I)Den el enlace ascendente y descendente, respectivamente, la (C/N)total puede obtenerse como:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )C N C N C N C IM C I C IT U D U D− − − − − −
= + + + +1 1 1 1 1 1
CoordinaciCoordinacióónn
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CSAT 60Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Dado el gran número de parámetros que caracterizan un sistema, la UIT ha preparado un método sencillo para determinar la necesidad de coordinación entre dos redes de satélite. El método está descrito en el Apéndice 29 del Reglamento de Radiocomunicaciones.
Se evalúa el “incremento aparente de la temperatura de ruido equivalente del enlace” ∆T causado por la emisión interferente.
La “temperatura equivalente de ruido del enlace” se denomina T.
Si la relación ∆T/T es inferior o igual al 4% no será necesaria la coordinación entre las dos redes de satélite.
DeterminaciDeterminacióón de la Necesidad de Coordinacin de la Necesidad de Coordinacióónn
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CSAT 61Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
( / ) ( ) ( )C I E e L L G g Yd dw di d= − − − + − +4 4
( / ) ( ) ( ) ( ) ( )C I P P G g L L G g Yu tw ti uw ui u= − + − − − + − +1 1 2 2La relación lóbulo principal/lóbulos secundarios de las antenas es el principalparámetro que permite controlar la interferencia entre sistemas.
GeometrGeometríía C/Ia C/I
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CSAT 62Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
InterferenciaInterferencia
S1 S2
E1 E2
Deseado
Interferente
( )θ2TG21θ21φ
2EP
2SP ( )φ2tg
( )θ1RG
( )φ1rg
12θ12φ
12ET∆
12ST∆
Los incrementos de temperatura de ruido por interferencia son respectivamente:
( ) ( )21
121212212
ES
rTEE kL
gGPT φθ ⋅⋅=∆
( ) ( )12
121212212
ES
RtSS kL
GgPT θφ ⋅⋅=∆
121212 ES TTrT ∆+∆=∆
r es la ganancia total desde la antena de recepción a la de transmisión en el satélite S1.
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CSAT 63Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
G dBi para=−
−⎧⎨⎩
≤ <≤ ≤
32 2510
1 4848 180
logθ θθ
GD
DdBi para
D=
− −−
⎧⎨⎩
≤ <≤ ≤
52 10 2510 10
100 4848 180
log( / ) loglog( / )
( / )λ θλ
λ θθ
• Se producen por la radiación a través de los lóbulos secundarios.
• La envolvente de lóbulos secundarios debe cumplir la Rec. ITU-R S-465-5 para frecuencias entre 2 y 30 GHz.
Para antenas con D/λ > 100:
Para antenas con D/ λ < 100:
Interferencias generadas por las estaciones terrenasInterferencias generadas por las estaciones terrenas
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CSAT 64Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Diagrama TDiagrama Tíípico de una Antena pico de una Antena DiamondDiamond ShapedShaped
AperturaCircular
Apertura Extendida
Polarización horizontalCorte φ= 90
0 dB
-10 dB
-30 dB
-35 dB
X-polar
29 -25 log θ
23 -25 log θ
19 -25 log θ
-3.0 -1.5 0 1.5 3.0
Angulo θ (grados)
ITU-R S.580-5
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CSAT 65Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Balance de Enlace. Ejemplo 1Balance de Enlace. Ejemplo 1
( ) ( )Flujo PIRE
R
dBW m
=
= + − − ⋅
= −
48 16 10 4 20 4 10
139
2
7
2
ππlog log
/
Pt=8 dBWGborde=16 dBi
BOo=3 dB
( ) { }( )CN dB umbral dB C N dB⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
= + ↓ ↑ =11 7 3 3 18Margen ,
( ) ( )N kT B dBWs= = − + + + ⋅ = −228 6 10 20 50 10 36 10 134 66. log log .[ ] ( )[ ] [ ] [ ] [ ]C C N N Flujo Ar= + = + η
[ ] ( ) ( )ηA dBmr = + − − − − =18 134 6 139 3 25 4 2. .( )
A m D mr = = ⇒ =−
10 533 4 2625 4 10 0 65
10 2. log .
.
( )[ ] ( ) ( ) ( )G T D dBK= + − = −10 0 65 20 10 70 40 5 1log . log log .π λ
Ta=50ºKTLNA=20ºK
η =65%
40000 km
Banda C4 GHz
-
CSAT 66Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Balance de Enlace. Ejemplo 2Balance de Enlace. Ejemplo 2
G dBis = ×⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
=10 0 62 483603 6
32log .
G dBiborde = − =32 3 29
( ) dBiGHzmGe 463.046log2065.0log10 =⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ ××+=
π
( ) ( )G T dBKe = − = −46 10 120 24 8 1log .
( ) ( ) ( ) ( )
( )( )
C NR m f GHz
dB
= + + −⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟
− − + ⋅ =
10 5 29 24 8 204
0 3
228 6 10 36 10 17 36
log . log.
. log .
π
Margen = 17.3 - 11 = 6.3 dB
Por tanto, pueden usarse antenas de 3 m con Margen de 2.8 dB.
3ºx6º
Pt=5 W
D=6 mTs=120 ºK
Si D=3 m Ge 6dB y Margen 6 dB. Si extendemosumbral a 8.5 dB Margen 2.5 dB
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CSAT 67Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
DOWN-LINK DBS
Satélite Potencia de RuidoPotencia transmitida por canal (W) 200 Constante de Boltzman (DBW/K/Hz) -228,6Frecuencia (GHz)* 12,2 Temp.Ruido Sistema (700K) dBK 28,45Ancho de Haz Horizontal (grad) 2 Ancho de Banda (27 MHz) (dBHz) 74,31Ancho de Haz Vertical (grad) 3 Potencia de Ruido N (dBW) -125,84Ganancia (62% eficiencia) (dBi) 36,99 Balance de EnlaceDistancia media Est.T.-Sat. (km) 38000 C/N (dB) 10,89Elevación mínima (grad) 9 Márgen (sobre umbral 9 dB) (dB) 1,89Pérd. Atmosf. cielo claro (dB) 0,48 Calidad Estación Receptora G/T
Densidad de Flujo (dBW/m2) -103,07 Ganancia antena (dBi) 36,81Estación Receptora G/T (dBK-1) 8,36
Diámetro de antena (m) 0,7Eficiencia (%) 60Area Efectiva (m2) 0,23
Potencia Recibida (FxAe) dBW -109,44Pérdidas
Estación Borde Cobertura (dB) -3Desacoplo Polarización (dB) -0,5Error Apuntamiento (dB) -1Pérdidas Alimentador (dB) -1
Potencia Recibida C (dBW) -114,94
Ejemplo 3: DBS (Ejemplo 3: DBS (DirectDirect BroadcastBroadcast SatelliteSatellite))
Pt=200 W
2ºx3º
-
CSAT 68Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
CANAL VOZ INMARSATDownlink Satélite-Barco
Banda de Frecuencias (MHz) 1535-1543.5Ancho de Banda RF ocupado (MHz) 2Número de Canales 40Ancho de Banda RF por canal (kHz) 30Potencia salida transpondedor (W) 10Potencia por canal (dBW) -6,02G Ant.Satélite Borde Cobertura (dBi) 17Pérd. Espacio Libre (38000 km) (dB) 187,8G/T Est.Receptora (dBK-1) -4Ancho de Banda de ruido (kHz) 20
C/N (dB) 4,8Uplink Barco-Satélite
Banda de Frecuencias (MHz) 1636.5-1645PIRE Barco (10W 2m diam) (dBW) 37,0Pérd. Espacio Libre (38000 km) (dB) 188,3G Ant.Satélite Borde Cobertura (dBi) 16Temp.ruido sitema Transp (500K) (dBK) 27,0
G/T satélite (dBK-1) -8,0C/N por canal (dB) 21,5
Ejemplo 4: Sistema INMARSATEjemplo 4: Sistema INMARSAT
4-6 GHz
1.5-1.6 GHz
Estación Costera
Móvil Marítimo
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