Introducción:
Un enlace por satélite se define como una conexión entre 2 estaciones terrestres, utilizando un satélite de por medio. El segmento que comprende la comunicación entre la estación terrestre y el satélite se denomina enlace ascendente (uplink), y el segmento entre el satélite y la estación terrestre se llama el enlace descendente (downlink).
El diseño de la estación terrena consiste en el diseño del enlace de transmisión, o presupuesto de enlace (link budget), y el diseño del Sistema de Transmisión.
El Presupuesto de enlace establece los recursos necesarios de un servicio determinado para alcanzar los objetivos de rendimiento.
El diseño del sistema de transmisión establece las características del equipo necesario para cumplir con los objetivos de desempeño para los servicios que se proporcionan, tales como la potencia nominal HPA y la temperatura de ruido LNA. Durante el análisis, se pueden hacer concesiones para lograr un equilibrio entre coste y rendimiento.
Los objetivos de rendimiento para enlaces digitales consisten de:
- BER para condiciones de operación normal.
- Disponibilidad del enlace, o el porcentaje de tiempo que el enlace tiene un BER mejor que el nivel especificado.
Link Budget - Presupuesto de Enlace
Es el cálculo utilizado para determinar los requerimientos de energía necesarios para un enlace particular, comprende toda la cadena de transmisión. De esta forma se puede medir la cantidad de energía que se disipará cuando se establezca el enlace entre los dispositivos terminales.
Cálculo de enlace (Link budget)
Del análisis de la fórmula de Friis:
podemos realizar una importante conclusión de su expresión en decibeles:
De aquí deducimos que la potencia recibida es igual a la potencia transmitida más las ganancias de ambas antenas, menos la atenuación por espacio libre que a su vez depende de la frecuencia de la señal y de la distancia entre las antenas.
El cálculo de enlace lo realizamos mediante el análisis anterior, teniendo en cuenta que necesitamos un mínimo de potencia en el receptor para que opere adecuadamente (sensibilidad del receptor), y dejar algo de margen como para poder sobrevivir a situaciones que hagan que el espacio libre deje de serlo.
Transmisión [dBm]: energía de transmisor [dBm] -pérdida de cable [dB]+ ganancia de antena [dBi]
Propagación [dB]: pérdida de Espacio Libre [dB].
Receptor [dBm]: ganancia de antena[dBi]- pérdida de cable [dB]- sensitividad de receptor [dBm]
La condición de funcionamiento del link es que el total:
Total Transmisor + Total Propagación + Total Receptor
debe ser mayor que 0. El resto da el margen del sistema.
Estas reglas son teóricas y representa el máximo alcanzable para un sistema.
En realidad tendremos interferencias (otras redes WLAN, bluetooth), ruido industrial (microondas, motores), pérdidas atmosféricas (humedad del aire, dispersión, refracción), antena mal orientada, reflexiones, etc. que afectarán al rendimiento total. Por lo tanto es necesario tomar un suficiente margen de seguridad (5-6 dB o más en distancias grandes).
En el internet, podemos encontrar una variedad de programas que nos ayudan a realizar el cálculo automático del presupuesto de enlace (link budget). Uno de los mejores links que realizan el cálculo, es el mostrado a continuación:
Solamente debemos ingresar los valores de potencias, pérdidas y sensibilidad de los equipos y automáticamente nos devuelve los resultados.
Estación Terrena de Comunicaciones
La principal función de la estación terrena es la adecuación de las señales para su transmisión al satélite, desde donde se realiza la radiodifusión de las mismas. Dependiendo del tipo de estación, ésta se puede encargar de transmitir y/o recibir información, controlar el estado del satélite y su situación orbital.
Elementos y Equipamiento:
La vía de transmisión consta de:
- Interconexión con las señales de entrada de la banda base.
- Procesamiento de la banda base.
- Convertidor de IF a RF.
- Amplificador de gran potencia AGP.
- Klinston de gran potencia
- Alimentación de la antena.
- Antena parabólica.
- Antena parabólica.
- Convertidor de RF a IF.
- Procesamiento de la banda base.
- Interconexión con la salida de la banda base.
- Amplificador de nivel bajo de ruidos de alimentación ANBA.
Antena
Sus funciones son Seguimiento, Telemetría, Telecomando y capacidades de voz y televisión.
Lo que se usa más frecuentemente es el sistema de Banda S, el que emplea principios de auto seguimiento por monopulso para mantener la antena apuntando hacia la señal que transmite el satélite. El diámetro de la antena requerido para cualquier misión particular está determinado primariamente en función de la distancia de la estación terrena al satélite, de la frecuencia de la portadora, de la potencia de transmisión del satélite en Watts. La antena generalmente es común para Transmisión y Recepción, por razones de costo y tamaño. La separación de la dirección de transmisión es obtenida por medio de dispositivos electrónicos llamados Diplexores.
Sistema de Transmisión y Recepción de Radio Frecuencia
Los transmisores son mucho más caros que los receptores, y su precio aumenta proporcionalmente a la potencia que se requiera transmitir. Ello se debe por una parte a que el número de receptores fabricados es mucho mayor, pero también porque sus requerimientos en cuanto a ancho de banda, estabilidad en frecuencia y control de potencia no son tan difíciles de lograr.
Este sistema tiene la función de transmitir vía RF desde tierra al satélite en la banda de frecuencia asignada para todos los telecomandos que son necesarios para actuar sobre sistemas o partes componentes del satélite.
El equipamiento de Radio Frecuencia para Recepción está, generalmente, en arreglos de gabinetes, colocados en forma tal de minimizar las pérdidas en las líneas de transmisión a la antena. Este equipamiento acepta la frecuencia portadora proveniente del satélite y que pasa por el sistema de antena, la procesa a frecuencias más bajas (intermedia) y la demodula.
Los más importantes componentes de RF de una estación terrena son sin duda el amplificador de bajo ruido del receptor (LNA o Low Noise Amplifier) y el amplificador de alta potencia del transmisor (HPA o High Power Amplifier). También son importantes los convertidores de frecuencia para pasar de frecuencia intermedia FI a frecuencias microondas.
· Amplificadores de bajo ruido
Los amplificadores paramétricos refrigerados criogénicamente son los LNA más ampliamente utilizados en las grandes 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. Para las estaciones de mediano y pequeño tamaño como las receptoras de TV en los que el coste es más crítico se prefieren los amplificadores de GaAsFET con refrigeración electrotérmica.
· Amplificadores de gran potencia
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. 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 llegando hasta los 500 MHz a 6 GHz y permitiendo que se les sincronice a la banda de cualquiera de los transpondedores.
· Conversor de subida/bajada (Up/down converter)
Un conversor de subida y bajada, se puede conseguir aparte, y generalmente convierten frecuencias de IF (Frecuencia Intermedia) a RF (Radio Frecuencia) cuando es Up Converter y de RF a If cuando es Down Converter. La frecuencias de IF son generalmente de 70 MHz, 140 MHz y la más común es la Banda L (950-1550 MHz aprox). La RF puede ser Banda C, Ku, Ka, etc.
El conversor de subida/bajada también puede estar integrado junto con el LNA. Cuando es así, se le conoce como LNB (Low Noise Block): entonces un LNB = LNA + Up/Down Converter.
· Sistemas FDM
Los sistemas FDM transmiten y reciben gran cantidad de señales de voz o datos mediante la asignación de diferentes frecuencias a cada canal.
El sistema utiliza una doble conversión de frecuencia con dos frecuencias intermedias, 70 MHz y 770 MHz. Cada canal es llevado a una portadora de radiofrecuencia en el espectro de transición. La señal FDM consistente en al menos 12 canales telefónicos o incluso hasta 1872, es modulada en una portadora de FI de 70 MHz. Los filtros FI de 70 MHz definen el ancho de banda de la señal FM resultante. Su ancho de banda está 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 70 MHz es entonces reconvertida a 770 MHz donde se recombina con otra portadora para dar lugar a una señal compuesta FM/FDMA. Dicha señal es finalmente trasladada a 6 GHz para su amplificación por el Amplificador de Alta Potencia.
· Sistemas TDM
Los sistemas TDM utilizan división en el tiempo para entrelazar señales digitales en tramas que son secuencialmente transmitidas a través de traspondedores separados.
La frecuencia intermedia FI de 70 MHz utilizada para sistemas FDM debe reemplazarse por un FI de 140 MHz cuando se envían datos a 120 Mbps mediante QPSK de ancho de banda de 80 MHz. Por su parte la FI de 770 MHz se sustituye por otra de 1.2 GHz en estaciones que utilizan la banda de Ku donde el ancho de banda es de 750 MHz.
El elemento más crítico de los receptores digitales es el demodulador, normalmente en enlaces QPSK. En estos, 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.
Sistema de Seguimiento
El sistema de seguimiento mantiene la antena apuntando en la dirección correcta hacia donde se encuentra el satélite y compensa el movimiento relativo entre la Estación Terrena y el Satélite. Las características del Sistema de Seguimiento varían de acuerdo a las características del haz electromagnético de la antena y la órbita del satélite. Debe contener un Receptor, un sistema de control y un servomecanismo de antena.
Este sistema es, principalmente, requerido por las estaciones terrenas que están asociadas a satélites que no son geoestacionarios y que tienen un período orbital menor a 24 horas.
Referencias
- http://es.scribd.com/doc/57485293/Link-Budget
- http://www.enlasat.org/infocalculo.html
- http://www.red.com.mx/letter.php?recD=582
- http://www.cika.com/newsletter/archives/gs15-17-1.pdf
- http://es.scribd.com/doc/47022152/Estacion-terrena-de-comunicaciones
- http://www.upv.es/satelite/trabajos/sat_tv/83.htm
- http://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/201/3/Capitulo%202.pdf
