Visoka škola elektrotehnike i računarstva strukovnih studija

Studijski program: Specijalističke strukovne studije Elektronika i Telekomunikacije

Predmet: SATELITSKI KOMUNIKACIONI SISTEMINastavnik: Hana StefanovićKabinet: 508E-mail: hanapopstefanovic@yahoo.com, hana@viser.edu.rsNastavna jedinica:

Analiza satelitskog (budžeta) linka

Beograd2012.

ANALIZA SATELITSKOG LINKAU analzi satelitskog linka koristi se izraz budžet linka.Satelitski link predstavlja prenosni put signala od

izvora informacija predajne ZS preko satelitske stanice do prijemne ZS

Satelitski link sačinjavaju:• uređaji za obradu i pojačanje signala u predajnoj ZS• uzlazna – uplink deonica• satelitski transponder za konverziju i pojačanje

signala• silazna downlink deonica• uređaji za pojačanje i obradu signala u prijemnoj ZS

Budžet satelitskog linka predstavlja ukupan iznos svih slabljenja i pojačanja na putu signala koji utiču na kvalitet satelitskog linka

Kvalitet satelitskog linka izražava se odnosom signal-šum (signal-noise – S/N) ili nosilac-šum (carrier-noise – C/N) na ulazu zemaljskog prijemnika

Odnos signal-šum na ulazu zemaljskog prijemnika zavisiod parametara predajnika zemaljske stanice, osobina prenosnog medija, parametara prijemnika i predajnika satelitske stanice i parametara prijemnika zemaljske stanice

Na odnos S/N ili C/N utiče:- iznos snage izlaznog pojačavača i direktivnost antene

predajnika zemaljske stanice,- slabljenje slobodnog prostora i udaljenost, visina satelita - faktor šuma transpondera, i- faktor šuma prijemne zemaljske stanice.

PARAMETRI ANTENE• U analizi satelitskog linka važnu ulogu ima pojačanje

antene, koje kod realne antene zavisi od pravca posmatranja

• Za referentnu antenu obino se uzima fiktivna izotropna antena koja podjednako zrači u svim pravcima

• Pojačanje (dobitak, gain) antene G(θ ) je odnos izračene (ili primljene) snage po jedinici ugla posmatrane antene i izračene (ili primljene) snage po jedinici ugla izotropne antene, pod uslovom da su obe antene napajane istom snagom

• Pojačanje antene izražava koliko jače zrači posmatrana antena u odnosu na izotropnu antenu napajanu istom snagom

POJAČANJE PARABOLIČNE ANTENE• Kod parabolične antene sa kružnim otvorom reflektora dijagram zračenja je

osno simetričan i sastoji se od glavnog lista zračenja i bočnih listova• Maksimalno zračenje je na osi glavnog lista, a u tom pravcu je i pojačanje

maksimalno i iznosi:

pri čemu λo=c/f predstavlja talasnu dužinu u slobodnom prostoru, a Seffpredstavlja efektivnu površinu antene

• Efektivna površina je manja od fizičke površine zračećeg otvora i iznosi:

pri čemu je η koeficijent iskorišćenja antene i tipično iznosi 0.55-0.7, dok je da prečnik zračećeg otvora paraboličnog reflektora

• Pojačanje se može izračunati kao:

• Pojačanje izraženo u dB iznosi (da [m], f [GHz], c uneti kao 0.3·109 [m/s]):

max 2

4eff

o

G G Sπλ

= = ⋅

2

4a

effdS S πη η= ⋅ =

22ad fGc

πη⎛ ⎞

= ⎜ ⎟⎝ ⎠

2

2[dB] 10log 20log 20log 10logaG G d fc

ηπ⎛ ⎞= = + + ⎜ ⎟

⎝ ⎠

POJAČANJE PARABOLIČNE ANTENE – TIPIČNE VREDNOSTI

• Za vrednost η=0.55 dobija se:

pri čemu se prečnik zračećeg otvora paraboličnog reflektora da izražava u [m], a frekvencija f u [GHz]

• Zaključak: pojačanje antene je veće ako je prečnik antene veći i ako je frekvencija viša

[dB] 20log 20log 17.869aG d f= + +

TRODECIBELSKA ŠIRINA GLAVNOG LISTA ZRAČENJA

• Trodecibelska širina glavnog lista 2θ3dB predstavlja ugao između pravaca u kojima pojačanje opadne na polovinu maksimalne vrednosti

• Približno se može izračunati kao:

• Za vrednost η=0.55 pojačanje se može odrediti pomoću trodecibelske širine kao:

3dB2 70 [ ]o

adλθ = °

( )23dB

270002

Gθ

=

TRODECIBELSKA ŠIRINA GLAVNOG LISTA ZRAČENJA – TIPIČNE VREDNOSTI U SKS

• U tabeli su date vrednosti pojačanja i trodecibelske širine glavnog lista zračenja za neke vrednosti da [m] i f=4 GHz i f=12 GHz:

f=4 GHz f=12 GHz

0.60.91.71.72.65.32θ3dB [°]

544640383630G [dB]

321321da [m]

EFEKTIVNA IZOTROPNA SNAGA ZRAČENJA – EIRP

• Efektivna izotropna snaga zračenja Piz(θs) predstavlja snagu napajanja fiktivne izotropne antene (koja jednako zrači u svim pravcima) i koja na mestu prijema u pravcu θs stvara polje istog intenziteta kao posmatrana antena

• Određuje se kao proizvod napajanja i pojačanja posmatrane antene:

• U praksi se češće izražava u decibelima u odnosu na jedinicu snage i obeležava se sa EIRP (Effective Isotropically Radiated Power):

( ) ( )iz s t t sP PGθ θ=

( )10log [dBW]iz s izEIRP P Pθ= =

ODREĐIVANJE EIRP – PRIMER

• Na satelitu, izlazna snaga pojačavača na bazi cevi sa progresivnim talasima (TWTA) iznosi 100 W, dok antenski sistem unosi pojačanje 1000. Odrediti EIRP.

• Rešenje:

( )10log 50 dBWt tEIRP PG= =

EIRP NEKIH SATELITA• EIRP se za pojedine satelite uglavnom daje u vidu kontura na

Zemljinoj površini koje označavaju mesta konstantne vrednosti EIRP

EIRP [dBW] TELSTAR-12

GUSTINA SNAGE NA MESTU PRIJEMA

• Nekad se umesto EIRP kao parametar koristi gustina snage signala na mestu prijema (intenzitet Pointingovog vektora):

• Ova veličina se uglavnom izražava u decibelima u odnosu na jedinicu W/m2 i označava se sa PFD (Power Flux Density):

( )2 2 2

W 4 4 m

t t siz PGPpd d

θπ π

⎡ ⎤= = ⎢ ⎥⎣ ⎦

2

dBW10log m

PFD p ⎡ ⎤= ⎢ ⎥⎣ ⎦

SNAGA SIGNALA NA MESTU PRIJEMNE ZS

• Prostiranje signala od satelita do ZS zavisno je od parametara sredine kroz koju se satelitski signal prostire (promena temparature i pritiska, kiša, sneg, vodena para...)

• Posledica – promene nivoa, pravca, polarizacije i brzine prostiranja satelitskog signala

• Na kvalitet linka satelit-ZS takođe utiče i izbor frekvencijskog opsega i vrsta upotrebljene modulacione tehnike

• Prilikom izvođenja izraza za slabljenje signala na deonici satelit-ZS pretpostavićemo da prenosni medij ima karakteristike slobodnog prostora, a doprinos nekih efekata (kiša, magla...) razmotrićemo naknadno

• Gustina snage na mestu prijemne ZS iznosi:

• Pošto je rastojanje d dovoljno veliko može se smatrati da izračeno EM polje na mestu prijema ima karakter ravanskog talasa

• Snaga koja se posredstvom prijemne antene predaje prilagođenom prijemniku iznosi:

• Snaga signala na ulazu u prijemnik iznosi:

24t tPGpdπ

=

2

24 4t t o r

r effPG GP p S

dλ

π π= ⋅ = ⋅

2

4o

r t t rP PG Gd

λπ

⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠

SLABLJENJE SIGNALA NA DEONICI SATELIT-ZS (SLABLJENJE TRASE)

• Slabljenje trase se definiše kao logaritamski odnos snage napajanja emisione antene na satelitu i snage signala na ulazu u prijemnik:

• Izraz L0 naziva se slabljenje u slobodnom prostoru, a slabljenje trase se može odrediti kao:

21 4 1 4[dB] 10log 10log 10log 20logt

r t r o t r o

P d dLP G G G G

π πλ λ

⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟= = ⋅ = +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠

01[dB] 10log [dB]t r

L LG G

= +

SLABLJENJE U SLOBODNOM PROSTORU L0

• Slabljenje u slobodnom prostoru određuje se kao:

• Kada se uvrste brojne vrednosti za konstante u prethodnom izrazu dobija se:

• Na osnovu prethodnog izraza može se izračunati slabljenje signala u slobodnom prostoru pri određenoj frekvenciji i za različite položaje ZS u odnosu na satelit

• Red veličine slabljenja u slobodnom prostoru za GEOsatelite iznosi ~200 dB

04[dB] 20log 20log 4

o

d fL dc

π πλ

⎛ ⎞ ⎛ ⎞= =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

[ ]( ) [ ]( )0[dB] 92.442 20log km 20log GHzL d f= + +

SOFTVERSKI ALAT RadioWORKS – PRIMERI ODREĐIVANJA L0

• Primer 1. d = 1000 km (LEO), f = 5 GHz• Porast L0 gubitaka sa rastojanjem

SOFTVERSKI ALAT RadioWORKS – PRIMERI ODREĐIVANJA L0

• Primer 2. d = 1000 km (LEO), f = 10 GHz• Povećanje L0 gubitaka sa porastom frekvencije

SOFTVERSKI ALAT RadioWORKS – PRIMERI ODREĐIVANJA L0

• Primer 3. r = 20000 km (GEO), f = 10 GHz• Povećanje L0 gubitaka u odnosu na LEO

UTICAJ ATMOSFERSKOG SLABLJENJA LA NA UKUPNO SLABLJENJE TRASE

• Slabljenje signala pri prostiranju kroz atmosferu LAposledica je prisustva različitih gasova, apsorpcija od kiše, magle, pojava snega, leda, oblaka...

• Red veličine LA je nekoliko dB• Korekcija izraza za ukupno slabljenje:

• Prijemna snaga se može izračunati kao:

01[dB] 10log [dB] [dB]At r

L L LG G

= + +

0[dBW] [dB] [dB] [dB]r r AP EIRP G L L= + − −

ATMOSFERSKA APSORPCIJA

• Najznačajniji apsorpcioni faktori:

Molekuli kiseonika (najizraženiji uticaj na 60 GHz)Nekondenzovana vodena para (najizraženiji uticaj na 21 GHz)KišaMagla, oblaciSneg, grad

• Uticaj molukula kiseonika i nekondezovane vodene pare se uglavnom može smatrati konstantnim, dok su pojava kiše, magle i snega uslovljeni vremenskim prilikama ragiona

• Efekat apsorpcije takođe utiče na smanjenje ugla elevacije• Za Ka i Ku opsege (učestanosti preko 10 GHz) kiša

predstavlja veliki problem, jer voda jako apsorbuje signale na ovim učestanostima

ATMOSFERSKO SLABLJENJE I APSORPCIJA U SISTEMU NA 4-6 GHz

ATMOSFERSKO SLABLJENJE I APSORPCIJA U SISTEMU NA 12-14 GHz

POREĐENJE ATMOSFERSKOG SLABLJENJA U SISTEMIMA NA 4-6 GHz I 12-14 GHz

ZADATAK 1:Odrediti snagu na mestu prijema udaljenom 38670 km od satelita ASTRA 1C, ako je poznata frekvencija downlink-a f=11.7 GHz i parametri antenskog sistema prijemne ZS: prečnik paraboličnog reflektora da=60 cm i efikasnost η=65%. Poznato je da EIRP za dati satelit i navedeno mesto prijema iznosi 52 dBW. Za atmosfersko slabljenje uzeti vrednost LA=1.5 dB.REŠENJE:Slabljenje u slobodnom prostoru se izračunava na osnovu:

Pojačanje prijemne antene se izračunava na osnovu:

Snaga na mestu prijema iznosi:

odnosno:

2

2[dB] 20log 20log 10log 35.45 dBr aG d fc

ηπ⎛ ⎞= + + =⎜ ⎟

⎝ ⎠

[ ]( ) [ ]( )0[dB] 92.442 20log km 20log GHz 205.55 dBL d f= + + =

0[dBW] [dB] [dB] [dB] 119.6 dBWr r AP EIRP G L L= + − − = −

[dBW] 10log 1.1 pWr r rP P P= ⇒ =

ZADATAK 2:Odrediti potrebnu snagu predajne predajne antene na satelitu, da bi se na mestu prijemne ZS registrovao signal snage 2.5·10-12 W. Poznata je udaljenost ZS od satelita d=36000 km i frekvencija downlink-a f=10 GHz. Pojačanja predajnog i prijemnog antenskog sistema iznose Gt=40 dB i Gr=30 dB, a atmosfersko slabljenje iznosi LA=5 dB. Koliki je EIRP?REŠENJE:Snaga predajne antene se izračunava na osnovu izraza:

Slabljenje u slobodnom prostoru iznosi:

Na osnovu toga snaga predajne antene iznosi:

EIRP iznosi:

[ ]( ) [ ]( )0[dB] 92.442 20log km 20log GHz 203.5 dBL d f= + + =

0[dBW] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]r t t r AP P G G L L= + + − −

[dBW] [dBW] [dB] 52 dBWt tEIRP P G= + =

0[dBW] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]116 dB 30 dB 40 dB 203 dB 5 dB=22 dB 158,5 W

t r t r A

t

P P G G L LP

= − − + + =

= − − − + + ⇒ =

ZADATAK 3 (DOMAĆI):Prilikom merenja slabljenja u slobodnom prostoru L0, veličina

prijemne antene ZS odabrana je tako da se na učestanostima downlink-a f1=3 GHz i f2=6 GHz ostvaruje jedinični dobitak (pojačanje).

a) Ako je poznato da je EIRP isti za obe učestanosti (f1 i f2) i iznosi 52 dBW, a razlika snaga na prijemu iznosi 4 pW, odrediti slabljenje u slobodnom prostoru za oba slučaja (downlink na f1 i f2).

b) Kolike su pri tome efektivne površine antene?c) Da li je za postizanje istog dobitka (pojačanja) na nižim

učestanostima potrebna veća ili manja efektivna površina antene?

Kontrolna pitanja

• Šta satelitski link predstavlja?• Šta satelitski link sačinjava?• Kako se izražava kvalitet satelitskog linka?• Od čega zavisi odnos S/N ili C/N na ulazu zemaljskog

prijemnika?• Šta utiče na odnos S/N ili C/N?• Šta predstavlja dobitak antene?• Kako se određuje maksimalno zračenje parabolične antene?• Od čega zavisi dobitak parabolične antene?• Šta predstavlja trodecibelska širina glavnog lista 2θ3dB?• Šta predstavlja efektivna izotropna snaga zračenja Piz(θs)?• Kako se izražava efektivna izotropna snaga zračenja Piz(θs)?• Kako se određuje gustina snage na mestu prijema?• Kako se određuje slabljenje u slobodnom prostoru?• Koje su tipične vrednosti slabljenja u slobodnom prostoru

za GEO sisteme?• Koje su tipične vrednosti atmosferskog slabljenja u SKS?