práctica 4. comunicaciones

LABORATORIO DE SOPORTE HARDWARE
EN INGENIERÍA ESPACIAL
PRÁCTICA 4. COMUNICACIONES
Nombre: .........................................................................................
1. INTRODUCCIÓN
En la práctica dedicada a sensores se ha trabajado con sensores considerando para
la cobertura y los accesos únicamente la línea visual o FoV (Field of View). En la
práctica, los enlaces por radio se establecen mediante antenas equipadas con
transmisores y receptores. En función de las pérdidas del medio y de ciertos parámetros
de las antenas y de los equipos de transmisión y recepción, se calcula el llamado
“presupuesto o balance del enlace” o en inglés, Link Budget. Mediante el mismo se
establecen las ganancias y pérdidas de señal en el enlace, y se pueden determinar
parámetros como la tasa de error por bit o la relación Señal a Ruido.
STK permite modelar de forma muy detallada los transmisores y receptores, de
modo que se pueda hacer estimación fiable del balance del enlace. No es objeto de esta
práctica profundizar en la teoría de antenas ni de las comunicaciones por radio, por lo
que el estudio detallado de estos parámetros de configuración y su efecto sobre el
enlace, se deja al alumno que tenga interés. En esta práctica, únicamente modelaremos
sistemas sencillos que ayuden a comprender los elementos y condicionantes que
intervienen en los enlaces de radio entre el segmento terreno y el segmento espacial, y
especialmente aquellos que pueden afectar a las comunicaciones.
La ecuación que relaciona la potencia recibida (Pr) con la transmitida (Pt) es:
Pr = Pt − FPL
[1]
donde FPL representa las pérdidas o atenuación espacio libre (Free Path Loss),
siendo igual a:
FPL(dB) = 32.44 + 20 log D + 20 log f
[2]
donde “D” es la distancia expresada en km y “f” es la frecuencia expresada en
MHz.
En esta expresión queda reflejado como las pérdidas dependen de la distancia y de
la frecuencia. A las pérdidas de espacio libre habría que añadir las pérdidas debidas a la
atmósfera o por desapuntamiento.
La Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU-R) es un organismo
perteneciente a las Naciones Unidas que tiene como finalidad el definir y normalizar a
nivel internacional la asignación de frecuencias y las posiciones orbitales y otros
parámetros de los satélites de comunicaciones, con el propósito de evitar interferencias
dañinas entre estaciones de diferentes países. Las bandas de frecuencias (tabla 1) son
definidas en el documento “Radio Regulations” de la ITU-R, y son fruto de esta
regulación las bandas tan conocidas como la UHF (Ultra High Frequency) o la VHF
(Very High Frequency).
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VHF
30 a 300 MHz
UHF
300 MHz a 1 GHz
Banda L (Long Wave)
1 a 2 GHz
Banda S (Short Wave)
2 a 4 GHz
Banda C
4 a 8 GHz
Banda X
8 a 12 GHz
Banda Ku
12 a 18 GHz
Banda K
18 a 27 GHz
Banda Ka
27 a 40 GHz
Tabla 1. Bandas de frecuencias
La mayoría de los satélites de comunicaciones operan en las bandas C y Ku. Por
otro lado, los picosatélites (Cubesats) suelen operar en las bandas de radioaficionado en
VHF (144 MHz) y UHF (440 MHz). Tradicionalmente, los satélites científicos han
venido usando la banda S, pero ahora se está pasando a usar la banda-X. La elección de
una u otra banda está condicionada por varios parámetros, tales como son el tamaño de
las antenas, ocupación del espectro, el ancho de banda o la propagación y pérdidas.
2. SIMULACIÓN CON STK
2.1. Enlace básico
En este apartado se va a modelar un escenario con el que se quiere estimar el balance
del enlace entre el satélite AMAZONAS de la empresa HISPASAT, y una estación
situada en Madrid.
Paso 1. Configuración del escenario
•
Cree un nuevo escenario. Sobre este escenario, añada el satélite Amazonas y una
estación de tierra situada en Madrid. Puede usar las diferentes bases de datos
disponibles para ello.
•
Añada un receptor a la estación de tierra, y añada un transmisor al satélite
Amazonas. El escenario debe quedarle de forma similar a la mostrada en la
figura 2.1.
Figura 2.1. Escenario inicial
•
Configure el receptor como un receptor simple (Simple receiver). Active las
casillas “Auto Track” y “Auto Scale”. Mediante estos parámetros configuramos
el receptor para que se ajuste a los parámetros del transmisor, en cuanto a
frecuencia (incluyendo cualquier efecto Doppler) y ancho de banda. Configure
el parámetro g/T con un valor de 6 dB/unitDegK. Este parámetro es el que
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caracteriza el receptor y es la relación entre la ganancia y la temperatura de ruido
del sistema.
•
Configure ahora el transmisor, también como un transmisor simple (Simple
Source Transmitter). Introduzca los siguientes parámetros:
o Frequency: 14.5 GHz. Banda Ku
o EIRP: 52 dBW. Potencia isotrópica radiada equivalente (PIRE). Es la
relación entre la potencia de transmisión y la ganancia de la antena.
PIRE = PT·GT
[3]
o Data rate: 16 Mbps
o Modulation: QPSK
Paso 2. Estimación del balance del enlace
•
En primer lugar se van a calcular los accesos del transmisor con el receptor.
Seleccione el transmisor y calcule los accesos (botón Compute) para el receptor
asociado a la estación terrena.
•
A continuación, pulse el botón Link Budget, dentro de la sección de Reports. Se
le habrá abierto una nueva ventana con una tabla que contiene todos los datos de
interés del enlace. Hay dos parámetros muy importantes en comunicaciones
digitales, que son el Eb/No y el BER. Eb/No (Energy per Bit/Noise Ratio) es la
relación señal a ruido a nivel de bit. Por otro lado, el BER es la tasa de error de
bit (Bit Error Ratio), que es la relación entre los bits recibidos con error y el
número de bits totales recibidos, expresada como una probabilidad (ver figura
2.2). Las pérdidas en un enlace son mayores conforme aumenta la distancia y la
frecuencia. El BER también depende del tipo de modulación empleada y el valor
deseado depende también del tipo de servicio. Así, por ejemplo, un BER de 10-4
es aceptable para telefonía. Para datos se requiere algo mejor, como 10-6, pero
puede ser necesario incluso de 10-9. Si amplia en la ventana 2D la zona del
satélite Amazonas, podrá observar cómo, debido a las imperfecciones de la
órbita, el satélite describe un movimiento oscilante, es decir, no “permanece”
quieto. Este movimiento oscilatorio está relacionado con la variación en la
calidad del enlace (Eb/No y BER). Este efecto puede apreciarse mejor si se crea
una gráfica con el BER, por ejemplo.
-1
BER 10
BER
-2
10
-4
10
-3
-5
10
10
-6
-4
10
10
-7
10
-5
10
9.6
10.5
11.3
12.0
-9
12.6
10
10
8.4
-8
10
-6
E / N [dB]
b
o
-7
10
-8
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
E / N [dB]
b
o
Figura 2.2. BER en función de Eb/No para modulaciones BPSK y QPSK
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En la ventana de acceso, cree una nueva gráfica que muestre el BER en función
de tiempo (Sección Graphs -> Custom). Debe crear un nuevo estilo. Dentro el
árbol Link Information, podrá encontrar el parámetro BER. Genere la gráfica,
que deberá ser similar a la mostrada en la figura 2.3. El mínimo valor del BER
se da sobre las 15:02h, que coincide cuando la distancia entre el transmisor y
receptor es mínima.
2 Jul 2007 12:00:00.000
•
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Figura 2.3. BER en función del tiempo para el satélite Amazonas
Paso 3. Estableciendo restricciones
•
Dentro de las propiedades del receptor se pueden establecer restricciones o
Constraints. Cree una copia del satélite Amazonas. Verá como se duplica tanto
el satélite como el transmisor asociado en el escenario. Ponga una inclinación de
10 grados en el satélite Amazonas, calcule los accesos con el receptor y genere
una nueva gráfica del balance de enlace para el BER. La gráfica debe ser similar
a la mostrada en la figura 2.4. Si compara la gráfica de la figura 2.4 con la
gráfica de la figura 2.3, podrá observar como el BER en el mínimo de la curva
para la figura 2.4 es menor que el de la figura 2.3. Esto es debido a que la
distancia con la estación terrestre es menor.
Figura 2.4. BER en función del tiempo para el satélite Amazonas con inclinación de 10º
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En la ventana de propiedades del receptor, establezca en la sección Constraints > Comm un BER máximo de 0.00099. Si vuelve a generar la gráfica, verá como
hay un periodo de la órbita en el que no se cumple la restricción (figura 2-5).
Esto también queda reflejado en la ventana 2D.
2 Jul 2007 12:00:00.000
•
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Figura 2.5. BER de Amazonas con inclinación de 10º y restricción
2.2. Satélite LEO
En el ejemplo anterior, el satélite permanecía más o menos fijo en el firmamento.
Las características de la comunicación pueden ser muy distintas cuando se trata de un
satélite LEO, ya que se mueve a mayor velocidad y el apuntamiento de la antena
receptora debe ser muy fino. En el siguiente ejemplo, modelaremos el caso de un
satélite LEO y una estación terrena.
Paso 1. Configuración del escenario
•
Cree un nuevo escenario. Sobre este escenario, añada un satélite situado en
órbita circular, a una altura de 800 km y con una inclinación de 45º. Llámelo
Nuitari. Añada también una estación de tierra situada en Madrid.
•
Añada un receptor a la estación de tierra, y añada un transmisor al satélite
Nuitari.
•
Configure el receptor como un receptor complejo (Complex receiver). Active las
casillas “Auto Track” y “Auto Scale”. Si pulsa sobre el botón Antenna, podrá
ver los parámetros de la antena. Uno de ellos es el tipo de antena (Gausiana). Si
pulsa en detalles podrá cambiar ciertos parámetros de la antena, como son la
eficiencia y el diámetro de la antena. Deje los valores que viene por defecto. Sin
embargo, cambiando el diámetro y la eficiencia se puede modificar la ganancia
de la antena según la relación:
G =η
4πA
λ2
[4]
donde η es la eficiencia, A es el área de la antena y λ es la longitud de onda. Es
decir, según aumenta la frecuencia, la ganancia de la antena es mayor. Lo mismo
ocurre con el área. A mayor diámetro, mayor capacidad tiene la antena de
concentrar energía y mayor ganancia tiene.
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•
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Configure ahora el transmisor, también como un transmisor complejo (Complex
Source Transmitter). Introduzca los siguientes parámetros:
o Frequency: 440 MHz. Banda UHF
o EIRP: 30 dbW.
o Data rate: 16 Mbps
o Modulation: QPSK
Paso 2. Estimación del balance del enlace
•
Seleccione el transmisor y calcule los accesos (botón Compute) para el receptor
asociado a la estación terrena.
•
A continuación, pulse el botón Link Budget, dentro de la sección de Reports. En
el informe generado podrá observar cómo hay valores negativos y positivos para
el parámetro Eb/No. Valores razonablemente buenos para Eb/No son a partir de
10 dB. Un valor negativo implica que el ruido es mayor que la señal. Estos
valores aparecen porque no se ha establecido ninguna restricción para el cálculo
del enlace y simplemente se tienen en cuenta los parámetros de las antenas y la
línea visual de contacto. En la ventana 2D aparecen reflejados los accesos,
teniendo una duración aproximada el primer acceso de 16 minutos.
Paso 3. Estableciendo restricciones
•
A continuación vamos a establecer una restricción o Constraints relativa al
mínimo Eb/No que debe haber en el receptor para considerar una comunicación
aceptable. Dentro de las propiedades del receptor, en el campo Constraints->
Comm, fije un valor mínimo de 10 db para el parámetro Eb/No.
•
Vuelva a calcular el balance del enlace. Verá como los accesos se han reducido
considerablemente, teniendo la ventana para el primer acceso una duración
aproximada de 5 minutos.
Paso 4. Transmisores, receptores y sensores
•
Para mejorar la relación señal ruido y por tanto, ampliar la ventana de recepción,
es habitual disponer de una antena que apunte al objetivo y que le vaya
siguiendo a lo largo de su trayectoria. Este apuntamiento o “tracking” se modela
en STK, colocando el receptor o transmisor dentro de un sensor. Añada un
sensor a la estación de Madrid.
•
Corte (Cut) el receptor, seleccione el sensor creado y a continuación pegue
(paste), el receptor que había cortado previamente. De este modo, asociamos el
receptor al elemento sensor.
•
En la ventana de propiedades del sensor, dentro de la sección de propiedades
básicas, cambie el tipo de apuntamiento de fijo (fixed) a orientado a un objetivo
(targeted). Seleccione como objetivo el transmisor del satélite.
•
Vuelva a calcular los accesos con respecto al receptor acoplado al sensor. Podrá
ver cómo la ventana se amplia considerablemente y que además se consiguen
mejoras en la relación señal ruido Eb/No con respecto a los casos anteriores.
•
Para tener una visión 3D del seguimiento, puede cambiar el modelo 3D de la
estación de Madrid y hacer que las parte móviles sigan al satélite. Cambie el
modelo que viene por defecto por el modelo “ground-antenna.mdl”. Pulse Ok y
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vuelva a abrir la ventana de propiedades de la estación. En el campo “model
pointing”, estableza intervalos para los parámetros “ELEVATION” y
“AZIMUTH”. Pulse el botón Interval List, y añada un nuevo intervalo para
cada uno de los parámetros tomando como “Target” el satélite. Una vez
aplicados los cambios, modifique en la ventana 3D el punto de referencia de la
vista pulsando en el botón
. Seleccione la estación de tierra como “View
From/View to”. Aplique los cambios e inicie la simulación. Podrá ver cómo la
antena sigue al satélite (figura 2.6).
Figura 2.6. Apuntamiento del modelo
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Ejercicios
1. Sobre el ejemplo anterior, ¿cuál es la EIRP mínima en el transmisor que garantiza
un acceso de cómo mínimo 5 minutos?. Suponiendo que la antena del transmisor
tiene una ganancia de 20 dB, ¿Cuál sería la potencia mínima de transmisión?
Respuesta:
2. Sobre el ejercicio anterior y haciendo uso de los informes que permite generar STK,
determine las pérdidas de espacio libre y verifique las formulas 1 y 2.
Respuesta:
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3. Manteniendo la misma potencia y órbita, modifique la frecuencia de transmisión.
Pruebe con una frecuencia de 144 MHz y otra de 1.2 GHz. ¿Cómo se ven afectados
los parámetros del balance del enlace?
Respuesta:
4. Manteniendo la misma potencia y una frecuencia de 440 MHz, cambie la altura del
satélite, a 400 km y a 32000 km. ¿Cómo se ven afectados los accesos y los
parámetros del balance del enlace?
Respuesta:
5. La opción “auto-track” en el receptor permite que el receptor se ajuste a los cambios
de frecuencia debidos al efecto Doppler. Pruebe a desmarcar esta opción y coteje los
resultados del balance con los obtenidos anteriormente. ¿Cómo afecta el Doppler al
enlace?. ¿Dónde será más notable el desplazamiento Doppler, en un satélite LEO o
en un satélite GEO?
Respuesta:
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6. Supongamos que tenemos la sonda espacial Cassini en las inmediaciones de en
Saturno, cuya distancia la Tierra en un determinado momento es de 800 millones de
km. Se está haciendo el seguimiento de la sonda desde la estación de espacio
profundo que tiene la NASA ubicada en Robledo de Chavela (Madrid). Los datos
de la comunicación son los siguientes:
Satélite
Enlace satélite a Tierra
Enlace Tierra a satélite
Estación
Potencia de transmisión: 20W
Tamaño de la antena: 70 m
Frecuencia: 8145 MHz
Eficiencia: 0.7
Tamaño de la antena: 3m
Potencia de transmisión: ¿?
Eficiencia: 0.7
Frecuencia: 7162 MHz
Potencia de recepción: -97 dBm
Eficiencia: 0.6
Haciendo uso de las fórmulas [1], [2] [3] y [4], se pide calcular:
Potencia de recibida en Tierra
Enlace Satélite-Tierra (W)
Potencia de transmisión en tierra
Enlace Tierra-Satélite (W)
Pérdidas de espacio libre (dB)
Referencias:
[1] Comunicaciones por Satélite. Rodolfo Neri Vela,. Thomson. ISBN: 970-68-6282-X
Capítulos 3 y 6.
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