Análise de Viabilidade do Enlace de Comunicação com Satélite

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Universidade de Brasília - UnB
Faculdade UnB Gama - FGA
Engenharia Eletrônica
ANÁLISE DE VIABILIDADE E CONSTRUÇÃO
DO ENLACE DE COMUNICAÇÃO ENTRE A
ESTAÇÃO TERRENA NA UNIVERSIDADE DE
BRASÍLIA E O SATÉLITE SERPENS
Autor: Jeann Feitosa Figueiredo
Orientador: Prof. Sébastien Rondineau
Brasília, DF
2016
Jeann Feitosa Figueiredo
ANÁLISE DE VIABILIDADE E CONSTRUÇÃO DO
ENLACE DE COMUNICAÇÃO ENTRE A ESTAÇÃO
TERRENA NA UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA E O
SATÉLITE SERPENS
Monografia submetida ao curso de graduação
em Engenharia Eletrônica da Universidade
de Brasília, como requisito parcial para ob-
tenção do Título de Bacharel em Engenharia
Eletrônica.
Universidade de Brasília - UnB
Faculdade UnB Gama - FGA
Orientador: Prof. Sébastien Rondineau
Brasília, DF
2016
Jeann Feitosa Figueiredo
ANÁLISE DE VIABILIDADE E CONSTRUÇÃO DO ENLACE DE COMU-
NICAÇÃO ENTRE A ESTAÇÃO TERRENA NA UNIVERSIDADE DE BRASÍ-
LIA E O SATÉLITE SERPENS/ Jeann Feitosa Figueiredo. – Brasília, DF, 2016-
47 p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.
Orientador: Prof. Sébastien Rondineau
Trabalho de Conclusão de Curso – Universidade de Brasília - UnB
Faculdade UnB Gama - FGA , 2016.
1. Enlace. 2. Comunicação. I. Prof. Sébastien Rondineau. II. Universidade
de Brasília. III. Faculdade UnB Gama. IV. ANÁLISE DE VIABILIDADE E
CONSTRUÇÃO DO ENLACE DE COMUNICAÇÃO ENTRE A ESTAÇÃO
TERRENA NA UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA E O SATÉLITE SERPENS
CDU 02:141:005.6
Este trabalho é dedicado
Agradecimentos
–
“epigrafe
Resumo
Este trabalho busca projetar e implementar um enlace de comunicação digital com o sa-
télite SERPENS, levantando os principais parâmetros que influenciam a sua qualidade.
Alguns parâmetros podem aumentar a relação sinal ruído, como o ganho das antenas
ou ganho de amplificadores de baixo ruído, ou podem diminuir, tais como atenuação at-
mosférica, desalinhamento entre as antenas, descasamento de polarizações etc. O objetivo
maior no TCC1 é projetar um sistema capaz de entregar a máxima taxa de bits especifi-
cada pelo fabricante do rádio, mesmo diante da alta imprecisão associado ao sistema de
comunicação. Devido ao comportamento dinâmico de muitas variáveis, é recorrente nos
colocarmos no pior cenário, a fim de se levantar uma margem segura que caracterize a
viabilidade do sistema.
Palavras-chave: Enlace. Comunicação. Modulação. Antena. Link Budget. Ruído.
Abstract
Abstract
Key-words: Link. Communication. Modulation. Antenna. Link Budget. Noise.
Lista de ilustrações
Figura 1 – Fontes de ruído e perdas de sinal do transmissor ao receptor em enlace
via satélite. Adaptado de (SKALAR, 2001, pág. 246) . . . . . . . . . . . 23
Figura 2 – Sistema de coordenadas para análises das antenas . . . . . . . . . . . . . 24
Figura 3 – O gráfica mostra a atenuação em função da frequência à temperatura
de 20 ○𝐶. Em 146 MHz a atenuação está em torno de 4,6 dB/100m, para
436 MHz em torno de 8,5 dB/100m. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Figura 4 – Ilustração erro de apontamento na antena transmissora e receptora. . . 27
Figura 5 – Diagrama de irradiação antena dipolo cruzado com corte feito em 𝜑 =
0 ○(Plano vertical). As linhas rosas delimitam 𝜃3𝑑𝐵 = 172 ○. . . . . . . . . 29
Figura 6 – Eclipse formada pela extremidade do vetor campo elétrico em um ponto
fixo do espaço. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figura 7 – Análise Geométrica do movimento do satélite. . . . . . . . . . . . . . . . 32
Figura 8 – Interpolação linear obtida a partir dos valores de absorção da tabela
2 no software Mathlab. Para a frequência de 146 MHz a atenuação é
0,74 dB e para 437 MHz é 0,07 dB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Figura 9 – Análise Geométrica do movimento do satélite. . . . . . . . . . . . . . . . 38
Figura 10 – Diagrama de irradiação antena dipolo cruzado . . . . . . . . . . . . . . . 47
Lista de tabelas
Tabela 1 – Perdas atmosféricas em frequências abaixo de 1 GHz a 20 ○𝐶 para vários
valores de 𝛽. Fonte: (IPPOLITO, 1986, pág. 33-34, tabelas 3-3a-c). . . 34
Tabela 2 – Principais efeitos devido a propagação de ondas eletromagnéficas pela
Ionosfera. Estes valores estam baseados no total de elétrons contidos
(TEC) 108 elétrons/𝑚2, o qual é um alto valor de TEC encontrado em
baixa latitude em um dia com alta atividade solar. Fonte: (??, P.618-7). 35
Lista de abreviaturas e siglas
FGA Faculdade do Gama
GPLv2 General Public License versão 2
TCC Trabalho de Conclusão de Curso
Lista de símbolos
Hz Hertz.
T Período.
f Frequência.
W Potência medida em watts.
dB Decibél.
Sumário
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.1 Contextualização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2 Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.1 Objetivo geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.2 Objetivos específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4 Organização do documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 TRANSMISSOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1 Perdas nos Cabos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.0.1 Perdas nos cabos da estação terrena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.0.2 Perdas nos cabos do satélite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Descasamento de impedância . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 CANAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1 Perdas de Apontamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.1 Perdas de apontamento em VHF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.1.1 Antena Dipolo cruzado no Satélite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.2 Perdas de apontamento em UHF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.2.1 Antena Yagi na estação terrena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.2.2 Antena Dipolo cruzado no Satélite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Perdas de Polarização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Perdas de espaço Livre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.0.1 Perdas de espaço livre em VHF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.0.2 Perdas de espaço livre em UHF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4 Perdas Atmosféricas e Ionosféricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4.0.1 Perdas atmosféricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4.0.2 Perdas Ionosféricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4 RECEPTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1 Ruído . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1.1 Temperatura de Ruído das Antenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1.1.1 Enlace de Descida (downlink) - Antenas da estação terrena . . . . . . . . . . . 38
4.1.1.2 Enlace de subida (uplink) - Antena do satélite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.1.2 Temperatura de Ruído do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5 RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
7 ANEXOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
7.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
21
1 Introdução
Introdução
1.1 ContextualizaçãoEste trabalho busca fazer o cálculo e construir dois enlaces de comunicação via
satélite, trazendo uma abordagem de sistema a fim de levantar uma análise quantita-
tiva dos principais parâmetros que influenciam a qualidade do enlace. Esses parâmetros
podem ser considerados positivos ao sistema, como o ganho das antenas ou a potência
do transmissor, ou podem agir como perturbações, tais como chuva, atenuação atmosfé-
rica, desalinhamento entre as antenas, descasamento de polarizações etc. Os parâmetros
inerentes aos equipamentos já comprados são obtidos baseados nas folhas de dados dos
equipamentos, quando não encontrados , por meio simulações. Uma das questões discuti-
das no projeto é a necessidade de se comprar amplificadores de baixo ruído, se sim quais
requisitos esses amplificadores deverão atender. Essa decisão será tomara baseado nos link
Margins encontrados.
1.2 Justificativa
O presente trabalho vem atender demandas internas e externas à Universidade
de Brasília. Internamente o trabalho é aplicado a um projeto pré-existente intitulado
SERPENS, no qual foi desenvolvido um satélite e enviado ao espaço por meio da agência
espacial internacional, entretanto o mesmo não possui uma base terrena ficando desse
modo dependente de parceiros em outros pontos do globo. Com a concretização do projeto
de implementação da base terrena o satélite passa a ter uma base na Universidade de
Brasília, e assim se torna uma ferramenta útil para os futuros estudantes interessados no
assunto. Sob um âmbito geral o Brasil por ser um país continental naturalmente precisa de
sistemas de telecomunicações, portanto este trabalho está alinhado à demandas nacionais.
1.3 Objetivos
1.3.1 Objetivo geral
O trabalho busca elaborar uma análise de viabilidade de dois enlaces de comuni-
cação digital vai satélite, sendo um em VHF e o outro em UHF. Caso o enlace não atenda
22 Capítulo 1. Introdução
aos requisitos para funcionamento, será feito sugestões visando sua adequação. Para a
segunda fase está previsto a execução do projeto.
1.3.2 Objetivos específicos
1. Pesquisar sobre teoria eletromagnética aplicada a sistemas de telecomunicações.
2. Fazer o dimensionamento de um enlace terra-satélite.
3. Especificar a relação sinal ruído, o link margin e a taxa de erro de bit.
4. Construir uma estação terrena de comunicação.
5. Fazer a comunicação com algum satélite da constelação SERPENS.
1.4 Organização do documento
Os próximos capítulos estão organizados da seguinte forma:
• Os tópicos são organizados em 3 sub-partes, apresentação do conceito teórico envol-
vido, aplicação em VHF e aplicação em UHF.
• Transmissor, Canal, Receptor - É quantificado os principais fatores que influenciam
a performance do enlace;
• Link Budget - É apresentado um sumário das diversas fontes que influenciam a
qualidade do enlace.
23
2 Transmissor
Neste capítulo será apresentado as fontes de ruídos e ou perdas presentes no trans-
missor seguindo o esquemático da figura 1. Nas perdas de limite de banda(1), Interferência
intersimbólica(2) e Ruído no oscilador local(3) não serão quantizados os valores, já as per-
das de descasamento de impedâncias(5) e eficiência de abertura(6) serão quantizadas e
adicionadas ao Link Budget.
Figura 1 – Fontes de ruído e perdas de sinal do transmissor ao receptor em enlace via
satélite. Adaptado de (SKALAR, 2001, pág. 246)
24 Capítulo 2. Transmissor
Os cálculos serão apresentados levando em consideração o sistema de coordenas
da figura abaixo (figura 2).
Figura 2 – Sistema de coordenadas para análises das antenas
2.1 Perdas nos Cabos
A conexão entre as antenas e os rádios são feitas através de cabos coaxiais. Esses
cabos constituem-se de uma estrutura com um condutor interno, uma camada de material
dielétrico, um condutor externos e um material isolante. Sendo que o condutor interno é
meio por onde se propaga o sinal e o condutor externo faz a blindagem eletromagnética
do cabo, mantendo o condutor interno isolado da radiação externa.
A massa do satélite é um fator crítico, é desejável a menor quantidade possível.
Devido a esse requisito está previsto utilizar dois tipos de cabo, no satélite o RG-188/AU
de menor diâmetro e consequentemente menor massa e na estação terrena o cabo ecoflex
10 de maior diâmetro.
2.1.0.1 Perdas nos cabos da estação terrena
A figura 3 traz a resposta em frequência do cabo ecoflex 10.
Na estação terrena os cabos tem comprimento de 20 m, implicando nas seguintes
perdas,
2.1. Perdas nos Cabos 25
Figura 3 – O gráfica mostra a atenuação em função da frequência à temperatura de 20 ○𝐶.
Em 146 MHz a atenuação está em torno de 4,6 dB/100m, para 436 MHz em
torno de 8,5 dB/100m.
Em 146 MHz,
𝐿𝑉 𝐻𝐹 𝐸𝑠𝑡𝑎çã𝑜 =
4, 6 𝑑𝐵⇑100𝑚
5 = 0, 92 𝑑𝐵 (2.1)
Em 436 MHz,
𝐿𝑈𝐻𝐹 𝐸𝑠𝑡𝑎çã𝑜 =
8, 5 𝑑𝐵⇑100𝑚
5 = 1, 7 𝑑𝐵 (2.2)
2.1.0.2 Perdas nos cabos do satélite
Nos cabos utilizados no satélite o fabricante fornece a seguinte expressão para as
perdas,
𝐿(𝑓) = 0, 0884 ⋅ 𝑓 + 0, 7501 ⋅ 𝑓 0,5 (2.3)
Onde
𝑓 é a frequência da portadora em GHz.
𝐿 as perdas no cabo em dB/m.
No satélite os cabos tem comprimento de 0,3 m implicando nas seguintes perdas,
26 Capítulo 2. Transmissor
Em 146 MHz,
𝐿𝑉 𝐻𝐹 𝑆𝑎𝑡é𝑙𝑖𝑡𝑒 = 0, 0884 ⋅ 0, 146 + 0, 7501 ⋅ 0, 1460.5 = 0, 30 𝑑𝐵 (2.4)
Em 436 MHz,
𝐿𝑈𝐻𝐹 𝑆𝑎𝑡é𝑙𝑖𝑡𝑒 = 0, 0884 ⋅ 0, 436 + 0, 7501 ⋅ 0, 4360.5 = 0, 53 𝑑𝐵 (2.5)
2.2 Descasamento de impedância
2.3 Considerações finais
27
3 Canal
3.1 Perdas de Apontamento
As perdas de apontamento ocorrem devido a um desvio do ângulo de maior irradi-
ação nas antenas do enlace (Figura 4). É inviável alcançar um alinhamento perfeito entre
as antenas da estação terrena e o satélite, especialmente no caso do projeto SERPENS
devido a alta velocidade angular do satélite com relação a terra, e ao seu movimento
descontrolado de rotação.
Figura 4 – Ilustração erro de apontamento na antena transmissora e receptora.
Como mostrado a figura x, a antena utilizada apresenta um ganho pequeno, ou
seja, a quantidade de energia irradiada é quase uniforme em todas as direções, isso faz
com que as perdas de apontamento sejam pequenas mesmo diante do descontrole no
alinhamento do satélite.
Será aplicado a solução apresentada em (MARAL, 2009, pág. 399) para as perdas
de apontamento em VHF e UHF, o qual traz as perdas em função do ângulo de abertura
de meia potência e do desvio do ângulo de máxima irradiação.
𝐿𝑎𝑝 = 12(
𝜃𝑇,𝑅
𝜃3𝑑𝐵
)
2
(3.1)
Onde
𝐿𝑎𝑝 = perda de apontamento
𝜃𝑇,𝑅 = desvio do ângulo de máxima irradiação em transmissão e recepção
respetivamente
𝜃3𝑑𝐵 = abertura de meia potência da antena no plano vertical.
28 Capítulo 3. Canal
Na estação terrena o erro de apontamento terá forte dependência com sistema
de rastreamento do satélite, que ainda será projetado. Nesse caso não podemos fixar um
ponto de baixo ganho como feito no satélite, pois as antenas da estação terrena possuem
alta ganho com relação às antenas do satélite. Portanto está definido que o sistema de
rastreamento do satélite deve ser tal que garanta um erro de apontamento inferior a 1 dB.
3.1.1 Perdas de apontamento em VHF
3.1.1.1 Antena Dipolo cruzado no Satélite
Aplicando 𝜑 igual 90 ○ ou 270 ○ nos coloca em uma situação de baixo risco, pois
observando variações em 𝜑 o ganho é mínimo nessas situações.
O ângulo 𝜃3𝑑𝐵 foi obtido por meio de simulação no software NEC(Numerical Elec-
tromagnetics Code), e 𝜃𝑇,𝑅 está estimado em um desvio de 45 ○ graus com relação a direção
de máxima irradiação.
Na figura 5 as linhas rosas delimitam 𝜃3𝑑𝐵,
𝜃3𝑑𝐵 = 176 ○ − 4 ○ = 172 ○ (3.2)
Aplicando a equação 3.1 temos,
𝐿𝑎𝑝 = 12(
45 ○
172 ○)
2
(3.3)
𝐿𝑎𝑝 = 0.82 𝑑𝐵 (3.4)
A perda total no enlace 𝐿𝑉 𝐻𝐹 é:
𝐿𝑉 𝐻𝐹 = 𝐿𝑎𝑝 + 1, 00 (3.5)
𝐿𝑉 𝐻𝐹 = 0.82 + 1, 00 = 1.82 𝑑𝐵 (3.6)
3.2. Perdas de Polarização 29
Figura 5 – Diagrama de irradiação antena dipolo cruzado com corte feito em 𝜑 = 0 ○(Plano
vertical). As linhas rosas delimitam 𝜃3𝑑𝐵 = 172 ○.
3.1.2 Perdas de apontamentoem UHF
3.1.2.1 Antena Yagi na estação terrena
3.1.2.2 Antena Dipolo cruzado no Satélite
3.2 Perdas de Polarização
A polarização de uma antena em uma dada direção é definida como a polarização
da onda eletromagnética transmitida pela antena, e a polarização de uma onda eletromag-
nética é definida como a orientação do plano no qual se encontra a componente elétrica
desta onda (BALANIS, 2005, pág. 70).
30 Capítulo 3. Canal
A perda de polarização acontece quando a onda incidente não está alinhada de
modo a induzir a máxima corrente possível na antena. Essa perda é chamada fator de
perda de polarização(PFL) e é expressa como:
𝑃𝐹𝐿 = ∏︁𝜌𝑤.𝜌𝑎
∗
∏︁
2 (3.7)
Onde
𝜌𝑤 é o vetor unitário que dá a direção do campo elétrico da onda incidente.
𝜌𝑎 é o vetor unitário que dá a polarização da antena.
𝜌𝑎
∗ o complexo conjugado de 𝜌𝑎.
Uma maneira mais usual de se obter o PFL é através das relações axiais e inclinação
das elipses(𝜏) que são formadas pelo vetor campo elétrico visto da direção de propagação
da onda. Kraus (KRAUS, 2002, pág. 47-52) traz a demonstração da equação 3.8 utilizando
a esfera de Poincaré.
Figura 6 – Eclipse formada pela extremidade do vetor campo elétrico em um ponto fixo
do espaço.
Onde
𝐸1 é a amplitude da onda linearmente polarizada na direção x.
𝐸2 é a amplitude da onda linearmente polarizada na direção y.
𝜏 corresponde ao ângulo entre o eixo x e o semi-eixo maior da elipse.
O teorema da reciprocidade nos permite afirmar que em uma mesma frequência,
a polarização da antena é a mesma tanto na transmissão como na recepção, com isso o
3.3. Perdas de espaço Livre 31
PFL no enlace de subida e de decida são iguais.
𝑃𝐹𝐿 = cos2 ((1 +𝐴𝑅
2
𝑤)(1 +𝐴𝑅2𝑟) + 4𝐴𝑅𝑤𝐴𝑅𝑟 + (1 −𝐴𝑅2𝑤)(1 −𝐴𝑅2𝑟) cos(2(︀𝜏𝑤 − 𝜏𝑟⌋︀)
2(1 +𝐴𝑅2𝑤)(1 +𝐴𝑅2𝑟)
)
(3.8)
Onde
𝐴𝑅𝑤 é a relação axial da onda incidente.
𝐴𝑅𝑟 é a relação axial da antena receptora.
𝜏𝑤 o ângulo entre o eixo x e o semi-eixo maior da elipse formada pela onda
incidente.
𝜏𝑟 o ângulo entre o eixo x e o semi-eixo maior da elipse formada pela da antena.
É impraticável encontrar 𝜏𝑤 por ser função de variáveis incontroláveis, como den-
sidade de íons na ionosfera que causa o efeito de rotação de Faraday, distância entre a
estação terra e o satélite, conforme mostrado na equação x o comprimento de onda é y,
portanto s centímetros de erro gera uma variação em 𝜏𝑤 de 90 ○.
3.3 Perdas de espaço Livre
A perda de espaço livre é resultado do decaimento da densidade média de potência
à medida que a onda se afasta da fonte. Na equação de transmissão de Friss é relacionado a
potência recebida à potência transmitida entre duas antenas separadas por uma distância
𝑅 > 2𝐷2⇑𝜆(Região de Fraunhofer), onde D é a maior dimensão de qualquer das antenas ,
R a distância entre elas e 𝜆 o comprimento de onda.
𝑃𝑟
𝑃𝑡
= (
𝜆
4𝜋𝑅)
2
𝐺𝑡𝐺𝑟 (3.9)
O termo entre parênteses na equação 3.9 é a perda de espaço livre em sua forma
linear, convertendo para logarítmica temos,
𝐿𝑑𝐵 = 20 log10 (
4𝜋𝑅
𝜆
) (3.10)
O satélite descreve um movimento elíptico de baixa órbita em torno da terra. A
distância do satélite até a estação terrena determina as perdas de espaço livre que é a
maior fonte de perdas no enlace.
Onde
32 Capítulo 3. Canal
Figura 7 – Análise Geométrica do movimento do satélite.
𝐸𝑇 estação terrena.
𝑅 a distância da estação terrena ao satélite.
𝑅𝑡 raio aproximado da terra.
ℎ𝑠 altura do satélite.
𝛽 ângulo formado entre a reta tangente a superfície da terra no ponto onde
se encontra a estação terrena e a reta que passa pelo satélite e a estação terrena.
A distância do afélio (a) e periélio (p) à superfície da terra são 400 e 350 quilômetros
respetivamente, implicando em uma excentricidade(e) de:
𝑒 =
𝑎 − 𝑝
𝑎 + 𝑝
(3.11)
𝑒 =
6778 − 6728
6778 + 6728 = 0, 0037 (3.12)
Como pode ser observado na equação 3.12 a excentricidade é muito pequena por
exemplo se comparado com a Lua e até mesmo com outros satélites artificiais. Isso nos
permite aproximar o movimento do satélite em estudo como um movimento circular de
raio 𝑅𝑡 + ℎ𝑠, sendo ℎ𝑠 (Figura 9) a distância do afélio a superfície da terra.
3.3. Perdas de espaço Livre 33
A inclinação 𝛽 é o ângulo a partir do qual é desejado que o enlace funcione, à
medida que 𝛽 diminui a atenuação do canal aumenta devido a fatores como o aumento da
distancia entre a estação terrena e o satélite, aumento da quantidade de gases atmosféricos
no caminho e ainda a presença de obstáculos como prédios, casas, árvores, etc. Entretanto
𝛽 não pode ser muito elevado pois diminuiria o tempo de conexão, observando essa relação
custo benefício foi empregado uma inclinação de 5○.
Podemos agora determinar a distância da estação terrena ao satélite mostrada na
figura 9 aplicando a lei dos cossenos para o triângulo formado entre a estação terrena, o
satélite e o centro da terra.
(𝑅𝑡 + ℎ𝑠)
2
= (𝑅𝑡)
2
+𝑅2 + (𝑅𝑡)𝑅 cos(90 ○ + 𝛽) (3.13)
Substituindo os valores mostrados na figura 9,
(6378 + 400)2 = (6378)2 +𝑅2 + (6378)𝑅 cos(90 ○ + 5 ○) (3.14)
𝑅 = 1748 𝑘𝑚 (3.15)
Uma vez determinado 𝑅, o próximo passo é encontrar o comprimento de onda 𝜆,
o qual pode ser expresso como:
𝑐 = 𝜆𝑓 (3.16)
Onde
c = velocidade da luz no vácuo
𝜆 = comprimento de onda
𝑓 = frequência da portadora
3.3.0.1 Perdas de espaço livre em VHF
Para o enlace em VHF 𝑓 é 149,5 MHz, logo
𝜆𝑉 𝐻𝐹 = 3 ⋅ 108 ⋅ 145, 9 ⋅ 106 = 2, 055 𝑚 (3.17)
substituindo 𝑅 e 𝜆 na equação 3.10,
𝐿𝑉 𝐻𝐹 = 20 log10 (
4𝜋1748000
2, 055 ) (3.18)
34 Capítulo 3. Canal
𝐿𝑉 𝐻𝐹 = 140, 1 𝑑𝐵 (3.19)
3.3.0.2 Perdas de espaço livre em UHF
Para o enlace em UHF 𝑓 é 437 MHz, logo
𝜆𝑈𝐻𝐹 =
3 ⋅ 108⋅
436 ⋅ 106 = 0, 685 𝑚 (3.20)
substituindo 𝑅 e 𝜆 na equação 3.10,
𝐿𝑉 𝐻𝐹 = 20 log10 (
4𝜋1748000
0, 685 ) (3.21)
𝐿𝑉 𝐻𝐹 = 150, 1 𝑑𝐵 (3.22)
3.4 Perdas Atmosféricas e Ionosféricas
3.4.0.1 Perdas atmosféricas
As perdas atmosféricas tem forte dependência com o número total de moléculas
distribuídas ao longo do caminho entre o satélite e a estação terrena. Quando o satélite
está em baixa inclinação a quantidade de gases atmosféricos (Nitrogênio, Oxigênio, Dió-
xido de Carbono, Hidrogênio) aumenta, aumentando assim as perdas. Portanto as perdas
atmosféricas possuem dependência com o ângulo de inclinação 𝛽 mostrado na figura 9.
Perdas devido aos gases atmosféricos
Ângulo de inclinação(𝛽) Perdas em dB
0 ○ 10,2
2, 5 ○ 4,6
5 ○ 2,1
10 ○ 1,1
30 ○ 0,4
45 ○ 0,3
90 ○ 0
Tabela 1 – Perdas atmosféricas em frequências abaixo de 1 GHz a 20 ○𝐶 para vários valores
de 𝛽. Fonte: (IPPOLITO, 1986, pág. 33-34, tabelas 3-3a-c).
Conforme discutido na sessão 3.3 a inclinação 𝛽 vale 5 ○, que corresponde a uma
perda de 2,1 dB.
3.4. Perdas Atmosféricas e Ionosféricas 35
3.4.0.2 Perdas Ionosféricas
A ionosfera é uma região de gás ionizado que se estende de 15 km até 2000 km da
superfície da terra, é ionizada pela radiação solar na faixa de ultravioleta a raio X. O total
de elétrons contidos (TEC) numa região de 1 𝑚2 pelo caminho de propagação é um parâ-
metro usado para quantificar vários efeitos sobre a propagação de ondas eletromagnéticas,
em geral quanto mais elétrons presentes mais severas serão as degradações.
Efeitos ionosféricos em baixas latitudes
Efeito Dependência
em
Frequên-
cia
0.1 GHz 0.25 GHz 0.5 GHz 1 GHz 3 GHz
Rotações de Fa-
raday
1⇑𝑓 2 30 4.8 1.2 108 ○ 12 ○
Atraso 1⇑𝑓 2 25 𝜇s 4 𝜇s 1 𝜇s 0.25 𝜇s 0.028 𝜇s
Refração 1⇑𝑓 2 < 1 ○ < 0.16 ○ < 2.4’ < 0.6’ < 4.2"
Variação na di-
reção de chegada
1⇑𝑓 2 20’ 3.2’ 48" 12" 1.32"
Absorção (região
polar)
1⇑𝑓 2 5 dB 0.8 dB 0.2 dB 0.05 dB 6 ⋅ 10−3 dB
Absorção 1⇑𝑓 2 < 1 dB < 0.16 dB < 0.04 dB < 0.01 dB < 0.001
dB
Dispersão 1⇑𝑓 3 < 0.4
ps/Hz
< 0.026
ps/Hz
< 3.2 ⋅10−3
ps/Hz
4 ⋅ 10−3
ps/Hz
1.5 ⋅ 10−5
ps/Hz
Cintilação Ver ITU-
R P.531
Ver ITU-
R P.531
Ver ITU-
R P.531
Ver ITU-
R P.531
> 20 dB
pico-a-
pico
> 10 dB
pico-a-
pico
Tabela 2 – Principais efeitos devido a propagação de ondas eletromagnéficas pela Ionos-
fera.Estes valores estam baseados no total de elétrons contidos (TEC) 108
elétrons/𝑚2, o qual é um alto valor de TEC encontrado em baixa latitude em
um dia com alta atividade solar. Fonte: (??, P.618-7).
Os efeitos de rotação de Faraday e variação na direção de chegada são contornados
utilizando antenas que irradiam e recebem ondas polarizadas circularmente.
36 Capítulo 3. Canal
Figura 8 – Interpolação linear obtida a partir dos valores de absorção da tabela 2 no
software Mathlab. Para a frequência de 146 MHz a atenuação é 0,74 dB e para
437 MHz é 0,07 dB.
A perdas devido a propagação pela ionosfera são 0,74 dB para VHF e 0,07 dB
para UHF.
37
4 Receptor
4.1 Ruído
Sinais não desejados podem ser introduzidos no enlace, neste trabalho esses sinais
não desejados serão modelados como um ruído branco Gaussiano, isto é, branco por
estar presente em todas a frequências, em especial em toda a largura de banda emitida
pelos transmissores, e Gaussiano por ser um ruído estatístico cuja função densidade de
probabilidade é uma distribuição normal.
As contribuições de todas as fontes de interferência combinadas geram o nível total
de ruído presente no sistema de recepção. Esse parâmetro estabelece a relação de potência
transmitida necessária para superar o ruído total ocorrente no receptor, coletando assim
um nível suficiente de sinal na recepção e garantindo a confiabilidade de recepção do
sistema (refinpe).
4.1.1 Temperatura de Ruído das Antenas
A lei de Planck para radiação de corpo negro deu o entendido de que todo corpo
que possui temperatura molecular acima de 0 K emite radiação. A radiação emitida pelos
corpos induzem corrente nas antenas, que são interpretados como ruído no sistema de
recepção.
Kraus (??, pág. 33-35) traz uma derivação da lei de Planck, a qual mostra a
potência de ruído que chega nas antenas do receptor.
𝑁 = 𝑘𝑇𝐴Δ𝑓 (4.1)
Onde
N = potência de ruído da antena (W).
k = constante de Boltzmann (1, 38 ⋅ 10−23J/K).
𝑇𝐴 = temperatura da antena (K).
Δ𝑓 = largura de banda (Hz).
38 Capítulo 4. Receptor
4.1.1.1 Enlace de Descida (downlink) - Antenas da estação terrena
A temperatura efetiva de ruído da antena 𝑇𝐴 em condições de céu limpo pode ser
expressa como (MARAL, 2009),
𝑇𝐴 = 𝑇𝑐é𝑢 + 𝑇𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎 (4.2)
𝑇𝑐é𝑢 é a temperatura de brilho da atmosfera mais a temperatura extraterrestre.
Para 𝛽 = 5 ○ a temperatura de brilho da atmosfera está em torno de 17 K (MARAL,
2009, pág. 183, Figura 5.20).
A temperatura extraterrestre é aproximadamente 2,4 K (??).
portanto 𝑇𝑐é𝑢 vale,
𝑇𝑐é𝑢 = 15 + 2, 4 = 17, 4 𝐾 (4.3)
Uma aproximação muito usada para a temperatura 𝑇𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎 quando 𝛽 está entre 0 ○
e 10 ○ é (MARAL, 2009, pág. 183),
𝑇𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎 = 50 𝐾 (4.4)
logo 𝑇𝐴 vale,
𝑇𝐴 = 𝑇𝑐é𝑢 + 𝑇𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎 = 17, 4 + 50 = 67, 4 𝐾 (4.5)
4.1.1.2 Enlace de subida (uplink) - Antena do satélite
O ruído capturado pela antena de recepção no satélite origina-se da Terra e do
espaço. Quando vista do espaço, a Terra apresenta uma temperatura de re-irradiação de
aproximadamente 300 K [Gagliard, 1984].
4.1.2 Temperatura de Ruído do Sistema
Figura 9 – Análise Geométrica do movimento do satélite.
Os elementos do sistema de recepção também inserem ruído. Uma maneira usual de
se encontrar a potência de ruído total do sistema pode ser encontrando uma temperatura
4.1. Ruído 39
de ruído equivalente do sistema 𝑇𝑆 e então substituindo na expressão 4.1. Onde 𝑇𝑆 é dado
por (??),
𝑇𝑆 = 𝑇𝐴 + 𝑇𝑐𝑎𝑏𝑜 +
𝑇𝑟𝑒𝑐𝑒𝑝𝑡𝑜𝑟
𝐺𝑐𝑎𝑏𝑜
(4.6)
Onde
𝑇𝑆 = temperatura de ruído do sistema.
𝑇𝐴 = temperatura efetiva de ruído da antena.
𝑇𝑐𝑎𝑏𝑜 = temperatura de ruído do cabo.
𝑇𝑟𝑒𝑐𝑒𝑝𝑡𝑜𝑟 = temperatura de ruído do receptor.
𝐺𝑐𝑎𝑏𝑜 = ganho do cabo, inverso da perda L.
A temperatura de ruído pode ser expressa como (??),
𝑇𝐶𝑎𝑏𝑜 = 290(100,1𝐿 − 1) (4.7)
Agora podemos
A largura de banda é função o tipo de modulação utilizada, este enlace trabalha
com modulação Gaussian filtered Minimum Shift Keying(GMSK). A partir da recomen-
dação ITU (ref(itu2) é possível determinar a largura de banda,
Δ𝑓 = 𝑅 + 2⋅0, 25⋅𝑅⋅0, 18 (4.8)
41
5 Resultados
43
6 Conclusão
45
Referências
BALANIS, C. A. Antenna Theory, 3rd ed. New Jersey: John Wiley & Sons, 2005. ISBN
047166782X. Citado na página 29.
IPPOLITO, J. L. Radiowave propagation in satellite communications. New York: Van
Nostrand-Reinhold, 1986. ISBN 0442240112. Citado 2 vezes nas páginas 13 e 34.
KRAUS, J. D. Antennas for all applications 3rd ed. New York, USA: McGraw Hill, 2002.
Citado na página 30.
MARAL, M. B. Satellite Communications Systens, systems, techniques and technology.
New Jersey: John Wiley & Sons, 2009. ISBN 9780470714584. Citado 2 vezes nas páginas
27 e 38.
SKALAR, B. Digital Comunications, Fundamentals and Applications. New Jersey: John
Wiley & Sons, 2001. ISBN 9780130847881. Citado 2 vezes nas páginas 11 e 23.
47
7 Anexos
7.1 Introdução
Figura 10 – Diagrama de irradiação antena dipolo cruzado
	Folha de rosto
	Dedicatória
	Agradecimentos
	Epígrafe
	Resumo
	Abstract
	Lista de ilustrações
	Lista de tabelas
	Lista de abreviaturas e siglas
	Lista de símbolos
	Sumário
	Introdução
	Contextualização
	Justificativa
	Objetivos
	Objetivo geral
	Objetivos específicos
	Organização do documento
	Transmissor
	Perdas nos Cabos
	Perdas nos cabos da estação terrena
	Perdas nos cabos do satélite
	Descasamento de impedância
	Considerações finais
	Canal
	Perdas de Apontamento
	Perdas de apontamento em VHF
	Antena Dipolo cruzado no Satélite
	Perdas de apontamento em UHF
	Antena Yagi na estação terrena
	Antena Dipolo cruzado no Satélite
	Perdas de Polarização
	Perdas de espaço Livre
	Perdas de espaço livre em VHF
	Perdas de espaço livre em UHF
	Perdas Atmosféricas e Ionosféricas
	Perdas atmosféricas
	Perdas Ionosféricas
	Receptor
	Ruído
	Temperatura de Ruído das Antenas
	Enlace de Descida (downlink) - Antenas da estação terrena
	Enlace de subida (uplink) - Antena do satélite
	Temperatura de Ruído do Sistema
	Resultados
	Conclusão
	Referências
	Anexos
	Introdução