Sistema de comunicaciones_via_satelite_3

Amplificador de Potencia [HPA, High Power Amplifier] • Existen varias versiones de HPAs, dependiendo de la potencia

radiada y de otros factores. • Los hay de estado sólido SSPA (Solid State Power Amplifier) o

SSHPA.• Los hay analógicos de Tubos de Vacio, los TWTs (Travelling

Wave Tube), los KPA (Klystron Power Amplifiers). • Los SSPAs generalmente se usan para potencias bajas.

• Los TWTs y los Klystron se utilizan para potencias muy altas.

ING.CARLOS RODENAS REYNA

• La PIRE del enlace ascendente es el parámetro mas importante de una E.T. en transmisión.

• La PIRE expresada en dB es la suma de la potencia del amplificador mas la ganancia de la antena menos las pérdidas, expresadas en dB.

• Los amplificadores de estado sólido SSPA son los mas convenientes y económicos para estaciones que operan con poca anchura de banda (redes de terminales de muy pequeña abertura VSAT), tienen mejor linealidad y menor factor de ruido (10 dB), MTBF 100,000 horas.

• Los TWTs (Travelling Wave Tube), son variantes de los Klistron. Maneja potencias hasta 3 kW con BW hasta 500 kHz, se enfrian por convección, ventilación forzada o agua dependiendo de la potencia.


Las ganancias típicas de los TWT son de 30 a 50 dB en las bandas C, Ku y Ka.

• Los amplificadores Klistron tienen una potencia de 700 w hasta 3 kW, ganacia de 35 a 50 dB en las bandas C y Ku.

• En su estructura hay múltiples cavidades resonantes que deben sintonizarse a una frecuencia central, son robustos y tienen un tiempo de vida hasta 40,000 horas y son menos costosos que los TWT.

• No son útiles para sistemas TDMA con salto de portadora.


Mejoramiento de parámetros de transmisión

• Empleo de ecualizadores, para mejorar la variación de ganancia y retardo de grupo.

• Filtros, para reducir efectos de emisión fuera de banda y armónicas.

• Reducción de potencia por debajo de la saturación, para reducir el efecto de intermodulación en operación multiportadora.

• Empleo de linealizadores, mejora la retención de potencia en dB menores


Empleo de pre-amplificadores y amplificadores múltiples

• La mayoría de los transmisores constan de un pre-amplificador o Driver y el amplificador final.

• El Driver es de estado sólido, cuya ganancia, linealidad y factor de ruido deben complementarse con el amplificador final.

• Una estación de gran capacidad puede emplear varios amplificadores de baja potencia, que permite evitar efectos de intermodulación, pudiendo operar en saturación, pero requiere de un combinador de salida que introduce mayor pérdida o problemas de disipación térmica.

• En el diseño de la E.T. (Transmisión) se debe considerar el crecimiento del tráfico esperado, con la suficiente reserva de potencia, o con la configuración de múltiples amplificadores.


Amplificador de Bajo Ruido LNA: Low Noise Amplifier:

Una de las tareas principales que debe realizar una estación terrena es minimizar el ruido añadido a la señal recibida.

Este ruido tiene dos tipos de fuentes:

• La multitud de señales existentes en el espacio y en la Tierra, para

minimizar sus efectos se utilizan reflectores dicroicos (selectivos en frecuencia).

• El ruido que introducen los equipos electrónicos, los que más ruido introducen son los amplificadores, por eso se debe usar un tipo especial de elementos activos y son los dispositivos de amplificación que menos ruido añaden de todos los existentes en el mundo.


• Los amplificadores usados son tubos de onda progresiva (TWT) que amplifican la señal que se propaga a través de un cristal de rubí.

• El ruido en un TWT depende de la temperatura física del cristal, y por eso se encuentran sumergidos en un baño de He líquido a 4.2 ºK.

• Actualmente se están probando unos nuevos TWT capaces de operar a 1.2 ºK.

• Otro tipo de amplificador de bajo ruido utilizado actualmente en las estaciones terrestres es el transistor con electrones de alta movilidad (high-electron mobility transistors (HEMTs)).


• Comercialmente pueden encontrarse transistores de este tipo, pero los utilizados están congelados a 15 ºK.

• En la banda S (2 GHz.) los HEMTs congelados dan las mismas prestaciones frente al ruido que los TWT.

• El equipo de refrigeración necesario para helar el HEMT a 15 ºK da muchos menos problemas que los equipos utilizados en los TWT .


Tipos de amplificadores (LNA, LNB y LNC)

• Existe una variedad de amplificadores como son:

• El LNA (Low Noise Amplifier), amplificador de bajo ruido, que está compuesto por un sistema amplificador y una guía de onda.

• El LNB (Low Noise Block) bloque amplificador de bajo ruido, que se compone de un LNA y la antena dipolo en un solo bloque.

• El LNC (Low Noise Converter), conversor de bajo ruido, éste es similar al LNA, la diferencia es que recibe y emite mediante el mismo dispositivo la señal y la convierte en otra.

• Los LNB se utilizan cada vez más, ya que son la mejor alternativa cuando se necesita selección independiente de canales para múltiples receptores, esto permite diseñar un sistema simple y a bajo costo.

• Los LNB entregan una frecuencia en el rango de la banda L (940 a 1750 MHz); para esto se utilizan cables con pérdidas menores en los tendidos largos como el cable coaxial RG-6 o RG-59.


• El factor principal para determinar los parámetros de rendimiento y la calidad de la señal en un LNB es la temperatura de ruido.

• La temperatura de ruido que se emplea para los LNB es de 25º K (la cantidad de recepción de la señal de los LNB depende de este parámetro, a menor temperatura de ruido mayor será la calidad de señal).

Modelos del LNB utilizadosEn la recepción de señal de la Red Edusat se utiliza el LNB para las frecuencias que van de 3.4 a 4.2 GHz en la banda C.

• En estos LNB obtenemos una polarización vertical u horizontal en la antena dipolo.

• La antena dipolo es un componente del LNB, que se encuentra exactamente en el punto focal, este dispositivo permite recibir la señal en polarización vertical u horizontal dependiendo del satélite empleado y de la tecnología utilizada


Componentes del LNB

Circuito interno• El amplificador de un LNB está encerrado en una caja hermética

para evitar el efecto corrosivo del medio ambiente producido por el vapor de agua, la contaminación, el sol y la lluvia.

• Este circuito contiene chips en base a: transistores de efecto de campo (GASFET), compuestos por arseniuro de galio.

• Los circuitos integrados inducen al LNB a comportarse como si se encontrara operando cerca del cero absoluto (0° k), donde cesa todo movimiento molecular, en este nivel los electrones están en equilibrio, por lo que se obtiene mayor ganancia en la señal y menor ruido.


Polarrotor• Es un mecanismo activado por voltaje, motor o mecánicamente, capaz de

seleccionar la polarización que necesite el receptor.

• Con los movimientos finos del LNB realizamos el ajuste de la antena dipolo para obtener la mejor recepción y sintonía de la señal.

• Conector tipo F hembraSe encuentra en la parte exterior del LNB y es donde se conecta el cable coaxial que transporta la señal recibida por el LNB de la antena hasta el decodificador.

Antena dipolo o alimentador principalLa antena dipolo funciona en dos polarizaciones, horizontal o vertical, dependiendo de la señal que reciba del satélite, y de acuerdo al transpondedor que se utilice.

• Cuando es par el número del transpondedor la señal se trasmite en polarización horizontal y si es impar el número del transpondedor la señal se trasmite en polarización vertical


Mantenimiento preventivo del LNB• El mantenimiento preventivo se realiza para evitar posibles daños al LNB,

debido a que es muy sensible al contacto con el medio ambiente, a las variaciones de voltaje y a las descargas eléctricas (rayos).

Protección al medio ambienteLas inclemencias del medio ambiente pueden alterar el funcionamiento del LNB, provocando desde una mala recepción de señal hasta la pérdida total de la misma; estas alteraciones pueden ser provocadas por la humedad, el polvo, el calor y la corrosión. • Utilizar la grasa de silicón. • Eliminar los nidos de insectos alojados en el cuerpo del LNB.• Proteger el LNB de las inclemencias del tiempo (cálido, frío). • Eliminar el polvo de sus partes sin utilizar ningún líquido.

Mantenimiento correctivo del LNB: reemplazo de la unidad


CONVERSORES UP/DOWN

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 mas 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.


Div

isor •

• •

BPF

36 MHz

Mezclador

OL

•Si se requiere cambiar de portadora es necesario cambiar de oscilador local y ajustar el filtro de entrada.

Up/down converter de una etapa

FI

RF


BPF

500 MHz

Mezclador

OL

Up/down converter de dos etapas

1° FIRF

BPF

36 MHz

Mezclador

OL

2° FI

•Proporciona agilidad en frecuencia


• Los up/down converters deben tener una buena linealidad, especialmente en redes con portadoras angostas, para evitar la intermodulación y reducir la distorsión.

• El sintetizador es un conjunto de elementos constituidos por el oscilador básico, multiplicadores de frecuencia, filtros y atenuador con buena estabilidad en frecuencia y bajo ruido de fase.


MODULADORES SATELIALES

Existen dos tipos de módems para la conexión por satélite, en función de la conexión a Internet:Los módems unidireccionales (sat-modem), cuya característica principal es que sólo pueden recibir datos. Sólo cuentan con un canal de entrada, también llamado directo o "forward" y son conocidos como DVB-IP. Así, para enviar y recibir datos desde Internet se necesita además una conexión terrestre (telefónica o por cable). Los módems bidireccionales (astromodem), capaces de recibir y enviar datos. Además del canal de entrada, cuentan con un canal de retorno (subida o uplink), vía satélite o DVB-RCS (Return Channel via Satellite). No necesita una conexión adicional convencional.


Los módems bidireccionales han de ser de DVB-sat data, con las siguientes características:

Modulación, QPSK (para recepción) y OQPSK (para transmisión): la técnica de modulación QPSK consiste en la formación de símbolos de dos bits, empleándose cuatro saltos de fase diferentes sobre la portadora; por lo tanto se forman cuatro puntos en la constelación de la señal, equidistantes y con la misma amplitud.

Codificación: Encadenada Reed-Salomon y Viterbi FEC. Describen una técnica para enviar bits redundantes suficientes para reconocer la información afectada por errores y en ciertas instancias corregirla.

•Existe una gran cantidad de códigos del tipo FEC que permiten corregir errores. Una comparación entre ellos se fundamenta en la relación entre la redundancia (incremento de velocidad), reducción de BER (Bit Error Code), que en este caso será de 10 o mejor tanto en trasmisión como en recepción.


Corrección de errores: (FEC a bloques)

Las variantes más usadas son BCH y RS (Reed-Salomon)

Distancia de Hamming: se denomina distancia Hamming entre dos códigos al número de símbolos en que se diferencian. La mínima distancia (dmin > 2.t + 1) donde t es el número de errores corregidos.

Código Cíclico: un FEC a bloques que utiliza un polinomio generador con un FSR (Feedback Shift Register).

•Código Bose- Chaudhuri-Hocquenghen BCH: Es el tipo de código más conveniente para errores independientes, es usado por ejemplo en telefonía celular analógica AMPS en el canal de control bajo la versión BCH(48,36) y BCH(40,28), en codificadores digitales de TV a 34 Mb/s se utiliza el codec BCH(511,493) para corregir 2 errores por bloque.


•Código Reed-Solomon RS: Es una variante del BCH y la más apropiada para ráfagas de errores, la velocidad del código depende del módem usado.

FEC convolucional: aplicando el algoritmo de Viterbi.

El método, denominado decodificación de máxima probabilidad o algoritmo de Viterbi-1976 (Maximun Likelihood Metric o Minimun Distance Metric), consiste en computar a cada camino un peso consistente en el número de diferencias acumuladas.

•El módem unidireccional tiene las mismas características excepto de que no tiene la capacidad de transmitir por tanto no tiene modulación para la transmisión.


CONFIGURACIONES DE ESTACIONES

•Telepuertos: Estaciones grandes multiservicios, voz, video y datos abiertas al servicio público.

•Estaciones pasarela: conexión a las redes públicas con cobertura mundial de órbita media o baja, requieren de múltiples antenas y cadenas de transmisión y recepción que estan siguiendo a varios satélites (sistema de rastreo).

•Estaciones receptoras de TV: Capaces de recibir múltiples señales analógicas en FM y alto número de canales de video digital comprimido (BW≤ 6 Mbps).


Alimen-tadores

Duplexor

LNA

HPA

Down converter

Up converter

Generación de frecuencias

Control de antena y servo

Receptor de seguimiento

Supervisión y mando

Energía

Proc

esad

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band

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Inte

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bina

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RF

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ESTACION TERRENA DE ALTA CAPACIDADING.CARLOS RODENAS REYNA

Diplexor

LNB

LNB

Receptor de video

Receptor de video

Modulador

Com

bina

dor

Div

isor

Modulador

• •

• • •

ESTACION TERRENA RECEPTORA DE TV POR CABLE

• LNB + Down converter

•LNB abarca toda la banda que es convertida a FI, 12CH de 36 MHz con

polarización horizontal y 12CH con polarización vertical.ING.CARLOS RODENAS REYNA

SSPA

LNAInterfaz de

voz

Interfaz de datos

Pro

cesa

dor

en b

anda

bas

e

Up-conv

Down-conv

Mod

em

FI

Monitor y control

Unidad exterior

Alimentador

Estación VSAT Para Voz y Datos

• Antenas pequeñas 1.8 a 3.6 mts Banda C y 1.32 a 2.4 mts Banda Ku.

•Potencias bajas, la señal no sufre de intermodulación.

•Diseño modular

•Máxima flexibilidad y fiabilidad en malla TDMA.ING.CARLOS RODENAS REYNA

INFRAESTRUCTURA Y SISTEMA DE ENERGIA

• Instalaciones y equipos de climatización.

• Edificios con alta resistencia a sismos.

• Corta distancia en las conexiones de RF (d ≤ 100 mts).

• Protección contra interferencias.

• Línea de vista libre hacia los satélites y radio enlaces.

• Vías de acceso.

• Subsistemas de alarma y protección contra incendios.

• Sistema de alimentación.

Continuidad de suministro de energía > 99.9%

UPS

Banco de baterías.

Cargador de baterías.

Grupo electrógeno de encendido automático.ING.CARLOS RODENAS REYNA

SISTEMA DE SUPERVISION Y CONTROL

• Incluyen funciones de comprobación, alarma y mando remoto, reconfiguración de enlaces.

• Medios para comprobar parámetros de señales y el ruido en RF y banda base, sistemas de energía, antenas y sistema de seguimiento, operatividad de los equipos.

• Alarmas acústicas y visuales.

• Conexión y desconexión remota de equipos, conmutar trayectos de transmisión, establecer la conectividad entre las estaciones de la red y las prioridades.

• Controlar la información de tráfico y tarifación.

• Canales de servicio para mantenimiento y coordinaciones.


SEGMENTO ESPACIAL• Una sonda es solamente el sistema de vuelo de un programa de

exploración espacial.

• Su diseño depende del trabajo al que esté destinada (orbitador, módulo de aterrizaje, crucero espacial, ...) y de la región del sistema solar que vaya a explorar.

PARTES: • Carga útil, formada por todos los instrumentos científicos.• Bus, formado por el resto de elementos de la nave.


Estos subsistemas básicos son:

• Subsistema Estructural.• Subsistema de Estabilización.• Subsistema de Generación y distribución de Energía.• Subsistema de Equilibrio Térmico.• Subsistema de Propulsión.• Subsistema Pirotécnico.• Subsistema de Manejo de Datos.• Subsistema de Telecomunicaciones.


• Subsistema de Comandos y Datos (command and data subsystem, CDS), responsable de la gestión de toda la actividad de la nave; de controlar el tiempo; interpretar los comandos enviados desde la Tierra; recoger, procesar y dar forma a los datos que serán enviados de vuelta; y por supuesto gestionar la protección de alto nivel contra fallos y rutinas de seguridad.

• El reloj de la nave (Spacecraft Clock (SCLK), aunque llamado "sclock") es un contador.

• Algoritmos de protección contra errores, instalados en ROM.

• Rutinas más complicadas de seguridad (modos de contingencia) y de protección de errores residen en RAM, así como parámetros para el uso del código de la ROM, donde pueden ser actualizadas si es necesario en el transcurso de la misión. ING.CARLOS RODENAS REYNA

Subsistema Estructural

• Es la parte encargada de ofrecer un soporte para la conexión de los equipos de la nave y para protegerlos de las extremas condiciones de temperatura y radiación que pueden encontrarse en el espacio.

• Presenta enganches donde anclar las antenas y equipos científicos que deban ir alejados de estructuras metálicas.

• Su forma establece la geometría final de la sonda, y está pensada para permitir una fácil manipulación de la sonda durante su testeo, transporte y lanzamiento.


Subsistema de Estabilización

Es la serie de equipos que posicionan la nave de forma que los instrumentos científicos apunten correctamente a la zona a explorar y que las antenas estén enfocadas hacia la Tierra en el momento de transmitir. Una nave espacial puede estabilizarse de dos formas: 1. La estabilización por spin: Pioneer, Galileo y Giotto.

2. La estabilización por tres ejes: Voyager.

El proceso de estabilización es realizado de forma automática por la sonda, y necesita una referencia para saber si la estabilización es correcta (usan sensores de estrellas).


Subsistema de generación y distribución de energía

• Si la sonda se mueve por los planetas interiores recibirá luz solar para extraer de ella energía: por medio de células fotovoltaicas será convertida en electricidad. problema del ocultamiento, dispone de baterías Ni-Cd.

• Si la sonda se mueve por los planetas exteriores: fuentes nucleares, RTG (Radioisotope Thermoelectric Generators), emplea plutonio-238.

• La radiación del plutonio genera una gran cantidad de calor, que es convertida en electricidad por termoacopladores de germanio.


Subsistema de equilibrio térmico

Se encarga de equilibrar la temperatura sobre la superficie de la sonda y de mantener los equipos dentro de sus márgenes de temperatura operativos, según la proximidad de la sonda al Sol.

• El enfriamiento, de forma pasiva (pintando o recubriendo los equipos con materiales que reflejen la radiación IR solar). •El calentamiento, de forma activa (mediante calentadores).


Subsistema de propulsión

• Todas las sondas pueden necesitar desde pequeños motores (thrusters) para corrección de trayectorias y control de la estabilidad (corrigiendo el spin o rotando según los tres ejes) hasta los grandes motores (engines) utilizados para operaciones de inserción en órbita.

• Los combustibles más utilizados son materiales hipergólicos (dos sustancias que al mezclarse producen una explosión) y la hidracina (una sustancia que arde violentamente cuando entra en contacto con un catalizador metálico, almacenado en los motores).


Subsistema pirotécnico

• Las sondas llevan a bordo mecanismos pirotécnicos llamados PSU (Pyrotechnic Switching Unit) que sirven para desplegar elementos que van cerrados para protegerlos durante el lanzamiento, para encender motores de combustible sólido o para lanzar sondas de exploración atmosférica.

• Ejemplos de PSU tenemos en Cassini y Galileo, que debieron soltar sondas de exploración atmosférica en Titán y Júpiter, respectivamente, o en los airbags del Mars Pathfinder.


Subsistema de Manejo de Datos y el Subsistema de Telecomunicaciones

Todas las comunicaciones que se realicen entre la nave espacial y el equipo de seguimiento en Tierra se pueden dividir en dos grupos:

1. El uplink (enlace de subida):es utilizado por los ingenieros en la Tierra para enviar órdenes al ordenador central de la sonda (telecomando).

2. El downlink (enlace de bajada): es utilizado para envío de datos (telemetría), datos científicos, datos sobre el estado de la nave, e información para el seguimiento de la sonda (tracking) y para realizar estudios de radioastronomía.


Antenas de alta ganancia (HGA): tipo Cassegrain con una segunda superficie reflectora en forma de plato son las más utilizadas para la comunicación con la Tierra.

• Las HGA pueden ser articuladas o fijas al bus.

• La HGA debe apuntar a la Tierra con un error del orden de fracciones de grado para que la comunicación sea viable.

Antenas de baja ganancia (LGA) son usadas como medida de seguridad en caso de desapuntamiento de las antenas de mayor ganancia.

• La cobertura es casi omnidireccional.

• Las LGAs están diseñadas para operar a velocidades relativamente bajas, pero utilizables en distancias relativamente cortas. ING.CARLOS RODENAS REYNA

Los transmisores: Emplea un ampl. de estado sólido (SSA) o un tubo de onda progresiva (TWTA). La salida es conducida a través de guía de ondas fijas y programables hacia la antena elegida: HGA o LGA.

Los receptores. Una vez detectado el uplink, el PLL del receptor seguirá cualquier cambio en frecuencia dentro de su ancho de banda, pudiéndola proporcionar al transmisor como referencia para formar el downlink coherente. Una vez detectada, capturada y bajada en frecuencia, es desvinculada de la subportadora de comandos y datos, para lo cual pasa a través del circuito detector de comandos (CDU). Frecuentemente transmisores y receptores se combinan en un único dispositivo electrónico denominado traspondedor.


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