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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO ANÁLISIS DE UN ENLACE VÍA SATÉLITE T E S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA P R E S E N T A N CHRISTIAN DAVID MORA GARCÍA GABRIEL ÁLVAREZ BESTOFF ASESOR: INGENIERO NORMA REYES CRUZ CUAUTITLAN IZCALLI, ESTADO DE MÉXICO 2008 FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLAN UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. Agradecimientos Dedico el presente trabajo a mis PADRES por estar siempre a mi lado por su constante amor, apoyo y consejos que he recibido durante toda este tiempo. A mis hermanos, quienes me apoyaron cuando más lo necesité con su amor y apoyo. A Rocío Zarco, por todo el amor y apoyo que me proporcionó para poder finalizar esta licenciatura. A mis amigos, quienes durante esta carrera estuvieron a mi lado dándome su apoyo y cariño, a todos ellos gracias. A la Ing. Norma Reyes, por su enorme paciencia, sabiduría y orientación en el desarrollo de mi trabajo. Agradecimientos. Agradezco y dedico el presente trabajo a las personas que hicieron posible alcanzar esta meta. Quiero agradecer en especial a mi padre por abrir mi panorama y darme la convicción de desear y luchar por la mejor de las herencias, gracias donde quiera que estés y a mi Madre por su amor, comprensión, cariño y apoyo incondicional. También quiero agradecer a mi tía Gabriela que siempre en los momentos difíciles fue mi soporte para continuar. A mis hermanos por su cariño y su apoyo en todo momento. A mi esposa Victoria que me motivo para poder concluir este trabajo y que siempre está a mi lado para apoyarme. Agradecimientos Al Honorable Jurado Calificador Ing. Jorge Ramírez Rodríguez Presidente Ing. Norma Reyes Cruz Vocal Ing. Luis Raúl Flores Coronel Secretario Ing. Petra Medel Ortega Primer Suplente Ing. Fernando Patlán Cardoso Segundo Suplente Índice ÍNDICE Pág. Introducción 1 Capitulo 1. Configuración Básica de un Sistema de Radiocomunicaciones Vía Satélite. 7 1.1.Estación Terrena Transmisora 8 1.1.1 Servicio Entregado por el Usuario 9 1.1.2 Sistema Modulador de Señales 9 1.1.3 Convertidor de Frecuencia de Subida 10 1.1.4 Amplificadores de Potencia 14 1.1.5 Sistema de Antena 20 1.2 Estación Terrena Receptora 23 1.2.1 Subsistema de Antena 23 1.2.2 Amplificadores de Bajo Nivel de Ruido 24 1.2.3 Convertidor de Frecuencia de Bajada. 26 1.2.4 Demodulador 29 1.2.5 Monitoreo de la Señal Recibida o Entrega al Usuario 30 1.3 Satélite de Comunicaciones 37 1.3.1 Tipos de Orbita 56 Capitulo 2. Tipos de Antenas Usadas en Estaciones Terrenas 66 2.1 Estructura 66 2.1.1 Montaje 66 2.1.2 Acabado 67 2.2 Sistema de Radiación 68 2.2.1 Cassegrain 68 2.2.2 Gregorian 69 2.2.3 Prime Focus 69 2.3.4 Offset 70 2.3.5 Torus 70 Capitulo 3. Dinámica de un Sistema de Comunicaciones Vía Satélite 72 3.1 Enlace 72 3.1.1 Sistema de Televisión Vía Satélite 73 3.1.2 Equipos de Monitoreo y Control 76 Índice Capitulo 4. Como Orientar una Antena al Satélite de Interés 80 4.1 Como Instalar un Sistema de Recepción Vía Satélite 80 4.2 Factores que intervienen en el apuntamiento 83 4.3 El uso de la Brújula y el Inclinómetro 85 4.4 Cálculo del ángulo de Azimut y Elevación 89 Capitulo 5. Demostración de un Sistema de Recepción Vía Satélite de Televisión Educativa Digital A Distancia (RED EDUSAT). 92 5.1 Descripción General 92 Conclusiones 95 Bibliografía 97 Glosario 100 Introducción Página 1 Introducción Uno de los avances más asombrosos a lo largo del desarrollo de las telecomunicaciones han sido sin duda las comunicaciones vía satélite. Esta tecnología que inició como un concepto de ciencia ficción en 1945 por parte de Arthur C. Clarke a la postre se convirtió en una pieza clave en las comunicaciones transcontinentales de los años 70´s a los 90´s. En últimas fechas el incremento en el uso de las fibras ópticas en las comunicaciones entre continentes ha obligado a la industria satelital a replantear sus aplicaciones. Las comunicaciones por satélite son en nuestro tiempo de extrema importancia. Desarrollo de los Sistemas de Comunicación Vía Satélite. La primera idea.- Las comunicaciones vía satélite siempre han llamado la atención de cualquier persona pues envuelven en el manto de curiosidad que rodea a los avances del hombre en la era espacial. La conquista del espacio, la luna y recientemente de Marte son claros ejemplo de ello. No obstante lo anterior, en este texto nos concentraremos en hablar de los satélites como un importante medio de comunicaciones que cambio para siempre la percepción del hombre del tamaño de su planeta. La transmisión de importantes eventos de TV desde lugares remotos y en tiempo real a todo el mundo asombró en su momento a toda la humanidad. Las comunicaciones vía satélite es un tipo de radiocomunicaciones que para algunos técnicos es una materia que aún no comprenden cabalmente, haciéndose preguntas tales como ¿en qué forma se realiza el enlace radioeléctrico? , ¿Qué tipo de señales se canalizan? Y otras interrogantes que trataremos de aclarar en forma sencilla y accesible. El servicio fijo por satélite (SFS) es un servicio de radiocomunicaciones entre puntos fijos determinados en la superficie de la tierra cuando se utilizan uno o más satélites. Estas estaciones situadas en puntos fijos en la superficie de la Tierra se denominan estaciones terrenas del servicio fijo por satélite. Las estaciones situadas a bordo de satélites, que consisten principalmente en los transpondedores de satélites y antenas asociadas, se denominan estaciones espaciales del servicio fijo por satélite. Introducción Página 2 Actualmente, con muy pocas excepciones, todos los enlaces entre una estación terrena transmisora y una estación terrena receptora se efectúan a través de un solo satélite. Estos enlaces comprenden dos partes, un enlace ascendente entre la estación transmisora y el satélite, y un enlace descendente entre el satélite y la estación receptora. En el futuro, se desarrollarán, sin duda, enlaces entre dos estaciones por medio de dos o más satélites interconectados directamente sin una estación terrena intermedia. Este enlace entre dos estaciones que utilizan enlaces de satélite a satélite sé denominan enlace multisatélite. Un conjunto de estaciones espaciales y estaciones terrenas que funcionan juntas para proporcionar radiocomunicaciones se denomina un sistema de comunicaciones por satélite. En todo tipo de comunicaciones radioeléctricas a las informaciones a transmitir, en un primer paso se les da un formato de ondas eléctricas (banda base), en un segundo paso se hace una translación a radiofrecuencia y en un tercer paso se amplifican hasta un nivel de potencia adecuado para que finalmente se transmita a su estación corresponsal. En nuestro caso particular la estación corresponsal es un satélite de comunicaciones que básicamente es un repetidor activo, que recibe las señales de una estación terrena, que procesa la información,la amplifica y la envía a la tierra. ¿Cómo se efectúa la transmisión? Debido a que los satélites artificiales de comunicaciones del tipo geoestacionarios, están colocados en una posición relativamente fija, a una altura de aprox. 35,850 Km. sobre un plano imaginario en la línea ecuatorial terrestre, las distancias a cubrir son enormes, consecuentemente las potencias a la transmisión son grandes y a la recepción son muy pequeñas, si se comparan a otros sistemas similares por ejemplo las microondas. La órbita de un satélite llamado geoestacionario, (también lo llaman geosíncrono), es una órbita circular, contenida en el plano ecuatorial de la Tierra, que la singular propiedad de que un satélite efectúa una trayectoria completa alrededor del eje terrestre en 24 horas, es decir en el mismo periodo de rotación de la Tierra, el satélite parecerá estar Introducción Página 3 siempre en un mismo lugar, en una posición fija al observador situado en cualquier punto de la superficie de nuestro planeta. Debemos definir a un satélite de comunicaciones como "un repetidor radioeléctrico ubicado en el espacio, que recibe señales generadas desde tierra, las amplifica y las vuelve a enviar a la tierra". Es decir es un centro de comunicaciones que procesa datos recibidos desde nuestro planeta y los envía de regreso, al punto que envió la señal, o a otro distinto. Los satélites pueden manejar datos, complementándolos con información del espacio exterior, o pueden servir sólo como un espejo que rebota la señal. Muchos funcionan a partir de celdas solares, que alimentan sus centros de energía al convertir los rayos solares en energía eléctrica (como las enormes aspas de molino que los caracterizaron durante años). No obstante, dicha tecnología va siendo sustituida por turbo generadores que producen energía a partir del calor solar y de las reacciones nucleares, que son más pequeños y livianos que las celdas. Actualmente se desarrolla el uso de radio isótopos como fuentes de poder, pero todavía están en período de prueba. La velocidad con que un satélite gira alrededor de la Tierra está dada por la distancia entre ambos, ya que el mismo se ubicará en aquellos puntos en los que la fuerza de gravedad se equilibre con las de fuerza centrífuga; cuanto mayor es esa distancia, menor es la velocidad que necesita el mismo para mantenerse en órbita. Es importante señalar que todo aparato debe quedar por encima de las cien millas de altitud respecto a la superficie de la Tierra, para que no sean derrumbados por la fuerza de gravedad terrestre. Los satélites ubicados en promedio a 321.80 Km. de altitud se consideran de órbita baja; y de órbita alta los que alcanzan distancias hasta de 35,880 Km. sobre la superficie. Los satélites son controlados desde estaciones terrestres que reciben su información y la procesan, pero que también monitorean el comportamiento y órbita de los aparatos. Por lo general, los centros terrestres no son aparatosas instalaciones, sino más bien pequeños tableros con poco personal que sin embargo controlan funciones geoespaciales especializadas. Introducción Página 4 Los Satélites en México. México entró a las comunicaciones vía satélite en los años 60´s a través de ser uno de los países socios en el consorcio INTELSAT. Era inicialmente una organización internacional operadora de la flotilla más grande de satélites en el mundo y que atendía con sus pagos respectivos a todos los países miembros, los países socios decidieron que debía de operar desde entonces como una empresa comercial. Para la participación de México ante INTELSAT se construyo una Estación Terrena en Tulancingo, Hgo. A mediados de los 80´s con el pretexto de la Copa Mundial de Fútbol en México, en 1986 el Gobierno Mexicano decide que el país debía contar con sus propios satélites y se pone en marcha el ambicioso programa espacial mexicano. En 1985 se ponen en órbita los satélites Morelos I y II, como se ilustra en la figura A, el 17 de Junio y el 26 de Noviembre respectivamente. El contratista designado para la construcción de los satélites es la compañía estadounidense Hughes, uno de los líderes mundiales en la industria. La operación de los satélites estuvo a cargo de TELECOMM., un organismo descentralizado de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes que además también opera los servicios de Telégrafos, una red X25 denominada Telepac y otros servicios de comunicaciones rurales. Cada satélite tiene 22 transpondedores: Banda "C" : 12 de 36 MHz. 6 de 72 MHz. Banda "Ku" : 4 de 72 MHz. Periodo de vida útil de 9 años. Uso de la banda "C": conducción de señales de radio, televisión, telefonía troncal de tipo analógico y para redes públicas y privadas digitales. Uso de la banda "Ku": redes públicas digitales de voz, datos y vídeo, servicios empresariales y redes privadas digitales. Estos satélites tendrían como objetivo cubrir todo el territorio nacional, en las bandas de frecuencias "C" 6/4 GHz. y "Ku" de 14/11 GHz. Introducción Página 5 Figura A. Satélite Morelos I y II En Noviembre de 1993 se lanzó el satélite Solidaridad I y en Octubre de 1994 el Solidaridad II con lo que México ya contaba con cuatro satélites propios. El 7 de Noviembre de 1997 se privatizó la operación y al posesión de los satélites mexicanos con lo que se constituyo la empresa Satélites Mexicanos SATMEX. No obstante la privatización, el Gobierno Mexicano se reservó alrededor del 7 % de la capacidad para apoyar áreas de educación a distancia (EDUSAT), seguridad nacional y telefonía rural. La parte de SATMEX que se privatizó fue adquirida por una sociedad entre las empresas Loral Space and Communications y por Telefónica Autrey. Entre las mejoras hechas a estos satélites están: - Mejor relación G/T en los receptores. - Baterías de níquel-hidrógeno con mejor desempeño. - Mayor flexibilidad en la utilización de los amplificadores. - Transpondedores de mayor potencia. - Conmutación de transpondedores a distintos haces. - Menor sensibilidad a los efectos de intermodulación. - Periodo de vida útil estimado de 14 años. Siguiendo con el impulso de las telecomunicaciones en México, es lanzado al espacio desde la Guyana Francesa por un cohete de la empresa Ariane Space la segunda generación de satélites mexicanos, el "Solidaridad I" quien sustituyo al Morelos I. Introducción Página 6 1993 Desde la Guyana Francesa en Kouru es lanzado el satélite Solidaridad II para ampliar la cobertura, toda vez que este satélite al igual que el Sol. I, cuentan con tres bandas de operación "C" de 6/4 Ghz., "Ku" de 14/11 GHz. y "L" para la comunicación móvil y rural. Por último, el 5 de Diciembre de 1998 se lanzó el satélite SATMEX V, como se ilustra en la figura B, que sustituyó al Morelos II que ya estaba por llegar al fin de su vida útil. Nombre anterior: Morelos III. SATMEX V planeado lanzarse en Septiembre de 1998, este satélite que sustituirá al Morelos II. Dicho satélite sería construido por la empresa estadounidense Hughes Communications y será del modelo HS601 HP. El satélite tiene 48 transpondedores. Banda "C": 24 de 36 MHz. Banda "Ku": 26 de 36 MHz. Entre sus características se cuenta con una potencia de más del doble que los satélites Solidaridad ( 7000 W), quince años de vida útil. Su principal aplicación será la difusión de DTH ( DirecTV Home ) con cobertura hemisférica ( de acuerdo con los acuerdos del TLC ). Figura B. Satélite Satmex V Capitulo 1 Página 7 Capitulo 1 Configuración Básica de un Sistema de Radiocomunicaciones Vía Satélite. Para establecer un sistema a través de satélites de radiocomunicaciones, se requiere contar con una estación terrena transmisora, un satélite de radiocomunicacionesy una estación terrena receptora, integrado según la recomendación " CCIR-352-1 " (circuito hipotético de referencia), como se muestra en la figura 1.1 Figura 1. 1 Esquema de un Enlace Vía Satélite. MASTER DE USUARIO CONEXIÓN DIRECTA ESTACION TERRENA MOVIL E.T. MOVILE.T. FIJA SOLO RECEPCION NACIONAL/INTERNACIONAL E.T. FIJA TELEPUERTO NACIONAL/INTERNACONAL “KU” DIGITAL “C” DIGITAL / ANALOGICO DIGITAL MPEG 2 DVB. ANALOGICO TELEPUERTOSTELECO M Capitulo 1 Página 8 1.1.- Estación Terrena Transmisora. Como su nombre lo dice, es la encargada de enviar o transmitir las señales que se cursarán a través de ésta, llámese señales de televisión analógica y/o digital, voz y datos, al satélite de interés, comos se muestra en la figura 1.2 Una Estación Terrena transmisora comprende todo el equipo terminal de un enlace por satélite. Su función equivale a la de un a estación de relevadores radioeléctricos. La Estación Terrena Transmisora esta compuesta por lo general, en las siguientes partes o dispositivos principales 1.1.1 Servicio entregado por el usuario (Banda Base). 1.1.2 Sistema Modulador de señales. 1.1.3 Convertidor de Frecuencia de Subida (U/C). 1.1.4 Amplificadores de Potencia (HPA´s). 1.1.5 Sistema de Antena. Una Estación Terrena transmisora comprende todo el equipo terminal de un enlace por satélite. Su función equivale a la de una estación de relevadores radioeléctricos. Figura I.1. Diagrama Bloques de una Estación Terrena Típica RECEPTORES MONITOR DE T.V. POLARIZADOR LINEAL 4 PUERTOS ANTENA TIPO CASSEGRAIN DE 11 m. DE DIÁMETRO PARA BANDA “C” UNIDAD DE SWITCHEO DE AUDIO Y VIDEO ANALIZADOR DE ESPECTROS MONITOR FORMA DE ONDA VIDEO AUDIO SALIDA HPA`s TWT LNA´S 1 : 4 VIDEO AUDIO ENTRADAEXCITADORES DE TELEVISION Figura 1.2 Diagrama Bloques de una Estación Terrena Típica Capitulo 1 Página 9 La Estación Terrena Transmisora está compuesta por lo general, en las siguientes partes o dispositivos principales: 1.1.2 Servicio Entregado por el Usuario (Banda Base). 1.1.2 Sistema Modulador de Señales. 1.1.2 Convertidor de Frecuencia de Subida (U/C). 1.1.2 Amplificadores de Potencia (HPA´s). 1.1.2 Sistema de Antena. 1.1.1. Servicio Entregado por el Usuario. En relación a este punto basta con decir que es la acometida de enlace que se tiene con el usuario, esto es, que la estación tendrá una conexión directa para canalizar los servicios que sean proporcionados y que pueden ser: - Televisión Analógica y/o Digital. - Voz. - Datos. 1.1.2 Sistema Modulador de Señales. Este equipo superpone las señales de Voz, Datos y Video, a la portadora de FI (en el caso del modulador), que no es más que la transposición de frecuencias y la de modular una señal por medio de una señal portadora. Modular es hacer variar algún parámetro de una señal en función de otra señal. A la primera se le conoce como señal modulada y a la segunda como señal moduladora. El proceso mediante el cual se agrega información a la portadora de radio y en donde el ancho de banda de ésta se expande. Existen diversos esquemas de modulación utilizados en comunicaciones inalámbricas: - Analógicas.- AM, FM. - Digitales.- ASK, FSK, PSK, MSK, GMSK, �/4DQPSK, BPSK, QPSK, OQPSK. Capitulo 1 Página 10 Existen diversas diferencias entre los distintos esquemas de modulación, sin embargo una de las más importantes se refiere al uso más eficiente del espectro. 1.1.4. Convertidor de Frecuencia de Subida. Es uno de los equipos para transmitir una potencia (P.I.R.E.) constante hacia el satélite y de mantener la frecuencia correcta asignada por el sistema de satélites con el que se vaya a trabajar. La estabilidad de la frecuencia es un requisito obligatorio y varía cada servicio, por ejemplo, algunas portadoras tienen que mantenerse dentro de +/- 3.5 Hz. De la frecuencia asignada, mientras que las de otro tipo tienen que estar dentro de +/- 250 Hz. de la misma. El convertidor elevador en el extremo de transmisión desempeña una función muy importante para alcanzar estos límites. La clave de la conversión de frecuencias es el mezclador, que sirve para obtener frecuencias que sean la suma y la diferencia de las dos frecuencias de entrada. La no linealidad produce señales con la suma o diferencia deseada de las frecuencias, amén de muchas otras señales que pueden causar problemas. El espectro de la forma de onda, está desplazada a las dos frecuencias centrales, se puede sintonizar un filtro pasa banda después del mezclador para que seleccione bien sea la suma o no la diferencia de la salida del mezclador. Por ende, la frecuencia del espectro de entrada se puede elevar a la frecuencia de la suma o reducir a la frecuencia de la diferencia. Cabe reiterar que es fundamental reconocer la importancia de la estabilidad del oscilador maestro. Las desviaciones en el oscilador producen desviaciones en la frecuencia de salida. Las variaciones de fase en el oscilador local, tales como las variaciones por ruido de fase, se transfieren directamente a la portadora RF convertida. Estos efectos cobran importancia, puesto que pueden causar errores de fase y frecuencia en todo el sistema. Convertidor Elevador Simple. Aplicando el principio descrito, los convertidores elevadores (U/C) convierten la señal de frecuencia intermedia (FI) en una señal de radiofrecuencia (RF) por ejemplo en la banda de 6 GHz o de 14 GHz. Capitulo 1 Página 11 Tomemos un ejemplo de una técnica de mezcla "simple" para un convertidor elevador: f1 = frecuencia intermedia de 70 MHz f2 = frecuencia de mezcla de 6250 MHz. f3 = frecuencia de salida deseada de 6320 MHz. Convertidor Elevador Sencillo. Mezclando las frecuencias f1 y f2 se obtiene: 6250 MHz +70 MHz = 6320 MHz, pero también 6250 MHz – 70 MHz = 6180 MHz. La frecuencia deseada es de 6320 MHz, pero también tenemos 6180 MHz. Éstas se llaman banda lateral superior y banda lateral inferior, respectivamente. Es obvio que necesitamos un buen filtro de paso de banda para eliminar la banda lateral indeseada. La desventaja principal de los convertidores mezcladores simples. es que tienen un filtro de paso de banda angosta a la salida del convertidor elevador. Antes de describir el convertidor con mezclador doble necesitamos considerar todos los requisitos. Si la anchura de banda de la señal de RF es relativamente estrecha, como ocurre con los transpondedores de 36 MHz, la frecuencia intermedia (FI) puede ser la convencional de 70 MHz. Sin embargo, si se emplean señales de RF de banda ancha, es preciso escoger una frecuencia intermedia más elevada para mejorar el filtraje de las señales indeseadas en la banda de frecuencias "imagen". Generalmente, se selecciona una FI de 140 MHz. Convertidor Elevador Doble. Los convertidores generalmente constan de: - Un filtro de RF - Dos mezcladores en cascada - Dos osciladores locales (LO), uno de frecuencia fija y el otro de frecuencia variable - Amplificador (es) de FI, posiblemente con control automático de ganancia Capitulo 1 Página 12 - Filtros de FI - Igualador(es) de retardo de grupo (Group Delay Equalizer) Anchura de Banda. La anchura de banda de RF, que define la capacidad del convertidor para abarcar la banda de funcionamientode RF, o sea, para transmitir, mediante un ajuste de la frecuencia de los LO para que cubran toda la anchura de banda de RF (que puede ser de 500 MHz, o de 880 MHz). La anchura de banda de FI depende de la FI seleccionada. A una FI de 70 MHz corresponde una anchura de banda de 36 MHz, y de 72 MHz si la FI es de 140 MHz. Este tipo de convertidores puede elevar la totalidad de las portadoras de un transpondedor entero, lo que significa que cada portadora tendrá una frecuencia central distinta y, por lo tanto, el filtraje de la FI y la sintonización de la frecuencia de las portadoras se llevarán a cabo en el módem. Agilidad de Frecuencia. La frecuencia se puede ajustar cuando cambia el plan de frecuencias para absorber un aumento en el tráfico o al efectuar la transferencia a un nuevo satélite. Por consiguiente, dichos cambios requieren convertidores elevadores cuya frecuencia se pueda ajustar fácilmente en todo el ancho de banda de RF. Para satisfacer la necesidad de cambios de frecuencia, se utilizan osciladores locales de frecuencias sintetizadas y de frecuencia variable. Como se explica más adelante la agilidad de frecuencia (es decir, a capacidad para cambiar las frecuencias de las portadoras de RF), se mejora usando los U/C de conversión doble, sin las limitaciones que impone la sintonización de filtros. Igualación. La respuesta de amplitud y frecuencia y el retardo de grupo de las secciones de transmisión de las estaciones terrenas son igualados en sus secciones respectivas de FI (Generalmente, el retardo de grupo de los transpondedores de satélite se iguala en la sección de FI del convertidor elevador de frecuencia). Capitulo 1 Página 13 Linealidad. En algunos sistemas digitales (IDR, IBS y SCPC), las frecuencias de algunas portadoras son convertidas por un convertidor elevador, y puede haber intermodulación entre portadoras. En la sección de transmisión, es necesario que estos productos indeseados de la intermodulación sean significativamente pequeños en comparación con los del Amplificador, por lo que el convertidor debe poseer buena linealidad. En el caso de una portadora con una gran anchura de banda, también se precisa una buena linealidad para reducir el ruido de distorsión causado por el componente parabólico de la sección de FI del igualador de retardo para todo el sistema, e impedir la conversión AM-PM en el convertidor. Tolerancia de Frecuencia de la Portadora. La tolerancia de frecuencia RF (es decir, la incertidumbre máxima del ajuste inicial de la frecuencia, más el desplazamiento a largo plazo) como un ejemplo en el consorcio INTELSAT para la transmisión de portadoras IDR, IBS y SCPC/QPSK es: - IDR:+/- 0.025R .Hz (pero siempre inferior a +/- 3.5 KHz) - IBS: +/- 0.025R .Hz (pero siempre inferior a 10 KHz) Donde: R es la velocidad de transmisión de la portadora en bits por segundo. Sin embargo, la tolerancia de frecuencia para la transmisión de portadoras SCPC es mucho más estricta, o sea, de +/- 250 Hz. Para alcanzar esta tolerancia, el oscilador local tiene que ser controlado por cristal con una estabilidad del orden de una parte en 108. Osciladores Locales. Los osciladores locales usados en los convertidores de frecuencia pueden ser excitados por un cristal piloto o por un sintetizador de frecuencias. En el primer caso, el cambio de la frecuencia requiere el reemplazo del cristal o la conmutación entre cristales múltiples. En el segundo, la frecuencia puede cambiarse muy simplemente mediante un control manual giratorio o incluso por control remoto. Los osciladores locales deben producir poco ruido de frecuencia en las frecuencias de Capitulo 1 Página 14 señal de banda base a fin de cumplir con los requisitos generales en materia del ruido producido por el equipo de la estación terrena. Cabe observar que los requisitos en cuanto al ruido bajo de frecuencia y a la estabilidad de frecuencia son bastante estrictos para la transmisión digital. En este caso deben usarse osciladores controlados por cristal o sintetizadores de frecuencia de alto rendimiento. Los osciladores locales se construyen tomando del oscilador la frecuencia de salida de una portadora pura y multiplicándola, dividiéndola, o ambos, para obtener todas las frecuencias deseadas, los osciladores son dispositivos electrónicos sencillos acoplados a mecanismos de sintonización por retroalimentación de algún tipo. La resonancia del circuito de sintonización permite que se genere una oscilación sostenida de retroalimentación que genera un tono de salida en la frecuencia resonante. Los circuitos de sintonización del oscilador que suelen usarse son los resonadores de cristal de cuarzo por resistencia, inductancia y capacitancia. 1.1.4. Amplificadores de Potencia. La función primordial del amplificador de potencia (PA) en una estación terrena consiste en amplificar el bajo nivel de potencia de la portadora o portadoras de radiofrecuencia procedentes del equipo de comunicaciones terrestres (GCE) a un nivel suficientemente alto que, sumando a la ganancia efectiva de transmisión de la antena, irradie al satélite una potencia isotrópica radiada efectiva (P.I.R.E.) adecuada por portadora. Dado que la ganancia de los dispositivos típicos se limita a unos 40 a 50 dB, para excitarlos se acostumbra utilizar un amplificador intermedio, que puede ser de tubo de ondas progresivas (TWTA) o de potencia de estado sólido (SSPA). Potencia Nominal. Los HPA utilizados para las comunicaciones internacionales en las estaciones terrenas tienen una capacidad de potencia que oscila desde unos cuantos cientos de Watts hasta varios kilowatts. En los sistemas de comunicaciones nacionales que alquilan el segmento espacial de SATMEX, los HPA pueden tener niveles de potencia de 50 Watts, o menos, para el tráfico de televisión digital. En algunos casos pueden utilizarse SSPA con niveles de potencia de 1 a 10 Watts para la transmisión de unas pocas señales de datos. Capitulo 1 Página 15 Tipos de HPA. Los tipos más comunes de HPA utilizados en las estaciones terrenas son el de klistrón (KPA) y el tubo de ondas progresivas (TWTA). Dado que sus características son tan diferentes, el usuario debe estar al tanto de esas diferencias, así como de otras peculiaridades del sistema, que podrían afectar a la selección de los tipos adecuados de HPA y de potencia para satisfacer sus necesidades en cuanto a la transmisión de sus propias portadoras. Sin embargo, se está generalizando el uso de amplificadores de potencia de estado sólido (SSPA), especialmente en las aplicaciones que requieren un nivel medio de potencia, tales como las VSAT y las estaciones con poco tráfico. Amplificador de Potencia Tipo Klystron. Existen el Klystron típico de 3 cavidades múltiples (generalmente, se usan de 5 cavidades en un KPA moderno de 3 KW). Los electrones que emite el cañón electrónico pasan a través del espacio intermedio entre las cavidades de cada uno de los resonadores y a través de tubos de metal cilíndricos (llamados tubos de corrimiento) ubicados entre los distintos espacios intermedios. En un amplificador de Klystron, la señal de RF de entrada de bajo nivel se acopla dentro del primer resonador, denominado "agrupador". La señal RF de entrada excita las corrientes oscilantes en las paredes de la cavidad, formando un campo eléctrico a través del espacio intermedio del agrupador. A su vez, este campo eléctrico modula la velocidad del haz de electrones. Después de salir del espaciointermedio del agrupador, los electrones prosiguen hacia el colector que se encuentra junto al tubo de corrimiento, pasando a través de los resonadores intermedios y la cavidad de salida (captadora). Si la cavidad "captadora" es del tamaño correcto (o sea, que esta sintonizada a la frecuencia apropiada), en su pared se generarán grandes corrientes oscilantes que producirán una salida de RF desde el tubo. Para obtener los elevados niveles de ganancia y potencia saturada que se necesitan, se utilizan cavidades intermedias, como la segunda y la tercera. Desde el cañón, el haz de electrones se enfoca hacia el colector a través de los espacios intermedios de las Capitulo 1 Página 16 cavidades y los tubos de corrimiento por medio de una estructura de enfoque, que es un imán permanente en el caso de un tubo corto o un solenoide en el caso de un tubo largo. Intercepción del Haz. La precisión con que se enfoque el haz electrónico en el colector determinará el número de electrones interceptados en los tubos de corrimiento, lo que a su vez determinará la capacidad de potencia máxima que puede proporcionar el tubo. Como los electrones interceptados producirán calor, que es preciso disipar, la capacidad de termo- transferencia de la estructura del tubo determinará la cantidad de calor tolerable antes de que se derrita la estructura o que el tubo sufra daños mecánicos. Colector del Tubo Klystron. El colector del tubo Klystron es una estructura grande y hueca, que proporciona una superficie de gran tamaño en la que se puede disipar calor producido por la colisión de los electrones. Además, esta superficie permite instalar un circuito de enfriamiento, ya sea por agua o por aire, para disipar eficazmente el calor. En la práctica, la mayoría de los klystrons modernos con una potencia nominal de hasta 3 KW son enfriados por aire. Sintonización. Debido a las características mecánicas del resonador, los klystrons se sintonizan cambiando las dimensiones de las cavidades, lo que hace que estas resuenen a diferentes frecuencias. La banda de frecuencias instantánea de un Klystron es del orden de 40 a 80 MHz, por cavidad. Tubo de Ondas Progresivas. El TWTA es un amplificador de banda ancha con una ganancia de potencia de 25 a 50 dB. Su eficiencia, que es una función de la anchura de la banda, generalmente oscila entre un 20% y un 40%, siendo su valor típico del 20%. Capitulo 1 Página 17 Funcionamiento del TWTA. El TWTA emplea un haz electrónico enfocado por imán y una estructura de onda lenta, como la de la de una hélice. La velocidad del haz de electrones se ajusta para que sea aproximadamente igual a la velocidad de fase de una onda electromagnética que se propaga a lo largo de la hélice. Bajo estas condiciones, puede ocurrir una fuerte acción recíproca entre el haz y la onda. La estructura de "onda lenta" está situada entre el cañón electrónico y el colector de potencial positivo, y puede adoptar varias formas, por ejemplo, la de una hélice. L onda lenta también puede tener la estructura de una guía circular cargada por un diafragma, de una guía de carga dieléctrica, de línea interdigital, de anillo y barra, y de trébol. La estructura de onda lenta debe estar protegida contra el bombardeo que produce el haz electrónico de gran intensidad, motivo por el cual es esencial enfocar éste correctamente mediante una corriente de hélice mínima, generalmente de 2 mA en un TWT y de 20 Watts. El foco se ajusta mientras el TWT funciona a una potencia reducida, ya sea regulando la corriente continua de la bobina de enfoque, o cambiando la posición de la bobina o la de los imanes periódicos permanentes. Interacción entre la Estructura de Onda Lenta y el Haz de Electrones. El campo eléctrico de la onda de RF que se propaga en la estructura de onda lenta penetra en la región del haz electrónico y hace que algunos de los electrones se aceleren y que otros se desaceleren, produciendo una modulación de velocidad periódica aproximadamente en fase con el campo eléctrico RF. Los grupos de electrones así formados tienden a concentrarse delante de los campos aceleradores y detrás de los desaceleradores. Dado que la velocidad media del haz electrónico es ligeramente mayor que la de la onda de RF, estos grupos tenderán a "retroceder" hacia regiones en donde el campo de RF desacelerará los electrones. A medida que los electrones pierden velocidad, la energía que pierden se transforma en energía de RF en la onda de RF. Esta transferencia de energía se convierte en una ganancia casi constante en la amplitud de la onda de RF por unidad de longitud. Es importante observar que una estructura de onda lenta mantendrá la energía RF que viaja desde la salida hasta la entrada, y viceversa. La onda que viaja de la entrada a la Capitulo 1 Página 18 salida experimentará una amplificación, mientras que la onda que viaja de la salida a la entrada no la experimentará. No obstante, en presencia de las inevitables reflexiones en los acopladores de entrada y salida, parte de la energía RF podría reflejarse hacia atrás, o sea, hacia la entrada a lo largo de la hélice, y al reflejarse en el acoplador de entrada, la señal representará realimentación de RF. Todos los TWT convencionales tienen ganancia suficiente como para que la realimentación produzca autooscilación. Es bastante sencillo interrumpir el trayecto de realimentación colocando atenuadores de RF en una o más de las varillas que sujetan la hélice. Parámetros que Influyen en el Rendimiento del Sistema. Las consideraciones básicas para la selección de un amplificador de potencia para una aplicación determinada son la frecuencia central, el ancho de banda y la salida de potencia. Sin embargo, deben considerarse otros parámetros al formular las especificaciones. Armónicas. Debido al amplio ancho de banda y a la elevada ganancia del TWT, y al hecho de que al llegar al punto de saturación el tubo actúa como un dispositivo no lineal, habrá armónicas en el espectro de salida de RF. Por lo general, en el punto de saturación de las aplicaciones de banda angosta, la segunda armónica estará 8 a 10 dB por debajo de la señal fundamental, pero no es importante porque se encuentra fuera de la banda. Distorsión por Intermodulación. Si se transmite más de una portadora mediante un TWT, se produce un proceso de mezcla o intermodulación (IM). Como resultado, surgen productos de la intermodulación que son desplazados de las portadoras a múltiplos de la frecuencia diferencial. Los productos de orden par, como el de segundo orden de (f1 + f2), no pueden aparecer en sistemas de banda estrecha, a menos que la relación de la frecuencia más alta (f2) a la más baja (f1) sea por lo menos Capitulo 1 Página 19 de 2 a 1. Los productos de orden impar, como los productos de distorsión de tercer orden de 2f1-f2 o 2f2-f1, aparecen en la banda de frecuencias independientemente de la relación de frecuencia. Esta distorsión de tercer orden se puede definir como la relación entre los niveles de la potencia de la salida de dos tonos sin distorsión de las señales primarias fundamentales, o sea, f1 y f2, y la potencia de salida del primer, o más próximo, par de productos de intermodulación de banda lateral, 2f1-f2 y 2f2-f1. El nivel de potencia de estos productos de intermodulación depende del nivel de potenciarelativo de la portadora y de la linealidad del TWT. Los TWT de comunicaciones a menudo funcionan 7 a 10 dB por debajo del nivel de potencia de saturación para reducir al mínimo la IM. Amplificadores de Potencia de Estado Sólido. Los últimos adelantos logrados en la tecnología de los transistores de efecto de campo (FET), particularmente los FET de GaAs, han surtido un efecto notable en las comunicaciones por satélite, tanto por sus aplicaciones en las estaciones terrenas como en los satélites. Actualmente se dispone de SSPA para reemplazar a los TWT en las estaciones terrenas en usos que requieren baja potencia, y para utilizarlos en una nueva generación de transpondedores de satélite (totalmente de estado sólido), como se muestra en la tabla I. Los SSPA ofrecen las siguientes ventajas sobre los TWT: a) baja potencia primaria. b) desfasaje pequeño. c) mejor comportamiento de las no linealidades de fase y de la característica de transferencia de ganancia. d) mucho menos peso. e) mayor fiabilidad y vida útil más larga. Capitulo 1 Página 20 BANDA DE FRECUENCIAS SALIDA (dBm) POTENCIA (Watts) GANANCIA (dB) POTENCIA (Watts) REQUERIDA (Amper) 37 5 50 +12; -12 5,0; 0,2 40 10 55 +12 5,5 Banda “ C “ 43 20 55 +12 13 47 50* 60 +10; -10 44, 0,3 50 100* 70 +10; -10 94, 0. 37 5 55 +12 6 39 8 55 +12 13 Banda “ Ku “ 42 16* 55 +12 22 46 40* 55 +12 10 Tabla I. Cuadro de las características típicas de un SSPA 1. 1. 5. Sistema de Antena. Antenas Parabólicas. Las estaciones terrenas de comunicaciones por satélite emplean antenas parabólicas de 0.5 a 30 metros de diámetro. Geometría. El contorno de la superficie reflectora se basa en la ecuación de la parábola: y2 = 4fx, donde f es la distancia focal y x la coordenada a lo largo del eje del paraboloide. El contorno de una superficie parabólica satisface el requisito de que toda la energía radiada hacia la superficie, desde un alimentador en el punto focal, será reflejada para formar un frente de onda plano en concordancia de fase en toda la abertura del reflector parabólico. El uso de las antenas parabólicas en un sistema satelital, es para hacer llegar la información transmitida desde el equipamiento de la estación terrena, hasta el satélite de interés, ¿Como lo hace? Por su principio de geometría, se trata de concentrar en un punto Capitulo 1 Página 21 de la antena (foco) toda la energía de la señal que se desea transmitir para que sea lo más directiva posible. La antena es un elemento pasivo, que no amplifica las señales, sino solamente concentra el haz de las ondas electromagnéticas en un punto para que lleguen lo más directivo posible al satélite de comunicaciones, todo estará en función del tipo de geometría que se este utilizando, como se muestra en la figura 1.3, ya que existen diferentes tipos, pero en un caso muy particular una antena transmisora, deberá cumplir con ciertas normas establecidas, para estar en posición de canalizar servicios a través de un sistema satelital, ya que al no estar dentro de norma, se podrían interferir otros sistemas, en este caso a satélites adyacentes. El patrón de Radiación deberá ser estrecho para permitir una proximidad adecuada entre los satélites de la órbita geoestacionaria. Los lóbulos son parte de los defectos de la antena y deben mantenerse dentro de ciertos límites para controlar las interferencias. Figura 1.3 Ondas Electromagnéticas en una Antena Satelital. Resumen. Para establecer un circuito de transmisión en una estación terrena, debemos contar con el equipamiento adecuado para poder llevar a cabo una comunicación con el satélite, o con alguna otra estación (receptora). Capitulo 1 Página 22 Como ya se ha visto se necesitan tener los siguientes subsistemas: a) Unidad de parcheo y/o acometida del usuario que es el enlace directo mediante cable coaxial o fibra óptica de lo que estamos recibiendo por parte del usuario y que es lo que hay transmitir, para lo cual se tiene que monitorear como esta llegando dicha señal a nuestra estación terrena. b) Módem (parte modulador únicamente), para poder procesar la señal (banda base), en una señal de frecuencia intermedia (FI) de 70 MHz, es decir superpone las señales de audio, vídeo o datos a la portadora de FI, que es lo que se entregará al convertidor de subida. c) Convertidor de subida, este equipo se encarga de transformar las señales de frecuencia intermedia (FI), procedentes del modulador en señales de radiofrecuencia por ejemplo (FI a 70 MHz o 140 MHz a las bandas de frecuencia de 6 GHz o de 14 GHz, banda "C" y banda "CPU" respectivamente, que es la frecuencia a la que responden los amplificadores de potencia. d) Amplificador de potencia. Las señales de radiofrecuencia RF provenientes del convertidor de subida, son amplificadas antes de enrutarlas hacia la antena, es decir este equipo se encarga de darle la potencia requerida o la fuerza para llegar al satélite y poder transmitirlas por la antena. Para cada portadora se requiere una cadena de transmisión, (esto es, un modulador y un convertidor). La redundancia es con frecuencia del tipo 1+1 (una cadena de reserva por cada cadena de servicio). Cuando las portadoras de alta frecuencia (producidas en los convertidores) se tratan en un amplificador de potencia común, son sumadas en el combinador de entrada del subsistema amplificador, para posteriormente transmitirlas por la antena. e) Antena. La antena es el elemento pasivo que se encarga de concentrar todas las señales provenientes del o los transmisores acoplados, para ser enviadas al satélite de comunicaciones, todo dependerá del tipo de antena, diámetro y banda de frecuencia con el que sé este trabajando. Capitulo 1 Página 23 Estación Terrena Receptora. La estación terrena es el terminal receptor de un enlace de telecomunicaciones por satélite. La configuración general de una estación, no es fundamentalmente distinta de la de un terminal de radio enlace, pero la gran atenuación en el espacio libre tan considerable (unos 200 dB) que experimentan las ondas radioeléctricas a la frecuencia de la portadora en su trayecto entre el satélite y la estación terrena (36,000 km. aproximadamente) requiere normalmente una calidad de funcionamiento de los principales subsistemas de una estación terrena. El diagrama funcional general de una estación terrena receptora y que contiene los siguientes principales subsistemas. 1.2.1. Subsistema de Antena. 1.2.2. Amplificadores de Bajo Nivel de Ruido. 1.2.3. Convertidor de Frecuencia de Bajada. 1.2.4. Demodulador. 1.2.5. Monitoreo de la Señal Recibida y Entrega al Usuario. 1.2.1. Subsistema de Antena. La antena, cuyo diámetro puede oscilar entre los 3.3 y 1.80 m. Incluso menos, es el subsistema más visible y a menudo más impresionante de la estación terrena. - Las antenas deberán de integrar las siguientes características de alta calidad: - Alta ganancia en recepción, que requiere reflectores en relación con la longitud de onda y muy eficaces. - Bajo nivel de sensibilidad a la interferencia, lo que exige unos diagramas de radiación con bajos niveles fuera del lóbulo principal (lóbulos laterales pequeños). - Escasa sensibilidad al ruido térmico por radiación del suelo y pérdidas diversas. Capitulo 1Página 24 Las estaciones terrenas de comunicaciones por satélite emplean antenas parabólicas de 0.5 a 3.0 metros de diámetro. Los tipos de estación terrena para las bandas 6/4 y 14/11-12 GHz se suelen clasificar exclusivamente por el tamaño de la antena: - Estaciones grandes de 15 a 33 mts aprox. - Estaciones medianas de 7 a 15 mts aprox. - Estaciones pequeñas de 3 a 7 mts. - Microestaciones VSAT de 0.7 a 3 mts. 1.2.2. Amplificadores de Bajo Nivel de Ruido. Para recibir las señales muy débiles de un satélite, la antena de la estación terrena ha de estar conectada con un receptor altamente sensible, es decir, que tenga un ruido térmico inherente muy bajo. El ruido térmico de un receptor se caracteriza por el "factor de ruido", pero en el caso de receptores con ruido muy bajo es preferible aplicar la noción de "temperatura de ruido" medida en grados Kelvin (K) o por figura de ruido dado en dB. Los amplificadores de bajo nivel de ruido (LNA, del ingles, Low Noise Amplifier), como su nombre sugiere, son aquéllos que por factor de ruido muy bajo y amplia anchura de banda son sumamente convenientes para usarlos como la primera etapa de una cadena receptora de una estación terrena de telecomunicaciones por satélite. Por lo general, el LNA va montado lo más cerca posible del alimentador de la antena a fin de mantener al mínimo las pérdidas en la línea de transmisión al LNA. El LNA también debe ofrecer ganancia suficiente para compensar las pérdidas en la línea de transmisión (cableado) entre este dispositivo y el receptor. El LNA suele ser de banda ancha, esto es, un solo amplificador actúa simultáneamente sobre todas las portadoras procedentes de la entrada receptora del diplexor de la antena, normalmente se prevé un amplificador de reserva en cada sistema (redundancia o configuración 1+1). Capitulo 1 Página 25 Amplificador Paramétrico. En los años sesentas se utilizaban los máseres de GHz enfriados por helio, hasta que se comenzó a usar el amplificador paramétrico enfriado criogénicamente, con una temperatura de ruido de 20O K y una anchura de banda de 500 MHz, como LNA estándar, aunque en la actualidad existe la llamada banda ancha que ocupa 880 MHz. En el decenio de los sesentas se perfeccionó el amplificador paramétrico gracias a la bomba de diodos del oscilador, las técnicas de varactancia más perfeccionada y el uso del enfriamiento termoeléctrico. Para la banda de 11 GHz, se están produciendo FET enfriados termoeléctricamente con temperaturas de ruido de 55K. Amplificadores de FET Gracias al constante perfeccionamiento de los transistores de efecto de campo (FET), hoy en día se pueden obtener amplificadores de transistores que pueden funcionar entre 4 y 12 GHz con poco ruido y gran anchura de banda. Estos son amplificadores de transistores de efecto de campo de arsenurio de galio de barrera Schottky (FET de GaAs). La fabricación del FET de GaAs usado en el LNA es sorprendentemente sencilla. Al contrario de los transistores bipolares de microondas, no requieren difusiones especiales de impurezas para cultivar capas de semiconductores del tipo "n" o "p". Mantenimiento Un sistema moderno de amplificadores de bajo ruido requiere un mínimo de mantenimiento, que consiste en verificar periódicamente la ganancia y la anchura de banda con un oscilador de barrido. En el caso de un amplificador paramétrico, tal vez sea necesario ajustar ocasionalmente el control de la polarización del diodo varactor y el nivel de potencia de bombeo. En cuanto al FET de GaAs normalmente no se requieren ajustes. Desde su introducción en 1972, se ha registrado una continua reducción en la temperatura de ruido de los FET de GaAs disponibles en el mercado. Esta mejora se ha logrado principalmente mediante una reducción en la anchura de la compuerta. Capitulo 1 Página 26 Se deberá llevar un registro del mantenimiento de los parámetros del LNA a fin de poder observar cualquier degradación del sistema. Convertidores Reductores de Bloque de Bajo Ruido (LNB O LNC). Los componentes electrónicos de recepción de una estación terrena generalmente incluyen un LNA en la antena conectado con cables de microondas a los receptores alojados en el interior de la estación. Los receptores están dotados de convertidores reductores para procesar las bandas " C o Ku ". Los convertidores reductores de bloque de bajo ruido son una combinación de amplificador de bajo ruido y convertidor reductor en una unidad. Las frecuencias FI de salida están en una banda de frecuencias más bajas y se alimentan a los receptores para sintonizar definitivamente las frecuencias a seguir procesándolas. Aunque pueden surgir problemas con el funcionamiento de un LNB a la intemperie por la exposición a condiciones climáticas variables tales como la temperatura y a la humedad, sacar la primera conversión de frecuencia al exterior tiene las siguientes ventajas importantes: a) Como la pérdida en los cables coaxiales aumenta en función de la frecuencia y la longitud, disminuyendo la frecuencia se puede usar un cable más económico y reducir la pérdida. b) Varios receptores comparten un convertidor, abaratando los componentes del receptor. 1.2.3. Convertidor de Frecuencia de Bajada. El principio o la clave de la conversión de frecuencias es el mezclador, que sirve para obtener frecuencias que sean la suma y la diferencia de las frecuencias de entrada. En si el convertidor de bajada ( D/C ) como se le conoce comúnmente en el lenguaje de las telecomunicaciones, es el encargado de recibir las señales procedentes del amplificador de bajo ruido (LNA o LNB), según sea el caso, esto es que si estamos Capitulo 1 Página 27 trabajando con un subsistema de LNA´s obtendremos frecuencias de RF en banda “C” o banda “Ku”, mientras que al trabajar con LNB´s serán del orden de banda “L” de translación de operación de los equipos (950-1450 MHz), esto en el convertidor de bajada, al mezclarse con los circuitos osciladores internos, nos entrega a la salida una frecuencia intermedia (FI) de 70 MHz. Convertidor de Frecuencia Simple. Por la misma razón, el proceso de mezcla simple usado en el convertidor reductor, mezclaría una frecuencia “imagen” no deseada dentro de la banda y produciría dos salidas. f3 = frecuencia deseada de 4150 MHz f2 = frecuencia imagen de 4010 MHz. f1 = frecuencia de mezcla de 4080 MHz. 4150 MHz mezclados con 4080 MHz = 70 MHz También, 4010 MHz mezclados con 4080 MHz = 70 MHz Esto demuestra que las frecuencias entrantes de 4150 y 4010 MHz producirán los mismos 70 MHz de salida. Por lo tanto es preciso insertar un filtro de paso de banda a la entrada a fin de rechazar los 4080 MHz. En estos ejemplos se observa que se producen dos bandas de frecuencias: a) La banda deseada b) La banda no deseada Los filtros sintonizables requieren de un filtro de paso de banda de corte rápido, y su resintonización puede tomar varias horas, por lo que es preciso mantener en la estación un juego de filtros con equipo de sintonización. Para eliminar este inconveniente, en la mayoría de las estaciones terrenas normalmente se utiliza un convertidor de banda ancha con mezclador doble para operar a través de toda la banda de 500 MHz (ancho de banda actualmente utilizado, aunque ya existe la banda extendida que es de 880 MHz) sin tener que volver a sintonizar el filtro. Capitulo 1Página 28 Requisitos. Antes de describir el reductor con mezclador doble necesitamos considerar todos los requisitos. Si la anchura de banda de la señal de RF es relativamente estrecha, como ocurre con los transpondedores de 36 MHz, la frecuencia intermedia (FI) puede se la convencional de 70 MHz. Sin embargo, si se emplean señales RF de banda ancha, es preciso escoger una frecuencia intermedia más elevada para mejorar el filtraje de las señales indeseadas en la banda de frecuencias “imagen”. Generalmente, se selecciona una FI de 140 MHz. Convertidor Reductor Doble. Los convertidores reductores generalmente constan de: - un filtro de RF - dos mezcladores en cascada - dos osciladores locales (LO), uno de frecuencia fija y el otro de frecuencia variable - amplificador(es) de FI, posiblemente con control automático de ganancia - filtros de FI - igualador(es) del retardo de grupo (GDE). Anchura de Banda. La anchura de banda de RF, que define la capacidad del convertidor para abarcar la banda de funcionamiento de RF, o sea, para recibir mediante un ajuste de la frecuencia de los LO para que cubran toda la anchura de banda de RF (alrededor de 575 MHz, o 880 Mhz), según sea el caso. La anchura de banda de FI depende de la FI seleccionada. A una FI de 70 MHz corresponde una anchura de banda de 36 MHz, y de 72 MHz si la FI es de 140 MHz. Este tipo de convertidores puede reducir la totalidad de las portadoras de un transpondedor entero, lo que significa que cada portadora tendrá una frecuencia central distinta y, por lo tanto, el filtraje de la FI y la sintonización de la frecuencia de las portadoras se llevarán a cabo en el módem. Capitulo 1 Página 29 Agilidad de Frecuencia. La frecuencia se puede ajustar cuando cambia el plan de frecuencias para absorber un aumento del tráfico o al efectuar la transferencia a un nuevo satélite. Por consiguiente, dichos cambios requieren convertidores reductores cuya frecuencia se pueda ajustar fácilmente en todo el ancho de banda de RF. Para satisfacer la necesidad de cambios de frecuencia, se utilizan osciladores locales de frecuencias sintetizadas y de frecuencia variable (es decir, la capacidad para cambiar las frecuencias de las portadoras de RF). Osciladores Locales. Los osciladores locales usados en los convertidores de frecuencia pueden ser excitados por un cristal piloto o por un sintetizador de frecuencias. En el primer caso, el cambio de la frecuencia requiere el reemplazo del cristal o la conmutación entre cristales múltiples. En el segundo caso, la frecuencia puede cambiarse muy simplemente mediante un control manual giratorio, por medio del panel frontal de los equipos en forma digital o incluso por control remoto. 1.2.4.-Demodulador. Este equipo extrae de la portadora (70 MHz) las señales de audio y vídeo. Cada portadora recibida tiene una cadena de recepción respectiva (es decir, un convertidor y un demodulador). Una estación recibe normalmente más portadoras que las que transmite, ya que cada portadora emitida se destina a varias estaciones, en la recepción debe recuperarse cada portadora transmitida por las estaciones correspondientes para extraer (en la banda base) las señales destinadas a la estación considerada o de interés. La redundancia de la cadena de recepción del tipo n + m, (m cadenas de reserva por cada n cadenas en servicio), un divisor situado en la salida del amplificador común de bajo nivel de ruido (LNA) distribuye entre las m cadenas las portadoras de alta frecuencia recibidas. Capitulo 1 Página 30 A la Recepción Demodular las bandas de FI. Recibidas del ORU adecuarlas y entregarlas al equipo de usuario. 1.2.5. Monitoreo de la Señal Recibida o Entrega al Usuario. Como el título dice es el paso en el que al demodular la señal recibida se tiene que verificar su llegada, esto es con el equipo de medición correspondiente y al mismo tiempo con el equipo que va a operar, para ver la calidad de señal que será entregada al usuario corresponsal o únicamente para monitorear la señal recibida. La forma en hacerla llegar al usuario seria del panel de parcheo a sus líneas de cableado coaxial, fibra óptica o enlace de microondas. Resumen. La misma antena puede transmitir y recibir según sea el caso y dependerá de la tecnología para la cual fue hecha y la geometría de la antena, para el caso de solo recepción se debe de considerar el diámetro, para no tener problemas de bajo nivel según el sitio. Antena. La antena como ya se había mencionado puede servir para transmitir o para recibir la señal de radiofrecuencia, pero dependerá para que sistema se usara, ya que en recepción la antena únicamente capta todas las señales provenientes del satélite y las concentra en un punto en el que estará conectada a un polarizador si es el caso o que tenga directamente conectado el LNA / LNB, que esto nos dará la utilidad o para que servicio se requiera o que tipo de antena será útil. Amplificador de Bajo Ruido (LNA). Este equipo se encargará de que al estar en contacto directo con la antena, esta por sus dimensiones y por sus características como es la temperatura de ruido nos entregará la señal muy degradada por las pérdidas en el espacio libre y por consiguiente con ruido, por Capitulo 1 Página 31 lo tanto el LNA llevará a cabo la filtración o desecho de ese, ruido (discriminación) y amplificara la poca señal que llega o se recibe. Dependiendo para que servicio se quiere existen diferentes tipos para obtener una calidad confiable en nuestro sistema, pero en si entre manos ruidoso es mejor es decir una característica que debemos visualizar será su figura de ruido que será entre 0.7 y 2.5 dB, o en su caso si se maneja en grados Kelvin será del orden de 25° a 100° K. Convertidor de Frecuencia de Bajada (D/C). Es el sistema que se encarga de extraer de la señal de radiofrecuencia (RF) modulada todas las frecuencias útiles, y al mezclarlas con el oscilador local interno, nos traslada a frecuencia intermedia (FI) de 70 MHz toda la información que se tendrá que manejar y enviar hacia el demodulador. Demodulador. El demodulador es el encargado de extraer la banda base del convertidor de bajada a partir de la frecuencia intermedia (FI), es decir si estamos recibiendo señal digital de televisión, en la banda de FI que entrega el D/C obtenemos el vídeo y el audio por separado y lo podemos enviar directamente a un amplificador de audio y a un monitor de vídeo, y así mismo a una unidad de parcheo y entrega al usuario respectivo o únicamente para monitoreo. Monitoreo de la Señal Recibida y Entrega al Usuario. En este punto como ya lo habíamos contemplado es donde se realiza el proceso de verificar la señal con el equipo de medición y además de enrutar hacia el usuario o los usuarios contemplados, por medio de enlaces de cable coaxial, fibra óptica o microondas. Configuración de una Estación Terrena Transmisora. Las estaciones terrenas se pueden dividir en tres tipos que son: Capitulo 1 Página 32 Estación Terrena Tipo Transmisora/Receptora. Estación Terrena “VSAT”. Estación Terrena “TVRO”. Estación Terrena Tipo Transmisora/Receptora. Este tipo de estación es la más completa y requiere de atención especial en cada uno de sus componentes, toda vez que canaliza servicios, tanto a la transmisión como a la recepción y sus principales componentesson: Sistema de Antenas El sistema de antenas puede estar compuesto de una o varias unidades. Generalmente de gran resolución, es decir de buen tamaño y calidad. Amplificadores de Potencia Los amplificadores de potencia son los encargados de darle a la señal de RF. En proceso, el nivel adecuado para su transmisión. La capacidad de potencia de transmisión de estos sistemas varía y pueden operar desde Watts hasta Kilowatts. Convertidores de Frecuencia Ascendentes Los convertidores ascendentes son los equipos encargados de dale a las señales a canalizar, el tratamiento adecuado para su posterior transmisión, de banda base a RF. Servicios En esta etapa se reciben y entregan las señales de los usuarios que se canalizan por la estación terrena. Capitulo 1 Página 33 Amplificadores de Bajo Nivel de Ruido Estos amplificadores son los encargados de amplificar las señales muy débiles que se reciben de la antena, añadiendo les muy poco ruido térmico en su proceso. Convertidores de Frecuencia Descendentes A partir de las señales o bandas que recibe de los LNA´s o LNB´s, estos convertidores trasladan las señales de RF a Banda Base. Controlador de Antena El control de antena es un dispositivo programable, que tiene la capacidad de mover automáticamente la antena para su exacto apuntamiento al satélite seleccionado. Esta compuesto de motores de Azimut, Elevación y polarización. Y en muchos casos cuentan con Seguidor Automático, que es un equipo que se encarga de rastrear y mantener siempre apuntada la antena al máximo, para trabajar con los niveles de operación establecidos. Estación Terrena Tipo “Vsat” Las estaciones tipo VSAT su estructura es sencilla y sus principales componentes son: Antena Unidad Exterior de Radiofrecuencia Unidad Digital Procesadora (DPU) Enlace Unidad Exterior/Interior Antena Las antenas de sistemas VSAT por lo general son de tamaño de 1.2 a 3 m. Y pueden ser parabólicas circulares o parabólicas circulares recortadas, con alimentador OFF SET o PRIME FOCUS. Capitulo 1 Página 34 Estas antenas no son tan profundas como las cassegrain, mas bien son planas debido a la gran directividad que manejan, la cual para su apuntamiento en elevación el fabricante da un valor constante dependiendo del diámetro de la antena el cual se compensa al resultado obtenido de elevación dependiendo el sitio o lugar para su instalación. Por ejemplo: Si para la ciudad de México con el Satélite SATMEX V tenemos una elevación de 59°, en una antena de 1.80 m. debemos de compensar 22°3´ por lo que debemos de medir directamente en la antena 36°7´ y para una antena de 2.40 m. Se compensa 26°, y debemos de medir directamente 33°. Estas antenas de tipo VSAT han tenido mucha demanda debido su gran calidad y bajo costo por lo que se ocupan en diferentes sistemas para transmisión de voz, datos, telefonía televisión, etc., como se muestra en la figura 1.4 Figura 1.4. Red Vsat para una Organización. Capitulo 1 Página 35 Unidad Exterior de Radiofrecuencia (ORU) Esta unidad generalmente se localiza en la parte exterior de la estación, sobre la parábola en el foco. Conteniendo toda la parte relativa a radiofrecuencia. 1.- Amplificador de Potencia (solo manejan de 1 a 5 Watts) 2.- Convertidor Ascendente (opera a partir de una FI.) 3.- Amplificador de Bajo Nivel de Ruido (LNA o LNB) 4.- Convertidor Descendente (entrega nivel de FI.) Unidad Digital Procesadora (Pdu) La unidad digital procesadora se localiza en los interiores, y sus funciones son: A la Transmisión - Modular la señal de datos del usuario para obtener bandas de FI: - Enviar las bandas de FI. Al Convertidor Ascendente del ORU A la Recepción - Demodular las bandas de FI. Recibidas del ORU adecuarlas y entregarlas al equipo de usuario. Enlace Exterior/Interior El enlace Exterior/Interior proporciona las facilidades de interconexión entre las unidades ORU y PDU a nivel de bandas de FI. , así como las señalizaciones y alimentaciones de energía. Capitulo 1 Página 36 Estación Terrena TVRO Las estructuras de las estaciones tipo TVRO (Television Recepcion Only) como se muestra en la figura 1.5, son sumamente sencillas, toda vez que únicamente están diseñadas para recibir señales de televisión, su composición principal es: 1.- Antena 2.- Amplificadores de Bajo Nivel de Ruido 3.- Receptor de Televisión Figura 1.5 Diagrama De Una Estación Terrena Receptora Antena. Las antenas en este tipo de estación pueden ser de calidad media o baja, lo cual esta en función o pureza de las señales que se quieran recibir. Los tamaños pueden variar desde 1.2 hasta 5 m. Y pueden ser de malla de alambre o de fibra de vidrio. LNA MONITOR DE T.V. POLAROTOR ANTENA TIPO FOCO PRIMARIO DE 1.80 mts. DE DIAMETRO PARA BANDA “C” RECEPTOR DE TELEVISION Capitulo 1 Página 37 Amplificadores de Bajo Nivel de Ruido. Estos equipos pueden variar de calidad, siempre en función del nivel de recepción de la señal que se desee, en algunos casos dentro del propio amplificador, se integra un convertidor que a su salida entrega señal de FI. En lugar de RF. 1.2 Satélite de Comunicaciones. El concepto de un sistema mundial de comunicaciones por satélite fue presentado por primera vez en un artículo de Arthur C. Clark, escritor de ciencia ficción, publicado en la revista “Wireless World” en mayo de 1945. A continuación se cita un breve párrafo demo dicho artículo, que versa sobre el problema de las posiciones orbitales de los satélites de telecomunicaciones geoestacionarios. “Todos estos problemas se pueden resolver mediante una cadena de estaciones espaciales con un periodo orbital de 24 horas, lo que exigirá que estuviesen a 42,000 Km. del centro de la Tierra. Las estaciones estarían ubicadas en el plano ecuatorial de la Tierra y, por ende, vistas por observadores en la Tierra, permanecerían siempre fijas en los mismos puntos del cielo. A diferencia de todos los otros cuerpos celestes, nunca tendrían aurora ni ocaso, lo cual simplificaría enormemente el uso de receptores direccionales instalados en la Tierra.” El principal componente de un sistema de telecomunicaciones por satélite es el Segmento Espacial. El Segmento Espacial de un sistema consiste en los satélites y en las facilidades en tierra que efectúan las funciones de Telemedida, Telemando y seguimiento, y el apoyo logístico para los satélites. El Satélite. El satélite es el núcleo de la red y realiza la función de un re-emisor radioeléctrico situado en el cielo, que utiliza elementos activos y pasivos. Comprende un conjunto de diversos subsistemas de telecomunicación y antenas, como se muestra en la figura 1.6. Capitulo 1 Página 38 Figura 1.6 Re-emisor Los equipos de telecomunicaciones denominados transpondedores realizan las mismas funciones que los repetidores de los sistemas de relevadores radioeléctricos; reciben transmisiones de la Tierra y, después de efectuar la amplificación y transposición de frecuencia, las devuelven a la Tierra. Las antenas asociadas con estos transpondedores están diseñadas especialmente a finde proporcionar cobertura a las regiones de la Tierra comprendidas dentro de la zona de servicio del sistema de satélites, como se muestra en la figura 1.7 Figura 1.7 Zonas de Servicio de los Satélites. El satélite de telecomunicaciones se basa en las tecnologías y técnicas utilizadas por la mayoría de los satélites artificiales. La tecnología de repetidores es específica de este tipo de satélite y deriva de la utilizada por los equipos de telecomunicaciones terrenales, como se puede ver en la figura 1.8 Algunos componentes, tales como las células solares y los tubos de ondas progresivas, se adaptan a las aplicaciones de satélite. Otros componentes derivan de dispositivos de producción normalizada, pero que han sido seleccionados especialmente y sujetos a verificaciones de fabricación y pruebas finales de control de calidad espacial. Capitulo 1 Página 39 Figura 1.8 Subsistema de un Satélite de Comunicaciones Multiplexor Transmisor de Telemetría Diplexor Generador de Tiempo Control de Comandos Verificación de Comandos y Códigos Receptor de Comandos TELEMETRIA COMANDO Piloto Transponder Diplexor Amplificador (TWT) COMUNICACIONES Control de Antena Celdas Solares Circuito de Carga Batería Antena de Telemetría y Comando Sensores de Tierra y Sol Subsistema de Sensores de Entrada Tanque Propelante Control de Impulso Orbital Control de Impulso de Altitud Antena de Comunicación de Giro Direccional Eje de Giro Capitulo 1 Página 40 Por el momento, todos los satélites de telecomunicación, con pocas excepciones, describen una órbita circular en el plano ecuatorial a una altitud de unos 35, 786 Km., lo que da como resultado un periodo de revolución de 24 horas alrededor del centro de la Tierra. Si además giran en el mismo sentido que la Tierra, están sincronizados con la rotación y parecen inmóviles en relación con un punto de referencia situado en la superficie de la misma, Tal característica permite que el satélite proporcione cobertura permanente a una zona determinada, a la vez que simplifica el diseño de las estaciones terrenas, puesto que éstas ya no tienen que efectuar el seguimiento de satélites en movimiento a velocidad angulares considerables. Estos satélites se denominan geoestacionarios, como se muestra en la figura 1.9. Órbita circular baja Órbita elíptica de Transferencia Inclinada 28.5º Órbita Geoestacionaria Se libera el Satélite para siga una órbita geosíncrona. Da varias vueltas para ajustar posición y velocidad. En el perigeo se enciende el motor correspondiente y se integra a la órbita geoestacionaria. Figura 1.9 Satélites Geoestacionarios Por, lo general, los satélites se colocan en órbita en dos etapas: a) En primer lugar, un dispositivo de lanzamiento coloca al satélite en una órbita de Capitulo 1 Página 41 transferencia elíptica (típicamente el perigeo es de unos 200 Km., y el apogeo es de unos 35,786 Km. y el periodo de revolución de 10,5 horas). b) En segundo lugar, para alcanzar la órbita de los satélites geoestacionarios, el satélite utiliza un motor auxiliar que se enciende aproximadamente en el apogeo de la órbita de transferencia para hacerla circular. Además, el empuje del motor de apogeo esta dirigido de manera que en momento en que termina su impulso el plano orbital coincide con el plano ecuatorial. Después de esta operación en el apogeo, se deja derivar lentamente al satélite hasta quedar situado en la proximidad de la posición longitudinal prevista. Por último, se efectúan correcciones para colocar al satélite en posición, exactamente en la longitud deseada. Telemedida, Telemando y Seguimiento. Estos subsistemas se emplean para realizar desde Tierra, en apoyo logístico de los satélites, las siguientes operaciones: Seguimiento de la posición del satélite (posición angular, distancia) y determinación de la actitud cuando la estación espacial se coloca en órbita y después durante su vida útil para supervisar el funcionamiento y transmitir instrucciones de corrección. Telemedida de diversas funciones a bordo. Telemando de diversas funciones a bordo. Supervisión de las funciones de telecomunicaciones, en especial de las portadoras en los diversos transpondedores. Está última operación se utiliza para verificar el funcionamiento de la red y garantizar que las emisiones procedentes de diferentes estaciones terrenas cumplan las especificaciones (potencia, frecuencia, etc...). Son operaciones que se realizan generalmente por medio de estaciones terrenas espaciales y generalmente están centralizadas en el Centro de Control de la Red. Para algunos modos de telecomunicaciones, este Centro y las otras estaciones especializadas controlan también otras funciones tales como la sincronización, asignación en función de la demanda, etc. Capitulo 1 Página 42 Descripción General de los Satélites de Telecomunicaciones. En la mayoría de las redes nacionales y regionales, el segmento espacial comprende un satélite en explotación permanente y un satélite de reserva en una posición orbital cercana. Las grandes redes internacionales, como INTELSAT e INMARSAT pueden tener en explotación activa varios satélites, que cubran diferentes zonas geográficas de la Tierra. Con pocas excepciones, los satélites de telecomunicaciones utilizan la órbita de los satélites geoestacionarios y su posición en el cielo se define por la longitud del plano meridiano en el que están situados. Los satélites de telecomunicaciones constan de: - La plataforma - La carga útil En el caso de los satélites geoestacionarios, el diseño del vehículo espacial está estrechamente relacionado con las características técnicas y radioeléctricas de la carga útil y del sistema de telecomunicaciones. Las principales condiciones que la plataforma espacial debe satisfacer para el cumplimiento de su misión son las siguientes: - Alto grado de estabilidad en la posición y la actitud - Gran precisión de puntería de la antena - Larga vida útil en la posición orbital nominal - Disipación del calor producido por la carga útil - Suministro de energía eléctrica a la carga útil - Funcionamiento durante los eclipses. Todos estos factores entrañan una interdependencia muy estrecha entre las características de la plataforma espacial y de la carga útil, que ha de tenerse en cuenta tanto en la etapa de planificación como durante las pruebas de integración previas al lanzamiento. El tamaño y peso total del vehículo espacial está a su vez limitado por la capacidad del vehículo de lanzamiento. Los satélites de misiones y bandas múltiples pueden proporcionar una combinación de servicios a menor costo, aunque las condiciones que exigen los distintos servicios y las diferentes bandas de frecuencias utilizadas aumentan la complejidad del diseño y pueden Capitulo 1 Página 43 crear dificultades de coordinación. Los subsistemas principales son los siguientes: - La estructura
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