LABORATORIO DE SISTEMAS DE TELECOMUNICACIONES EXPERIENCIA: RECEPCIÓN SATELITAL 1. OBJETIVOS 2. INTRODUCCIÓN

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1 LABORATORIO DE SISTEMAS DE TELECOMUNICACIONES EXPERIENCIA: RECEPCIÓN SATELITAL 1. OBJETIVOS Los objetivos de esta experiencia son conocer las características generales más relevantes de los sistemas satelitales y sus aplicaciones. En lo teórico entender las orbitas, geosincrónicas y asincrónicas y sus implicancias, en lo técnico los sistemas y bandas de frecuencias usadas según las aplicaciones, y cálculo de enlaces, y en lo práctico conocer los parámetros y procedimientos para apuntar las antenas en las estaciones terrestres, dependiendo del tipo de orbita y ubicación del satélite en estas. Para la parte experimental se cuanta con una antena parabólica de 90cm de diámetro en un montaje azimut-elevación y preamplificadores para las bandas de frecuencia a recibir. Las señales se verificarán y medirán directamente en un analizador de espectros en la banda de RF de transmisión de los satélites a apuntar. Para la parte teórica y técnica se dispones de amplia información en la página del laboratorio y en la Web en general. 2. INTRODUCCIÓN Los sistemas satelitales tienen hoy en día múltiples aplicaciones, inicialmente se desarrollaron para aplicaciones de comunicaciones específicas a larga distancia, posteriormente y dado el gran avance tecnológico, aumento de capacidades y reducción de costos, tanto de los mismos satélites como de los sistemas terrestres, su desarrollo ha llegado a cubrir un gran y variado campo de aplicaciones, como es en comunicaciones, metereología, atmósfera, espionaje y militares, astronomía, posicionamiento, navegación, senseo remoto, búsqueda y rescate, exploración y otros. Por tratarse de sistemas autónomos, los satélites tienen limitaciones de energía y con ello de potencia disponible para realizar las comunicaciones, ya sean propias del control y experimentos a bordo del satélite o de retransmisión de información desde y hacia la Tierra. Por lo anterior, los sistemas receptores terrestres satelitales deben operar con niveles de sensibilidad relativamente exigentes, lo que restringe la gran mayoría de las aplicaciones a tener visibilidad directa con el satélite. Sumado a lo anterior, las orbitas deben cumplir con ciertos mínimos de distancia a la Tierra para que las aplicaciones sean viables, por ejemplo existen dos grandes tipos de orbitas como las geosincrónicas y asincrónicas (ver Anexo 1), las primeras tiene la ventaja que el satélite se mueve en una orbita ecuatorial a la misma velocidad angular que la Tierra y por tanto la estación terrestre enlazada ve al satélite prácticamente en un punto fijo en el espacio, con todas las ventajas y simplificaciones de apuntamiento que esto implica. Sin embargo para que ocurra esto, a partir de un simple cálculo físico se puede comprobar que la distancia de este tipo de orbitas debe ser aproximadamente km sobre la superficie de la Tierra, y esto en le mejor de los casos (la distancia aumenta si la estación terrestre no está sobre el Ecuador, y/o si aumenta la diferencia de longitud del satélite y de la estación terrestre). La gran distancia del enlace hace que los niveles de señal

2 recibida sean muy pequeños, en especial en el enlace de bajada. En el enlace de subida esto se puede mejorar ya que hay mayor potencia disponible para transmitir. En las órbitas asincrónicas las distancias de los enlaces pueden ser mucho menores al caso geosincrónicas (hasta unos 100km), con lo que las potencias recibidas son mayores, pero al mismo tiempo, y dependiendo de la aplicación y exigencias del enlace, puede ser necesario un complejo sistema de seguimiento o traqueo del satélite ya que a menor distancia la velocidad angular, y tangencial, del satélite debe ser mucho mayor al caso geosincrónico para que la órbita se mantenga. En este sentido, en este caso, existe un compromiso entre la ganancia requerida de la antena terrestre y la necesidad de traqueo del satélite, si se requiere gran ganancia la antena debe ser directiva y necesariamente se requiere traqueo (como en algunas aplicaciones de recepción meteorológica de alta resolución), si por el contrario si no se requiere gran ganancia de antena, esta puede ser fija sin ser necesario el traqueo ya que la antena puede tener un gran acho angular de haz de recepción (como los receptores GPS). Otros aspectos importantes desde el punto de vista técnico, independiente de la aplicación, son el rango de frecuencia que va desde el ordene de 1 a 10GHz, donde se produce una ventana con mínimo ruido electromagnético que favorece la sensibilidad de los enlaces. También lo relativo a la polarización de las antenas es especialmente importante cuando hay movilidad relativa del satélite y/o equipos terrestre, en cuyo caso es aplicable la polarización circular, en caso de enlaces fijos es suficiente la polarización lineal, que es más simple. En el caso de movilidad relativa aparece un inconveniente adicional por el corrimiento de frecuencia debido al efecto doppler, que aumenta a mayor velocidad del satélite y frecuencia de portadora (por ejemplo la velocidad tangencial de un satélite a unos 1000km de altura es algo más que 20000km/h!). Los satélites también se clasifican por su tamaño y peso, los grandes pueden pesar más de una tonelada y los pequeños del orden de un kg, incluso hay proyectos de satélites de corta vida útil que pueden pesar menos de 100gr. Esta experiencia está orientada a conocer aspectos generales de los sistemas satelitales, y en lo práctico reconocer las orbitas geosincrónicas y asincrónicas polares apuntando y recibiendo satélites GOES (meteorológicos) e INMARSAT (telefonía y datos de baja velocidad) para el primer caso y NOAA (meteorológicos) para el segundo. Para este fin es necesario conocer las ubicaciones de los satélites en las orbitas para realizar el apuntamiento y sus frecuencias de transmisión para poder visualizar y medir las correspondientes señales en un analizador de espectros. Para el caso de los satélites asincrónicos NOAA, se debe además tener las predicciones de de sus pasadas, es decir conocer de antemano su trayectoria azimut-elevación versus tiempo. En base a las mediciones se podrá estimar las potencias de transmisión de los satélites, verificar sus frecuencias, corrimiento doppler y velocidad en el caso de los asincrónicos. 3. EQUIPOS A UTILIZAR Se dispone para esta experiencia de una antena parabólica de 90cm de diámetro en un montaje azimut-elevación, parte original del sistema de comunicación INMARSAT utilizado en barcos mercantes (utilizable también para los satélites meteorológicos dada la cercanía de las bandas frecuencias), se dispone también de preamplificadores para las bandas de frecuencia a recibir, brújula e inclinómetro, y analizador de espectro. La eficiencia de la antena se estima en 60%, los preamplificadores tienen aproximadamente 32dB de ganancia y 8dB de cifra de ruido cada uno. La información necesaria para el

3 apuntamiento de los satélites está disponible en la Web, y podrá ser revisada durante la experiencia (se cuenta con conexión a Internet por cable en la terraza de 4 de Electrónica donde se encuentra la antena). 4. TRABAJO PREVIO El trabajo previo consiste en estudiar los sistemas satelitales en general, y en particular los casos de los satélites a recibir en esta experiencia. Se deberá resumir la información necesaria para apuntar los satélites y medir los respectivos espectros de señal en el trabajo experimental. Se requiere también algunos cálculos previos para conocer valores típicos esperables de las variables a medir en la parte experimental. 1. En base a la información disponible en la Web (del laboratorio e Internet), investigue y resuma las aplicaciones, características orbitales y frecuencias de transmisión de los satélites GOES, INMARSAT y NOAA posibles de recibir dada la ubicación geográfica de la UTFSM (incluya como dato su latitud y longitud exactas, puede usar para esto por ejemplo Google Earth y 2. Haga una tabla resumen de los ángulos de azimut y elevación necesarios para apuntar cada uno de los satélites GOES, INMARSAT y NOAA visibles desde la UTFSM. Para el caso de los NOAA, indique los parámetros de apuntamiento versus tiempo, para la fecha de la experiencia, si es posible. Tenga en cuanta que en caso de no haber pasadas posibles en la fecha y hora de la experiencia, se podrá coordinar un día posterior que si la haya para completar la experiencia, si es posible indique predicciones de fechas y horas de pasadas en este caso. Un buen link para obtener información de apuntamiento y pasadas de satélites (y mucho más) es también para satélites geosincrónicos sirve (otra opción, aunque bastante menos completa, es Indique procedimientos para apuntar la antena terrestre hacia los satélites utilizando brújula e inclinómetro, ya sea que obtiene los ángulos de azimut y elevación desde la Web o de las curvas disponibles (ver Anexo 2). 3. Teniendo en cuenta las características del sistema receptor a usar (básicamente la antena y los preamplificadores, dos en cascada), calcule y grafique la SNR de recepción para los satélites a recibir versus la EIRP (potencia + ganancia de antena de transmisión del satélite), tal que el rango obtenido de SNR sea de 0 a 30dB. Para el caso de satélites NOAA calcule para elevación 0 y 90 (peor y mejor condición). 4. Para el caso de los satélites NOAA, grafique la frecuencia de recepción (incluyendo el corrimiento doppler) versus la elevación, suponiendo que la trayectoria es tal que el satélite pasa con máxima elevación (90 ). 5. Para las características de la antena a usar, calcule cuánto es su acho de haz (ángulo total dentro del cual la ganancia no es menor que el máximo menos 3dB). Esto da una medida de cuán fácil o difícil puede ser apuntar el satélite en la orbita. 6. Describa una forma de estimar las potencias totales de señal y ruido medidas en un analizador de espectro, teniendo en cuanta un espectro de señal típico aproximadamente

4 rectangular, de ancho de banda bastante mayor que el ancho de banda de resolución del analizador de espectro. 5. TRABAJO EN LABORATORIO 1. Revise el sistema receptor a utilizar e identifique sus partes. Haga un resumen para el informe. 2. Con conexión a Internet (cable disponible en la terraza 4 piso Elo) y con los parámetros de azimut, elevación y frecuencias resumidas en el preinforme, apunte los satélites geoestacionarios considerados, y mida potencias y espectros. Anote los ángulos de azimut y elevación prácticos y compare con los determinados previamente. Resuma procedimientos para el informe. 3. Utilizando alguna de las señales más fuertes recibidas, mida el ancho de haz de la antena. 4. Para los satélites NOAA, si hay alguna pasada factible de recibir desde la UTFSM el día de la experiencia, posicione la antena con el azimut de partida esperado (la elevación inicial es 0 ), y ajuste el analizador de espectros tal que cubra al menos el rango total de frecuencia esperada incluyendo el máximo y mínimo de corrimiento doppler. Siga la trayectoria de la pasada manualmente ayudado de la información online en Internet. Mida potencias de recepción, espectros, y dentro de lo posible mida frecuencias versus elevación. Cada pasada dura en el mejor de los casos alrededor de 15 minutos (para elevaciones máximas cercanas a 90 ). Si no hay pasada el día de la experiencia se planificará y coordinará posteriormente una sesión exclusiva para completar este punto (todos los grupos juntos si fuera necesario). 6. INFORME FINAL Haga un informe completo y detallado de los equipos y procedimientos utilizados en la parte experimental. Reporte los resultados de ángulos de azimut y elevación prácticos y compárelos con los esperados. Calcule las potencias de transmisión (EIRP) de los satélites recibidos, e indique los anchos de banda en cada caso. Compare los anchos de haz medido y esperado de la antena. Para el caso de los satélites NOAA, compare además el corrimiento doppler de las frecuencias recibida y calculada en el preinforme. Incluya comentarios, conclusiones y sugerencias para mejorar esta experiencia. REFERENCIAS Toda la información necesarias está en la Web del Laboratorio, Recepción Satelital, Documentación, y en Experiencia Satelital Anterior. (además de lo que adicionalmente se encuentra en Internet)

5 Anexo 1. Tipos de orbitas satelitales.

6 Anexo 2. Curvas de azimut y elevación para apuntar satélites geoestacionarios. Se requiere la latitud de la estación terrena y la diferencia de longitud entre la estación y el satélite en la orbita ecuatorial. Tenga en cuenta que el azimut se mide desde el Norte hacia la derecha, y que las curvas están pensadas para el Hemisferio Norte, es decir el azimut desde el Hemisferio Sur es el suplemento del azimut obtenido de las curvas. Diferencia de longitud UTFSM

7 UTFSM Diferencia de longitud