Primopredajni Sistemi Za Satelitske Telekomunikacije

TEHNIKI KOLSKI CENTAR ZVORNIKkolska 2009/2010. god.

TEMA STRUNOG USAVRAVANJA

PRIMOPREDAJNI SISTEMI ZA SATELITSKE TELEKOMUNIKACIJE

PROFESOR: Biljana Vidakovi

2

SADRAJ

1. Uvod .................................................................................................... 3 GEO sateliti ................................................................................. 4 LEO sateliti ................................................................................. 5 MEO sateliti ................................................................................ 5 2. PRIMOPREDAJNI SATELITSKI SISTEMI ....................................... 8 3. Transponder na satelitu ....................................................................... 10 4. Zemaljske satelitske stanice ................................................................ 12 5. Literatura ............................................................................................. 16

Primopredajni sistemi za satelitske telekomunikacije

Biljana Vidakovi

3

1.UvodPrijem televizijskog programa i prenos informacija moe se obavljati posredstvom tzv. klasinih sistema prenosa ili posredstvom satelitskih sistema komuniciranja. Tako npr. kod tzv. klasine televizije predajnik se nalazi na zemlji, sa antenom koja je obino uzdignuta iznad povrine, da bi se obezbijedio vei domet i jaina signala. Kod tzv. satelitske televizije predajnik se nalazi na vjetakom Zemljinom satelitu, pa su predajnik i njegova antena znatno iznad zemljine povrine. Satelitska televizija koristi vjetake zemljine satelite, to znai da se televizijski signali emituju posredstvom elektromagnetnih talasa od Zemlje do satelita , a zatim se sa satelita vraaju na Zemlju. Da bi npr. jedan televizijski program stigao od studija do korisnika, potrebno je koristiti bar etri antene i to: -antenu zemaljskog predajnika, -prijemnu antenu na satelitu, -predajnu antenu na satelitu, -prijemnu antenu na Zemlji. Glavni element satelitskog komunikacionog sistema predstavlja antena ugradjena na satelitu. Satelit je lociran na fiksnoj orbiti iznad Zemlje. Kod satelitskog komunikacionog sistema dvije ili vei broj stanica koje na povrini Zemlje mogu biti, ta vie, i blizu jedna drugoj mogu da komuniciraju preko jednog ili veeg broja satelita. Sateliti kod ovakvog tipa komuniciranja ponaaju se kao relejne stanice. Antenski sistemi koji se nalaze na Zemlji ili blizu Zemlje nazivaju se zemaljske stanice (Earth Stations). Prenos signala od zemaljske stanice ka satelitu se naziva uplink, dok prenos od satelita ka zemaljskoj stanici je poznat kao downlink. Elektronika u satelitu koja prihvata uplink signal, a konvertuje ga u downlink, naziva se transponder. Postoje brojne ralike izmedju satelitsko i zemaljsko-baziranih komunikacija, a one se mogu iskazati kroz sledea zapaanja: a) oblast pokrivanja satelitskog sistema daleko premauje zemaljski sistem. Tako na primjer, za sluaj geostacionarnog satelita, sa jednom antenom vidi se skoro etvrtina Zemljine kugle. b) cijena prenosa kod satelitskih komunikacija je skoro nezavisna od rastojanja (odnosi se na oblast pokrivanja satelita). c) kod satelitske komunikacije prenosni kanali su veoma irokog propusnog opsega, a prenos podataka se ostvaruje pri velikim brzinama. d) satelitske veze su esto podlone kratkotrajnim smetnjama i degradacijama, ali i pored toga kvalitet prenosa je dosta visok. e) kod geostacionarnih satelita postoji propagaciono kanjenje Zemlja-Satelit-Zemlja od 1/4s. Primopredajni sistemi za satelitske telekomunikacije Biljana Vidakovi

4 Satelitske orbite je mogue klasifikovati na vei broj naina: 1) orbita je kruna pri emu je centar Zemlje centar kruga, ili eliptina pri emu je centar Zemlje jedan od dva fokusa elipse. 2) orbita je ekvatorijalna ako se satelit nalazi direktno iznad ekvatora, polarna ako prolazi iznad oba pola, dok se ostale orbite nazivaju inclined. 3) shodno visini u odnosu na Zemlju sateliti se mogu nalaziti u geostacionarnoj orbiti (GEO- Geo Earth Orbit), srednjoj zemaljskoj orbiti (MEO - Medium Earth Orbit), ili u niskoj zemaljskoj orbiti (LEO - LowEarth Orbit)

Slika 1 GEO sateliti GEO sateliti su danas najei tipovi koritenih komunikacionih satelita. GEO satelit se nalazi na krunoj orbiti 36.853 km iznad povrine Zemlje i rotira u ekvatorijalnoj ravni Zemlje sa istom brzinom sa kojom rotira i Zemlja. Pod ovakvim uslovima satelit ostaje uvijek iznad iste take ekvatora pa se zbog toga naziva geostacionarni. Na Slici 1 prikazani su poloaji GEO satelita u odnosu na Zemlju.

Sl.2. Poloaji satelita u geostacionarnoj orbiti


Biljana Vidakovi

5 LEO sateliti Osnovne karakteristike LEO satelita su: a) kruna ili slabo naglaena eliptina orbita na visini od 2000 km. b) period orbite je od 1.5 do 2 asa. c) dijametar pokrivanja je 8000 km. d) propagaciono kanjenje (Zemlja-satelit-Zemlja - round-trip-propagation signal) je manje od 20 ms. e) maksimalno vrijeme za koje je satelit vidljiv sa fiksne take na Zemlji je do 20 minuta. f) s obzirom da se satelit kree u odnosu na fiksnu taku na Zemlji jako je izraen efekat Doppler-a. Praktino koritenje sistema LEO satelita iziskuje koritenje veeg broja orbitalnih ravni, svaka sa veim brojem satelita u orbiti. Komunikacija izmedju dvije zemaljske stanice obino podrazumijeva handing-off signala sa jednog satelita na drugi. Veliki broj komercijalnih predloga je uinjen za koritenje cluster-a LEO satelita kako bi se obezbijedili komunikacioni servisi. Predloge moemo svrstati u dvije kategorije: 1. Mali LEO - namijenjeni za rad na frekvencijama ispod 1 GHz, koriste propusni opseg ne vei od 5 MHz, a podravaju brzine prenosa podataka do 10 kbps. Namijenjeni su za praenje i slanje poruka sa malim bitskim brzinama prenosa. 2. Veliki LEO - rade na frekvencijama iznad 1 GHz, a podravaju brzine prenosa podataka do nekoliko Mbps. Podravaju sve servise tipa LEO kao i prenos govora. MEO sateliti Osnovne karakteristike MEO satelita su: 1) kruna orbita na visini od 5000-12000 km 2) perioda orbite je 6 asova 3) dijametar pokrivanja je od 10000-15000 km 4) round-trip propagaciono kanjenje je manje od 50 ms 5) maksimalno vrijeme za koje je satelit vidljiv sa fiksne take na Zemlji (iznad radio horizonta) iznosi nekoliko asova. MEO sateliti imaju manji broj handoff-a u odnosu na LEO satelite.

Slika 3. LEO i MEO orbite


Biljana Vidakovi

6 Na Slici 4 prikazana je lista frekventnih opsega koji su dostupni za satelitske komunikacije. Uoimo da propusni opseg raste sa porastom frekvencije. Ali, na alost, sa porastom frekvencije i efekat transmisionog slabljenja postaje sve izraeniji.

Slika 4

Slika 5


Biljana Vidakovi

7

Slika 6 Primopredajni sistemi za satelitske telekomunikacije Biljana Vidakovi

8 2. PRIMOPREDAJNI SATELITSKI SISTEMI Satelitske telekomunikacije ine posebne telekomunikacione sisteme koji po principu rada i realizaciji veza predstavljaju ustvari proirenje radio-relejnih veza u kosmos. Zahvaljujui telekomunikacionim satelitima,moe se realizovati prenos neke informacije izmeu bilo koje dvije take na Zemlji. Ovim se otvaraju ogromne mogunosti u ostvarivanju beinog prenosa svih vrsta informacija na velike daljine. Posredstvom ovih satelita danas se obavlja vie od dvije treine ukupnog meunarodnog telekomunikacionog prometa. Sateliti namijenjeni za ovaj prenos nazivaju se geostacionarni sateliti. Ovakav naziv dobili su po tzv. geostacionarnoj orbiti po kojoj krue oko Zemlje. Ova orbita je najpogodnija za potrebe satelitskih telekomunikacija. To je u stvari kruna orbita poluprenika oko 36000 km, koja lei u ekvatorijalnoj ravni Zemlje. Pri tome su ugaone brzine obrtanja Zemlje oko sopstvene ose i satelita oko Zemlje jednake, dok im se smijerovi obrtanja poklapaju. Zato se moe smatrati da se satelit u odnosu na posmatraa na Zemlji ne kree, pa otud i naziv geostacionarni. sa visine od 36000 km vidi se neto vie od jedne treine ukupne povrine Zemlje. Pomou tri geostacionarna satelita,pogodno rasporeena u ekvatorijalnoj ravni na toj visini,moe se radio-talasima prekriti cijela povrina Zemlje,sa izuzetkom malih oblasti oko njenih polova. Satelitski prenosni sistem prikazan je uproeno na Slici 7. S f1 ulaz Us f1 f2 f1 f2 f2 RB izlaz Us

TA

izlaz Us,

RA

f2 f1

TB primopredajnik B

ulaz Us,

primopredajnik A

Slika 7. Osnovna blok-ema primopredajnog sistema za satelitske telekomunikacije

Primopredajnici A i B na ovoj slici predstavljaju tzv. zemaljske stanice za satelitske telekomunikacije,a stacionirane su tako da je u pitanju meukontinentalni prenos. Svaka od ovih stanica opremljena je primopredajnim ureajem sa zajednikom antenom, ime je mogu prenos signala u oba smijera. Predajnici na ovim stanicama obiljeeni su slovom T, prijemnici sa R. U svom sastavu satelit ima, pored ostalih ureaja neophodnih za rad, i primopredajni ureaj. Ovaj ureaj je u tehnikoj literaturi nazvan transponder. Transponder na satelitu ima istu funkciju kao i radio-relejna magistralna stanica.


Biljana Vidakovi

9

Princip rada prenosnog sistema prikazanog na slici 7 se moe objasniti na primjeru prenoenja signala u smijeru od zemaljske stanice A prema stanici B. Na ulaz predajnika dovodi se ulazni signal Us (kompozitni TV signal, telefonski, telegrafski i sl.). Ovim signalom se najprije frekvencijski modulie pomoni nosilac na meufrekvenciji, a zatim se MF signal translira u opseg oko uestanosti nosioca predajnika. Uestanost nosioca predajnika, tj. uestanost veze u smijeru Zemlja - satelit bira se iz opsega (5,925 do 6,425) GHz. Naime, svakoj zemaljskoj stanici (po meunarodnoj konvenciji o ovoj vrsti radio-saobraaja), pripada odgovarajui broj kanala, tj. tano odreenih uestanosti predaje iz ovog opsega. Po ovoj konvenciji usvojen je i opseg uestanosti u smijeru satelitZemlja i iznosi (3,7 do 4,2)GHz. Jedna od uestanosti nosioca rezervisana za predajnik TA (a time i za TB ), oznaena je na slici 8 sa f1. Sa f2 oznaena je uestanost iz opsega (3,7 do 4,2) GHz, rezervisana za prijemnike RA i R B. Iz predajnika TA, VF signal se vodi na zajedniku antenu preko dipleksera (ili cirkulatora) i talasovoda. Antena je uperena ka satelitu, tj. usmjerava svoje zraenje ka transponderu. Ona je parabolinog oblika kao i kod zemaljskih PP veza, ali (kao to je poznato) mora biti mnogo veih dimenzija. U prijemnoj anteni transpondera indukuje se VF signal iz dolazeeg EMT ija je uestanost f1. Zatim se pojaava i translira u opseg oko novog nosioca, uestanosti f2. Transponovani VF signal se najprije pojaava do odreenog nivoa snage i usmjerava predajnom antenom prema stanici B. Primljeni signal sa satelita vodi se talasovodom na ulaz prijemnika RB, gdje se najprije pojaava. Zatim se vri transponovanje signala oko pomonog nosioca na meufrekvenciji, ija je vrijednost ista kao na predaji. Transponovani MF signal se zatim demodulie i vodi na izlaz prijemnika. Odatle se zemaljskom PP vezom proslijeuje do odreenog centra koji je zaduen za ovaj meukontinentalni prenos. Princip prenosa signala (npr. Us,) od stanice B do A identian je opisanom, pa nema svrhe ponavljati ga.


Biljana Vidakovi

10

3. Transponder na satelitu Dananji telekomunikacioni sateliti imaju u svom sastavu vei broj (desetak i vie) transpondera kojima se ostvaruje veza izmeu pojedinih zemaljskih stanica. Osnovna blok-ema jednog takvog ureaja prikazana je na slici 8.

f1FPO

f2 = f0 f1FPO

maloumni pojaava

IS (TWT)

f2FPO

A1(5,925 6,425) GHz

f0OSC

SPU 10,125 GHz

Slika 8. Osnovna blok-ema transpondera na satelitu Dolazei talas sa zemaljske stanice (oslabljen za oko 200dB) pobuuje prijemnu antenu A1 na transponderu. Prijemni signal se, preko talasovoda i pojasnog filtra, vodi na ulaz maloumnog pojaavaa. Kao pojaavaki element najee se koristi tunel dioda, ime se unosi minimalni sopstveni um u pojaani signal. Ovaj FM signal uestanosti nosioca (5,925 - 6,425) GHz vodi se zatim u stepen za promjenu uestanosti (SPU). Pomou ovog stepena i lokalnog oscilatora vri se transponovanje FM signala u opseg silazne uestanosti nosioca (3,7 - 4,2) GHz. Kao to je poznato,ovo transponovanje je neophodno da ne bi dolo do samooscilovanja transpondera. Kao stepen za promjenu uestanosti koristi se produktni modulator sa pojasnim filtrom. Ovim filtrom eliminiu se sve komponente produktne modulacije, osim komponenti FM signala koje su translirane oko nove nosee uestanosti f2. Ova uestanost jednaka je razlici uestanosti lokalnog oscilatora f0 i uestanosti ulaznog signala f1. Na primjer, ako je f1 = 6,425 GHz, tada je :

f2 = (10,125 - 6,425) GHz = 3,7 GHz.Za f1 = 5,925 MHz istim postupkom izbijanja i filtriranja dobija se f2 = 4,2 GHz. Dakle, svaka uestanost nosioca ulaznog signala iz opsega irine 500 MHz translira se oko odgovarajue uestanosti novog opsega iste irine. Translirani signal se zatim pojaava u pobudnom stepenu i vodi u izlazni pojaava snage. Kao pojaavaki element u izlaznom stepenu najee se koristi cijev sa progresivnim talasom i to iz dva razloga. Ova cijev ima irokopojasno svojstvo, a njenom primjenom postie se i vrlo veliko pojaanje (50 dB), neophodno pri jako oslabljenom signalu iz smijera Zemlja - satelit. Iz pojaanog signala eliminiu se neeljene komponente izlaznim filtrom, a signal talasovodom vodi u izlaznu antenu A2 koja je uperena ka odgovarajuoj stanici na Zemlji. Biljana Vidakovi


11 Prilikom raspodjele uestanosti nosioca za satelitske telekomunikacije odabrano je da silazna uestanost (f2) bude nia od ulazne (f1). To je uinjeno iz dva razloga. Prvo,na niim uestanostima jednostavnija je realizacija pojaavakog dijela transpondera. Naime, poznato je da e rad pojaavaa, za odreenu izlaznu snagu, biti stabilniji ukoliko je njegova radna uestanost nia. Kako je potrebno da transponder radi bez otkaza vie godina, to je ovakav izbor logian. Drugo, viom ulaznom uestanou postie se vee pojaanje prijemne antene transpondera (A1). Ovo je jasno ako se ima u vidu poznati izraz za pojaanje paraboline antene:

g=KD2f2Kako je prijemna parabolina antena A1 mnogo manjeg prenika nego zemaljska, to se viom ulaznom uestanou postie vea vrijednost g. Ovim izborom se ujedno smanjuje pojaanje predajne antene A2. Meutim, to nije od bitnog znaaja poto je zemaljska antena mnogo veih dimenzija tj. mnogo vee osjetljivosti. Za uspostavljanje dvosmjerne veze izmeu dvije zemaljske stanice potreban je,naravno, jo jedan transponder kao na slici 8. Ulazni dio ovog drugog transpondera spregnut je na zajedniku antenu A2, a izlazni na antenu A1. Dakle, princip funkcionisanja takvog sistema je isti kao kod radio-relejne magistralne stanice.


Biljana Vidakovi

12

4. Zemaljske satelitske stanice Zemaljska satelitska primopredajna stanica koristi se za uspostavljanje meukontinentalnih telefonskih, telegrafskih i TV veza. Ove veze realizuju se na principu multipleksnog prenosa sa frekvencijskom raspodjelom kanala. Satelitska stanica predstavlja jedan od najsloenijih telekomunikacionih ureaja uopte. Zbog toga se posmatra samo jedan njen dio: osnovna blok-ema za meukontinentalni prenos TV signala. Ova ema prikazana je na slici 9.

F5FPO LNA DS FPO

f2FPO FM det.

SVSBRX JS

2 3DP

F6 D/C

70 MHz FM ton

f2 70 MHzOSC

4 5 16

PRIJEMNIK - telefonski kanali

F3FPO IS

I VFHK

f1FPO

70 MHz F2 A/C

F1FPO.

SVSB SPU(-)

FM OSC. 180 MHz

RX J

S

2 3 4 5 16

f 70 MHzOSC OSC250 MHz

FM ton

- telefonski kanali

PREDAJNIK

Slika 9.Blok-ema primopredajne zemaljske stnice za prenos TV signala Kompozitni signal KC (KS),dobijen sabiranjem sloenog video signala boje (SVSB) i FM signala tona, vodi se najprije u predajnu jedinicu osnovnog opsega (TxJ). U ovom stepenu se vri potrebna obrada KC i, izmeu ostalog isticanje visokih uestanosti u kolu preemfazisa (radi poboljanja odnosa signal/um). Obraenim signalom KC vri se modulacija nosioca u FM oscilatoru, ija je uestanost 180 MHz. Dobijeni modulisani signal mijea se sa signalom iz lokalnog oscilatora (uestanosti 250 MHz), a zatim se filtrom propusnikom opsega izdvaja donji boni opseg: (250-180) MHz = 70 MHz Dakle,modulacija se vri na vioj uestanosti od uobiajene standardne (70 MHz) da bi se dobio to vei stepen linearnosti modulatora. Modulisani signal vodi se zatim u korektorska kola (na blok-emi nisu prikazana). U ovim kolima vre se korekcije linearnosti i diferencijalne faze. Primopredajni sistemi za satelitske telekomunikacije Biljana Vidakovi

13 Poslije korektora meufrekventni signal od 70 MHz vodi se u tzv. konvertor navie (A/C). Uestanost lokalnog oscilatora u ovom konvertoru je za 70 MHz nia od potrebne uestanosti nosioca predajnika (f1). Filtrom F2 izdvaja se signal ija je uestanost jednaka zbiru nosilaca (koji se dovode na balansni mjea), ime se modulisani signal translira u opseg od 5,925 do 6,425 GHz. Tako obraeni signal vodi se u hibridno kolo za multipleksiranje kanala (HK) u koje se istovremeno dovode signali telefonskih kanala. Dobijeni multipleksni signal (sa frekvencijskom raspodjelom kanala) vodi se u predpojaavaki i izlazni stepen. Izolator (I) slui da sprijei reflektovanje signala iz pojaavakih stepena u A/C konvertor. Time se zatiuju i svi ostali stepeni koji se nalaze na malom nivou snage. Predpojaavaki stepen je cijev sa progresivnim talasom (izlazne snage oko 2 W), dok je izlazni pojaava klistronski (sa maksimalnom izlaznom snagom oko 1W). Ovako velika izlazna snaga nije neophodna (s obzirom na ogromno pojaanje antene). Meutim, snane cijevi se ipak koriste jer je njihov reim rada pri malim izlaznim snagama linearan, ime se smanjuju izoblienja izlaznog signala. Filtrom propusnikom opsega odstranjuju se nepoeljne spektralne komponente multipleksnog signala, a zatim se ovaj signal preko talasovoda i dipleksera vodi u antenu. Potrebno je naglasiti da pored prikazanog predajnog kanala za prenos TV signala postoji i rezervni kanal, koji se automatski ukljuuje u sluaju otkaza nekog stepena u radnom kanalu. Dupliranje veza vai i za telefonske kanale, i to kako u predajnom, tako i u prijemnom dijelu. Primljeni multipleksni signal sa satelita vodi se preko talasovoda i cirkulatora u maloumni pojaava (LNA). Ispred ovog pojaavaa nalazi se filtar propusnik opsega 3,7 do 4,2 GHz koji ujedno slui i da zatiti pojaava od eventualne refleksije signala sa predaje. Maloumni pojaavaki sistem sastoji se od dva termoelektrino hlaena parametarska pojaavaa (za radni i rezervni kanal). Temperatura hlaenja je oko 80 K. Nekada je koriten helijumom hlaeni parametarski pojaava (na oko 20 K), koji danas slui kao rezerva. Svaki termoelektrino hlaeni pojaava sastoji se od dvostepenog parametarskog pojaavaa ije ukupno pojaanje iznosi 25 dB. Kao pumpni generator koristi se oscilator sa Gan diodom. Iza ovog pojaavakog stepena nalazi se trostepeni tranzistorski pojaava sa FETovima, ije je ukupno pojaanje 30 dB. Dakle,ukupno VF pojaanje u jednom kanalu iznosi 55 dB, to je neophodno s obzirom na veoma nizak nivo ulaznog signala. Multipleksni signal vodi se iz VF pojaavakog dijela u djelitelj snage (DS), gdje se dijeli na 16 dijelova, a odgovarajue spektralne komponente FM kompozitnog signala izdvajaju se filtrom F5. Ovaj signal vodi se u konvertor nanie (D/C), na ijem se izlazu dobija meufrekventni signal od 70 MHz. Zatim se vri detekcija kompozitnog signala i ovaj signal vodi u prijemnu jedinicu osnovnog opsega (RxJ). U ovoj jedinici se, izmeu ostalog, vri isticanje komponenti niskih uestanosti kompozitnog signala (u kolu deemfazisa). Time su, raunajui prethodnu obradu u kolu preemfazisa predajnog sistema, sve komponente kompozitnog signala podjednako pojaane. Obraeni kompozitni signal se zatim vodi u separator (S), pri emu se SVSB i FM ton izdvajaju kao to je ve opisano.


Biljana Vidakovi

14

Slika 10

Slika 11 Blok- ema transpondera Prikazana je konfiguracija jednog idealnog regenerativnog transpondera,koja obuhvata sljedee osnovne funkcije: -ekstrakcija referentnog RF nosioca -koherentna PSK detekcija -ekstrakcija digitskog odnosa bitskog takta -odluivanje -diferencijalno kodovanje -generisanje RF nosioca Primopredajni sistemi za satelitske telekomunikacije Biljana Vidakovi

15 -direktna PSK modulacija RF nosioca Sve navedene funkcije moraju se realizovati uz strogo potovanje sljedeih osnovnih zahtjeva:vrlo velike pouzdanosti,male teine i potronje.injenica je da dananja kola za ekstrakciju referentnog nosioca nisu dovoljno stabilna da godinama rade bez podeavanja,pa je zato uvedena neto jednostavnija konfiguracija data na slici b. Tu je,umjesto koherentnog PSK detektora uveden prostiji diferencijalno-koherentni detektor (DCPSK) sa linijom za kanjenje.Meutim,on zahtijeva vei odnos signal/um, pa se zbog toga mora poveati snaga zemaljske stanice.To je cijena kojom se plaa pojednostavljenje detektora na satelitu. Poto DCPSK detektor sam vri i diferencijalno dekodovanje,isputen je blok diferencijalnog dekodera. Kako u optimalnoj tako i u podoptimalnoj konfiguraciji blok za diferencijalno kodovanje oznaen je crtkano, jer se moe izostaviti. Naime,direktni PSK modulator u regenerativnom transponderu koristi svoj sopstveni generator noseeg talasa,a samim tim se obezbjeuje koherencija RF nosioca u svim berstovima koji se alju prema Zemlji.

Slika 12


Biljana Vidakovi

16

5. Literatura 1. Komunikaciona i primopredajna tehnika; udbenik 2. Prenos podataka Satelitske komunikacije;Internet


Biljana Vidakovi

Documents

Primopredajni Sistemi Za Satelitske Telekomunikacije