Upload
mkanwar8652
View
76
Download
14
Tags:
Embed Size (px)
Citation preview
Satellite Communication
Dr. Ir. Zulfajri Basri Hasanuddin, M.EngDept. of Computer Science and Communication Engineering,Kyushu UniversityDept. of Electronic, Faculty of Engineering,Hasanuddin University
Historical Developments Of Satellite
Long range communications via modulated microwave electromagnetic fields were first introduced in the 1920s.
In the 1950s a concept was proposed for using orbiting space vehicles for relaying carrier waveforms to maintain long range over the horizon communications.
The first version of this idea appeared in 1956 as the Echo satellite – a metallic reflecting balloon placed in orbit to act as a passive reflector of ground transmissions to complete long range links.
In the late 1950s new proposals were presented for using active satellites (satellites with power amplification) to aid in relaying long range transmissions.
Gbr. 1.1 Communication satellites a) Telstar b) Early Bird
(a)
c) Fleetsatcom d) TDRSS
e) DSCS-III, f) Intelsat VI
(e)
(f)
Communication Satellite Systems
Gbr. 1.2. Satellite Systems (I) Ground - ground
Gbr. 1.3. Satellite systems (II) Ground – cross link - ground
Gbr. 1.4. Satellite systems (III) ground – user relay
A satellite that merely relays the uplink carrier as a downlink is referred to as a relay satellite or repeater satellite.
A satellite that transmits the downlink by responding to the uplink, it is also called a transponder.
A satellite that electronically operates on the received uplink to reformat it in some way prior to retransmission is called a processing satellite.
Gbr. 1.5. Satellite uses. (a) Navigation and position location;
A satellite navigation system, in which signals from multiple satellites can be received simultaneously by a moving or stationary receiver and precessed instantaneously to determine its location andvelocity. This forms the basis of the Global Positioning Satellite (GPS) system in which a networkor orbiting satellites are continually available to provide the ranging signals for authorized usersanywhere in the world.
Gbr. 1.5. Satellite uses. (b) terrain and weather observation;
A satellite serving as a terrestrial observation vehicle in which weather, terrain, or agriculturalinformation can be collected by cameras and monitors and transmitted to earth-based locations.
Gbr. 1.5. Satellite uses. (c) data networking
A satellite as a primary interconnection between a vast network of moving vehicles and fixed-pointearth stations, with voice, data, or command information being exchanged. This is the basis of the forth-coming mobile satellite systems.
Gbr. 1.5. Satellite uses. (d) deep – space exploration
The use of space vehicles to probe the outer universe by returning television and scientific data hasbeen carried out successfully for several decades.
6
7
8
9
10
11
2
3
4
5
Engineering Test Satellite (ETS-VIII)
Contents1. Purpose of the Package
2. Why ETS-VIII now?
3. Outline of ETS-VIII
4. Mission Payloads
5. Experiment Plan
6. Antenna Coverage
7. How to Utilize ETS-VIII?
8. Sample of Experiments
9. Finding Out More
Purpose of the Package
Experiments utilizing Engineering Test satellite VIII (ETS-VIII) in Japan and the Asian Pacific countries.
This package aims to provide the technical data of the ETS-VIII Satellite for inviting our interests to participate in the utilization experiments.
Elements of the Package
1. Engineering Test Satellite - VIII
2. GIGABIT Satellite3. Q and A forExperiments
4. ETS-VIII Proposal Experiment Subject
---------------------Experiment Abstract
-----------------------Experiment System
---------------------
5. GIGABIT Proposal Experiment Subject
---------------------Experiment Abstract
-----------------------Experiment System
---------------------
Why ETS-VIII Now ?Satellite segment and Earth station segment are the two main elements of SatCom technology, we may observe the characteristics trends by every 10 years as follows:
The Earth Station antenna was bigger than 30 m in 1960s and 1970s
Small size antenna was in common use in 1980s and 1990s, since the technology development of satellite power and large-scale on-board antenna
The Mobile Satellite Communications available in anywhere, anytime by hand-held terminal is expected at the beginning of the 21st century
The Engineering Test Satellite VIII (ETS-VIII) is an advanced GEO satellite which will be used for development of technologies necessary for mobile satellite communications, with the 10m class deployable antenna.
LEO (Iridium,Globalstar,ODESSY, ICO,Etc)
21,8 m
1500 kg970 kg
15.6m
5.3m
700 kg40 kg
0.6m
Sate
llit
e S
eg
men
t1960s 1970s 1980s 1990s 21st Century
INTELSAT I
INTELSAT IV
INTELSAT-V
INTELSAT VII
Fixed Communication Mobile Communication Personal Mobility
Eart
h S
tati
on
It is necessary todevelop the technology
of mobile satellitecommunications byGEO to cover the
mobile communicationtraffic in densely
populated countrylike Japan.
Why ETS-VIII Now ?
The Requirements of IMT-2000
Compatibility with terrestrial systemsMax Data Rate:• Over 9.6 kbps (...144kbps)• Indoor: 2,048 kbps• Car: 144kbps Large EIRP, Multi-beam On-board Packet Switching
What is IMT-2000
IMT-2000: IMT-2000 is an initiative of the ITU wireless access to the global teleco- mmunication infrastructure through both satellite and terrestrial systems, serving fixed and mobile users in public and private networks.
The ITU vision of global wireless access in the 21st century, including mobile and fixed access, aims at providing direction to the many related technological developments in this area to assist the standardiza- tion of these essentially competing wireless access technologies.
ETS-VIII is developed for meetingthe IMT-2000 requirements!
Outline of ETS VIII
ETS-VIII Objectives
The ETS-VIII is developed to establish and verify the following technologies: An advanced 3-ton class spacecraft bus Large scale deployable reflector, world’s largest and most advanced Mobile satellite communication system technology that will enable audio/data communications with hand-held terminals. Mobile satellite multimedia broadcasting system technology for sound and image transmission. Satellite positioning using the High Accuracy Clock
3. Outline of ETS VIII ETS-VIII Mission and Development Organization
Large-scale Deployable Reflector (LDR)
LDR uses a modular structure to meet the requirements of reflectorsurface preciseness (2,4 mm RMS) and antenna diameter expandability. LDR consists of 14 hexagon-shaped modules connected to each other by cables. The outside dimension is 19m x 17m at the largest. The ETS-VIII is equipped with two LDRs one of data transmission and the other for reception. Each module, similar to a one touch deployable umbrella, has a deployable truss structure. LDR folds to 1m (diameter) x 4 m (height) during launch.
S-Band Mobile Communication &Broadcasting System
ETS-VIII is being developed by:ASC: Advanced Space Communication Research LaboratoryCRL: Communication Research Laboratory of Ministry of Posts and TelecommunicationsNTT: Nippon Telegraph and Telephone CorporationNASDA: National Space Development Agency of Japan
High Accuracy Clock System
The ETS-VIII will conduct orbital experiments on mobile satellite communications, which will enable us to communicate using hand-held terminals in the S-band frequency. It will also conduct experiments on high-speed packet communications for transmitting multimedia information such as images to mobile users. Also, experiments on mobile satellite broadcasting will be conducted.
ETS-VIII’s high accuracy clock generates extremely accurate time signals. The ETS-VIII will conduct positioning experiments, combining the clock signal with GPS data, to study basic satellite positioning systems. The satellite positioning experiments will be made in the S and L bands.
Mission Payloads
Mobile SatelliteCommunications &Broadcasting System
Mobile handy-heldTelephone
Mobile UHDT-Data Communications
Mobile DigitalMultimediaBroadcasting
Complement for the Territorial System Disaster Relief (for the Traffic Congestion)
Mobile Computer Networking Mobile Internet Access
High quality Digital Audio Broadcasting Multimedia Information Transmission
On-boardPacket
Switching
Decreasing theTime Delay
Mobile satellite communication used to be switched via ground hub station. So there is a double-hops via satellite between two terrestrial end points. The time delay due to the double-hops can not be ignored. On-board processing capacity will limit the hop counts in systems to shorten the time delay.
Counter measurefor
Disaster
On-board Processor is even effective in disaster because ground switchboard is unnecessary. On-board Processor could be a back-up system providing post disaster connectivity
Antenna CoverageHand-held Terminal: Size equivalent to a portable telephone
Portable Terminal: Size equivalent to the terminal of N-STAR (Notebook computer size)
Mobile Station : Use high-gain antenna such as parabolic (1 m)
High Accuracy Clock System Service Area
How to utilize ETS-VIII There are 2 communication styles for using ETS-VIII in the through-repeater mode: 1. Inter-beam communication 2. Inside-beam communication Bandwidth of through-repeater: Japan: 2.5 MHz Out of Japan: 3.5 MHz
Sample of Experiments
Interferensi & Gangguan Dalam Sistem Telekomunikasi Satelit
Sumber-sumber gangguan (interferensi) dalam sistem telekomunikasi satelitdapat dikategorikan dalam beberapa jenis, yaitu:
1. Interferensi antar jaringan satelit
2. Interferensi Cross Polarisasi
3. Interferensi Intermodulasi antar Carrier
4. Interferensi Co-Channel
5. Interferensi Jaringan Terestrial
6. Interferensi Re-Transmit
Interferensi Cross-Polarisasi Sistem komunikasi satelit yang telah dirancang menggunakan bandwidth tertentu
akan mempunyai keterbatasan dalam menggunakan bandwidth sehingga penggunaan bandwidth harus semaksimal mungkin karena frekuensi merupakan sumberdaya alam yang tidak dapat diperbaharui.
Teknologi re-use dalam sistem komunikasi satelit akan memunculkan masalah baru yaitu isolasi cross-polarisasi.
Untuk mengatasi gangguan (interferensi) cross polarisasi maka antena stasiun bumi sebelum mengakses ke satelit harus dilakukan test cross polarisasi dengan referensi stasiun bumi standar yang telah ditetapkan oleh operator satelit.
Beberapa solusi yang dapat diusulkan untuk mengatasi gangguan cross polarisasi adalah: Instalasi harus kokoh sehingga tahan terhadap gerakan akibat angin. Jauhkan instalasi antenna dari jangkauan tempat umum sehingga antena tidak
terganggu oleh orang yang tidak bertanggungjawab. Untuk antena yang dipasang di anjungan minyak lepas pantai maka harus
dilakukan perawatan secara rutin, sehingga gangguan dapat diminimalkan. Untuk antena yang dipasang di kapal dan bergerak maka antena digunakan
untuk memancarkan carrier yang mempunyai frekuensi tepat di guard band dari transponder di arah sebaliknya
Bandwidth transponder
Guard band
Bandwidth transponder
Guard band
Gb. 1. Alokasi transponder tanpa teknologi re-use
Gb. 2. Alokasi transponder dengan teknologi re-use
Interferensi dari Jaringan Terestrial
Terestrial Network
Terestrial Interferensi
Operating Satellite Frekuensi kerja dari kedua sistem sama
Interferensi Antar Channel (Interferensi Co-Channel)
Gangguan yang disebabkan oleh gangguan antar carrier satu dengan carrier disebelahnya. Gangguan antar channel ini lebih disebabkan oleh jarak antar carrier yang tidak cukup bandwidth atau tidak adanya guardband antara carrier satu dengan carrier disebelahnya disebabkan dalam pengaturan alokasi frekuensi di transponder atau dengan kata lain bandwidth carrier satu akan menggunakan bandwidth carrier lainnya.
Contoh, kita mempunyai dua buah carrier dengan alokasi bandwidth dari masing-masing adalah120 KHz dan 180 KHz, jika alokasi center frekuensi dari carrier pertama di frekuensi 3720 MHz,supaya tidak terjadi gangguan antar channel maka alokasi center frekuensi dari carrier keduaadalah di (3720+(120/2)+(180/2))MHz=3620.150 MHz, namun bila alokasi center frekuensicarrier kedua diletakkan pada 3720.140 MHz maka akan terjadi gangguan antar channel sebesar10 KHz dari kedua carrier tersebut.
Interferensi Akibat Intermodulasi Antar Carrier
Tidak semua gangguan turunnya kualitas link disebabkan oleh faktor eksternal seperti interferensi dari satelit lain dan interferensi jaringan terestrial, namun juga dari faktor internal sistem sendiri.
2. Radio Wave Propagation
Lecture Note: Satellite Communication
Radio Wave Propagation
Pendahuluan Sinyal yang menjalar diantara stasiun bumi
dengan satelit haruslah melewati atmosphere bumi, termasuk ionosphere.
90
400
600Freespace
Ionosphere
Troposphere Earth’s spaceIce layer rain
Gbr 2.1 Lapisan-lapisan di atmosphere bumi
Propagation impairment Physical cause Prime importance
1. Attenuation and sky Atmospheric gases, Frequencies above about noise increase cloud, rain 10 GHz2. Signal depolarization Rain, ice crystals Dual-polarization systems at C & Ku-bands3. Refraction, atmospheric Atmospheric gases Communication and tracking multipath at low elevation angels4. Signal scintillation Tropospheric and Tropospheric at freq. above ionospheric refractivity 10 GHz and low elevation fluctuations angels; ionospheric at freq. below 10 GHz5. Reflection multipath, Earth’s surface, Mobile satellite services blockage objects on surface6. Propagation delays, Tropospheric, ionospheric Precise timing and location variations systems; TDMA systems7. Intersystem interference Ducting, scatter, Mainly C band; rain scatter diffraction may be significant at higher frequencies
Table 2.1 Propagation Concerns for satellite communication
Atmospheric Losses
Kerugian atau kehilangan di atmosphere bumi adalah sebagai hasil dari penyerapan energi oleh gas-gas di atmosphere.
Rugi oleh cuaca (weather related losses) merujuk kepada atmospheric attenuation dan rugi penyerapan (absorption losses) sebagai atmospheric absorption.
Rugi penyerapan atmosphere berubah dengan frekuensi, Dua puncak penyerapan, pertama berdasarkan hasil data statistik adalah pada frekuensi 22.3 GHz dari hasil penyerapan resonansi pada air (water vapor - H2O); dan kedua adalah pada frekuensi 60 GHz, dihasilkan oleh penyerapan resonansi pada oksigen (O2). Hasil diatas untuk insiden vertikal.
Dengan menuliskan nilai rugi penyerapan sebagai decibels, dan sudut elevasi turun ke , formula untuk rugi penyerapan diberikan oleh
dimana adalah sudut elevasi. Efek yang dikenal sebagai atmospheric scintillation bisa juga terjadi.
90[AA]
o10
(2.1) cosec90
[AA][AA]
Ionospheric Effects
Gelombang radio yang menjalar antara stasiun bumi dan satelit haruslah melewati ionosphere. Ionosphere adalah bagian atas dari atmosphere bumi, yang mana telah mengalami ionisasi, utamanya dari radiasi solar.
Awan yang mengandung elektron-elektron (dikenal sebagai traveling ionospheric disturbances) dapat menjalar melalui ionosphere dan membangkitkan fluktuasi pada sinyal yang hanya dapat ditentukan oleh basis statistik. Efek-efeknya termasuk scintillation, absorption, variation in the direction of arrival, propagation delay, dispersion, frequency change, and polarization rotation.
Efek-efek ini berkurang seiring dengan meningkatnya frekuensi.
Rain Attenuation
Redaman hujan adalah merupakan fungsi rain rate (rain intensity)
The Link Power Budget Equation
Rugi-rugi untuk kondisi cuaca cerah diberikan oleh persamaan berikut:
(1.16) [PL][AA][AML][RFL][FSL][LOSSES]
Persamaan daya yang diterima dalam decibel menjadi:
(1.17) LOSSES][][EIRP][][ RR GP
dB loss,mismatch on polarizati [PL]dB ,absorption catmospheri [AA]
dB loss,nt misalignme antenna [AML]dB loss,Feeder Receiver [RFL]
dBW power, radiated isotropic equivalent [EIRP]
dBW power, received ][
dB Loss, Space Free [FSL]
RP
A satellite link operating at 14 GHz has receiver feeder losses of 1.5 dBand a free-space loss of 210 dB. The atmospheric absorption loss is 0.5 dBand the antenna pointing loss is 0.5 dB. Depolarization losses may be neglected. Calculate the total link loss for clear-sky conditions.
Thermal Noise
Thermal noise adalah noise yang terjadi pada semua media transmisi dan dalam semual peralatan komunikasi yang timbul dari pergerakan elektron secara acak.
Thermal noise adalah proporsional terhadap bandwidth dan temperature.
bandwidth of dBm/Hz 174-
bandwidth of dBW/Hz 204-
bandwidth of W/Hz)10(00.4
,290atau 17T ruang,r temperatuPada
noise thermalof K)( re temperatuabsolute T
J/K )1.3803(10 Boltzman konstanta k :dimana
(W/Hz)
21
23-
n
n
P
KC
kTP
Untuk sistem dengan bandwidth specific (sistem terbatas bandwidth)
(W) kTBPn
B merefer disini kepada apa yang dinamakan noise bandwidth (Hz). Pada K0
BTP
P
n
n
10log10logdBW6.228
specific,bandwidth dengan sistemUntuk
bandwidth of dBW/Hz 6.228
Signal to Noise Ratio
Signal to Noise Ratio diekspresikan dalam decibels
Signal 1000 Hz mempunyai SNR 10 dB. Level noise adalah 5 dBm dan signal, 15 dBm.
noise(dBm))signal(dBmdB levellevel/ NS
System Noise
(1.18) NNN BkTP
NT
NB
Sumber utama noise listrik pada peralatan adalah yang muncul dari gerakanelektron-elektron secara acak pada berbagai peralatan resistive dan activepada penerima. Thermal noise juga dibangkitkan dari komponen-komponenantenna yang mengalami lossy.
Daya noise (noise power) dari sumber noise thermal diberikan oleh:
adalah equivalent noise temperature
adalah equivlent noise bandwidth
k adalah Boltzmann’s constant, J/K1038.1 23
Karakteristik utama noise thermal adalah bahwa ia memiliki flat spektrumfrekuensi; yang berarti bahwa, Daya noise (noise power) per unit bandwidthadalah sebuah konstan.Noise power per unit bandwidth disebut kepadatan spectral daya noise atauthe noise power spectral density dan dinotasikan sebagai . Dan dari (1.18),0N
(1.19) joules 0 NN
N kTBP
N
Temperatur noise berhubungan secara langsung dengan temperatur fisikDari sumber noise, tetapi tidak selalu sama dengannya.
Example:An antenna has noise temperature of 35 K, and is matched into a receiverwhich has a noise temperature of 100 K. Calculate (a) the noise powerDensity and (b) the noise power for a bandwidth of 36 MHz.
Solution:
pW 0.067 10 36 1.86 (b)
J 10 1.86 10 1.38 100) 35( a)(6
21-23-0
NP
N
Noise AntenaNoise antena bisa secara luas diklasifikasikan ke dalam dua grup: noise yangberasal dari rugi-rugi antena (antenna losses) dan sky noise.Sky noise adalah term yang digunakan untuk menggambarkan radiasigelombang mikro yang terdapat pada alam semesta.
Amplifier Noise Temperature
antT
in0,N
out0,N
AmplifierPower gain G
antT
0,1N
0,2N
Amplifier 1 G1 Te1
Amplifier 2 G2 Te2
out0,N
(a)
(b)
Dari pers (1.19), input noise energy dari antenna:
(1.20) antant,0 kTN Output noise energy adalah: ditambah kontribusi yang dihasilkan oleh amplifier. Semua noise Amplifier, yang terjadi pada amplifier merujuk kepada equivalent input temperatur noise (equivalent input noiseTemperature, . Output noise menjadi
ant,0out,0 GNN
eT
eT
(1.21) )( antout,0 eTTGkN
(1.22) )( antout,0
in,0 eTTkG
NN
Total noise pada input:
bisa didapat dari pengukuran, tipikal nilainya berada pada range 35 hingga 100 K.eT
Amplifiers in Cascade
Koneksi cascade diperlihatkan pada gambar (b). Keseluruhan gain nya adalah:
(1.23) 21GGG
Noise energi amplifier 2 merujuk pada inputnya adalah . Noise input amplifier 2 dari stage sebelumnya adalah , dan selanjutnya total noise energy merujuk pada input amplifier 2 adalah:
2ekT)( 1ant1 eTTkG
(1.24) )( 21ant12,0 ee kTTTkGN Noise energy ini bisa dihubungkan dengan noise energy pada input amplifier 1 dengan membaginya dengan powergain amplifier 1,
(1.25) )(1
21ant
1
2,01,0 G
TTTk
G
NN e
e
Sistem noise temperature sekarang boleh didefinisikan sebagai dengan sT
(1.26) 1,0 skTN
Disini dapat terlihat bahwa diberikan olehsT
(1.27) 1
21ant G
TTTT e
es
Dari hasil ini dapat dikembangkan untuk beberapa stages dalam cascade,
(1.28) 21
3
1
21ant GG
T
G
TTTT ee
es
Noise Factor
Output noise dari amplifier adalah:
(1.29) 0out,0 FGkTN
G adalah power gain amplifier, F adalah noise factor. Selanjutnya dapat ditulis hubungan:
(1.30) )( 00 FGkTTTGk e
(1.31) )1( 0TFTe
Noise Figure adalah merupakan noise factor F yang diekspresikan dalam decibels:
(1.32) log10][ Figure Noise FF
Example:An LNA is connected to a receiver which has a noise figure of 12 dB. The gainof the LNA is 40 dB and its noise temperature is 120 K. Calculate the overallnoise temperature referred to the LNA input.
Solution:12 dB is a power ratio of 15.85:1, and therefore
K 4306290)185.15(2 eT
A gain of 40 dB is a power ratio of 10000:1, and therefore
K 43.12010000
4306120in T
Noise Temperature of Absorptive Networks
Jaringan absorptive adalah salah satu yang mengandung elemen-elemen resistive.Disini akan diperkenalkan rugi-rugi oleh penyerapan energi dari sinyal danmengkonversikannya menjadi panas. Peredam-peredam resistive, transmission lines, danwaveguides adalah merupakan contoh jaringan-jaringan absorptive dan juga termasukhujan, yang mana menyerap energi dari sinyal-sinyal radio yang melewatinya, dapatdianggap sebagai bentuk jaringan absorptive. Oleh karena jaringan absorptive mengandung resistance, ia membangkitkan thermal noise.
Anggap sebuah jaringan absorptive memiliki power loss L dan terhubung dengan sumber input. katakanlah sumbernya pada temperature Tx maka noise energinya adalah kTx. Jaringan “power gain”adalah 1/L dan oleh karenanya kontribusi sumber terhadap output noisenya adalah kTx/L. Selanjutnyakatakanlah TNW,0 merepresentasikan noise temperature jaringan, merujuk ke output, jadi kontribusijaringan terhadap output noisenya adalah kTNW,0. Total output noise selanjutnya adalah
(1.33) 0,NWout,0 kTL
kTN x
Mari menginisialkan jaringan pada temperatur yang sama Tx sebagai sumber. Sebab jaringanterhubung dengan sumber, energy noise pada output diberikan oleh kTx, selanjutnya:
NW,0kTL
kTkT x
x atau (1.34) 1
1NW,0
LTT x
Noise temperature dari lossy network merujuk pada inputnya,
(1.35) )1(NW,0iNW, LTLTT x
Jika lossy network harus terjadi pada kondisi temperatur ruangan, yaitu Tx=To, maka perbandinganpersamaan (1.31) dan (1.35) menunjukkan bahwa
(1.36) LF
Ini menunjukkan bahwa pada temperatur ruangan, noise factor pada lossy network sama denganPower loss nya.
Overall System Noise Temperature
LNAG1Te1
cable
Loss L:1
ReceiverNoise factor
FTant
(a)
Tant
cableInput
Loss L:1
LNAG1Te1
ReceiverNoise factor
F
(b)
Gambar Koneksi-koneksi yang digunakan untuk menggambarkan Overall noise temperature system.
Figure (a) diatas memperlihatkan tipikal sistem penerima. Sistem noise temperature pada input,
(1.37) )1()1(
1
0
1
01ant G
TFL
G
TLTTT eS
Example:For the system shown in Figure (a) above, the receiver noise figure is 12 dB, the cable loss is 5 dB,The LNA gain is 50 dB, and its noise temperature 100 K. The antenna noise temperature is 35 K.Calculate the noise temperature referred to the input.
Solution:For the main receiver,
K 13510
290)185.15(16.3
10
290)116.3(10035
Hence .10 LNA, For the .16.310 cable, For the .85.1510
55
55.02.1
ST
GLF
Example:Repeat the calculation when the system of Fig. (a) is arranged as shown in Fig. (b).
Solution:In this case the cable precedes the LNA and therefore the equivalent noise temperature referredto the cable input is
K 54.97710
290)185.15(16.310016.3290)116.3(35
5
ST
Carrier to Noise Ratio
Pengukuran performansi dari suatu link satelit adalah CNR pada input penerima, dan perhitungan link budget sering berhubungan dengan penentuan ratio ini. Secara konvensional ratio ini sering dinotasikan oleh C/N (CNR) yang mana equivalent dengan NR PP /
Dalam bentuk decibels,
(1.38) NR PPN
C
Persamaan-persamaan (1.17) dan (1.18) bisa digunakan untuk dan , menghasilkan:RP NP
(1.39) LOSSESEIRP NSR BTkGN
C
Ratio G/T adalah merupakan parameter kunci dalam menentukan performansi sistempenerima. Gain antena dan sistem noise temperatur bisa dikombinasikan dalam persamaan (1.39) sebagai
RG ST
(1.40) dBK / -1SR TGTG
Selanjutnya persamaan linknya, pers. (1.39) menjadi
(1.41) LOSSESEIRP NBkT
G
N
C
Rasio carrier power terhadap noise power density boleh jadi merupakankuantitas yang secara aktual dibutuhkan. Dari maka kemudian
0N
PR
NNNN BNBkTP 0
NN
BN
C
BN
C
N
C
00
Dan kemudian
(1.42) 0
NBN
C
N
C
[C/N] adalah rasio power yang sebenrnya dalam unit decibels, dan BN dalamdecibels relatif terhadap satu hertz, atau dBHz. [C/N0] dalam dBHz.Substitusi pers (1.41) kedalam pers (1.42) menghasilkan:
(1.43) dBHz LOSSESEIRP0
kT
G
N
C
ExampleIn a link budget calculation at 12 GHz, the free-space loss is 206 dB, theantenna pointing loss is 1 dB, and the atmospheric absorption is 2 dB. The receiver G/T ratio is 19.5 dB/K and receiver feeder losses are 1 dB. The EIRPis 48 dBW. Calculate the carrier-to-noise spectral density ratio.
SolutionThe data are best presented in tabular form, and in fact lend themselves readily to spreadsheet-typecomputations. For brevity the units are shown as decilogs and losses are entered as negative numbersto take account of the minus sign in eq. ( 1.43). Recall that Boltzmann’s constant equates to -228.6 decilogs., so that –[k]=228.6 decilogs as shown in the table. Entering data in this way allows the finalresult to be entered in a table cell as the sum of the terms in the rows above the cell, a featureusually incorporated in spreadsheets and word processors. This is illustrated in the following table.
Quantity DecilogsFree-space loss -206.00Atmospheric absorption loss -2.00Antenna pointing loss -1.00Receiver feeder losses -1.00Polarization mismatch loss 0.00Receiver G/T ratio 19.50EIRP 48.00-[k] 228.60[C/No],Eq.(1.43) 86.10
The final result, 86.10 dBHz, is the algebraic sum of the quantities as given in eq. (1.43).
The Uplink
Uplink memiliki pengertian dimana disatu sisi stasiun bumi memancarkan signal dan disisi lain satelitmenerima signal dari stasiun bumi tersebut. Pers (1.43) bisa diaplikasikan untuk uplink denganmemberikan subscript U untukmenyatakan pengertian uplink. Persamaan (1.43) menjadi:
(1.44) dBHz LOSSESEIRP UU
U
U0
kT
G
N
C
Pada pers (1.44), nilai-nilai yang digunakan adalah EIRP stasiun bumi, satellite receiver feeder losses,dan satellite receiver G/T. Free-space loss dan losses lain yang bergantung frekuensi, dihitung untukfrekuensi uplink.
Saturation Flux Density
Flux density yang dibutuhkan pada antena penerima untuk menghasilkan saturasidari TWTA (traveling wave tube amplifier) disebut saturation flux density.Saturation flux density adalah sebuah kuantitas yang penting dalam perhitunganlink budget, dan dengan mengetahuinya, kita dapat menghitung EIRP yangdibutuhkan pada stasiun bumi. Untuk memperlihatkan ini, kita lihat lagi persberikut:
2r4
EIRP
M
Dalam decibels,
(1.45) 4
1log10EIRP
2rM
Untuk Free-space loss,
(1.46) 4
1log10
4log10FSL
2
2
r
(1.47) 4
log10FSLEIRP2
M
4/2 menunjukkan dimensi area, yang pada kenyataannya adalah merupakaneffective area dari antena isotropik. Dengan menotasikannya dengan Ao
memberikan:
(1.48) 4
log102
0
A
(1.49) )log2045.21(0 fA
(1.50) FSLEIRP 0 AM
(1.51) AMLPLAAFSLEIRP 0 AM
(1.52) RFL-LOSSESEIRP 0 AM
Persamaan diatas untuk kondisi clear-sky. Dengan nilai-nilai saturasi yangdinotasikan dengan subscript S, Eq. (1.52) dapat ditulis ulang:
(1.53) RFL-LOSSESEIRP 0 USUS A
ExampleAn uplink operates at 14 GHz, and the flux density required to saturate thetransponder is -120 dB(W/m2). The free space loss is 207 dB, and the otherpropagation losses amount to 2 dB. Calculate the earth-station [EIRP] requiredfor saturation, assuming clear sky conditions. Assume [RFL] is negligible.
SolutionAt 14 GHz,
dBW 63.4420937.44120EIRP
(1.53), Eq. from Hence, dB. 209 2207 amount topath n propagatio in the losses The
dB -44.37log14)2045.21(0
US
A
Input back-off
(1.54) BOEIRPEIRP iUSU
Carrier to Noise Density diberikan oleh,
(1.55) RFLBO00
k
T
GA
N
C
UiS
U
ExampleAn uplink at 14 GHz requires a saturation flux density of -91.4 dBW/m2 andan input back-off of 11 dB. The satellite G/T is -6.7 dBK-1 and receiver feederlosses amount to 0.6 dB. Calculate the carrier-to-noise density ratio.
dBHz. 74.5 asreceiver satellite at the ratiodensity noise-to-carrier thegives totalThe
74.5 Total
0.6- lossfeeder Receiver
228.6 -
6.7- / saturation Satellite
11.0- off-backInput
44.4- GHz 14at
91.4- density flux Saturation
Decilogs Quantity
Solution
0
k
TG
A
The Earth Station HPA
High Power Amplifier dari stasiun bumi mensupplai power, ditambah dengantransmit feeder losses yang dinotasikan dengan TFL, atau [TFL] dalam dB.Disini termasuk waveguide, filter, dan rugi-rugi coupler antara output HPA danantena pancar. Output power HPA diberikan oleh:
(1.56) TFLEIRPHPA TGP
Saturasi output power HPA diberikan oleh:
(1.57) BO HPAHPAsatHPA, PP
Homework1. Two amplifier are connected in cascade, each having a gain of 10 dB
and noise temperature of 200 K. Calculate (a) the overall gain and (b) the effective noise temperature reffered to input.
2. An amplifier having a noise temperature of 200 K has a 4 dB attenuator
connected at its input. Calculate the effective noise temperature reffered
to the attenuator input.3. A receiving system consists of an antenna having a noise
temperature of 60 K, feeding directly into a low noise amplifier (LNA). The amplifier
has a noise temperature of 120 K and a gain of 45 dB. The coaxial feeder between the LNA and the main receiver has a loss of 2 DB, and the
main receiver has a noise figure of 9 dB. Calculate the system noise
temperature reffered to input.4. An antenna having a noise temperature of 35 K is connected through
a feeder having 0.5 dB loss to an LNA. The LNA has a noise temperature of 90 K. Calculate the system noise temperature reffered to (a) the feeder input and (b) the LNA input.
Downlink
Downlink memiliki pengertian dimana disatu sisi satelit memancarkan signal dan di sisi lain stasiun bumi menerima sinyal yang dipancarkan tersebut. Persamaan (1.43) bisa diaplikasikan untuk downlink, tetapi subscript D akan digunakan untuk menyatakan downlink. Persamaan (1.43) menjadi
(1.58) dBHz LOSSESEIRP DD
D
D0
kT
G
N
C
Nilai-nilai yang digunakan pada persamaan di atas adalah EIRP satelit, RFL stasiun bumi,dan penerima G/T stasiun bumi. Free-space dan rugi-rugi lain dihitung untuk frekuensidownlink. Hasil carrier to noise density ratio dari pers (1.58) adalah yang muncul padaDetektor penerima stasiun bumi. Selanjutnya dengan mengasumsikan signal bandwidth Bsama dengan noise bandwidth BN:
(1.59) LOSSESEIRP DD
DD
BkT
G
N
C
ExampleA satellite TV signal occupies the full transponder bandwidth of 36 MHz, andit must provide a C/N ratio at the destination earth station of 22 dB. Giventhat the total transmission losses are 200 dB and the destination earthstation G/T ratio is 31 dB/K, calculate the satellite EIRP required.
kW. 6.3ly equivalentor dBW 38 is EIRP required The
38 EIRP
75.6
228.6-
200 LOSSES
31- /-
22 /
Decilogs Quality
obtain wedB, 200 toequaly numericall are losses that and
dB -228.6 that mindin keeping and form, in tabular up thissetting
LOSSESEIRP
(1.59), Eq. From
Solution
DDD
D
B
k
TG
NC
k
BkT
G
N
C
Output Back-off
Jika EIRP satelit untuk kondisi saturasi dilambangkan sebagai [EIRPS]D, maka[EIRP]D=[EIRPS]D-[BO]o dan Eq. (1.58) menjadi
(1.60) LOSSESBOEIRP DD
DS
D0
kT
G
N
Co
Input dBm
Outp
ut
dB
m
5 dB
[BO]O
[BO]i
saturation point
single carriermultiple carrier
Back-off operating point
Figure: Input and Output Back-off relationship for the satellite TWTA, [BO]i=[BO]o+5dB.
ExampleThe specified parameters for a downlink are satellite saturation value of EIRP,25 dBW; output back-off, 6 dB; free-space loss, 196 dB; allowance for otherdownlink losses, 1.5 dB; and earth station G/T, 41 dB/K. Calculate the carrierto noise density ratio at the earth station.
(1.60) Eq. from calculated as
dBHz,in station earth at the ratiodensity noise carrier to thegives totalThe
91.1 Total
228.6 [k]-
41.0 [G/T]station Earth
6.0- off-backOutput
1.5- lossesOther
196.0- loss space-Free
25.0 [EIRP] saturation Satellite
Decilogs Quantity
values. tabulated the toattached (1.60) Eq.in signs minus with the
form in tabularout set best is work thenscalculatiobudget uplink with theAs
Solution
Satellite TWTA Output
Output power TWTA diberikan oleh
(1.61) TFLEIRPTWTA DDTD GP
Bila [PTWTA] diketahui, saturasi output power diberikan oleh
(1.62) BOTWTATWTA oS PP
ExampleA satellite is operated at an EIRP of 56 dBW with an output back-off of 6 dB.The transmitter feeder losses amount to 2 dB, and the antenna gain is 50 dB.Calculate the power output of the TWTA, assuming it may be required to provide the full saturated EIRP.
W)25(or dBW 1468
gives (1.62)Equation
dBW 8
250-56
TFLEIRP
gives (1.61) Eq.
Solution
TWTA
TWTA
S
DDTD
P
GP
Downlink Rain-Fade Margin
Effective noise temperature dari hujan diberikan oleh
(1.63) 1
1RAIN
ATT a
Ta : apparent absorber temperature, A: rain attenuation
Total sky-noise temperature adalah temperature clear-sky ditambahtemperature hujan.Hujan selanjutnya menurunkan [C/No] yang diterima dalam 2 cara:1. Dengan meredam gelombang carrier2. Meningkatkan temperature sky-noise
Downlink C/N power ratio berhubungan dengan nilai clear-sky oleh
(1.64) )1(CSS,CSRAIN
T
TAA
C
N
C
N a
CS: subscript kondisi clear-sky dan TS,CS: system noise temperature dalam kondisi clear-sky
ExampleUnder clear-sky conditions the downlink [C/N] is 20 dB, the effective noisetemperature of the receiving system being 400 K. If rain attenuation exceeds1.9 dB for 0.1% of the time, calculate the value below which [C/N] falls for0.1% of the time. Assume Ta = 280 K.
Solution1.9 dB attenuation is equivalent to a 1.55:1 power loss. The equivalent noisetemperature of the rain is therefore TRAIN = 280(1 - 1/1.55) = 99.2 KThe new system noise temperature is 400 + 99.2 = 499.2 K. The decibel increase in noise power is therefore [499.2] – [400] = 0.96 dB. At the sametime, the carrier is reduced by 1.9 dB and therefore the [C/N] with 1.9 dBrain attenuation drops to 20 – 1.9 – 0.96 = 17.14 dB. This is the value belowwhich [C/N] drops for 0.1% of the time.
Combined Uplink and Downlink C/N Ratio
Kombinasi noise spectral density to carrier ratio (N/C) diberikan oleh
(1.65) 000
DU C
N
C
N
C
N
ExampleFor a satellite circuit the individual link carrier to noise spectral density ratiosare: uplink 100 dBHz; downlink 87 dBHz. Calculate the combined C/N0 ratio.
dBHz 79.8610log2.09510
Therefore
10095.21010
Solution
9-
0
97.8100
N
C
C
N
ExampleA multiple carrier satellite circuit operates in the 6/4 GHz band with the following characteristics. Uplink: saturation flux density -67.5 dBW/m2;input back-off 11 dB; satellite G/T -11.6 dB/K. Downlink: satellite saturationEIRP 26.6 dBW; output back-off 6 dB; free-space loss 196.7 dB; earth station G/T 40.7 dB/K. For this example, the other losses may be ignored.Calculate the carrier to noise density ratios for both links and the combinedvalue.
Solution
dBHz 6.921049.5log10
1049.51010
:/ combined theprovides (1.65) Eq. ofn Applicatio
93.2 (1.60) Eq. from / 101.5 (1.55) Eq. from /
228.6 228.6
40.7 G/Tstation Earth 11.6- G/T saturation Satellite
196.7- loss space-Free 11- off-backInput
6- off-backOutput 37- GHz 6at
26.6 [EIRP] Satellite 67.5- density flux Saturation
valuesDecilog Downlink valuesDecilog Uplink
10
0
1032.915.100
0
00
0
N
C
C
N
NC
NCNC
kk
A
Intermodulation Noise
Intermodulation terjadi dimana sejumlah carrier melewati rangkaian dengan karkteristik ygnon linier. Dalam sistem komunikasi satelit, biasanya terjadi pada TWTA pada satelit.Amplitudo dan fasa yang non linier dapat menyebabkan intermodulasi.
Eq. (1.65) selanjutnya dapat dituliskan:
(1.66) IM
0000
C
N
C
N
C
N
C
N
DU
(1.67) IM
C
N
C
N
C
N
C
N
DU
ExampleFor a satellite circuit the carrier to noise ratios are: UL 23 dB, DL 20 dB,intermodulation 24 dB. Calculate the overall CNR in decibels.
dB 17.2log0.001910
Therefore
0019.0101010
(1.66), Eq. From
Solution
23.24.2
N
C
C
N
Satellite Access
Ada 3 metode multiple access yang sering digunakan: frequency-division multiple access (FDMA) time-division multiple access (TDMA) code-division multiple access (CDMA)
FDMA Masing-masing stasiun dalam kelompok tertentu mengirim frekuensi tertentu (uplink) yang sudah dipilih serta seri-seri yang unik. Pemancar memadukan (multiplex) frekuensi ini dan mengirimkannya ke satelit beserta transpondernya sebagai pesan campuran (composite inteligence), lalu menerjemahkan ke frekuensi tersebut dan menyiarkan kembali (rebroadcast) ke stasiun penerima di bumi dalam frekuensi yang lain.
TDMA TDMA adalah metode transmisi uplink satelit yang agak berbeda dengan FDMA karena modulasi pada berbagai pembawa sampai ke satelit dari pemancar dalam bentuk burst. Berlawanan dengan FDMA, pada suatu saat hanya satu paket informasi yang mencapai satelit, konsekuensinya tidak terdapat pembagian daya ataupun intermodulasi, baik pada pengiriman maupun pada stasiun penerima. Dengan demikian transponder dapat diope- rasikan pada daya keluaran penuh tanpa distorsi. Sehingga kapasitasnya menjadi lebih besar dibandingkan keluaran satelit dengan FDMA.
CDMA Dalam CDMA, semua stasiun memancar pada frekuensi dan waktu yang bersamaan. Keistimewaannya, is dirancang sedemikian rupa dimana masing-masing transmisi memiliki kode-kode uniknya sendiri. Misalnya is bisa berupa kode pseudo-noise, yg tidak dapat diuraikan (decode) oleh penerima yang tidak memiliki perlengkapan yang cukup untuk mendeteksi dan memproduksi pesan-pesan asli.
ExampleA satellite transponder has a bandwidth of 36 MHz and a saturation EIRP of27 dBW. The earth station receiver has a G/T ratio of 30 dB/K, the totallink losses are 196 dB
12
:be woulddaccomodate be could which carriers ofnumber therequired,not wasoff-back If
3 ,10
14/
6.228//
30/
:/station Ground
196LOSSES
:losses Total
6
:off-backOutput
27EIRP
:EIRP Saturation
Hzlog10 MHz, 3
:bandwidthCarrier
Hzlog10 MHz, 36
:bandwidthr Transponde
10
0
0
TRTRTR
B
B
KK
BBK
BO
NC
BLOSSESTGEIRPNC
TG
TG
BO
BBB
BBB
TR
K
TR
D
TRSD
FDMA Downlink Analysis
Toshiba Satellite 2400 System Unit
Model No. PS240L-04UP5