Abeceda satelitního příjmu

Déšť a satelitní příjem

Určitě každý čtenář bude se mnou souhlasit, že počasí a déšť zvlášť je největším "nepřítelem" satelitního příjmu. Tento článek se bude snažit objasnit danou problematiku a umožnit čtenářům dozvědět se něco ze základních poznatků v této oblasti.

Obecně platí, že čím vyšší je kmitočet, tím vyšší je znehodnocení signálu způsobený deštěm. Důsledkem toho je snížení kvality příjmu a častokrát i krátkodobé výpadky signálu. Hlavní příčinou je útlum, který vzniká průnikem elektromagnetického vlnění kapkama deště. Volně vázané molekuly vody absorbují energii elektromagnetické vlny, důsledkem čeho je mírné ohřívání dešťových kapek. Tuhý sníh nezpůsobuje žádný útlum, protože molekuly vody jsou v tomto případě pevně vázány a nedochází k rezonanci s elektromagnetickou vlnou. Nicméně, mokrý sníh může způsobovat vyšší útlum, než déšť stejné hustoty.

Velikost útlumu se zvyšuje s hustotou deště a s přibližováním se velikosti vlnové délky elektromagnetické vlny k velikosti dešťové kapky. Běžná kapka má průměr 1,5 mm, zatímco délka vlny o kmitočtu 12 GHz (pásmo Ku) je 25 mm. I když se zdá, že velikost elektromagnetické vlny je pořád několikanásobně větší než je velikost dešťové kapky, dochází však už ke vzájemné interakci, která má za následek významnou absorpci energie. Síla přijímané nosné se snižuje a chybovost digitálního signálu se zvyšuje. Klíčovým faktorem pro určení útlumu je délka trasy průniku dešťovou vrstvou.

Pro výpočet délky trasy průniku dešťovou vrstvou ds se používá model dle doporučení ITU-R P.618 (obr.1) a vztah: Déšť a satelitní příjem

ds = (hml - hs) / sind (km);

hml je výška izotermy 0°C (nad touto úrovní je voda v tuhém zkupenství, pod touto úrovní v kapalném) a pro naše pásmo platí vztah:

hml = 4 - 0,075(q - 36) (km);

hs ... nadmořská výška;
q .... zeměpisná šířka;
d .... úhel elevace směrem k dané družici;

Za předpokladu míry hustoty srážek 10 mm/h, kdy specifický útlum na jeden kilometr je kolem 1 dB a efektivní délka trasy průniku dešťovou vrstvou (při elevaci 32.5° v Brně) je 5.4 km, vzniká tedy celkový útlum větší než 5 dB. To znamená třetinovou sílu signálu oproti příjmu za jasného počasí.

Dalším činitelem, který má významný vliv na kvalitu satelitního příjmu je šumová teplota systému, která se udává v kelvinech (K). Je to energie elektronů náhodně se pohybujících uvnitř přijímacího systému. Šumová teplota je součtem šumových teplot kaskády všech prvků příjmu. Klíčovým parametrem popisujícím přijímací anténu je tzv. jakostní číslo, nebo-li poměr zisku antény k šumové teplotě systému G/T.

Při jasné obloze je teplota antény kolem 40K (12 GHz) a celková šumová teplota (bez satelitního přijímače) je zhruba 110K. Nicméně když prší, anténa "vidí" děšť o teplotě 100-200 K. Toto zvýšení šumové teploty systému má za následek i pokles hodnoty G/T, úměrně podle nárůstu útlumu.

Nejdůležitějším hlediskem pro každého uživatele je zřejmě spolehlivost přijímací sestavy a co možná nejmenší počet výpadků signálu, tedy dostupnost dané služby. Proto každý řeší otázku jaká anténa a konvertor je nejvhodnější pro satelitní příjem. Pro zevrubnou orientaci je vhodná tabulka udávající průměr antény s ohledem na daný parametr EIRP v místě příjmu. To však není plně dostačující, protože nevíme, jakou a/nebo jestli vůbec budeme mít s danou anténou systémovou rezervu proti možným výpadkům.

V digitálním příjmu, v procesu zpracovávání signálu, je jedním z velmi důležitých parametrů hodnota Eb/No, jinak taky v satelitních přijímačích udávaná jako kvalita signálu. Je to velikost energie jednoho bitu vůči šumu. Například pro příjem s kódováním FEC ¾ platí minimální (prahová) hodnota 5,5 dB a třeba u přijímačů HUMAX je to 40%-ní kvalita signálu. Pod touto hranicí dochází k výpadkům, protože demodulátor / dekodér zpracovávají nekvalitní signál - s velmi nízkou hodnotou Eb/No.

Jak výše zmíněné souvisí s deštěm? Ideální by bylo, aby byl signál celoročně kvalitní a vůbec nevypadával, mluvíme tedy o dostupnosti 100%. To je však požadavek nerealizovatelný, kromě jiného právě z důvodů deště. Dobře, tak tedy řekněme, že chceme mít signál dostupný 99,99% v průběhu celého roku. To znamená, že signál může vypadnout, z důvodu nízke hodnoty Eb/No, v součtu celkem na 53 minut. V podstatě chceme mít dostatečnou systémovou rezervu pro případ hustého deště. Jakým způsobem toho však docílit?

Pro satelitní příjem výhradně z jedné pozice zjistíme hodnotu EIRP pro dané místo příjmu a doporučovaný průměr antény. Vzhledem k tomu, že tyto hodnoty platí pro jasné počasí, je vhodné proto počítat se možným znehodnocením signálu a spíš zvolit anténu s větším průměrem. Například při kmitočtu 12 GHz je mezi 60 a 80 cm anténou rozdíl 3 dB. V kombinaci s kvalitním LNB to zvýší taky hodnotu jakostního čísla G/T. To znamená vyšší úroveň signálu a tím i větší rezervu. Z hlediska dostupnosti, tu 60cm anténa zajistí na 99,9% a to je zhruba 8,8 hodin výpadků. Zatímco s 80cm anténou, při dostupnosti 99,99%, můžeme počítat už "jenom" s 53 minutami výpadků. Pro příjem z více družic pomocí natáčecího zařízení je vhodné dimenzovat průměr antény s ohledem na nejslabší signál, z nejvzdálenější družice.

Problematika vlivu deště na satelitní příjem je poměrně komplexní a nedá se vyčerpávajícím způsobem popsat v krátkém článku. Zahrnuje v sobě vedle radiokomunikačních oborů zejména meteorologii a klimatologii. Tímto příspěvkem jsem chtěl poukázat na faktory, které ovlivňují kvalitu příjmu a umožnit konfrontovat vlastní zkušenosti čtenáře s teoretickými poznatky.
Použitá literatura:
  • Commercial Satellite Communication, S.C.Pascall & D.J.Withers, Focal Press 1997
  • FCC OET, Bullettin 70A, August 2000
  • RainDegradation, R.Nelson, Via Satellite, February 2003

Autor: Ing.Dušan Sloboda, Parabola.cz