Satelitní spojení ve zkratce (2.)

| Tisk

Je tedy vidět, že při návrhu satelitního spoje je třeba vzít do úvahy celou řadu faktorů – nejen požadovanou přenosovou rychlost, ale podle parametrů satelitu, velikosti antén, požadované dlouhodobé dostupnosti spojení, přípustné chybovosti linky zvolit vhodnou modulaci a FEC a k tomu pronajmout odpovídající šířku pásma a energii satelitního transpondéru.

D. Linkový výpočet:
Je třeba si uvědomit, že velikost pozemských antén a výkon vysílače lze měnit v dosti širokém rozsahu, ale G/T, EIRP a šířku pásma satelitního transpondéru ovlivnit nelze (leda volbou jiného). Dále zde jsou parametry, které se běžně neuvádí.

• Hustota magnetického toku na vstupu satelitního transpondéru pro saturaci z oblasti G/T=0 může být např. -83 dBW/m2. (Pokud bychom v režimu „multicarrier“ vysílali příliš velkým výkonem, brali bychom energii někomu jinému. V režimu jedné nosné bychom naopak dosáhli přebuzení celého transpondéru ke své vlastní škodě.) Pro výpočet se pak použije hodnota G/T satelitu ze směru pozemské stanice a pro stanovení rozdílu úrovně vstupního signálu od hodnoty pro saturaci (pokud signál nevyužívá celou šířku transpondéru).

• Hodnoty IBO a OBO (input a output back-off) - pokud je na stejném transpondéru více nosných dochází vlivem intermodulace k poklesu zisku až o 10 dB na vstupu a až o 5 dB na výstupu v závislosti na počtu a šířce signálů. Příklad ze satelitu Hellas-Sat 2:

Počet nosných12345 a více
IBO celkem dB0,577,5810
OBO celkem dB0,133,233,463,74,83

Přesný linkový výpočet proto není možné udělat bez znalosti těchto údajů, které má k dispozici obvykle pouze provozovatel satelitu. Proto i srovnávání satelitů podle jejich EIRP je zavádějící bez přepočtu energie na šířku pásma a bez znalosti OBO pokud je na transpondéru více signálů. Transpondér s EIRP 48 dBW může dávat na příjmu lepší C/N než transpondér s EIRP 54 dBW. Nejběžnější šířky pásma transpondérů jsou 36 MHz (zejména pro TV DTH, typicky satelity Astra ), 54 a 72 MHz (pro TV a datové služby). Používají se ale i transpondéry o šířce 24, 33, 47, 50 MHz (příklad je HotBird 9) nebo i 108 MHz (EuroBird 3). Bez znalosti tohoto parametru je „footprint“ s uvedením EIRP nic neříkajícím parametrem, resp. při stejném výkonu EIRP se může odstup signál/šum na příjmu lišit až o 6 dB podle šířky a obsazenosti transpondéru a další rozdíl až 5 dB může být způsoben výše uvedeným OBO. No a konečně zde jsou vlivy sousedních satelitů, které zhoršují teoreticky dosažitelný odstup signál/šum z daného satelitu.

Pokud všechny parametry známe, lze udělat linkový výpočet. Pro výpočet dostupnosti spoje už pak stačí započítat vlivy špatného počasí. Nejen samotný útlum signálu vlivem deště, ale i stáčení polarizační roviny a zvýšení šumu přijímací antény, resp. zhoršení parametru G/T pozemské stanice, dále pak vliv sousedních satelitů vzhledem k jejich pozici, šířce anténní charakteristiky. Jakou výkonovou rezervu spoj potřebuje pro danou dostupnost spoje udává příslušné doporučení Mezinárodní Telekomunikační Unie ITU-R . Pro standardní dlouhodobou dostupnost 99,5% roční doby je třeba v pásmu Ku mít rezervu asi 0,6 dB na příjmu a 1,1 dB na vysílání.

Statisticky nejhorší měsíc by pak měl mít dostupnost 98,44% měsíční doby – viz. tabulka dostupnosti. Nikdo ale neví kdy ten nejhorší měsíc je. Měsíční úhrny jsou rozdílné v jednotlivých ročnících a veliké rozdíly jsou i mezi srážkami v jednotlivých krajích. Celkově lez ale konstatovat, že v posledních letech jsou srážkové úhrny o cca 20-30% vyšší, než referenční období 1961 – 1990. Zda na to reagují i doporučení ITU-R není jisté.

Příklad zjednodušeného linkového výpočtu pro vysílání signálu se symbolovou rychlostí SR=27,5 MS/s přes transpondér o šířce 36 MHz. Nepočítá tedy s IBO a OBO vlivem více signálů na stejném satelitním transpondéru.

Vysílací stanice s anténou 3,8 m, satelit SFD -83 dBW/m2 z oblasti G/T=0, G/T satelitu = 9 dB/K z našeho směru, EIRP satelitu = 54 dBW, přijímací anténa 0,98m resp. G/T = 18,5 dB/K. Vysílací kmitočet na satelit 14 GHz, přijímací kmitočet ze satelitu 11 GHz. Vzdálenost satelitu z obce Řimovice = 38 356 km.

a. Potřebné EIRP vysílací stanice
Operační hustota magnetického toku OFD= SFD-G/T=-83-9=-92 dBW/m2

Rozptyl signálu = 4xΠx38356000x38356000=1896942321330... dB
EIRP=OFD-rozptyl=-92+163=70,78 dBW

Vlnová délka vysílání λ=c/f=3x10^8/14x10^9=0,0214 m

Zisk vysílací antény G=0,65x(Πx3,8/0,0214)^2=201741 v dB = 53 dBi

Potřebný výkon vysílače P=EIRP-G-ztráty = 70,78-53-0,6=17,78 dBW neboli v prostém čísle 52,2 W

b. Dosažené C/N na uplinku
C/N=EIRP-ztráty signálu+Bolztmannova konstanta+G/T –log SR
i. Ztráty = rozptyl + útlum = 44,38+162,78 = 207,76 dB

• Útlum = 10xlog(λ ^2/(4*Π)=44,38 dB

• Rozptyl = 162,78 dB – viz výše

• Ostatní ztráty = 0,6 dB
C/N=70,78-207,76+228,6+9-74,39=26,83 dB/Hz

c. Dosažené C/N na downlinku
C/N=EIRP-ztráty signálu+Bolztmannova konstanta+G/T –log SR

i. Ztráty = rozptyl + útlum = 42,27+162,78+ostaní = 205,65 dB

• Útlum = 10xlog(λ ^2/(4*Π)=42,27 dB

• Rozptyl = 162,78 dB – viz výše

• Ostatní ztráty = 0,6 dB

C/N=54-205,65+228,6+18,5-74,39=21,06 dB/Hz

d. Celkové C/N uplin-downlink
Celkové C/N je kombinací C/N na uplinku a downlinku, protože přijímáme signál zhoršený o šum na uplinku. Počítá se podle vzorce:
C/Ntotal=(C/Nup x C/Ndown)/(C/Nup+C/Ndown)

K tomu musíme vypočítané hodnoty převést na prosté číslo (“odlogaritmovat”)
C/Nup=26,83 dB/Hz=481,95 C/Ndown=21,06=127,64
C/Ntotal=481,95x127,64/(481,95+127,64)=1... C/Ntotal v dB = 10xlog(100,91)= 20,04 dB/Hz
Pokud bychom ale byli na transpondéru s počtem nosných 5 a vice, došlo by vlivem IBO a OBO ke zhoršení parameterů jak na uplinku, tak downlinku a samozřejmě celkovému C/N. Např. tedy až na hodnoty C/Nup=50,12, resp. 17 dB/Hz a C/Ndown=39,8, resp. 16 dB/Hz, což dá celkové C/Ntotal=22,19, resp. 13,46 dB/Hz.

e. Výsledné Eb/No
Pro stanovení výsledné energie na bit stačí od dosaženého C/N odečíst spektrální účinnost podle typu modulace a FEC. Např. tedy při DVB-S2 s 8PSK a FEC 5/6 to je 2,478 bit/Hz, jak bylo uvedeno v předchozí stati. Převedeno na dB to je 3,94 dB, tedy z celkového C/N=21,06 dostaneme Eb/No=21,06-3,94= 17,12 dB. V režimu více nosných by to tedy mohlo být i 13,46-3,94=10,02 dB

Zájemci o prověření výpočtů samozřejmě udělají nejlépe, když si vztahy dosadí např. do tabulky v excelu a vztahy mezi sebou provážou. Další možnost je použít např. program SatmasterPro, který obsahuje i databázi satelitů a měst na celém světě. Vyžaduje ale trochu laborování s některými parametry jako např. vzájemné interference satelitů. Někteří satelitní operátoři mají i online kalkulátory na svém webu.

f. Vliv počasí
Výše uvedený zjednodušený výpočet lze použít při obloze jasné obloze. Reálně je ale nutno se zabývat vlivem deště. Pro standardní dostupnost satelitního spojení po dobu 99,5% roční doby by podle doporučení ITU-R mělo dojít ke zhoršení přenosových parametrů vlivem přídavného útlumu signálu, tepelného šumu, kros-polárního rušení (vlivem stáčení polarizační roviny na kapkách vody) v takové míře, že výsledné EB/No se zhorší o zhruba 3 až 4 dB. Záleží samozřejmě na konkrétních atmosférických podmínkách v místě příjmu i vysílání.

Příloha: Dostupnost satelitního spojení v pásmu Ku .

Dostupnost podle ITU-Rvýpadek služby
ročnínejhorší měsícUplinkDownlinkročnínejhorší měsíc
% doby% dobyútlum dBútlum dBhod.hod.
99,900 99,615 2,60 1,58 8,766 2,809
99,800 99,297 1,73 1,04 17,532 5,134
99,700 99,000 1,35 0,80 26,298 7,305
99,600 98,716 1,12 0,66 35,064 9,382
99,500 98,440 0,97 0,57 43,830 11,393
99,400 98,172 0,85 0,50 52,596 13,351
99,300 97,910 0,77 0,45 61,362 15,267
99,200 97,653 0,70 0,41 70,128 17,148
99,100 97,399 0,64 0,38 78,894 18,998
99,000 97,150 0,60 0,35 87,660 20,822
* Hodnoty útlumu pro uplink a downlink znamenají potřebnou zálohu energie ke kompenzaci útlumu signálu vlivem deště pro dosažení dané dostupnosti.

g. Závěr:
Jedním z výsledků by mohlo být poznání, že:
• Satelitní transpondéry se stejným EIRP neposkytují vždy stejný odstup signál/šum na příjmu stejné antény – závisí na šířce pásma transpondéru a parametrech IBO a OBO
• Stejný odstup signál/šum na příjmu ještě neznamená stejnou energii na 1 bit přenášené informace a tedy případně stejnou chybovost přenosu – závisí na typu modulace a FEC

• Odstup signál/šum na příjmu se nezvyšuje lineárně se ziskem, resp. G/T přijímací antény, protože max. úroveň je dána hodnotou signál/šum na vstupu satelitního transpondéru a výsledná úroveň je kombinací poměru signál/šum na vzestupné (uplinku) a sestupné (downlinku) trase.

E. Trasa signálu a jeho proměny kmitočtu a úrovní na reálném příkladu:

obrázek


obrázek

Výstup modulátoru v L-pásmu na kmitočtu 1 050 490 kHz – výstupní úroveň -40 dBm, odstup signál/šum -37,91 dB


obrázek

Výstup vysílače v pásmu extend-Ku na kmitočtu 13 850 490 kHz, výstupní výkon 2W = 33 dBm (měření je přes neklaibrovanou štěrbinovou odbočnici). Lokální oscilátor vysílače pracuje na kmitočtu 12 800 MHz. Zesílení daného vysílače je min. 70 dB.


obrázek

Příjem stejného signálu ze satelitu na kmitočtu 11 550 490 kHz. Konverze transpondéru je 2 300 MHz. G/T transpondéru je 7,5 dB/K, EIRP náležící tomuto signálu je 29,68 dBW. Příjem na anténu 1,2 m s G/T 21 dB/K.

F. Sluneční interference:


Kromě počasí může mít na vliv kvality spojení i Slunce. Sluneční interference se opakují 2 x ročně. Vlivem naklánění zemské osy dochází k cestování spojnice Slunce-satelit-Země po zemském povrchu. Pro oblast ČR toto období nastává vždy asi 3 týdny před jarní a 3 týdny po podzimní rovnodennosti. Maximum kolem 1. března, resp. 11 října. V ostatní dobu se tento efekt projevuje buď severněji (od října do března) nebo jižněji (od března do října) od naší zeměpisné šířky. Podstatou je šum, který Slunce generuje a který tak přispívá k tepelnému šumu antény a šumu přijímaného od satelitu a z vesmíru, případně našemu vlastnímu elektromagnetickému smogu.

Intenzita slunečního šumu se mění v závislosti na 11-ti a 110-ti letých cyklech, kterými Slunce prochází. Některé roky je přírůstek šumu relativně malý, jindy dokáže satelitní spojení na krátkou dobu zcela zarušit. Na spektrálním analyzátoru je v danou dobu vidět, jak signál mizí v rostoucí úrovni šumu. Záleží na Slunci a zisku a směrovosti konkrétní antény jak intenzivně a na jak dlouho se tento efekt projeví.

Při příjmu TV nás to tedy postihne jen v dané dny. Pokud se ale dělá satelitní spojení na větší vzdálenosti, je třeba počítat se zhoršenými podmínkami příjmu na každém konci spoje a tedy v jiné dny a jinou dobu.

Níže uvádím předpověď výskytu slunečních interferencí pro období podzim 2012 a pro několik vybraných satelitů, resp. orbitálních pozic. Zájemci o předpověď pro všechny satelity viditelné z ČR si mohou otevřít soubor zde . Výpočet je proveden pro příjem s anténou o průměru 0,98 m na kmitočtu 12 GHz a čas je vztažen k pozici antény uprostřed ČR. Rozdíl napříč územím ČR v čase lez pozorovat v rozsahu +-1 min. a s rozdílem jednoho dne mezi začátkem a koncem interferencí.

Long=1.00W EL=30.80 AZ=201.14
Oct 912:5312:5813:04Medium
Oct 1012:5212:5813:04High
Oct 1112:5212:5813:04High
Oct 1212:5112:5813:04High
Oct 1312:5212:5713:03Medium
Long=5.00E EL=32.05 AZ=193.58
Oct 912:2612:3212:37Medium
Oct 1012:2512:3112:38High
Oct 1112:2512:3112:37High
Oct 1212:2512:3112:37High
Oct 1312:2512:3112:36Medium
Long=13.00E EL=32.87 AZ=183.21
Oct 911:5111:5612:02Medium
Oct 1011:5011:5612:02High
Oct 1111:5011:5612:02High
Oct 1211:4911:5612:02High
Oct 1311:5011:5512:01Medium
Long=19.20E EL=32.81 AZ=175.10
Oct 911:2311:2911:34Medium
Oct 1011:2211:2911:35High
Oct 1111:2211:2811:35High
Oct 1211:2211:2811:34High
Oct 1311:2211:2811:33High
Long=23.50E EL=32.40 AZ=169.51
Oct 911:0411:0911:15Medium
Oct 1011:0311:0911:15High
Oct 1111:0311:0911:15High
Oct 1211:0311:0911:15High
Oct 1311:0311:0811:14High

Ing. Petr Vecek