CAPITULO 06 Calculo de enlace en RFUNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOFACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL Y DE SISTEMASESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE SISTEMASCurso : Sistema De ComunicacinConfiguracin bsica de un enlace en RFEn la Figura se muestra la configuracin bsica de un enlace en RF.

Amplificador de Potencia Preamplificador de bajo ruido Cuando la seal llega al satlite, hay que considerar las caractersticas de la antena receptora y ABRPropagacin en el espacio libre,Por absorcin en la atmsfera, Por lluvia, por despolarizacin, y por desalineacin de las antenas La seal portadora, junto con todo el ruido acumuladoEs amplificada en el transpondedor que le corresponda, por su propio APEstacin Terrena Si hay ms de una sola portadora dentro del amplificador, irremediablemente se producir ruido de intermodulacinComo regla : que a mayor potencia de salida del amplificador, habr mayor ruido de intermodulacinLa seal portadora revitalizada, despus de ser amplificada Conforme desciende, se atenaDensidad de flujo, PIRE y atenuacin en el espacio libreAunque su valor exacto depende de la frecuencia, tales prdidas son del orden de 200 dB en la subida y otros 200 dB en la bajada.PTGTrea efectiva de recepcinrHacia el SatliteAtenuacin por propagacin en el espacio librePotencia de salida del amplificadorGananciaConcentrndola en cierta regin frente a ella, el grado de esta concentracin depende de su gananciaEl subndice T lo introducimos aqu para indicar que se trata de equipo en el extremo transmisorDensidad de flujo, PIRE y atenuacin en el espacio libreDensidad de flujo, PIRE y atenuacin en el espacio libreDensidad de flujo, PIRE y atenuacin en el espacio libreEjercicio 01Ejercicio 02Perdidas por DesapuntamientoEjercicioDos platos parablicos de 2 m de dimetro y eficiencia de 65% estn casi frente a frente, como se indica en la figura siguiente. Sus ejes estn desalineados o desviados 0.8. Calcule la prdida por desapunta miento de una determinada seal transmitida desde A hacia B. Suponga una longitud de onda igual a 5 cm.

SolucinPerdidas en los conectoresCuando una estacin terrena transmite hacia un satlite, o cuando un satlite transmite hacia la tierra, la seal es atenuada por la lnea que une al amplificador de microondas con el alimentador de la antena. De modo que hay prdidas tanto en el tramo ascendente como en el descendente, y deben ser tomadas en consideracin al disear un enlace completo.Ruido en un enlace satelitalEn realidad, aunque tales niveles de potencia son muy bajos, el problema quedara resuelto simplemente amplificando las seales, hasta que alcanzasen los valores necesarios para ser utilizables. La principal fuente de ruido elctrico en el equipo receptor y en los amplificadores que le sigan es debida al movimiento trmico aleatorio de los electrones en su interior. RUIDO TRMICOEs la potencia del ruido que hay en un ancho de banda unitaria. Esta propiedad hace que se le conozca tambin como ruido blanco y permite definir una cantidad muy til, que facilita los clculos de los enlaces satelitales, conocida como densidad espectral de la potencia de ruido, o simplemente densidad de ruido; se representa como N0 y es igual a:Densidad de ruido Ejercicio 1Calcule la densidad de potencia de ruido referida a la entrada del preamplificador de bajo ruido de una estacin terrena receptora, si la temperatura de ruido(dato proporcionado por el fabricante) del preamplificador es de 80k. Ignore, por lo pronto, el ruido introducido por la antena receptora de la estacin terrena.Solucin:Se pide considerar al preamplificador de bajo ruido de manera aislada. El dato del fabricante permite calcular el ruido trmico que se produce dentro del apartado, pero referido a su entrada:A partir de la ecuacin anterior, la densidad de ruido en el punto 1 es igual a:1Ejercicio 2Calcule la densidad de ruido referida a la entrada del preamplificador de bajo ruido de un satlite, si la temperatura de ruido de dicho preamplificador es de 1,000k. Ignore, por lo pronto, el ruido introducido por la antena receptora del satlite.Solucin:Nuevamente, a partir de la ecuacin, se tiene que:Ejercicio 3Con los datos del ejercicio anterior obtenga la potencia del ruido trmico total que habra en un ancho de banda de 36 MHz, producido exclusivamente por el preamplificador de bajo ruido. Tal ancho de banda es muy comn en los transpondedores de la mayora de los satlites geoestacionarios.Solucin:Como ya se conoce la densidad de ruido, basta con emplear la ecuacin(1), de modo que el ruido trmico total en el ancho de banda especificado es:FACTOR O FIGURA DE RUIDOLa figura de ruido se define como un cociente de potencias de ruido. En el numerador se tiene la potencia total del ruido a la salida del amplificador, y en el denominador est la componente o porcin de dicha potencia que es producida por un ruido ya existente a la entrada del amplificador, asumiendo a la entrada un temperatura de ruido To igual a la temperatura ambiente de referencia 290k. Es decir, ahora se toma en cuenta la situacin ms realista en la prctica, en la que hay cierto ruido a la entra del amplificador, y que ste ser amplificado junto con el ruido generado internamente, que referido al punto de entrada se calcula con la temperatura de ruido equivalente Te. En pocas palabras, el ruido total a la salida del amplificador se obtiene a partir de la ecuacin N=kTB., sustituyendo como T a la suma de las temperaturas de ruido To y Te y multiplicando todo por la ganancia G del amplificador:N salida del amplificadorAhora bien, la porcin de esta potencia debida al ruido que ya exista a la entrada simplemente es:N parcialDe acuerdo con la definicin ya establecida para la figura de ruido del amplificador, designada por F, sta es igual al cociente de las ecs (1) y (2).N salida del amplificadorN parcialF =De modo que si el fabricante proporciona el valor de F(generalmente en dB), la temperatura de ruido equivalente del amplificador se obtiene despejndola de la ecuacin anteriorTe = To (F-1) = 290(F-1).(4) Ejercicio 1Un preamplificador de bajo ruido que opera en la banda Ku tiene una figura de ruido de 2dBcanto vale su temperatura de ruido equivalente referida a la entrada?Solucin:Ahora usamos la ecu (3) y la respuesta es:Te = 290(1.58489-1) = 170kTEMPERATURA DE RUIDO DE VARIOS AMPLIFICADORES EN CASCADEEs comn que un sistema de recepcin consista en varios componentes electrnicos conectados en serie; un ejemplo sencillo sera el de la siguiente figura:

Se muestra a un preamplificador de bajo ruido con ganancia G1 y temperatura de ruido T1, seguido de otro amplificador con ganancia G2 y temperatura de ruido T2. A la salida de la pareja, el ruido total amplificado tiene una temperatura de ruido igual a:

G1T1G2T2T salida del amplificador 2Ahora bien, si la temperatura del ruido total a la entrada de la pareja, considerada como un bloque, fuese Te, entonces, a la salida del bloque se tendra:T salida del amplificador 2Al igualar las ecu., (1) y (2) se obtiene Te:Siguiendo un razonamiento similar al anterior, es fcil deducir la expresin para Te cuando hay n amplificadores en cascada:En donde Gn y Tn son, respectivamente, la ganancia y la temperatura de ruido de la etapa n. En la siguiente grafica se representa n amplificadores en cascada.G1T1G3T3G2T2GnTnTeEjercicio 1El equipo de recepcin de una estacin terrena consiste, adems de la antena, de un preamplificador de bajo ruido, un mezclador o convertidor de bajada para pasar a la portadora de RF a FI, y un amplificador de FI. A la entrada del preamplificador ya hay cierta cantidad de ruido, con una temperatura equivalente de 60k. Si las ganancias de los tres dispositivos en cascada son, respectivamente 20dB, 0dB y 30dB, y si sus temperaturas de ruido son, respectivamente, 80k, 500k, 1000k, diga cunto vale la temperatura de ruido equivalente de todo el conjunto, referido a la entrada de la primera etapaSolucin:El diagrama del sistema de recepcin es el siguiente:Bloque amplificadorRF60kABR(rf)Convertidor de bajadaAmplificador FIAl demoduladorTe total del sistemaG1=20dBT1=80kG3=30dBT3=1000kG2=0dBT2=500kOscilador local24Te es igual a los 60k que ya existen a la entrada de la primera etapa del bloque amplificador ms la temperatura equivalente del bloque referida a su entrada y calculada con la ecu (4):Ejercicio 2Considere ahora que la ganancia del ABR es de 40dB y vuelva a calcular Te.Solucin:Se concluye que si la ganancia del preamplificador de bajo ruido es alta, entonces las dems etapas del equipo receptor no pinta, en lo que a ruido se refiere. Por tal razn, cuando se hacen los clculos de ruido en un enlace satelital es comn que en el extremo receptor slo se tome en cuenta hasta el preamplificador de bajo ruido.Temperatura de ruido de un atenuador O bien:Y al igualar las ecs.(4) y (5), dividiendo todo entre kB se tiene:Expresin que es idntica a la ec.(6) presentada inicialmente. Recurdese que esta de ruido est referida a la salida del atenuador, en un punto idntico al de entrada del preamplificador de bajo ruido, de modo que puedan sumarse correctamente las temperaturas de ruido de ambos. Atenuador con perdida L1ABRSi se deseara conocer la temperatura de ruido del atenuador, pero referida a la entrada del mismo, sta se puede calcular simplemente dividiendo todo el ruido de salida entre su ganancia de potencia(igual a 1/L). Esto es equivalente a dividir la temperatura referida a la salida entre 1/L, o bien multiplicada por L.Ejercicio 1En esta frmula, L no est en decibeles, sino que tiene su valor numrico abstracto; de modo que la funcin a graficar debe ser:

Temperatura de ruido de una antenaEl ruido que la antena de una estacin terrena captura a travs del lbulo principal y los lbulos secundarios de su patrn de radiacin, con diferentes intensidades y desde diversas direcciones, puede provenir de varias fuentes, como se ilustra en la siguiente figura.

El llamado ruido csmico de fondo tiene una temperatura de 2.76k en frecuencias de radio(RF) y proviene de radiaciones residuales que datan desde los orgenes del universo. En cambio el ruido galctico proviene de su propia galaxia y es mximo en la direccin en la que hay mayor concentracin de estrella; es dependiente de la frecuencia y puede valer varias decenas de grados kelvin a frecuencias en el rango de los MHz: afortunadamente, es casi nulo en el rango de los 4GHz para arriba, y por lo tanto despreciable, a las frecuencias de recepcin en las bandas C,Ku y Ka; sin embargo, en la banda L que usa frecuencias ms bajas (1-2GHz). Puede llegar a valer unos 10k.Clculos de Enlace en RFEjercicio 1Considere un enlace descendente a 12GHz. Si la antena tiene una temperatura de ruido de 22K y eta conectada al amplificador de bajo ruido por un elemento (gua de ondas , conector ,etc.) que tiene una atenuacin de 0.5 dB, obtenga la temperatura total del ruido, referida a la entrada del preamplificador. suponga que la temperatura equivalente de ruido de este ultimo es de 100 K referida a su entrada.Clculos de Enlace en RFSolucin:La situacin a resolver puede ser representada por el siguiente diagrama:

En el punto s, a la entrada del preamplificador, la temperatura total del sistema, Ts, es:

Clculos de Enlace en RFContribucin de la antena en sContribucin del atenuador en sContribucin del ABR en sClculos de Enlace en RFRepita el ejercicio anterior con una temperatura de ruido de la antena de solo 14 K.Solucin:

Clculos de Enlace en RFSi comparamos los resultados de ambos ejercicios, es evidente que son similares y que predominan la contribucin de ABR. Adems, se observa que la contribucin del atenuador conector es alta , mayor que la de la antena; esta es la razn por la que se evitan tramos largos de cables o guas de ondas entre la antena y el ABR, y por ello es que este preamplificador se coloca inmediatamente despus del alimentador de la antena, cerca de su foco geomtrico.

Clculos de Enlace en RFVeamos ahora que sucede con la temperatura total del ruido en el sistema si hay lluvia.Ejercicio 2Repita el ejercicio anterior, suponiendo que llueve y que la atenuacin por lluvia es de 6dB a 12 GHz.

Clculos de Enlace en RFSolucin:El diagrama de este nuevo caso es el siguiente:

El ruido que se vea la antena con cielo despejado es atenuado 6dB por la lluvia. A su vez la lluvia produce una temperatura de ruido. De modo que ahora la temperatura de ruido de la antena, antes del atenuador de 0.5 dB, es igual a:

Clculos de Enlace en RFClculos de Enlace en RFPerdida del atenuadorAntena con LluviaAtenuadorABRClculos de Enlace en RFTemperatura de Ruido de una Antena (enlace de subida)El calculo de temperatura de ruido de una antena receptora en el enlace de subida, es decir de la antena de un satlite, es mucho mas simple y directo que la que hemos estado viendo.Las antenas de los satlites apuntan hacia la tierra y su haz principal de radiacin generalmente es menos ancho que el disco terrestre visto desde la orbita geoestacionaria.Por lo tanto, recibe reciben toda la radiacin trmica de la tierra y entonces su temperatura equivalente de ruido es muy prxima a los 290 K.

Clculos de Enlace en RFEjercicio 3Se tiene un enlace ascendente a 14 GHz. La antena receptora del satlite tiene un ancho de haz entre sus dos puntos de media potencia igual a 2. Esta conectada por un elemento que produce 1 dB de perdidas a un equipo receptor que tiene un factor de ruido de 3 dB. Calcule la temperatura total del ruido a la entrada del equipo receptor. Suponga que le elemento de conexin tiene una temperatura de 290 k. Clculos de Enlace en RFSolucin:Ilustremos la situacin con el siguiente diagrama

Clculos de Enlace en RFConclusiones sobre el ejercicio Se observa que la suma de las temperaturas de ruido de la antena y del atenuador es equiparable a la del equipo receptor . Por esta razn, se considera innecesario instalar receptores de muy bajo ruido en los satlites, ya que seria costoso y adems la seal portadora puede ser enviada con suficiente intensidad desde la tierra, donde no hay limitaciones de potencia.Es interesante sealar que la presencia de la tierra no afecta mucho la calidad de subida, por que la antena del satlite siempre esta viendo hacia una tierra caliente de 290 K. RUIDO DE INTERMODULACINEste es producido en el interior de los amplificadores trasmisores o de alta potencia , debido a sus propiedades de operacin no lineales en amplitud y fase , y recibe el nombre de ruido de intermodulacin.El ruido de intermodulacin ocurre tanto en los amplificadores de un satlite como en los de la estaciones terrenas transmisoras cuando trabajan con mas de una portadora modulada en su interior . A esta situacin se le llama operacin multiportadora . mientras mas portadoras haya simultneamente , mayor ser el ruido de intermodulacin.

Grafico

Portadoras originalesProducto de tercer ordenProducto de quinto ordenProducto de tercer ordenProducto de quinto ordena).cuando la portadora de mayor amplitud esta del lado derecho , los productos de intermodulacin de mayor potencia tambin quedan a la derecha de dicha portadora ; b). lo mismo se cumple a la inversa . las armnicas del ruido de intermodulacin estn indicadas con las lneas punteadas

Aumenta el nmero de portadoras3 portadoras10 portadoras100 portadoras-8-6-4-20-10-8-6-4-20DENSIDAD DE FLUJO DE SATURACIN , G/T Y ENLACE DE SUBIDAA estas alturas en el avance de nuestro estudio sobre el clculo de enlaces en RF , el lector perspicaz probablemente se pregunte : Cmo saber cunta potencia debe llegar al satlite , en el enlace ascendente , para que un transpondedor se sature? Existe un limite PIRE permisible para cada estacin terrena transmisora ? Cmo se puede garantizar que el HPA del transpondedor funcione con cierto back off de entrada , tomando ya sea en cuenta la posicin del atenuador o control de ganancia a la entrada del mismo? La respuesta a todo esto esta en el uso correcto del concepto de densidad de flujo de saturacin El mismo propietario puede orientar a los usuarios sobre los limites permisibles de PIRE en las nuevas estaciones transmisoras que quieran ser integradas a una red .Para comodidad nuestra, podemos escribir la ecuacin (6-59) en trminos de la frecuencia f de la manera siguiente:

Ejercicio 6-22:SOLUCINL= 207.5400W0.5dBSOLUCIONRELACIN TOTAL DE POTENCIASEJERCICIO 6-23:CONCLUSINEn este trabajo monogrfico hemos visto los conceptos bsicos para disear un enlace de comunicacin por satlite . las ecuaciones y los ejercicios presentados son tiles para que los estudiantes de ingeniera entiendan el razonamiento a seguir y procuren elaborar sus propios programas de computo . las variables pueden ser muchas y el programa tan detallado como uno lo desee .

Existe muchos programas de computadoras desarrollados por diversas compaas y organizaciones publicas. Sin embargo , los paquetes comerciales son muy caros . una sugerencia para el lector es obtener los programas que la UTI facilita previa solicitud y gratuitamente ; estos programas , catalogados en [UTI , 93], calculan atenuacin por lluvia , relaciones portadora sobre interferencias , huellas conformadas ,calidad de enlaces en general , plan para arriendos.