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Tutorial Sistema de Telecomunicações São Carlos , Agosto de 2006 Transponder.........cccccctreerrrreerrrre rara er rare raracerraners 3 Banda S.........cticte rec crerreererreererraerrerre see rrerrerrerra 4 Segmento espacial... ......ccccecrseceranereraeranaereraaereraness 5 Diplexer.........cccciiccc css ccrreeerrrra ceara ceras aerea erra 5 Receptor.......ccccttrrrererrararrrrrrarrrra erre re cer rrrr res 6 Receptor super-heteródino ..........ccccecrrsereraeerrarereasa 6 Transmissor ........ccccturereaararerrrererreararerrranarraa 8 Tipos de modulação .........ccccicccticccrrscerareeeraaa 9 Híbrida .......ccc ct ttrererereerrerrerre rr rrerrecrerrerraeres 10 Antena ....cccereerrrrer career rreer sanar errar errar ssa nr araras ” Tipos Básicos de Antenas ..........ccccccicccesecerrreeerra 2 Polarização de Ondas e Antenas ..........cccctccterrerrerrs 16 Antenas Utilizadas em Satélites ........cccccrscecereerraees 19 Segmento Solo ..........ccccccccererereerrrra rare rea rarasaasaaaa 22 Osciladores .......cccertcererreenreraesarererrerrerrerrerreranrres 23 Sistemas Eletrônicos de Comunicações ............cccctcctcceceeeos 23 PLL (Phase-Locked Loop)............cccccccccsccctsceerareaera 24 Importância do oscilador no transponder PCD...................... 28 Aplicações do transponder PCD...........cccccccccceccrrreceraaes 30 Telemetria ........cccctcctcctcererrrereerrerrerrerrerrerreerers 30 Telecomando .........ccttcttrreerrarerrerrarr errar ranarranas 31 Rastreio (“Tracking”)... ...cccccccccrrscereraerraaerrrracerraro 32 Aplicação dos conceitos nos satélites sino-brasileiros CBERS 3&4......... 33 Bibliografia ..........cccccc cce rrrrera rr ar arara rara sarrrare rece na aces 35 e BandaS A Banda S engloba fregiiências que vão de 2,0 até 4,0 GHz, encobrindo as frequências de UHF e de SHF até a 3,0 GHz, elas fazem parte do grupo de ondas denominadas de microondas do espectro eletromagnético. Microondas (também designadas SHF - Super High Frequency) são ondas eletromagnéticas com comprimentos de onda maiores que os dos raios infravermelhos, mas menores que o comprimento de onda das ondas de rádio, variando consoante os autores, de 30 cm (1 GHz de fregiiência) até 1 cm (30 GHz de fregiência). Nota: acima dos 300 GHz, a absorção da radiação eletromagnética pela atmosfera da Terra é tão grande que a atmosfera é praticamente opaca para as fregiiências mais altas, até que se torna novamente transparente na, assim chamada, "janela" do infravermelho até a luz visível. A Banda S é utilizada pelos radares metereológicos e por alguns satélites de comunicação. Os satélites CBERS-1 e CBERS-2 fazem parte do Sistema Brasileiro de Coleta de Dados Ambientais, utilizam a Banda S, como uma das freqiiências de transmissão de dados. A sigla CBERS significa: China-Brazil Earth-Resources Satellite. A ANATEL, Agência Nacional de Telecomunicações é a responsável pela normalização da Banda S. E - À Faixa de rádio fregiiência reservada pela ANATEL para operação espacial em banda S é o Telecorhando: 2025-2120 MHz o Telemegtria: 2200-2300 MHz Figura 01 — Espectro Eletromagnético e Segmento Espacial O subsistema utiliza uma arquitetura padrão consistindo de dois transponders, uma híbrida, cabos de interconexão e de duas antenas. DC Y ! COMPUTADOR TRANSMISSOR DE BORDO DIPLEXADOR|-—-————— —A ' ANTENA RCP RECEPTOR i ! TELECOMANDOS ! E ! HYBRID ! > | TELEMETRIAS ! T ! | TRANSMISSOR ! ANTENA LCP DIPLEXADORi--—-—————4 ! | RECEPTOR ' ! ! ! À DC Figura 02 - Diagrama geral do subsistema embarcado. e Diplexer O diplexador é composto por um filtro de recepção, um filtro de transmissão e um circulador. O filtro de recepção é do tipo passa faixa e tem como objetivo filtrar os sinais espúrios provenientes do transmissor e captado pelas antenas, já o filtro de transmissão é do tipo passa-faixa e tem como principal função reduzir o ruído térmico emitido pelo transmissor na faixa do receptor. O circulador é utilizado com o intuito de melhorar a isolação entre o receptor e o transmissor e auxiliar a conexão dos filtros a uma única porta, para a transmissão e recepção simultânea de sinais das antenas. blocos da figura 03 ilustra um receptor super-heteródino, com um misturador e um oscilador local (LO) separado. O filtro mostrado é sintonizado na freguência-diferença (FI) e seguido pela amplificação de FI antes do demodulador. Como indicado, o princípio super-heteródino é usado em receptores AM, FM e PM. A figura abaixo representa um receptor super-heteródino com simples conversão de fregiências. Antena Haterodinização IEA Misturadorg amp. FREE (o) aitro [EL amp Fipe tao tok Saida ds auto, video ou dados Oacllador local Figura 03 — Receptor super-heteródino. Sendo que o receptor pode ser AM, FM ou PM, porque praticamente qualquer receptor moderno usa o efeito de heterodinização (mistura). Na verdade, muitos usam em segundo sistema de conversão para baixo e um segundo amplificador de FI após o primeiro. Esse tipo de receptor super-heteródino é denominado receptor de dupla conversão. O receptor super-heteródino tem como principal característica a amplificação do sinal em uma mesma freqiiência, ou seja, independendo da fregiência do sinal, esta é deslocada para uma inferior pré-determinada, a frequência intermediária (FI), e assim, somente nesta faixa do espectro, é feita a amplificação. Este deslocamento de fregiência é feito com o intuito de acabar com um problema que atingia o receptor antecessor ao super-heteródino, chamado de Receptor de Rádio Fregiiência Sintonizada (Tuned Radio Frequency - TRF). Neste receptor a largura de faixa do circuito sintonizado aumentava quando se aumentava a fregiiência, devido ao efeito pelicular que desloca a corrente elétrica em um condutor para a superfície deste, conforme aumentamos a fregiiência. E sendo a largura de faixa de um circuito sintonizado definida por fo/ Q, em que fo aumenta conforme a fregiiência do sinal aumenta, e Q sendo igual a Xr/R, onde Xj=2.7.f.L deveria aumentar linearmente com a freqiiência. Mas devido ao efeito pelicular, a área por onde a corrente elétrica irá percorrer diminuiu com o aumento da fregiência. E sendo R= p.l /A, assim temos que Q permanece praticamente constante e a largura de faixa aumenta com a fregiência. Além do que o trabalho é facilitado quando utilizamos frequências mais baixas. e Transmissor O transmissor tem como objetivo modular, transmitir e amplificar o sinal que se deseja enviar. Modulação é o processo de variação de amplitude, intensidade, fregiiência, comprimento e/ou da fase de onda numa onda de transporte, que deforma uma das características de um sinal portador (amplitude, fase ou fregiência) que varia proporcionalmente ao sinal modulador. O dispositivo que realiza a modulação é chamado modulador. Basicamente, a modulação consiste em fazer com que um parâmetro da onda portadora mude de valor de acordo com a variação do sinal modulado, que é a informação que se deseja transmitir. Dependendo do parâmetro sobre o qual se atue, temos os seguintes tipos de modulação: Analógica Modulação em amplitude (AM) Modulação em fase (PM) Modulação em fregiiência (FM) Modulação em banda lateral dupla (DSB) Modulação em banda lateral única (SSB) Modulação de banda lateral vestigial (VSB, ou VSB-AM) Modulação de amplitude em quadratura (QAM) Modulação por divisão ortogonal de freqiiência (OFDM) Digital Modulação por pulso codificado (PCM) Modulação por largura de pulso (PWM) Modulação por amplitude de pulso (PAM) Modulação por posição de pulso (PPM) Modulação em Fase por Chaveamento (PSK) Abaixo entraremos em detalhes em três tipos de modulação, PM, PCM e PSK. espaço de tempo suficiente para sua codificação e da quantização, que aproxima os valores dos sinais amostrados a níveis determinados pela codificação binária. - PSK -— Phase Shift Keying — Modulação em Fase por Chaveamento O PSK é uma forma de modulação em que a informação do sinal digital é embutida nos parâmetros de fase da portadora. Neste sistema de modulação, quando há uma transição de um bit "0" para um bit "1" ou de um bit "1" para um bit "0", a onda portadora sofre uma alteração de fase de 180 graus. Esta forma particular do PSK é chamada de BPSK (Binary Phase Shift Keying). Quando não há nenhuma destas transições, ou seja, quando bits subseguentes são iguais, a portadora continua a ser transmitida com a mesma fase. A modulação DPSK (Differential Phase Shift Keying — Modulação por Desvio de Fase Diferencial) é uma variante da PSK. Neste caso, quando o bit for "0" muda de fase, quando for "1" não muda. *Para maiores detalhes sobre modulação digital, consultar o arquivo “ModulaçãoDigitalO1.pdf ”. e Híbrida Proporciona bom desempenho de taxa de onda estacionária (TOE) na faixa de operação desejada. e Antena Antena é o dispositivo cuja função é transformar energia eletromagnética guiada pela linha de transmissão em energia eletromagnética irradiada, pode-se também dizer que esta lei serve também no sentido inverso, isto é, transformar energia eletromagnética irradiada em energia eletromagnética guiada para a linha de transmissão. Portanto, sua função é primordial em qualquer comunicação onde exista radiofregiuência. Por sua natureza, deduz-se que a antena ocupa sempre o último lugar na cadeia de transmissão e o primeiro lugar na cadeia de recepção, daí a importância de seu estudo e entendimento para as telecomunicações. No estudo e projeto de antenas, pode-se dizer que não importa em que freguência do espectro eletromagnético seja aplicada, sempre serão usados os mesmos princípios matemáticos, físicos e práticos da teoria eletromagnética, ela é constante, imutável e invariável. Quanto maior a frequência utilizada nas antenas, maior deve ser a precisão dos dispositivos, equipamentos e medições. - Diagrama de Radiação O diagrama de radiação nada mais é do que o mapeamento da distribuição de energia irradiada, levando em conta o campo tridimensional. Este se faz de duas maneiras, ou em campo ou através de simulações em computadores. Para levantar-se o diagrama de radiação, deve-se tomá-lo a partir de uma distância e localização onde não seja possível a interferência de elementos estranhos ao meio onde se encontram a antena de prova e a antena de teste. Elementos estranhos que interferem podem ser desde árvores, calhas, rufos, arames, linhas de transmissão de energia ou telefônicas. Estruturas de concreto armado também interferem no resultado de um diagrama de radiação/recepção pelo fato de existir ferro em seu interior. C=[(Vluz/2).k]/fou C=138,25/f Onde C = comprimento total da antena (em metros); Vluz = velocidade da luz (300.000 km/seg.): k = fator de multiplicação (Fm = 0,92166 para fio de cobre 4 4 mm2) e; f = frequência que se pretende utilizar (em Mhz) A figura abaixo nos mostra uma antena dipolo de meia-onda. RADIO = Figura 05 - Antena Dipolo de Meia-Onda - Yagi-Uda Antena Yagi-Uda é uma antena que pertence ao tipo das antenas direcionais. Ela consiste de um dipolo e outros elementos chamados de parasíticos, dos quais temos o refletor, que é 5% maior de tamanho do que o dipolo, e o diretor, que é 5% menor que o dipolo (um ou mais) do outro lado. Esse arranjo dá direcionalidade para antena, da qual um dipolo comum carece. Os elementos parasíticos reemitem um sinal na fase pouco diferente da do dipolo. Assim, o sinal é reforçado em uma direção e cancelado em outra, melhorando-o. O maior ganho da antena Yagi está no plano da posição dos elementos, perpendicular ao dipolo, na direção do refletor ao diretor. Essa antena e muito popular na recepção de sinal da TV. A figura a seguir mostra uma antena Yagi-Uda. Figura 06 - Antena Yagi-Uda - Plano-Terra As antenas plano-terra 1/4 de onda são as mais populares em uso atualmente. Isto se deve à facilidade de ajustes bem como ao excelente desempenho, produzido por elas. Uma plano-terra 1/4 pode ter três radiais espaçados a 120º, ou quatro com espaçamento de 90º. A plano-terra 1/4 de onda poderá ser calculada usando-se fórmulas, e seu ajuste é de certa maneira muito fácil. Sua construção deverá ser totalmente em tubos de Alumínio anodizado, garantindo assim uma boa durabilidade. A antena com o plano-terra a 90º em relação ao irradiante tem uma impedância de 30 a 36 Ohms, abaixando-se os radiais até formarem um ângulo de 45º em relação ao eixo do irradiante, a impedância da antena sobe para 50 Ohms, facilitando o acoplamento com o transmissor. Com o ajuste do comprimento do irradiante, obtém-se uma Relação de Ondas Estacionárias (R.O.E.) na razão de 1:1,0 ou seja o acoplamento perfeito. É preferível uma antena melhor com um transmissor modesto do que uma péssima antena com o transmissor melhor. Os radiais dessa antena servem como refletores, impedindo tanto que sinais que venham num ângulo descendente sejam perdidos quanto que sinais ascendentes, que tendem a ser interferência, sejam captados. Podemos dizer que o elemento irradiante é "quase omnidirecional", pois ele irradia para todos os lados, menos para cima. Para que a antena helicoidal se comporte como uma antena direcional, é necessário que a propagação da onda ocorra no modo axial. Neste caso os passos da hélice são suficientemente longos para construir padrões de interferência de campo semelhante aos produzidos pelas antenas yagis, a diferença nesse caso é que a polarização da onda é circular ou elíptica. Figura 08 - Antena Helicoidal - Polarização de Ondas e Antenas - Polarização Linear Por definição, a polarização de uma onda eletromagnética é o plano no qual se encontra a componente elétrica desta onda. Toda onda eletromagnética é composta de dois campos, o elétrico e o magnético, sempre situados em planos ortogonais (planos fisicamente a 90 graus), e variando em fase (O graus). Estes campos se propagam em qualquer material isolante (dielétrico) com uma velocidade de propagação, cujo vetor está a 90 graus dos vetores campo elétrico e magnético. No vácuo, esta velocidade é a da luz. Um dipolo posicionado verticalmente, alimentado por um gerador de frequência F, gera, portanto uma onda eletromagnética polarizada verticalmente, pois o componente campo elétrico está no plano vertical (e consegiientemente, o componente campo magnético está no plano horizontal). A figura seguinte ilustra uma onda com polarização linear vertical. Antena dipolo E campo Elétrico welocicade de propagação Rj campo Magnético x direção de propagação Figura 09 — Onda Eletromagnética com Polarização Linear Vertical A combinação de duas ondas linearmente polarizadas, uma vertical e outra horizontal, e eletricamente em fase resulta em uma onda linearmente polarizada inclinada como mostra a figura abaixo. Figura 10 - Onda Linearmente Polarizada Inclinada - Polarização Circular A combinação de duas ondas linearmente polarizadas, uma vertical e outra horizontal, de mesma amplitude e eletricamente defasadas de 90 graus, resulta em uma Uma vantagem da polarização circular é não ser afetada pela rotação de Faraday em ondas que atravessam a atmosfera e ou a ionosfera, principalmente em comunicações via satélite. A rotação de Faraday é um efeito óptico-magnético no qual, o plano de polarização de uma onda eletromagnética é rotacionado sobre a influência de um campo magnético paralelo em relação à direção de propagação. Uma outra vantagem é que não é necessário ajustar a polarização das antenas (posição em torno do eixo de propagação) como acontece com antenas linearmente polarizadas. Uma característica da polarização circular é que muda o sentido de rotação quando refletida por um plano condutor, como por exemplo, refletores planos ou parabólicos e reflexão lunar. Na onda linearmente polarizada, muda somente a fase (inversão ou 180 graus), quando refletida. Outra característica da polarização circular é a razão axial que é a relação das amplitudes dos vetores no plano X pelo plano Y. Num circulo perfeito, esta relação é 1 ou O dB. Relação axial diferente de O dB significa que a polarização não é perfeitamente circular, mas elíptica. - Antenas Utilizadas em Satélites - Hélice Quadrifilar de Meia Espira e Meio Comprimento de Onda Uma antena comumente utilizada no sistema de telecomunicações de serviço de satélites é do tipo hélice quadrifilar de meia espira e meio comprimento de onda, a qual opera em banda-s, cujo modelo já foi utilizado e qualificado com sucesso nos satélites CBERS 1&2. O modelo totalmente desenvolvido pelo INPE é apresentado na Figura 5. A antena hélice quadrifilar pode ser descrita como duas bifilares ortogonais alimentadas em quadratura de fase, onde a bifilar é uma antena hélice de dois elementos. Para a alimentação de cada bifilar utiliza-se um balun do tipo infinito. A diferença de fase de 90º, necessária para produzir a quadrifilar, é realizada através da híbrida a qual também proporciona bom desempenho de taxa de onda estacionária (TOE) na faixa de operação desejada. Este tipo de hélice quadrifilar possui diagrama do tipo cardióide de forma que uma cobertura quase-omnidirecional pode ser conseguida montando duas antenas deste tipo em faces opostas do satélite de modo a assegurar uma ligação de RF permanente no modo rotineiro de funcionamento e quase permanente nos modos de aquisição e de emergência. Abaixo, os diagramas de radiação de uma antena quadrifilar operando na frequência de 137,56MHz. aFH as built Bnn & elbous Freq = 137.56 MHz Azinuth Plot Figura 13 - Diagrama de Radiação Azimutal da Antena Quadrifilar na Frequência de 137,56MHz DFH as built Bm & elbous Freq = 137.56 MHz 8 deg. -64 dBi Elevation Plot Duter Ring Max. Gain = 5.64 dBi Figura 14 - Diagrama de Radiação de Elevação da Antena Quadrifilar na Frequência de 137,56MHz 
