Διπλωματική Εργασία. του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ: ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΜΠΕΛΕΣΙΩΤΗ ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΥ του ΧΡΗΣΤΟΥ Αριθμός Μητρώου: Θέμα «Μελέτη παραμέτρων και σχεδίαση συστήματος αυτόματης αναγνώρισης/παρακολούθησης σήματος για δορυφορικές επικοινωνιακές εφαρμογές» Επιβλέπων Σταύρος Κωτσόπουλος, Καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2012 Πάτρα, Οκτώβριος 2012

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Μελέτη παραμέτρων και σχεδίαση συστήματος αυτόματης αναγνώρισης/παρακολούθησης σήματος για δορυφορικές επικοινωνιακές εφαρμογές» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΜΠΕΛΕΣΙΩΤΗ ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΥ του ΧΡΗΣΤΟΥ Αριθμός Μητρώου: Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Σταύρος Κωτσόπουλος Καθηγητής Νικόλαος Φακωτάκης Καθηγητής

4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Μελέτη παραμέτρων και σχεδίαση συστήματος αυτόματης αναγνώρισης/παρακολούθησης σήματος για δορυφορικές επικοινωνιακές εφαρμογές» Φοιτητής: Αναστάσιος Χ. Μπελεσιώτης Επιβλέπων: Σταύρος Κωτσόπουλος

6

7 Περίληψη Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η υλοποίηση ενός αλγορίθμου για την ανίχνευση και παρακολούθηση του δορυφορικού σήματος υπό διάφορες συνθήκες διάδοσης στο κανάλι. Αρχικά αναλύεται η δομή ενός δορυφορικού συστήματος επικοινωνιών και περιγράφονται τα σημαντικότερα στοιχεία του τόσο στο επίγειο όσο και στο διαστημικό τμήμα. Στη συνέχεια παρουσιάζεται το περιβάλλον του καναλιού μέσα στο οποίο γίνεται η διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και αναλύονται οι σημαντικότεροι παράγοντες εξασθένισης και αλλοίωσης του σήματος. Τέλος, γίνεται αναφορά στα σημαντικότερα υπάρχοντα συστήματα παρακολούθησης των δορυφορικών κεραιών σε ένα από τα οποία βασίστηκε και ο αλγόριθμος παρακολούθησης που δημιουργήθηκε μέσω του προγράμματος Matlab. Abstract The main purpose of this thesis is the development of a basic algorithm capable of tracking the satellite signal under various propagation scenarios. At first, an analytical presentation of both earth and the space segment of the satellite system is being held. Afterwards, the basic elements of the satellite link are explained, as well as their negative effects on the radio-wave propagation mechanism. Finally, a brief reference on the most used antenna tracking systems is made, before we move on to the development of our own step-tracking algorithm in order to simulate the antenna tracking procedure under realistic transmission conditions.

8

9 Ε Υ Χ Α Ρ Ι Σ Τ Ι Ε Σ Αρχικά, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Ηλεκτρονικών Υπολογιστών, του τομέα Τηλεπικοινωνιών και Τεχνολογίας Πληροφορίας, κύριο Σ. Κωτσόπουλο για την αγαστή συνεργασία μας και την ευκαιρία που μου έδωσε να ασχοληθώ με το θέμα των συστημάτων παρακολούθησης των κεραιών που χρησιμοποιούνται στις δορυφορικές επικοινωνίες. Στη συνέχεια θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς μου για την αμέριστη συμπαράσταση τους όλα τα προηγούμενα χρόνια, και ιδιαίτερα κατά την περίοδο της εκπόνησης τούτης της διπλωματικής. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω από καρδιάς όλους τους φίλους μου για την εμψύχωση και την πολύτιμη συνδρομή τους καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου.

10

11 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ...1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 O : ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Εισαγωγή Ιστορική αναδρομή Είδη δορυφορικών τροχιών Το ραδιοφάσμα των δορυφορικών εφαρμογών Βασική δομή δορυφορικού συστήματος Μέθοδοι πρόσβασης στον δορυφόρο Συμπεράσματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΕΠΙΓΕΙΟΥ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ Εισαγωγή Δομή ενός επίγειου σταθμού Διαμόρφωση Κωδικοποίηση Μετατροπείς συχνότητας Ενισχυτές Ισχύος (HPAs) Ενισχυτές χαμηλού θορύβου Η δορυφορική κεραία Συμπεράσματα..66

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΤΟ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟ ΚΑΝΑΛΙ Εισαγωγή EIRP - Ισοδύναμη Ακτινοβολούμενη Ισχύς Απώλειες ελεύθερου χώρου Επίδραση της ατμόσφαιρας Επίδραση της βροχής Θόρυβος στα δορυφορικά συστήματα Σηματοθορυβική Ανάλυση Συμπεράσματα 99 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ ΔΟΡΥΦΟΡΟΥ ΣΕ ΚΑΝΑΛΙ ΜΕΤ ΑΠΩΛΕΙΩΝ Εισαγωγή Συστήματα παρακολούθησης σταθερών κεραιών Παρουσίαση του αλγορίθμου παρακολούθησης 108 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο : ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΓΕΝΙΚΕΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ.127

13 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η παρούσα εργασία ασχολείται με τη μελέτη των βασικών αρχών δομής και λειτουργίας των δορυφορικών συστημάτων επικοινωνιών και κυρίως του υποσυστήματος ανίχνευσης και παρακολούθησης των δορυφορικών κεραιών. Στόχος είναι η υλοποίηση κατάλληλου αλγορίθμου που θα κατευθύνει το σύστημα παρακολούθησης της κεραίας και η μελέτη της επίδοσής του κάτω από διάφορες μεταβολές των συνθηκών που ισχύουν στο περιβάλλον του καναλιού. Για την κατανόηση όμως των συνθηκών αυτών και του τρόπου που επηρεάζουν το κανάλι προηγείται η περιγραφή του δορυφορικού συστήματος και του δορυφορικού διαύλου μέσω του οποίου γίνεται η μετάδοση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος που φέρει τη χρήσιμη πληροφορία. Αρχικά λοιπόν, γίνεται μία ιστορική αναδρομή από την αυγή των συστημάτων δορυφορικών επικοινωνιών μέχρι σήμερα, περιγράφοντας τα σημαντικότερα γεγονότα και στάδια στην εξέλιξή τους μέχρι να πάρουν τη σύγχρονη πολύπλοκη και εκλεπτυσμένη μορφή τους. Περιγράφονται τα διάφορα είδη τροχιών που χρησιμοποιούνται για την κίνηση των δορυφόρων γύρω από τη γη, καθώς και οι περιοχές συχνοτήτων που έχουν οριστεί και κατανεμηθεί για τη λειτουργία των δορυφορικών επικοινωνιακών συστημάτων. Ακόμα εισάγουμε τον αναγνώστη στη βασική δομή ενός δορυφορικού συστήματος, καταγράφοντας τα στοιχεία από τα οποία αποτελείται και αναλύοντας τη λειτουργία κυρίως αυτών του διαστημικού τμήματος, δηλαδή του τεχνητού δορυφόρου και του αντίστοιχου επίγειου τμήματος τηλεμετρίας και ελέγχου του τελευταίου. Ακολουθεί επίσης και μία σύντομη περιγραφή των σημαντικότερων μεθόδων πολλαπλής πρόσβασης στο δορυφόρο για την εξυπηρέτηση του μεγάλου αριθμού διασυνδεδεμένων χρηστών. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται λεπτομερής περιγραφή του επίγειου τμήματος του συστήματος που αναφέρθηκε σύντομα στο 1ο κεφάλαιο. Συγκεκριμένα, αναλύονται οι βαθμίδες διαμόρφωσης, κωδικοποίησης, ενίσχυσης και μετατροπής ισχύος του επίγειου σταθμού καθώς και η συμβολή τους στην ομαλή και ορθή διεκπεραίωση των δορυφορικών επικοινωνιών. Χωρίς τη σωστή και εναρμονισμένη λειτουργία κάθε μίας βαθμίδας ξεχωριστά, αλλά και στο σύνολό τους, θα ήταν αδύνατη η επίτευξη της δορυφορικής ζεύξης μεταξύ δύο ή περισσότερων επίγειων σταθμών. Γι αυτό και η επιλογή των διάφορων στοιχείων της κάθε βαθμίδας, όπως η μορφή και το είδος διαμόρφωσης και κωδικοποίησης, οι χρησιμοποιούμενοι ενισχυτές χαμηλού θορύβου ή υψηλής ισχύος μαζί με τα συνοδευτικά κυκλώματά τους (φίλτρα, αντιστάσεις, εξασθενητές, τοπικοί ταλαντωτές κτλ) έχει καίρια σημασία στη συνολική επίδοση του συστήματος. Στο τέλος του 2ου κεφαλαίου γίνεται μία σχετικά σύντομη αναφορά του υποσυστήματος της κεραίας ενός επίγειου σταθμού και περιγράφονται τα διάφορα είδη κεραιών που χρησιμοποιούνται στις δορυφορικές επικοινωνίες, τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους, καθώς και οι διάφοροι μηχανισμοί στρέψης της κεραίας στη βάση της. Το τρίτο κεφάλαιο ασχολείται με τη μελέτη του δορυφορικού καναλιού και των διάφορων παραγόντων που το επηρεάζουν. Μελετάται δηλαδή η διαδικασία διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος, που περιέχει το σήμα χρήσιμης πληροφορίας, από την εκπομπή του από την κεραία του επίγειου σταθμού ή του δορυφορικού αναμεταδότη μέχρι τη λήψη του από 1

14 τον σταθμό προορισμού. Έτσι εξηγούνται έννοιες όπως η ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς ενός πομπού και οι απώλειες κενού χώρου. Το μεγαλύτερο μέρος του κεφαλαίου αναλίσκεται στη περιγραφή των ατμοσφαιρικών παραγόντων που επηρεάζουν με ποικίλους τρόπους τη διάδοση του κύματος και πρέπει να λαμβάνονται σοβαρά υπόψη κατά τη σχεδίαση του δορυφορικού συστήματος. Κατά τη σχεδίαση αυτή, εξέχουσα θέση έχει η εξίσωση ισολογισμού των ισχύων του καναλιού ή link budget όπως αλλιώς είναι ευρέως γνωστή, η οποία και παρατίθεται για την γενική περίπτωση καναλιού με απώλειες. Ακόμα, αναφέρονται τα διάφορα είδη θορύβου που εμφανίζονται στα δορυφορικά συστήματα και ο τρόπος με τον οποίο τα επηρεάζουν, ενώ στη τελευταία ενότητα γίνεται η σηματοθορυβική ανάλυση του απλού δορυφορικού συστήματος, αναφέροντας τους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται ο λόγος φέροντος σήματος προς θόρυβο δέκτη. Το επόμενο κεφάλαιο ξεκινάει με μία περιγραφή των διάφορων συστημάτων δορυφορικών κεραιών για ανίχνευση και παρακολούθηση του δορυφορικού σήματος. Τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του κάθε συστήματος αναφέρονται επίσης. Στη συνέχεια παρουσιάζεται ο αλγόριθμος παρακολούθησης που δημιουργήσαμε σε περιβάλλον Matlab και δοκιμάζεται η συμπεριφορά του κάτω από διάφορες συνθήκες ατμοσφαιρικών παραμέτρων, έχοντας ως σημείο αναφοράς την απόκριση του αλγορίθμου σε συνθήκες απουσίας ατμοσφαιρικών επιδράσεων, δηλαδή σε μετάδοση ελεύθερου χώρου. Τα συμπεράσματα της παραπάνω σύγκρισης παρατίθενται στο τελευταίο κεφάλαιο μαζί με τον αντίστοιχο σχολιασμό τους. 2

15 1 ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 1.1 Εισαγωγή Είναι γεγονός ότι ο κόσμος μας έχει αλλάξει ριζικά από την δεκαετία του 50 μέχρι σήμερα. Από την σχεδόν ακαριαία μετάδοση τηλεοπτικών εικόνων μέχρι την πραγματοποίηση τηλεφωνικών συνδιαλέξεων σε τεράστιες αποστάσεις, οι άνθρωποι σήμερα απολαμβάνουν υπηρεσίες που στην αρχή του 20 ου αιώνα αποτελούσαν αντικείμενα μόνο επιστημονικής φαντασίας. Η σημερινή εποχή της παγκοσμιοποίησης θα ήταν αδύνατη χωρίς την αλματώδη ανάπτυξη που σημειώθηκε στην περιοχή των τηλεπικοινωνιών τις τελευταίες δεκαετίες. Αν και αυτό οφείλεται σε διαφορές τεχνολογικές ανακαλύψεις και πρωτοπορίες, η κατασκευή και λειτουργία των τηλεπικοινωνιακών δορυφόρων συγκαταλέγεται σίγουρα στις σημαντικότερες. Αν και οι σημερινοί δορυφόροι αποτελούν προϊόντα τρομερά εξελιγμένης τεχνολογίας, πρέπει να γνωρίζουμε ότι πέρασαν από πολλά εξελικτικά στάδια μέχρι να φτάσουν στην σημερινή μορφή τους και φυσικά εξακολουθεί να γίνεται μεγάλη έρευνα γύρω από την βελτίωση και εξέλιξή τους. Όντως, οι πρώτοι δορυφόροι μοιάζουν μάλλον πολύ απλοϊκοί σε σχέση με τους σημερινούς, κατάφεραν όμως να δείξουν κάτι πολύ σημαντικό: την βιωσιμότητα του εγχειρήματος καθώς και τη δημιουργία ενός νέου πεδίου που θα λειτουργούσε ως πόλος έλξης προς κάθε ενδιαφερόμενο που θα ήθελε να πραγματοποιήσει ερευνά δημιουργώντας την τεχνολογία και τις εφαρμογές αυτές πάνω στις οποίες θα βασιζόταν η κατασκευή και λειτουργία των δορυφόρων επόμενης γενιάς. 1.2 Ιστορική αναδρομή Η ιστορία ξεκινά αμέσως μετά την λήξη του 2 ου παγκοσμίου πολέμου. Πιο συγκεκριμένα, τον Οκτώβριο του 1945 ο βρετανός sir Arthur C. Clark, ήδη καταξιωμένος συγγραφέας επιστημονικής φαντασίας και γνωστός εφευρέτης, δημοσιεύει ένα άρθρο ονόματι Extra-terrestrial Relays στο περιοδικό Wireless World. Στο άρθρο αυτό περιγράφει την ιδέα του για μια συσκευή η όποια τοποθετούμενη σε στατική τροχιά γύρω από την γη (γεωστατική τροχιά) θα 3

16 μπορούσε να μεταδώσει μηνύματα από την μια άκρη του κόσμου στην άλλη. Η ιδέα του βρήκε απήχηση σε αρκετούς, τόσο επιστήμονες όσο και μελή κυβερνητικών οργανώσεων στις ΗΠΑ, οι όποιοι κατάλαβαν τα πλεονεκτήματα που θα προσέφερε ένας δορυφόρος πάνω από την γη στις επικοινωνίες μεταξύ επίγειων σταθμών που δεν έχουν οπτική επαφή, κατά μήκος όλης της χώρας. Παρόλα αυτά, δεν υπήρξε καμία ουσιαστική πρωτοβουλία της αμερικανικής κυβέρνησης τα επόμενα χρόνια και η ιδέα έμεινε στα χαρτιά. Η κατάσταση άρχισε να αλλάζει το 1955 και ιδιαίτερα μετά την εκτόξευση από τους Σοβιετικούς του Sputnik 1, του πρώτου τεχνητού δορυφόρου τον Οκτώβρη του Η νεοσύστατη τότε NASA (National Aeronautics and Space Administration), μετά από αρκετές δοκιμές και απόπειρες κατάφερε τελικά τον Αύγουστο του 1960 να εκτοξεύσει και να θέσει σε τροχιά τον πρώτο παθητικό τηλεπικοινωνιακό δορυφόρο που πηρέ το όνομα Echo. Στην ουσία ήταν ένα μπαλόνι ύψους 30 μέτρων, κατασκευασμένο από αλουμινοποιημένη λεπτή μεμβράνη ειδικού πολυεστέρα, που λόγο του αλουμινίου απλά ανακλούσε το ηλεκτρομαγνητικό κύμα που δεχόταν πάλι προς την γη, χωρίς καμία επεξεργασία του σήματος. Παρ όλη την απλότητα του, η σημαντική βελτίωση σε σχέση με τις ιονοσφαιρικές μεταδόσεις ήταν η αναίρεση της τυχαιότητας των ανακλαστικών ιδιοτήτων του ανακλαστήρα. Έτσι έγινε δυνατή η δημιουργία των πρώτων υπερατλαντικών δορυφορικών ζεύξεων. Εδώ πρέπει βέβαια να αναφέρουμε ότι είχε προηγηθεί το 1958 η εκτόξευση του SCORE (Signal Communications by Orbiting Relay Equipment), ο όποιος αναπτύχτηκε από το υπουργείο άμυνας των Ηνωμένων Πολιτειών και τον αμερικανικό στρατό, με στόχο την δοκιμή μετάδοσης δορυφορικών μηνυμάτων και μπορεί να χαρακτηριστεί σαν ο πρώτος τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος. Έγινε γνωστός με την μετάδοση προς τον κόσμο ενός ηχογραφημένου χριστουγεννιάτικου χαιρετισμού από τον τότε πρόεδρο Dwight D. Eisenhower. Ωστόσο, λόγω της μεγάλης διαδρομής και των τεράστιων αποσβέσεων που εφίστατο το σήμα στη διαδρομή από την γη στον δορυφόρο και πίσω, η ισχύς με την όποια έφτανε στον επίγειο δεκτή ήταν δραματικά μειωμένη. Το πρόβλημα αυτό λύθηκε με την εκτόξευση ενεργών δορυφόρων, δορυφόρων δηλαδή οι όποιοι αναμετέδιδαν το σήμα αφού πρώτα το επεξεργάζονταν και το ενίσχυαν. Συνέχεια του Score ήταν ο Courier 1B, ο όποιος ήταν ο πρώτος που διέθετε ενεργό αναμεταδότη καθώς και ηλιακές κυψέλες για την επαναφόρτιση των καινοτόμων νικελίου-καδμίου μπαταριών του. Την ιδία χρονιά ο αμερικανικός κολοσσός AT&T(American Telephone and Telegraph Company) άρχισε να εκδηλώνει ενδιαφέρον για την ανάπτυξη διαστημικού προγράμματος με αποκορύφωμα την εκτόξευση των δικών της τηλεπικοινωνιακών δορυφόρων. Αυτό έγινε πράξη τον Ιούλιο του 1962 με την επιτυχή εκτόξευση και λειτουργιά του Telstar 1, ο όποιος ήταν καρπός της συνεργασίας της AT&T με τις Bell Telephone Laboratories και NASA, το βρετανικό Γενικό Ταχυδρομείο (General Post Office) και το γαλλικό εθνικό γραφείο ταχυδρομείου, τηλεγραφημάτων και τηλεπικοινωνιών(ptt). Ο Telstar 1 ήταν ο πρώτος ενεργός τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος απευθείας μετάδοσης, που 4

17 χρησιμοποιήθηκε για τηλεοπτική, τηλεφωνική και υψηλής ταχύτητας μετάδοση δεδομένων. Λειτουργούσε σε συχνότητα άνω ζεύξης 6GHz και κάτω ζεύξης 4GHz. Ήταν επίσης ο πρώτος που πραγματοποίησε υπερατλαντική μετάδοση τηλεοπτικού σήματος. Ακολούθησε το πρόγραμμα relay, με την εκτόξευση τον Δεκέμβρη της ίδιας χρονιάς του relay 1, πειραματικού δορυφόρου με κύριο στόχο την δημιουργία τηλεπικοινωνιακής ζεύξης πάνω από τον Ειρηνικό Ωκεανό, ενώ τον Ιούλιο του επόμενου χρόνου, εκτοξεύτηκε επιτυχώς ο Syncom 2, ο οποίος ήταν ο πρώτος γεωσύγχρονος τηλ. δορυφόρος (η έννοια του γεωσύγρονου δορυφόρου ή της γεωσύγχρονης τροχιάς εξηγείται παρακάτω). Ο διάδοχος του, Syncom 3, ήταν ο πρώτος τηλ. δορυφόρος σε γεωστατική τροχιά, ο οποίος λειτούργησε παράλληλα με τον relay 1, πραγματοποιώντας την πρώτη παγκόσμια ζωντανή αναμετάδοση ολυμπιακών αγώνων, αυτών του Τόκιο το καλοκαίρι του `64. Οι εξελίξεις ήταν ραγδαίες. Η σειρά INTELSAT τίθεται σε λειτουργιά με την ενεργοποίηση του Intelsat I, γνωστού και ως Early Bird, τον Απρίλιο του Ο Intelsat I ήταν ο πρώτος εμπορικός τηλ. δορυφόρος σε γεωσύγχρονη τροχιά, παρέχοντας άμεση και σχεδόν ακαριαία υπερατλαντική επικοινωνία με υπηρεσίες τηλεόρασης, τηλέφωνου και φαξ. Το 1972 ο Καναδάς εισέρχεται δυναμικά στον χώρο με την εκτόξευση του πρώτου γεωστατικού εμπορικού δορυφόρου για οικιακή χρήση, Anik A1, με τις ΗΠΑ να ακλουθούν 2 χρονιά μετά με τον Westar 1. Παράλληλα με την Δύση και σε απάντηση της σειράς INTELSAT, η ΕΣΣΔ σε συνεργασία και με άλλες σοσιαλιστικές χώρες, ιδρύει το 1971 δικό της πρόγραμμα ανάπτυξης και εκμετάλλευσης τηλεπικοινωνιακών δορυφόρων με την δημιουργία του οργανισμού INTERSPUTNIK, θέτοντας σε τροχιά τον πρώτο του δορυφόρο το Ο οργανισμός με μερικές αλλαγές εξακολουθεί να λειτουργεί μέχρι σήμερα, αριθμώντας 25 κράτη μέλη. Τα επόμενα χρόνια αρκετές χώρες προχωρούν στην κατασκευή (ή αγορά) των δικών τους τηλεπικοινωνιακών δορυφόρων όπως η Ινδία ( Aryabhata 1975), η Ινδονησία (Palapa A1), ο Αραβικός Σύνδεσμος (Arabsat-1A 1985), το Πακιστάν (Badr-1) και άλλοι. Το 1974 η NASA εκτοξεύει τον 6 ο και τελευταίο από μια σειρά πειραματικών δορυφόρων στα πλαίσια του προγράμματος ΑTS(Applications Technology Satellite). Ο ΑTS-6 ζύγιζε τόνους, είχε ύψος 8,5 μέτρα και διάμετρο 16 μέτρα, ενώ στα πολλά τεχνολογικά πλεονεκτήματα του συγκαταλέγεται ο μεγάλος παραβολικός ανακλαστήρας του διαμέτρου 9.14 μέτρων.. Ήταν ο πρώτος γεωστατικός δορυφόρος με τριαξονικό σύστημα σταθεροποίησης, δυνατότητα απευθείας μετάδοσης τηλεοπτικού σήματος σε ιδιώτες και δυνατότητα εντοπισμού και επικοινωνίας με άλλους υπάρχοντες δορυφόρους (π.χ. Nimbus 6) και αεροσκάφη, ενώ οι μελέτες που διεξήχθησαν πάνω στην διάδοση των ραδιοκυμάτων έφτασαν σε συχνότητες 30GHz. Το 1975 υλοποιείται το πρώτο επιτυχές πείραμα απευθείας εκπομπών μέσω δορυφόρου μεταξύ ΗΠΑ-Ινδίας. Το 1977 εκδίδεται από την ITU(International Telecommunication Union) ο κανονισμός για τις δορυφορικές εκπομπές απευθείας σε χρήστες. Δυο χρόνια αργότερα και κατ εντολή του IMO (International Maritime Organization) ιδρύεται ο INMARSAT (International Maritime 5

18 Satellite Organization), δηλαδή ο διεθνής οργανισμός δορυφορικών επικοινωνιών ναυσιπλοΐας. Αργότερα μετονομάζεται σε διεθνή οργανισμό κινητών δορυφορικών επικοινωνιών (International Mobile Satellite Organization) αφού το 1987 εγκαθιστά επιτυχημένες ζεύξεις σε επίγειο σύστημα κινητών επικοινωνιών, ενώ μέχρι το 1990 το σύστημα του οργανισμού επεκτείνεται σε επίγειες και αεροναυτικές χρήσεις, διατηρώντας όμως πάντα το ίδιο ακρωνύμιο. Το Απρίλιο του 1981 έγινε η πρώτη πτήση με διαστημικό λεωφορείο(space shuttle), ένα είδος σκάφους που ήταν δυνατό να ξαναχρησιμοποιηθεί μερικώς, ενώ είχε τη δυνατότητα να μεταφέρει πλήρωμα καθώς και να εκτοξεύει, ανακτά, και να επισκευάζει δορυφόρους στο διάστημα. είναι υπεύθυνα τόσο για την τοποθέτηση του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble όσο και για την κατασκευή και συντήρηση του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού. Ο πρώτος τηλ. δορυφόρος εμπορικής χρήσης που χρησιμοποίησε αυτό το σύστημα ήταν ο SBS-3(Satellite Business System) το 1982, ενώ η τελευταία πτήση τέτοιου σκάφους πραγματοποιήθηκε τον Ιούλιο του Αναφέρουμε επίσης ότι ακλουθώντας τις ΗΠΑ και Καναδά, η Ιαπωνία θέτει σε λειτουργιά δορυφορικό δίκτυο εκπομπών απευθείας στον τελικό χρηστή το `84. Η Ευρώπη μπαίνει και αυτή δυναμικά στο χώρο του διαστήματος και των δορυφορικών τηλεπικοινωνιακών εφαρμογών ιδρύοντας αρχικά την ESA(European Space Agency) και η οποία ανέλαβε και τα καθήκοντα του προϋπάρχοντος ευρωπαϊκού οργανισμού διαστημικής έρευνας ESRO(συστάθηκε στις αρχές τις δεκαετίας του 60), και στη συνέχεια τον Eutelsat(European Telecommunications Satellite Organization) το 1975 και 77 αντίστοιχα. Ο Eutelsat εκτοξεύει τον πρώτο του δορυφόρο, Eutelsat 1F1 της σειράς ECS(European Communication Satellite), το 1983, ενώ μέχρι σήμερα έχει εκτοξεύσει πάνω από 30 δορυφόρους που καλύπτουν και συνδέουν τηλεπικοινωνιακά περιοχές όπως Ευρώπη, Βόρεια Αμερική, λατινική Αμερική, βόρεια Αφρική και Μέση Ανατολή. Τέλος, η Ελλάδα υπογράφει την πρώτη της συνεργασία με την ESA το 1994 και νοικιάζει τον πρώτο της δορυφόρο (Copernicus) το 2002 ενώ την αμέσως επομένη χρονιά σε συνεργασία με την Κύπρο θέτει σε τροχιά τον πρώτο ελληνικό δορυφόρο (Hellas-Sat-2). Η Ελλάδα αποτελεί πλήρες μέλος της ESA από το Δεκέμβρη του Σχήμα 1.1 : Οι επικοινωνιακοί δορυφόροι Telstar 1 και INTELSAT 1. 6

19 Σχήμα 1.2 : Οι δορυφόροι Sputnik 1 και Echo Είδη δορυφορικών τροχιών Η τροχιά του δορυφόρου γύρω από τη γη καθορίζει σημαντικές παραμέτρους όπως είναι η επιφάνεια κάλυψης, η χρονική καθυστέρηση του σήματος, η χρησιμοποιούμενη ισχύς, το κόστος του συστήματος κλπ, συνεπώς πρέπει να λαμβάνονται σοβαρά υπόψη πριν τη σχεδίαση και λειτουργιά του δορυφορικού συστήματος. Σχετικά με τις διάφορες τροχιές των ουράνιων σωμάτων, θα μπορούσαμε να τις χωρίσουμε σε δυο μεγάλες κατηγορίες: τις ανοικτές και τις κλειστές. Οι ανοικτές ακλουθούν μια μαθηματική συνάρτηση και πιο συγκεκριμένα μπορούμε να τις διακρίνουμε σε παραβολές και υπερβολές. Και οι δυο αποτελούν ευρείες καμπύλες των οποίων τα άκρα δεν συγκλίνουν ποτέ. Συνεπώς αντικείμενα που τις ακολουθούν μετά από κάποιο χρονικό διάστημα άπλα διαφεύγουν από το πεδίο των αντικειμένων γύρω από τα οποία μπήκαν σε τροχιά, όπως διάφορα εξερευνητικά διαστημικά οχήματα ή κομήτες που περιπλανώνται ελεύθεροι στο διάστημα. Οι κλειστές από την άλλη μπορεί να είναι και αυτές δυο μονό ειδών : κυκλικές και ελλειπτικές (μπορούμε βέβαια να θεωρήσουμε και τον κύκλο σαν υποπερίπτωση μιας έλλειψης με συμπίπτουσες εστίες και μηδενική εκκεντρότητα). Ένα σώμα σε κλειστή τροχιά πραγματοποιεί επ' άπειρον μια περιοδική κίνηση γύρω από ένα άλλο που βρίσκεται σε μια εστία της τροχιάς, όπως π.χ. η κίνηση της γης γύρω από τον ήλιο. Όλες οι παραπάνω τροχιές αποτελούν κωνικές τομές καθώς προκύπτουν από την τομή ενός στερεού κώνου υπό διάφορες κλίσεις. Η συνηθέστερη όμως κατηγοριοποίηση που γίνεται στις τροχιές των τεχνητών δορυφόρων είναι ανάλογα με το υψόμετρο της τροχιάς τους από την επιφάνεια της γης. Με βάση αυτό το κριτήριο μπορούμε να διακρίνουμε 4 κατηγορίες δορυφορικών συστημάτων : χαμηλής γήινης τροχιάς LEO, μεσαίας γήινης τροχιάς MEO, γεωστατικής τροχιάςgeo (υποκατηγορία των γεωσύγχρονης τροχιάς) και 7

20 υψηλής ελλειπτικής τροχιάς HEO. Ανεξάρτητα της κατηγορίας στην οποία ανήκουν, όλες οι τροχιές πρέπει να τέμνουν το επίπεδο του ισημερινού (ή να ταυτίζονται με αυτό) αλλιώς με την σημερινή τεχνολογία δεν είναι δυνατή η πραγματοποίηση τους. Δορυφόροι LEO(Low Earth Orbit) Το ύψος της τροχιάς αυτών των δορυφόρων κυμαίνεται από 300 έως 1500 km. Μέσα σε αυτό το εύρος βρίσκονται σήμερα σε τροχιά εκατοντάδες τηλεπικοινωνιακοί δορυφόροι καθώς επίσης και όλες οι σημαντικές διαστημικές κατασκευές όπως ο διεθνής διαστημικός σταθμός(iss) σε υψόμετρο περίπου 370km και το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble. Ο διάρκεια μιας πλήρους περιστροφής γύρω από την γη κυμαίνεται από 90 έως 120 λεπτά περίπου ενώ οι ταχύτητες που αναπτύσσονται είναι της τάξης των km/h. Τροχιές με μικρή κλίση από το επίπεδο του ισημερινού ονομάζονται και ELEO(Equatorial Low Earth Orbits) ενώ τροχιές με μεγάλες κλίσεις (κοντά στις 90 ) είναι γνώστες ως πολικές τροχιές καθώς περνάνε πάνω από τους 2 πόλους της γης. Οι δορυφόροι σε πολική τροχιά ταξιδεύουν στην διεύθυνση Βορρά-Νότου αντί για την πιο συνηθισμένη Ανατολής- Δύσης, συνεπώς σε συνδυασμό με την περιστροφή της γης γύρω από τον άξονα της είναι οι μόνοι δορυφόροι που διατρέχουν σχεδόν όλη την επιφάνεια της, καλύπτοντας μια στενή λωρίδα γεωγραφικού πλάτους κάθε φορά (έναν μεσημβρινό). Γι αυτό τον λόγο και για την μικρή τους απόσταση από την γη είναι ιδανικοί για υπηρεσίες χαρτογράφησης, παγκόσμιας παρατήρησης, ανίχνευσης και μετεωρολογίας. Ένας διαχωρισμός που μπορεί να γίνει στους δορυφόρους χαμηλής τροχιάς είναι σε Little LEO και Big LEO, ανάλογα με τις υπηρεσίες που προσφέρουν, το μέγεθος φορτίου που εξυπηρετούν, τις χρησιμοποιούμενες συχνότητες κλπ. Τα κύρια χαρακτηριστικά τους είναι ότι τα συστήματα Little LEO αποτελούνται από φτηνούς δορυφόρους μικρού μεγέθους και βάρους (έως 150 κιλά), έχουν χαμηλούς ρυθμούς μετάδοσης, χρησιμοποιούν συχνότητες κάτω από 1GHz και παρέχουν κυρίως αμφίδρομη μη-φωνητική μεταφορά δεδομένων όπως π.χ. υπηρεσίες . Αντίθετα, τα συστήματα Big LEO περιλαμβάνουν μεγαλύτερους και ισχυρότερους δορυφόρους με ακριβότερο εξοπλισμό, που είναι σε θέση να λειτουργούν σε μεγαλύτερες συχνότητες και να παρέχουν υπηρεσίες τηλεφωνίας (μετάδοση φωνής σε πραγματικό χρόνο),δεδομένων, φαξ κ.α., ακόμα και σε παγκόσμια κλίμακα μέσω γήινης (σταθμοί βάσης) ή απευθείας δορυφορικής διασύνδεσης. Τα πλεονεκτήματα των LEO συστημάτων γενικά έγκεινται στην μικρή απόσταση του δορυφόρου από την επιφάνεια της γης και μπορούν να συνοψιστούν στα παρακάτω: 8

21 o Μικρότεροι δορυφόροι με μειωμένες απαιτήσεις σε ισχύ μετάδοσης σε σχέση με τους MEO και GEO δορυφόρους, με αποτέλεσμα την μείωση του κόστους κατασκευής και εκτόξευσης τους (μπορούν να εκτοξευτούν πολλοί ταυτόχρονα). o Η μικρή καθυστέρηση διάδοσης του σήματος. Για μια ολοκληρωμένη μετάδοση από την γη στον δορυφόρο και πίσω κυμαίνεται μεταξύ msec, συγκρίσιμη με αυτή των επίγειων μεταδόσεων. o Δυνατότητα άμεσης κάλυψης απομακρυσμένων περιοχών ή περιοχών με ελάχιστη τηλεπικοινωνιακή υποδομή, όπως π.χ. οι περιοχές κοντά στους πόλους της γης. o Διευκόλυνση υπηρεσιών τηλεπισκόπησης και μετεωρολογικής παρακολούθησης καθώς λόγω της μικρής απόστασης η ποιότητα των φωτογραφιών είναι πολύ καλύτερη. Βέβαια, διαθέτουν και αρκετά μειονεκτήματα που τα καθιστούν λιγότερο κατάλληλα για κάποιες εφαρμογές. Αυτά είναι : o Λόγω της εγγύτητας στην γήινη ατμόσφαιρα, οι LEO δορυφόροι δέχονται πέραν της βαρυτικής έλξης, μια επιπλέον επιβραδυντική δύναμη, την λεγόμενη ατμοσφαιρική έλξη, καθώς στη περιοχή των LEO τροχιών υπάρχουν ακόμη αέρια της γήινης ατμόσφαιρας που αποτελούν το κομμάτι της θερμόσφαιρας (εκτείνεται μέχρι τα km πάνω από την επιφάνεια της γης) ενώ μέχρι τα 1600km χονδρικά συνεχίζει η εξώσφαιρα που περιέχει αραιά μόρια ατμοσφαιρικών αερίων που συγκρατούνται από το βαρυτικό πεδίο της γης. Αυτή η δύναμη λειτουργεί ανασταλτικά, αυξάνει την απαιτουμένη ταχύτητα των δορυφόρων και εν τέλει μειώνει τη διάρκεια ζωής τους (γύρω στα έτη). o Η μεγάλη ταχύτητα τους που οδηγεί στην μικρή διάρκεια κάλυψης μιας συγκριμένης περιοχής( το μέγιστο διάστημα που είναι ορατός ένας δορυφόρος από ένα σταθερό σημείο στη γη δεν ξεπερνά τα 20 λεπτά) καθώς και η μικρή ακτίνα γεωγραφικής κάλυψης (μέχρι 4000 km) σε σχέση με τους γεωστατικούς δορυφόρους καθιστούν αναγκαία την εγκατάσταση ενός διευρυμένου συστήματος διασυνδεδεμένων δορυφόρων προκειμένου να επιτευχτεί αδιάλειπτη παγκόσμια κάλυψη. Η σχεδίαση και ανάπτυξη ενός τέτοιου συστήματος απαιτεί εξελιγμένη τεχνολογία (συχνές μεταπομπές μεταξύ δορυφόρων ή επίγειων κέντρων, δυσκολίες συντονισμού κα.) και μεγάλο αριθμό δορυφόρων (αστερισμός δορυφόρων), αυξάνοντας έτσι τον χρόνο και το κόστος της επένδυσης. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι το LEO σύστημα παγκόσμιας κάλυψης Iridium χρησιμοποιεί 66 δορυφόρους κατανεμημένους σε 11 τροχιακά επίπεδα ενώ το Globalstar 48 σε 8 επίπεδα. o Το φαινόμενο Doppler που εισάγεται από τις μεγάλες σχετικές ταχύτητες κίνησης των δορυφόρων τόσο μεταξύ τους όσο και με την γη. Το φαινόμενο 9

22 Doppler επηρεάζει τη φέρουσα συχνότητα του λαμβανομένου σήματος, αυξάνοντας την, αν τα δυο μέρη πλησιάζουν και ελαττώνοντας την αν απομακρύνονται. Έτσι, και ειδικά σε συστήματα μικρού εύρους ζώνης, δημιουργείται η ανάγκη για κατασκευή πιο εξελιγμένων δεκτών για την εξάλειψη του φαινόμενου και την σωστή αναγνώριση του σήματος. o Τέλος η μεγάλη ταχύτητα με την οποία οι δορυφόροι περνούν πάνω από μια περιοχή καθιστά δυσκολότερο τον εντοπισμό και την παρακολούθησή τους από τις επίγειες κεραίες. Στον αντίποδα μπορούμε βέβαια να πούμε ότι οι χαμηλές συνήθως συχνότητες λειτουργίας και η υψηλή στάθμη σήματος των LEO δορυφόρων ευνοεί την χρήση κεραιών λήψης ευρείας δέσμης. Δορυφόροι MEO(Medium Earth Orbit) Είναι γνωστοί και με το όνομα ICO(Intermediate Circular Orbits) και καλύπτουν τον ενδιάμεσο χώρο μεταξύ 2000 km(leo) και km(geo) με αναφορά τα km περίπου. Οι χρόνοι περιστροφής τους κυμαίνονται από περίπου 2 ώρες για την χαμηλότερη τροχιά και φτάνουν σχεδόν τις 24 κοντά στη γεωστατική τροχιά. Μια από τις πιο συνηθισμένες τροχιές είναι σε ύψος km και χρησιμοποιείται από το Παγκόσμιο Σύστημα Θεσιθεσίας(Global Positioning System GPS), ενώ έχει περίοδο 12 ωρών γι αυτό ονομάζεται και ημισύγχρονη τροχιά. Άλλα δορυφορικά συστήματα που χρησιμοποιούν τέτοιες τροχιές είναι τα NAVSTAR (NAVigation System using Timing And Ranging) και GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System), ενώ και ένας από τους πρώτους και πιο γνωστούς πειραματικούς τηλεπικοινωνιακούς δορυφόρους, ο Telstar 1, είχε μπει σε ΜΕΟ. Πλεονεκτήματα αυτού του είδους σε σχέση με τους LEO είναι το μεγαλύτερο γήινο αποτύπωμά τους, ο μικρότερος αριθμός δορυφόρων που απαιτείται για τη δημιουργία αστερισμού με παγκόσμια κάλυψη και η σημαντική εξασθένιση του φαινόμενου Doppler, ενώ σε σχέση με τους GEO οι μικρότεροι χρόνοι μετάδοσης ( msec περίπου) και η μικρότερη απαιτουμένη ισχύς στους πομπούς. Δορυφόροι GEO(Geostationary Earth Orbit) Η γεωσύγχρονη τροχιά: είναι εκείνη η τροχιά που έχει περίοδο ίση με αυτήν μιας πλήρους περιστροφής της γης γύρω από τον εαυτό της, δηλαδή μια αστρική μέρα (23h 56min 4.1sec). Η διαφορά της αστρικής με την κανονική ημέρα(24h) είναι ότι η τελευταία μετριέται με αναφορά τον ήλιο, συνεπώς ένα σταθερό σημείο πάνω στη γη για να ξαναβρεθεί στην ίδια θέση σχετικά με τον ήλιο πρέπει να εκτελέσει μια πλήρη περιστροφή συν κάτι επιπλέον, για να αντισταθμίσει την κίνηση της γης γύρω από τον ήλιο. Μέσω του τρίτου νόμου του Kepler που διέπει τις κινήσεις των 10

23 ουράνιων σωμάτων μπορούμε να υπολογίσουμε το ύψος της γεωσύγχρονης τροχιάς. Συγκεκριμένα η περίοδος περιστροφής του δορυφόρου συναρτήσει του μεγάλου ημιάξονα της έλλειψης δίνεται από τον τύπο :, όπου η παγκοσμια σταθερα της βαρυτητας και η μάζα της γης, ενώ στην περίπτωση κυκλικής τροχιάς ο τύπος μετασχηματίζεται στον : ( ), όπου =6378km η ακτίνα της γης και η απόσταση του δορυφόρου από την επιφάνειά της. Επομένως λύνοντας ως προς το ύψος βρίσκουμε km ενώ η ταχύτητα του δορυφόρου υπολογίζεται γύρω στα 11000km/h. Το ίχνος του γεωσύγχρονου δορυφόρου( καμπύλη που σχηματίζεται πάνω στην γήινη επιφάνεια από την τομή της τελευταίας με την νοητή γραμμή που ενώνει το κέντρο της γης με τον δορυφόρο) σε κυκλική τροχιά διαγράφει ένα σχήμα 8 που γίνεται πιο πλατύ όσο η γωνία κλίσης αυξάνεται. Φυσικά μια γεωσύγχρονη τροχιά μπορεί να ορίζεται από οποιεσδήποτε τιμές κλίσης και εκκεντρότητας. Η γεωστατική τροχιά: δεν είναι τίποτα παραπάνω από μια γεωσύγχρονη τροχιά με μηδενική κλίση και εκκεντρότητα. Με άλλα λόγια, είναι μια κυκλική τροχιά στο επίπεδο του ισημερινού της οποίας η γωνιακή ταχύτητα ταυτίζεται με αυτήν της περιστροφής της γης γύρω από τον άξονα της. Έτσι, ένας γεωστατικός δορυφόρος φαίνεται από έναν παρατηρητή στην γη σαν ένα σταθερό σημείο σον ουρανό. Η περιοχή κάλυψης του αντιστοιχεί στο 1/3 περίπου της επιφάνειας της γης, γεγονός πάνω στο οποίο στηρίχτηκε η ιδέα του Arthur Clark για τη δημιουργία ενός συστήματος συνεχούς παγκόσμιας κάλυψης με χρήση 3 γεωστατικών δορυφόρων, τοποθετημένων συμμετρικά γύρω από την γη σε απόσταση 120 μοιρών. Βέβαια, η τροχιά των γεωστατικών δορυφόρων δεν είναι στην πραγματικότητα τέλεια, καθώς κατά την κίνηση τους δέχονται διάφορες δυνάμεις από παράγοντες όπως ο ηλιακός άνεμος, η ηλιακή πίεση ακτινοβολίας(radiation pressure), η βαρυτική έλξη από τον ήλιο και την σελήνη ή ανισότητες του βαρυτικού πεδίου της γης ( λόγω του σχήματός της που δεν είναι τέλεια σφαίρα), που επιφέρουν διαταραχές και εισάγουν μια κλίση λίγων μοιρών στην ιδανική κυκλική τροχιά. Αν αυτές οι διαταραχές δεν διορθώνουν μπορούν να δημιουργήσουν κλίση περίπου 1 /έτος.γι αυτό λαμβάνεται ειδική μερίμνα για την τακτική διόρθωση της τροχιάς έτσι ώστε να παραμένει στο ισημερινό επίπεδο. Λόγω όλων των παραπάνω, οι γεωστατικοί δορυφόροι διαθέτουν ορισμένα πλεονεκτήματα που τους έχουν καταστήσει εδώ και δεκαετίες πρωτοπόρους στις δορυφορικές επικοινωνίες. Τα σημαντικότερα απ αυτά είναι : o Η σταθερή απόσταση μεταξύ επίγειου σταθμού βάσης και δορυφόρου εκμηδενίζει το φαινόμενο Doppler(απλούστεροι και χαμηλού κόστους 11

24 αποδιαμορφωτές) και καθιστά γνωστές τις παρεμβολές από κοντινούς επίγειους σταθμούς και δορυφόρους. o Εύκολη παρακολούθηση του δορυφόρου από τους επίγειους σταθμούς βάσης με χρήση απλών και σχετικά φτηνών συστημάτων. Αυτό είναι και ο βασικότερος λόγος που καταστεί δυνατή η παροχή διαφόρων υπηρεσιών απευθείας σε οικιακούς χρήστες, όπως π.χ. η δορυφορική τηλεόραση μέσω ενός μικρού και σταθερού πιάτου (παραβολικής κεραίας) που σημαδεύει συνεχώς στην περιοχή που βρίσκεται ο δορυφόρος. Επίσης τα χαρακτηριστικά του δορυφορικού καναλιού μένουν σχεδόν αμετάβλητα καθώς η γωνία ανύψωσης μένει σταθερή. o Το δίκτυο των γεωστατικών δορυφόρων καλύπτει πολύ ικανοποιητικά το μεγαλύτερο μέρος του πλανήτη (δηλαδή περιοχές με γεωγραφικό πλάτος μεταξύ -75 και 75 ) όπου ζει το μεγαλύτερο μέρος του παγκοσμίου πληθυσμού και αναπτύσσεται σχεδόν το σύνολο της ανθρώπινης δραστηριότητας. Αναμενόμενα όμως, η γεωστατική τροχιά έχει και τα μειονεκτήματά της. αυτά συνοψίζονται στα ακόλουθα : o Η μεγάλη απόσταση μεταξύ γης και δορυφόρου εισάγει μεγάλη χρονική καθυστέρηση στη μετάδοση της τάξης του μισού δευτερόλεπτου για μια πλήρη διαδρομή (γη-δορυφόρος-γη), δυσχεραίνοντας την χρήση τέτοιων δορυφόρων για αμφίδρομες υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως σταθερή και κινητή τηλεφωνία. o Όταν η επίγεια κεραία, ο δορυφόρος και ο Ήλιος ευθυγραμμίζονται παρατηρείται σοβαρή μείωση της ποιότητας επικοινωνίας μέχρι και προσωρινή διακοπή της. Αυτό συμβαίνει γιατί ο Ήλιος αποτελεί πομπό ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας πολύ μεγαλύτερης ισχύος από αυτήν των αναμεταδοτών του δορυφόρου, με αποτέλεσμα όταν λαμβάνεται στον κύριο λοβό της επίγειας κεραίας να λειτουργεί σαν ισχυρή πηγή θορύβου που μπορεί και να ξεπερνά το ωφέλιμο σήμα. Το φαινόμενο αυτό βέβαια παρατηρείται κυρίως φθινόπωρο και άνοιξη και επιπλέον οι χρονικές στιγμές και η σύντομη διάρκεια εμφάνισης του είναι προβλέψιμες. o Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, οι γεωστατικοί δορυφόροι καλύπτουν λιγότερο ή καθόλου περιοχές με πλάτος εκτός της ζώνης [-75,75 ]. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την ανάγκη για χρήση πρόσθετων δορυφόρων σε μεγάλες κλίσεις τροχιάς για την εξυπηρέτηση αυτών των περιοχών, ενώ η σύνδεση τους με το σύστημα των GEO δορυφόρων αυξάνει την πολυπλοκότητα τόσο του δορυφορικού όσο και του επίγειου κομματιού. o Οι τροχιακές διαταραχές που περιγράψαμε παραπάνω επιβάλλουν την υλοποίηση διορθωτικών κινήσεων προκειμένου να συγκρατηθεί ο δορυφόρος στη γεωστατική του τροχιά. Τέτοιες διορθωτικές κινήσεις 12

25 πραγματοποιούνται με την κατάλληλη χρήση προωθητικού καύσιμου. Το 90% του προωθητικού σπαταλείται για τον έλεγχο του δορυφόρου στη διεύθυνση Βορρά-Νότου (δηλαδή της γωνίας κλίσης) και το υπόλοιπο στη διεύθυνση Ανατολής-Δύσης. Το προωθητικό καύσιμο παίζει μεγάλο ρόλο σε έναν γεωστατικό δορυφόρο καθώς αποτελεί το 20-40% του βάρους του πριν την απογείωση και καθορίζει την διάρκεια ζωής του(10-15 χρόνια). o Τέλος, η μεγάλη απόσταση επιφέρει σημαντικές απώλειες στο σήμα, καθιστώντας αναγκαία την εγκατάσταση πομπών μεγάλης ισχύος και κεραιών υψηλής κατευθυντικότητας και κέρδους, τόσο στο επίγειο όσο και στο δορυφορικό σύστημα. Αυξάνονται έτσι τόσο οι ενεργειακές απαιτήσεις όσο και οι αντίστοιχες σε εξοπλισμό, συμβάλλοντας στην συνολική άνοδο του κόστους εγκατάστασης και λειτουργίας. Σχήμα 1.3 : Σύστημα γεωστατικής κάλυψης Arthur Clark Δορυφόροι HEO(Highly Elliptical Orbit) Το πρόβλημα του μικρού χρόνου παραμονής πάνω από μια περιοχή των LEO δορυφόρων μπορεί να ξεπεραστεί είτε με τους γεωσύγχρονους δορυφόρους ή με τους δορυφόρους υψηλά ελλειπτικής τροχιάς(heo). Η ιδέα χρήσης αυτών των δορυφόρων βασίζεται στον 2 ο νόμο του Kepler, ο οποίος ορίζει ότι η γραμμή που ενώνει το σώμα στο κέντρο με το σώμα που διαγράφει την τροχιά διαγράφει ίσες επιφάνειες σε ίσους χρόνους. Εναλλακτικά, ο δορυφόρος κινείται ταχυτέρα όσο πλησιάζει τη γη και επιβραδύνει όσο απομακρύνεται από αυτήν. Συγκεκριμένα ο δορυφόρος αναπτύσσει τη μέγιστη ταχύτητα του όταν περνά από το περίγειο (κοντινότερο σημείο τροχιάς στη γη) και την ελάχιστη όταν περνά από το απόγειο (μακρινότερο σημείο τροχιάς από τη γη). Αν φανταστούμε μια ελλειπτική τροχιά υψηλής εκκεντρότητας, με περίγειο κοντά στα 1000km και απόγειο πάνω από το γεωστατικό υψόμετρο (35786km), τότε ο δορυφόρος θα περνά το μεγαλύτερο μέρος της περιόδου του κοντά στο απόγειο καλύπτοντας την ζητούμενη περιοχή. Για το σύντομο χρονικό διάστημα που ο δορυφόρος βρίσκεται από την μεριά του 13

26 περίγειου μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε έναν 2 ο δορυφόρο σε παρόμοια τροχιά και αντίστροφη θέση, επιτυγχάνοντας έτσι συνεχή κάλυψη της περιοχής που μας ενδιαφέρει. Για παγκόσμια κάλυψη απαιτείται η σχεδίαση ενός πιο σύνθετου συστήματος από τουλάχιστον 6 δορυφόρους. Παραδείγματα HEO τροχιών είναι οι Molniya και Tundra, μεγάλης κλίσης τροχιές (κοντά στις 63 ) σχεδιασμένες από τους σοβιετικούς για να προσφέρουν κάλυψη και στις βόρειες επαρχίες της Ρωσίας που βρίσκονται κοντά στον βόρειο πόλο και συνεπώς δεν μπορούν να εξυπηρετηθούν από γεωστατικούς δορυφόρους. Σχήμα 1.4 : Οι διάφορες τροχιές των δορυφορικών συστημάτων 1.4 Το ραδιοφάσμα των δορυφορικών εφαρμογών Υπεύθυνη για την ορθή καταχώρηση των συχνοτήτων του ραδιοφάσματος στο σύνολο των ασύρματων υπηρεσιών, επίγειων και δορυφορικών, είναι η Διεθνής Ένωση Τηλεπικοινωνιών (ITU,International Telecommunication Union). Η ITU είναι η ειδική υπηρεσία των Ηνωμένων Εθνών για θέματα τεχνολογίας πληροφορίας και επικοινωνιών (ICT). Σήμερα αριθμεί στα μέλη της 193 κράτη και πάνω από 700 ιδιωτικούς οργανισμούς και ακαδημαϊκά ιδρύματα. Στις αρμοδιότητες της περιλαμβάνονται η κατανομή του παγκοσμίου και τοπικού (σε συνεργασία με τις εθνικές αντίστοιχες υπηρεσίες) ραδιοφάσματος, η καταχώρηση και διάθεση των διαφόρων δορυφορικών τροχιών, η ανάπτυξη τεχνικών προτύπων που θα 14

27 διασφαλίζουν την απρόσκοπτη διασύνδεση τεχνολογιών και δικτύων σε παγκόσμιο επίπεδο και ο αγώνας για την διάδοση των IC τεχνολογιών στις υποβαθμισμένες περιοχές του πλανήτη, ώστε όλοι οι άνθρωποι να έχουν το δικαίωμα της επικοινωνίας και εύκολη πρόσβαση στη πληροφορία. Στο πλαίσιο της εκχώρησης συχνοτήτων η ITU έχει χωρίσει την γη σε τρεις ζώνες : - 1 η ζώνη : Ευρώπη, Αφρική, Μέση Ανατολή, οι χώρες της πρώην Σοβιετικής Ένωσης και Μογγολία - 2 η ζώνη : Αμερική, Γροιλανδία και μερικά νησιά του Ειρηνικού - 3 η ζώνη : Αυστραλία και υπόλοιπο Ασίας. Οι εκχωρήσεις συχνοτήτων σε υπηρεσίες γίνονται σε διεθνές ή τοπικό επίπεδο και διαχωρίζονται σε πρώτης και δεύτερης προτεραιότητας. Στην περίπτωση χρήσης του ίδιου εύρους συχνοτήτων από διάφορες υπηρεσίες δίνεται έμφαση στην εξυπηρέτηση πρώτα των υπηρεσιών πρώτης προτεραιότητας, ενώ όταν εμπλέκονται από 2 και πάνω υπηρεσίες πρώτης προτεραιότητας η λύση για την αποφυγή παρεμβολών επαφίεται στους χρήστες. Επομένως για την εγκατάσταση μιας νέας δορυφορικής υπηρεσίας (αλλά και ενός νέου δορυφόρου στο διάστημα) απαιτείται πρώτα η ομόφωνη έγκριση της ITU, η οποία στη συνέχεια καταχωρεί στα αρχεία της τα χαρακτηριστικά της νέας υπηρεσίας( ή του νέου δορυφόρου). Το χρησιμοποιούμενο κομμάτι του ραδιοφάσματος για δορυφορικές εφαρμογές είναι αυτό μεταξύ 1 περίπου και 30 GHz. Οι χαμηλές συχνότητες έχουν αρκετά πλεονεκτήματα αλλά είναι σε μεγάλο βαθμό κατειλημμένες καθώς συχνότητες μέχρι τα 2 περίπου GHz χρησιμοποιούνται ευρέως στις επίγειες ασύρματες επικοινωνίες, αυξάνοντας έτσι τον κίνδυνο παρεμβολών. Συχνότητες από 30 μέχρι 80 GHz είναι σε πειραματικό στάδιο και εξετάζεται η μελλοντική τους χρήση για την ικανοποίηση των όλο και μεγαλυτέρων αναγκών σε εύρος ζώνης. Σήμερα επικρατούν δυο συστήματα περιγραφής του συχνοτικού εύρους, με επιθετικούς προσδιορισμούς ή με γράμματα τις λατινικής αλφαβήτου. Η ονομασία των συχνοτικών ζωνών με κεφάλαια γράμματα χρονολογείται από τον 2 ο παγκόσμιο πόλεμο και χρησιμοποιείται ακόμα λόγω της απλότητας και της καλύτερης περιγραφής των ζωνών που χρησιμοποιούνται στις δορυφορικές τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες. Ακολουθούν τα δυο συστήματα περιγραφής συχνοτικών περιοχών. 1) Σύστημα επιθετικών προσδιορισμών μαζί με τον αντίστοιχο αριθμητικό συμβολισμό που χρησιμοποιεί η ITU. Αριθμός Ζώνης Ονομασία Ζώνης Συχνοτικό Φάσμα Μήκη Κύματος 4 Very Low Frequency 3 30 khz km (VLF) 5 Low Frequency (LF) khz 1-10 km 15

28 6 Medium Frequency khz m (MF) 7 High Frequency (HF) 3 30 MHz m 8 Very High Frequency MHz 1 10 m (VHF) 9 Ultra High Frequency MHz mm (EHF) 10 Super High Frequency 3 30 GHz mm (SHF) 11 Extremely High GHz 1 10 mm Frequency (EHF) 12 Tremendously High GHz mm frequency (THF) Πίνακας 1 : Σύστημα περιγραφής συχνοτικών περιοχών (ΙΤU) 2) Σύστημα με κεφαλαία λατινικά γράμματα και οι σημαντικότερες κατηγορίες υπηρεσιών που εκμεταλλεύονται την κάθε συχνοτική ζώνη[b. Elbert 2004] Ονομασία Ζώνης Συχνοτικό Φάσμα Σχετιζόμενες υπηρεσίες (GHz) L 1 2 MSS, UHF TV, επίγειες μικροκυματικές ζεύξεις (π.χ. τηλεοπτικές), επίγεια κινητή τηλεφωνία S 2 4 MSS,DARS (υπηρεσίες ψηφιακού ήχου και ραδιοφώνου), διαστημική έρευνα από φορείς όπως η NASA C 4 8 FSS, σταθερές επίγειες μικροκυματικές επικοινωνίες X 8 12 FSS στρατιωτικού σκοπού, DARS άνω ζεύξης, σταθερές επίγειες επικοινωνίες, δορυφόροι γήινης παρακολούθησης Ku FSS, BSS, σταθερές επίγειες επικοινωνίες K FSS, BSS,LMDS (υπηρεσίες τοπικής πολυκαναλικής διανομής), σταθερές επίγειες επικοινωνίες Ka FSS,ILDS,ISL, σταθερές επίγειες επικοινωνίες, δορυφορική φωτογράφηση Q Πειραματική/μελλοντική χρήση V Πειραματική/μελλοντική χρήση W Πειραματική/μελλοντική χρήση Πίνακας 2 : Σύστημα περιγραφής συχνοτικών περιοχών (ΙEEE) 16

29 Η χρήση των κεφαλαίων γραμμάτων εξακολουθεί να είναι πολύ δημοφιλής από τους εμπλεκομένους στη βιομηχανία δορυφορικών επικοινωνιών αλλά η ITU προτιμά στους κανονισμούς της την χρήση κατανομών συχνοτικών ζωνών και συντομογραφίες περιγραφής κατηγορίας υπηρεσιών, όπως είναι οι FSS,MSS,BSS,ISL και άλλες. Ακολουθεί μια σύντομη περιγραφή για αυτές τις τέσσερις. Fixed Satellite Service (FSS) : υπηρεσία που χρησιμοποιεί μεμονωμένο δορυφόρο ή δίκτυο αυτών, για την επικοινωνία μεταξύ σταθερών επίγειων σταθμών ή φορητών επίγειων σταθμών που λειτουργούν όμως σε σταθερά σημεία εντός προκαθορισμένων περιοχών. Στη περίπτωση δικτύου δορυφόρων μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο αυτή όσο και υπηρεσίες διαδοριφορικής ζεύξης (ISL). Mobile Satellite Service (MSS) : υπηρεσία που υποστηρίζει την επικοινωνία μεταξύ κινητών σταθμών (κινητή τηλεφωνία, ναυτικές και αεροπορικές επικοινωνίες) ή μεταξύ κινητών και σταθερών επίγειων σταθμών. Για να παρασχεθεί η συγκεκριμένη υπηρεσία μπορεί να χρειαστεί η ανάπτυξη περισσότερων του ενός δορυφόρου, όπου σε αυτή την περίπτωση απαιτείται η επίτευξη της κατάλληλης διαδοριφορικής ζεύξης. Broadcasting Satellite Service (BSS) : υπηρεσία που έχει στόχο την απευθείας λήψη από το ευρύ κοινό του σήματος που μεταδίδεται από τον δορυφόρο (π.χ. δορυφορική τηλεόραση). Μπορεί να υποστηρίξει τόσο ατομική όσο και ομαδική άμεση λήψη. Intersatellite Link (ISL) : υπηρεσία που παρέχει τις απαιτούμενες ραδιοζεύξεις μεταξύ δορυφόρων για την απευθείας επικοινωνία τους. 1.5 Βασική δομή δορυφορικού συστήματος Σχήμα 1.5 : Προς τα άνω(uplink) και προς τα κάτω(downlink) ζεύξη 17

30 Ένα δορυφορικό σύστημα αποτελείται από δυο βασικά τμήματα : το επίγειο και το δορυφορικό. Τα ακριβή στοιχειά του κάθε τμήματος εξαρτώνται από τις εφαρμογές τις οποίες καλείται να καλύψει το σύστημα και τις υπηρεσίες που θα προσφέρει. Το κοινό χαρακτηριστικό όμως όλων των δορυφορικών επικοινωνιών είναι η διαδρομή που πρέπει να ακολουθήσει το σήμα για να μεταδοθεί από ένα επίγειο σημείο (πηγή) σε ένα άλλο και χωρίζεται σε 2 μέρη : τη μετάδοση από τον επίγειο σταθμό εκπομπής προς τον δορυφόρο (προς τα άνω ζεύξη, uplink) και τη μετάδοση από τον δορυφόρο προς τον επίγειο σταθμό λήψης (προς τα κάτω ζεύξη, downlink) (Σχήμα 1). Η προηγούμενη περιγραφή αποτελεί ένα μονόδρομο σύστημα επικοινωνίας. Δορυφορικές εφαρμογές που χρησιμοποιούν τέτοιου είδους συστήματα είναι οι υπηρεσίες δορυφορικής ευρυεκπομπής ραδιοφώνου, τηλεόρασης και δεδομένων (BSS), τηλεπισκόπισης (Remote Sensing), μετάδοσης μετεωρολογικών δεδομένων, εντοπισμού θέσης (RDSS), έκτακτης ανάγκης (ανίχνευση και διάσωση, προειδοποίηση καταστροφών), τηλεμετρίας και έλεγχου, διαστημικής έρευνας και άλλες. Είναι όμως δυνατή η ύπαρξη και αμφίδρομης επικοινωνίας μεταξύ δυο τερματικών που λειτουργούν ταυτόχρονα σαν πομποί και δέκτες, μέσω ενός δορυφορικού αναμεταδότη. Σε αυτό το είδος δορυφορικής επικοινωνίας συγκαταλέγονται εφαρμογές όπως υπηρεσίες σταθερής τηλεφωνίας, τηλεομοιότυπου και υψηλού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων (FSS), κινητής τηλεφωνίας και ναυτικών/αεροπορικών επικοινωνιών (MSS) αλλά και υπηρεσίες διαδοριφορικής ζεύξης (ISS). Μια πολύ σημαντική παράμετρος που χαρακτηρίζει την ποιότητα της ραδιοζεύξης είναι ο λόγος Φέροντος προς Θόρυβο ή αλλιώς CNR (Carrier to Noise Ratio, C/N). Πρέπει να λαμβάνεται πολύ σοβαρά υπόψη κατά τη σχεδίαση τόσο της πάνω όσο και της κάτω ζεύξης, καθώς η συνολική απόδοση του συστήματος καθορίζεται και από τις δυο επιμέρους ζεύξεις. Ακολουθεί ένα πιο λεπτομερές σχηματικό διάγραμμα του βασικού δορυφορικού τηλεπικοινωνιακού συστήματος μεταξύ δυο επίγειων σταθμών. Σχήμα 1.6 : Βασικές βαθμίδες και οι επιδράσεις τους σε ένα σύστημα ψηφιακών δορυφορικών επικοινωνιών 18

31 Στην είσοδο του πομπού του επίγειου σταθμού φτάνουν τα αναλογικά ή ψηφιακά σήματα πληροφορίας (φωνής, εικόνας, δεδομένων) από τους διάφορους χρήστες του συστήματος μέσω καλωδίων ή ασύρματων ζεύξεων. Στη περίπτωση ψηφιακών σημάτων μπορεί να γίνει συμπίεση τους για ασφαλέστερη και ταχύτερη μετάδοσή τους (μικρότερος όγκος δεδομένων). Τα σήματα πολυπλέκονται και το σήμα εξόδου περνά από έναν διαμορφωτή ενδιάμεσης συχνότητας (IF, Intermediate Frequency). Στη συνέχεια το προκύπτον σήμα μεταφέρεται στην συχνότητα μετάδοσης (ραδιοσυχνότητα), όπου φιλτράρεται για να απομακρυνθούν τα ανεπιθύμητα προϊόντα της διαμόρφωσης και τέλος ενισχύεται από έναν ενισχυτή ισχύος HPA (High Power Amplifier) πριν αποσταλεί στη κεραία για εκπομπή προς τον δορυφόρο. Το Η/Μ κύμα που έχει εκπεμφθεί από την κεραία του επίγειου σταθμού και περιέχει το χρήσιμο σήμα φτάνει στην κεραία λήψης του δορυφορικού αναμεταδότη(uplink) αφού υποστεί διάφορες αποσβέσεις (περιγράφονται στο κεφάλαιο 4). Στη περίπτωση αναλογικών συστημάτων ο δορυφορικός αναμεταδότης αφού ενισχύσει το ληφθέν σήμα, απλά το διαμορφώνει σε μικρότερη ραδιοσυχνότητα (συχνότητα κάτω ζεύξης) και το επανεκπέμπει προς τον επίγειο σταθμό λήψης. Η μετατροπή σε χαμηλότερη συχνότητα αποσκοπεί στην αποφυγή παρεμβολών μεταξύ των σημάτων άνω και κάτω ζεύξης που δέχεται και εκπέμπει αντίστοιχα ο δορυφορικός αναμεταδότης. Στα ψηφιακά συστήματα από την άλλη, ο δορυφόρος διαθέτει και βαθμίδα επεξεργασίας του σήματος πριν την διαμόρφωση και τελικά την επανεκπομπή του προς τη γη. Το σήμα που φτάνει από τον δορυφόρο στον δέκτη του επίγειου σταθμού λήψης (downlink) είναι αρκετά εξασθενημένο και κατευθύνεται σε έναν ενισχυτή χαμηλού θορύβου LNA (Low Noise Amplifier). Αφού ενισχυθεί και φιλτραριστεί, μεταφέρεται στην ενδιάμεση συχνότητα (IF) μέσω ενός κάτω μετατροπέα συχνότητας και τελικά αποδιαμορφώνεται, αποπολυπλέκεται και αφού αποσυμπιεστεί (στην περίπτωση που είχε υποστεί συμπίεση στον πομπό) καταλήγει στους παραλήπτες. Σε αυτό το σημείο αξίζει να αναφερθεί μια σχετικά πρόσφατη FSS υπηρεσία που έχει αποκτήσει αρκετή δημοτικότητα σε επιχειρήσεις και ομάδες μεμονωμένων χρηστών. Πρόκειται για τα δίκτυα τερματικών πολύ μικρής επιφάνειας ή αλλιώς δίκτυα VSAT (Very Small Aperture Terminals), που δίνουν τη δυνατότητα στους χρήστες να παρακάμψουν ολόκληρα επίγεια δίκτυα. Από τις πιο δημοφιλείς εφαρμογές τους είναι η ευρεία εκπομπή δορυφορικών καναλιών τηλεόρασης και ραδιοφώνου από έναν μεγάλο κεντρικό σταθμό εκπομπής (hub) απευθείας σε οικιακούς συνδρομητές και απομακρυσμένους χρήστες, αφού το μικρό μέγεθος του δέκτη και της κεραίας λήψης (από 60cm) τα έχουν καταστήσει κατάλληλα για οικιακή χρήση. Τα δίκτυα VSAT μπορούν να λειτουργήσουν με 2 τρόπους, είτε σε τοπολογία πλέγματος (mesh), όπου κάθε τερματικό μπορεί να συνδεθεί απευθείας με οποιοδήποτε άλλο τερματικό εντός του δικτύου, είτε σε τοπολογία αστέρα (star), όπου η επικοινωνία μεταξύ των τερματικών πραγματοποιείται σε 2 βήματα, μέσω 19

32 ενός κεντρικού σταθμού που συλλέγει και προωθεί κατάλληλα την πληροφορία. Φυσικά, η πρώτη μέθοδος διασύνδεσης εισάγει αυξημένη πολυπλοκότητα στο δορυφορικό κομμάτι. Τα παραπάνω αποτυπώνονται καλυτέρα στα σχήματα 1.3 και 1.4.Τα πλεονεκτήματα των VSAT δικτύων είναι, όπως είπαμε και πριν, η παράκαμψη του δημόσιου δικτύου, που ελαχιστοποιεί πιθανά σφάλματα και καθυστερήσεις. Επίσης διευκολύνει την διαχείριση του δικτύου, καθώς σε ένα επίγειο δίκτυο επικοινωνιών μπορούν να χρησιμοποιούνται διάφορα μέσα διάδοσης (συμβατικά καλώδια, οπτικές ίνες, ασύρματες ζεύξεις) και να εμπλέκονται πολλοί πάροχοι. Επιπλέον, δεδομένου του δορυφόρου, ένα VSAT δίκτυο αναπτύσσεται ταχύτατα ( σε λιγότερο από 6 εβδομάδες) και πολύ οικονομικότερα από ένα επίγειο σύστημα, ενώ η αξιοπιστία του φτάνει σήμερα στο 99.5%, δηλαδή συγκρίσιμη ή ακόμα και καλύτερη αυτής επίγειων δικτύων, ειδικά σε απομακρυσμένες ή υποβαθμισμένες περιοχές. Από την άλλη, τα VSAT δεν ξεφεύγουν από τα γενικότερα μειονεκτήματα των δορυφορικών συστημάτων, ειδικότερα αυτών σε γεωστατική τροχιά, αφού αυτή η κατηγορία συνήθως χρησιμοποιείται για την λειτουργία τους. Τέτοια μειονεκτήματα αποτελούν η χρονική καθυστέρηση και εισαγωγή ηχούς στο σήμα λόγω της μεγάλης απόστασης με τον δορυφόρο, η πτώση της στάθμης του σήματος λόγω κακών καιρικών συνθηκών ή ευθυγράμμισης του δορυφόρου με τον Ήλιο κτλ. Σχήμα 1.7 : VSAT σε Star και Mesh τοπολογία Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως το δορυφορικό σύστημα αποτελείται από το επίγειο και το δορυφορικό τμήμα. Παρακάτω παραθέτουμε μια σύντομη περιγραφή τους. Το Επίγειο Τμήμα Όταν αναφερόμαστε στο επίγειο τμήμα συνήθως εννοούμε τους σταθμούς βάσης εκπομπής και λήψης, όμως στην ευρεία σημασία του συμπεριλαμβάνει ακόμα το τηλεπικοινωνιακό δίκτυο σύνδεσης αυτών με τους χρήστες του δικτύου, 20

33 τα τερματικά των χρηστών και το κέντρο έλεγχου του δικτύου. Στα μεγάλα και μεσαία συστήματα είναι αναγκαίες οι επίγειες ζεύξεις μεταξύ των μεγάλων σταθμών βάσης και των τερματικών των χρηστών. Αντίθετα, σε περιπτώσεις μικρών συστημάτων τα τερματικά των σταθμών μπορούν να λειτουργούν ως σταθμοί βάσης (π.χ. δίκτυα VSAT). Το μέγεθος των επίγειων σταθμών καθορίζεται από το μέγεθος της κεραίας και της εκπεμπόμενης ισχύος τους. Οι μεγάλοι σταθμοί διαθέτουν παραβολικές κεραίες με διάμετρο μεγαλύτερη των 15 μέτρων. Μικροί και κινητοί σταθμοί χρησιμοποιούν κεραίες από μέτρα. Ο γενικός σταθμός βάσης αποτελείται από τα εξής υποσυστήματα : Επικοινωνιών, που περιέχει τον εξοπλισμό του πομπού, τον εξοπλισμό του δέκτη και το σύστημα της κεραίας Παρακολούθησης και Έλεγχου Παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Στον εξοπλισμό του πομπού και του δέκτη περιλαμβάνονται κυκλώματα κωδικοποίησης, πολύπλεξης/αποπολύπλεξης, διαμόρφωσης και ενίσχυσης των σημάτων, καθώς επίσης μετατροπείς συχνότητας, φίλτρα και μέσα διάδοσης (ομοαξονικά καλώδια, κυματοδηγοί κ.α.). Το κομμάτι της κεραίας περιλαμβάνει το παραβολικό κάτοπτρο, την τροφοδοσία της, τη βάση της με το μηχανισμό κίνησης (σερβομηχανισμός, χειροκίνητη στρέψη) ανάλογα με την εφαρμογή, το σύστημα σκόπευσης του δορυφόρου κτλ. Τα διάφορα τμήματα του σταθμού βάσης θα παρουσιαστούν εκτενέστερα στο κεφάλαιο 2. Το Δορυφορικό Τμήμα Το δορυφορικό τμήμα του συστήματος περιλαμβάνει τόσο τον ίδιο τον δορυφόρο όσο και το επίγειο κέντρο έλεγχου, όπου υλοποιείται η τηλεμετρία και ο έλεγχος του δορυφόρου. Οι σύγχρονοι τηλεπικοινωνιακοί δορυφόροι είναι εξαιρετικά πολύπλοκοι και ως εκ τούτου πανάκριβοι στην κατασκευή και εκτόξευση τους. Έτσι οι εταιρίες που τους εκμεταλλεύονται πρέπει στο χρόνο ζωής τους (12 15 χρόνια) να αντισταθμίσουν τόσο το αρχικό κεφάλαιο όσο και τα λειτουργικά έξοδα. Συνεπώς άπαξ και εκτοξευτεί ο δορυφόρος, πρέπει τα συστήματα λειτουργιάς του να είναι πολύ αξιόπιστα ώστε να μη δημιουργηθούν προβλήματα που θα οδηγήσουν στην ελάττωση ή και διακοπή των υπηρεσιών του. 21

34 Σχήμα 1.8 : Υποσυστήματα ενός δορυφόρου Τα κυρίως υποσυστήματα ενός τεχνητού δορυφόρου είναι τα εξής : Το υποσύστημα επικοινωνιών Το υποσύστημα έλεγχου προσανατολισμού και τροχιάς Το προωστικό σύστημα Το υποσύστημα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας Το υποσύστημα τηλεμετρίας και εντολών Το υποσύστημα θερμικού έλεγχου Το σώμα του δορυφόρου Το υποσύστημα επικοινωνιών Ο ευρέως χρησιμοποιούμενος όρος στη διεθνή βιβλιογραφία για το υποσύστημα επικοινωνιών είναι το ωφέλιμο φορτίο του δορυφόρου (satellite payload). Κάποιος θα μπορούσε με ασφάλεια να ισχυριστεί ότι αποτελεί το σημαντικότερο κομμάτι του τηλεπικοινωνιακού δορυφόρου καθώς είναι ο λόγος για τον οποίο κατασκευάστηκε ο δορυφόρος εξ αρχής. Καθώς η χωρητικότητα του δορυφόρου είναι αυτή που αποφέρει τα κέρδη στους ιδιοκτήτες του, θα πρέπει να διαθέτει όσο περισσότερα κανάλια επικοινωνιών γίνεται. Κάτι τέτοιο βέβαια αυξάνει την απαιτουμένη ισχύ από τον δορυφόρο, δηλαδή το μέγεθος των ηλιακών κυψελών και των μπαταριών του που με τη σειρά του οδηγεί σε αύξηση του όγκου και του βάρους του δορυφόρου. Οι μεγάλοι δορυφόροι είναι πολυδάπανοι τόσο 22

35 στην κατασκευή τους όσο και στην εκτόξευση και διαχείριση τους. Συνεπώς πρέπει να βρεθεί μια χρυσή τομή μεταξύ του ωφέλιμου φορτίου και του μεγέθους του δορυφόρου. Το σύστημα επικοινωνιών αποτελείται από 2 βασικά στοιχεία : τον αναμεταδότη και το υποσύστημα κεραιών. Ο δορυφορικός αναμεταδότης είναι στην ουσία μια σειρά από κυκλώματα και διατάξεις που οδηγούν το λαμβανόμενο από τον δορυφόρο σήμα άνω ζεύξης στην κεραία εκπομπής κάτω ζεύξης. Το σύστημα επικοινωνιών ενός δορυφόρου μπορεί να περιλαμβάνει ένα πλήθος ομοίων ή διαφορετικών αναμεταδοτών. Στην περίπτωση πολλών αναμεταδοτών, συνήθως ο καθένας λειτουργεί γύρω από διαφορετική κεντρική συχνότητα. Το εύρος ζώνης λειτουργίας τους καθορίζεται από τον αριθμό τους και το συνολικό φάσμα συχνοτήτων του σήματος. Για παράδειγμα, το φάσμα στις περισσότερες C και Ku υπηρεσίες είναι 500 MHz. Έτσι για ένα τυπικό σύστημα 12 αναμεταδοτών, ο καθένας θα χρησιμοποιεί ένα εύρος ζώνης 36 MHz με 4MHz διάκενο. Συνηθισμένοι τηλεπικοινωνιακοί δορυφόροι που λειτουργούν στις ζώνες C, Ku και Ka διαθέτουν μέχρι 48 κανάλια αναμεταδοτών. Ο αριθμός των διαθέσιμων καναλιών είναι δυνατό να διπλασιαστεί με εφαρμογή τεχνικών επαναχρησιμοποίησης συχνότητας. Μια τέτοια τεχνική είναι αυτή της διπλής πόλωσης του η/μ κύματος, όπου δυο διαφορετικά σήματα διαμορφωμένα στην ίδια συχνότητα μεταδίδονται ταυτόχρονα μέσω 2 ορθογωνίως πολωμένων κυμάτων. Για την πόλωση των η/μ κυμάτων έχουν χρησιμοποιηθεί επιτυχώς τόσο η γραμμική όσο και η κυκλική πόλωση. Βέβαια κατά την διάδοση του μέσω της ατμόσφαιρας το η/μ κύμα υφίσταται εξασθένιση και αποπόλωση που εξαρτάται από χαρακτηριστικά της ατμόσφαιρας όπως οι επικρατούσες καιρικές συνθήκες, και μπορεί να δημιουργήσει παρεμβολή του ενός σήματος στο άλλο. Αυτό επηρεάζει σημαντικά την ποιότητα της ζεύξης και πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη κατά τον σχεδιασμό του συστήματος. Μια άλλη τεχνική επαναχρησιμοποίησης συχνότητας επιτυγχάνεται με ένα σύστημα λεπτών δεσμών. Με αυτή την τεχνική γίνεται χωρικός διαχωρισμός των σημάτων, δηλαδή τα δυο σήματα εκπέμπονται πάλι ταυτόχρονα αλλά σε διαφορετικά σημεία εντός της επιφάνειας κάλυψης του δορυφόρου, μέσω μικρότερων διαφορετικών ακτινών δέσμης. Αυτό έχει βέβαια το μειονέκτημα της μείωσης της συνολικής επιφάνειας κάλυψης. Συνδυασμός των 2 παραπάνω μεθόδων μπορεί να δώσει υψηλούς συντελεστές επαναχρησιμοποίησης της ίδιας συχνότητας. Ο δορυφορικός αναμεταδότης μπορεί να είναι 2 τύπων. Αναμεταδότης μεταφοράς συχνότητας, γνωστός και ως απλός επαναλήπτης ή κυρτού σωλήνα (bent pipe). Είναι ο πρώτος που κατασκευάστηκε και ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος. Ειδικά σε αναλογικά συστήματα επικοινωνιών είναι η μόνη επιλογή. Η βασική του λειτουργία είναι να λαμβάνει το σήμα άνω ζεύξης από την έξοδο της κεραίας λήψης του δορυφόρου, να το ενισχύει, και αφού το μεταφέρει στην χαμηλότερη συχνότητα κάτω ζεύξης να το επανεκπέμψει προς τη γη. Πιο αναλυτικά, το λαμβανόμενο σήμα περάνει από ένα ζωνοπερατό φίλτρο εύρους 23

36 συνήθως 500 MHz ώστε το φιλτραρισμένο σήμα να βρίσκεται στην περιοχή GHz για την C ζώνη λειτουργίας και GHz για την Ku. Στη συνέχεια το φιλτραρισμένο σήμα ενισχύεται μέσω ενός ενισχυτή χαμηλού θορύβου (Low Noise Amplifier, LNA) και μεταφέρεται με τη βοήθεια τοπικού ταλαντωτή στη περιοχή της συχνότητας καθόδου, δηλαδή στις συχνότητες GHz για τη C ζώνη και GHz για την Ku ζώνη. Εκεί μπορεί να λάβει πάλι κάποια ενίσχυση, ώστε να οδηγηθεί στον πολυπλέκτη εισόδου όπου θα διαχωριστεί σε πολλά κανάλια, ανάλογα με τις απαιτήσεις του συστήματος και τη χρήση τεχνικών αναχρησιμοποίησης συχνότητας, για επεξεργασία από τους επιμέρους ξεχωριστούς αναμεταδότες. Στον αναμεταδότη του κάθε καναλιού λαμβάνει χώρα το τελικό στάδιο ενίσχυσης του σήματος μέσω ενισχυτών υψηλής ισχύος (TWTA ή SSPA) και των κατάλληλων προενισχυτών τους. Οι έξοδοι των αναμεταδοτών συνδέονται στον πολυπλέκτη εξόδου, ο οποίος τις επανασυνδέει σε ένα σήμα και αφού το φιλτράρει για την εξάλειψη των ανεπιθύμητου συχνοτικού περιεχομένου που προστέθηκε κατά το στάδιο της ενίσχυσης, το οδηγεί στην είσοδο της κεραίας εκπομπής. Σε άλλους δορυφορικούς επαναλήπτες το σήμα αποδιαμορφώνεται (down convert) πρώτα σε μια ενδιάμεση συχνότητα (IF) όπου αφού ενισχυθεί εκεί στη συνέχεια ξαναδιαμορφώνεται στην συχνότητα εκπομπής κάτω ζεύξης (up convert), για να οδηγηθεί στις τελικές βαθμίδες ενίσχυσης. Το μειονέκτημα του απλού επαναλήπτη είναι η αλληλεξάρτηση της άνω με την κάτω ζεύξη, καθώς οποία υποβάθμιση και παρεμβολή δεχτεί το σήμα άνω ζεύξης κατά τη διάδοση του στην ατμόσφαιρα θα περάσει μέσω του αναμεταδότη στην κάτω ζεύξη. Σχήμα 1.9 : Δορυφορικός αναμεταδότης τύπου bent pipe Αναμεταδότης με δυνατότητα επεξεργασίας, επίσης γνωστός ως αναγεννητικός επαναλήπτης και έξυπνος δορυφόρος (smart satellite). Είναι παρόμοιος με τον απλό επαναλήπτη αλλά διαθέτει επιπλέον μια βαθμίδα επεξεργασίας σήματος, γι αυτό και είναι κατάλληλος για ψηφιακά συστήματα ραδιοεπικοινωνιών. Συγκεκριμένα μετά το αρχικό φιλτράρισμα και την ενίσχυση στον δέκτη το σήμα αποδιαμορφώνεται μέσω τοπικών ταλαντωτών κάτω μετατροπής συχνότητας (downconverters) στη βασική ζώνη όπου πραγματοποιούνται διεργασίες 24

37 επεξεργασίας σημάτων όπως ενίσχυση, διόρθωση λαθών, κωδικοποίηση, ανάπλαση κ.α. Τέλος το επεξεργασμένο σήμα αναδιαμορφώνεται με πάνω μετατροπείς (upconverters) στη συχνότητα κάτω ζεύξης και οδηγείται στους αναμεταδότες τελικής ενίσχυσης. Επιτυγχάνεται έτσι η αφαίρεση των αλλοιώσεων και του θορύβου άνω ζεύξης από το σήμα, ανεξαρτητοποιώντας τις δυο ζεύξεις και βελτιώνοντας σημαντικά την επίδοση της συνολικής δορυφορικής σύνδεσης. Το υποσύστημα κεραιών περιλαμβάνει τόσο την φυσική επιφάνεια των κεραιών όσο και άλλες απαραίτητες διατάξεις όπως την τροφοδοσία τους, την βάση τους με τον αντίστοιχο μηχανισμό στρέψης, τη σύνδεση τους με το δέκτη ή τον πομπό, το σύστημα έλεγχου σκόπευσης, οι οποίες είναι απαραίτητες για τη σωστή λειτουργία του συστήματος τηλεπικοινωνίας. Οι κεραίες έχουν ουσιώδη ρόλο στο τηλεπικοινωνιακό δορυφορικό σύστημα καθώς είναι αυτές που εστιάζουν στην κατάλληλη περιοχή δυναμώνοντας το σήμα λήψης ή εκπομπής ώστε αυτό να μπορεί να ανιχνευτεί από τους δέκτες του δορυφορικού και επίγειου κομματιού και να επιτευχτεί εν τέλει η μετάδοση της πληροφορίας. Σημαντικά στοιχεία των κεραιών είναι το κέρδος τους, το εύρος δέσμης του κυρίου λοβού τους αλλά και αυτό των πλευρικών, μαζί με την ισχύ και τον προσανατολισμό τους, με λίγα λόγια το διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας. Το κέρδος της κεραίας μετριέται σε dbi και εκφράζει την κατευθυντικότητα της, που είναι ένα μέτρο της πυκνότητας ισχύος που ακτινοβολεί/λαμβάνει προς/από μια συγκεκριμένη κατεύθυνση σε σχέση με τη πυκνότητα ισχύος που ακτινοβολεί/λαμβάνει μια ισοτροπική κεραία (ομοιόμορφη κατανομή της πυκνότητας ισχύος σε όλες τις κατευθύνσεις), δεδομένης της ίδιας συνολικής ισχύος ακτινοβολίας. Το εύρος δέσμης κυρίου λοβού συνήθως εκβράζεται με τη γωνία ημίσεως ισχύος ή γωνία 3dB, που ορίζεται ως η γωνία μεταξύ των διευθύνσεων εκατέρωθεν του μέγιστου όπου η ισχύς λαμβάνει τιμές ίσες με το μισό της μέγιστης. Οι πλευρικοί λοβοί εκφράζουν το μέγεθος του κέρδους (άρα και της ισχύος) στις διευθύνσεις εκτός του άξονα σκόπευσης της κεραίας και είναι συνήθως ανεπιθύμητοι. Γι αυτό τα δορυφορικά συστήματα απαιτούν κεραίες υψηλής κατευθυντικότητας και αμελητέων πλευρικών λοβών. Τα είδη κεραιών που χρησιμοποιούνται στους δορυφόρους για την επίτευξη αυτών των προδιαγραφών είναι η γραμμική διπολική κεραία, η χοανοκεραία, η παραβολική κεραία και διάφορες στοιχειοκεραίες. Η κεραία γραμμικού δίπολου είναι ότι πιο κοντινό διαθέτουμε στην ισοτροπική κεραία και ανήκει στην κατηγορία των πανκατευθυντικών κεραιών (Omni). Τέτοιες κεραίες στον δορυφόρο χρησιμοποιούνται σε συχνότητες μέχρι 3GHz για υπηρεσίες ανίχνευσης, τηλεμετρίας και λήψης εντολών. Επίσης χρησιμοποιούνται τόσο κατά την εκτόξευση όσο και για την παρακολούθηση LEO δορυφόρων που δεν διαθέτουν σύστημα σταθεροποίησης θέσης και προσανατολισμού. Το μειονέκτημα βέβαια 25

38 αυτών των κεραιών είναι το μικρό τους κέρδος γι αυτό και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μακρινές αποστάσεις. Η χοανοκεραία ή κεραία χοάνης είναι στην ουσία ένας διευρυμένος κυματοδηγός που έχει ανοιχτή τη μία πλευρά του για να εκπέμπει ή να λαμβάνει αντίστοιχα τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Χρησιμοποιείται σε συχνότητες μεγαλύτερες από 4 GHz και χαρακτηρίζεται από μεγάλο εύρος δέσμης μισής ισχύος, γύρω στις 10 (κατάλληλος για εφαρμογές που απαιτούν μεγάλη επιφάνεια κάλυψης) και μέτριες τιμές κέρδους (μέχρι 20dBi). Η παραβολική κεραία ή κεραία παραβολικού ανακλαστήρα είναι η πιο διαδεδομένη κεραία στις δορυφορικές επικοινωνίες. Αποτελείται από τον παραβολικό ανακλαστήρα στην εστία του οποίου τοποθετούνται μια η περισσότερες χοανοκεραίες ως τροφοδοσία. Επιτυγχάνονται έτσι μεγαλύτερη κατευθυντικότητα, με εύρος ακτίνας κοντά στη 1 και κέρδος από 25 μέχρι και πάνω από 60 dbi σε λειτουργία στις C, Ku, Ka ζώνες και ανάλογα με το μέγεθος της κεραίας. Λόγω του μικρού εύρους της ακτίνας είναι σχεδόν απαραίτητη η εγκατάσταση στο δορυφόρο μηχανικών διατάξεων στρέψης της κεραίας και για την στόχευση της στην επιθυμητή γήινη επιφάνεια. Η στοιχειοκεραία αποτελείται από πολλά μικρά όμοια στοιχεία, όπως γραμμικά δίπολα, χοανοκεραίες κ.α., τα οποία με κατάλληλο έλεγχο της φάσης του σήματος με το οποίο τροφοδοτούνται, μπορούν να δώσουν το επιθυμητό διάγραμμα ακτινοβολίας. Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να διαμορφώσουμε ηλεκτρονικά κάθε φορά το εύρος και την κατεύθυνση της ακτίνας, χωρίς την ανάγκη φυσικών μηχανισμών στρέψης, ενώ αυξάνοντας τον αριθμό των στοιχείων αυξάνουμε το κέρδος της κεραίας, που μπορεί να φτάσει και αυτό των παραβολικών κατόπτρων. Το υποσύστημα έλεγχου στάσης και τροχιάς Όταν αναφερόμαστε στη στάση του δορυφόρου εννοούμε τον προσανατολισμό του σε σχέση με τη γη. Διάφορες δυνάμεις που δέχεται ο δορυφόρος από το περιβάλλον του, όπως βαρυτική έλξη από το φεγγάρι και τον ήλιο, πίεση ηλιακής ακτινοβολίας, μη ομοιόμορφο βαρυτικό και μαγνητικό πεδίο της γης, δημιουργούν ροπές που τείνουν να αλλάξουν την στάση του. Ο ακριβής έλεγχος του προσανατολισμού του δορυφόρου επιβάλλεται από τις κεραίες λεπτής δέσμης που διαθέτει ( 1 ), ώστε αυτές να στοχεύουν πάντα στο σωστό σημείο πάνω στη γη. Επιτυγχάνεται με ανιχνευτές στάσης του δορυφόρου και τη διενέργεια 26

39 των κατάλληλων διορθωτικών κινήσεων. Οι ανιχνευτές στάσης μπορούν να είναι ηλιακοί, ορίζοντα, ραδιοσυχνότητας, εσωτερικοί και laser. Οι ηλιακοί ανιχνευτές είναι φωτοβολταϊκά στοιχεία που μετράνε τη γωνία μεταξύ ενός άξονα αναφοράς του δορυφόρου και της διεύθυνσης του ήλιου, μέσω της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Έχουν την καλύτερη ακρίβεια από όλους (0.005 ). Οι ανιχνευτές ορίζοντα είναι στην ουσία ανιχνευτές υπερύθρου στο φάσμα απορρόφησης του διοξειδίου του άνθρακα (μήκη κύματος μm). Ανιχνεύοντας το περίγραμμα της γης είναι σε θέση να προσδιορίσουν τη θέση της σε σχέση με τον δορυφόρο, ενώ χρησιμοποιώντας πολλούς μαζί (4 συνήθως) μπορούν να προσδιορίσουν ένα σημείο αναφοράς όπως το κέντρο της γης και να ανιχνεύσουν οποιαδήποτε απόκλιση ως προς αυτό. Η ακρίβεια τους κυμαίνεται κοντά στις Οι ανιχνευτές ραδιοσυχνότητας είναι ανιχνευτές ραδιοκυμάτων που εκπέμπονται από ειδικούς σταθμούς σε διάφορα σημεία της γης (σταθμοί-φάροι). Η ακρίβεια τους εξαρτάται από τη συχνότητα λειτουργίας και τα χαρακτηριστικά των κεραιών που διαθέτουν και μπορεί να φτάσει αυτή των ανιχνευτών ορίζοντα. Οι εσωτερικοί ανιχνευτές είναι στην ουσία γυροσκόπια εγκατεστημένα στο σώμα του δορυφόρου, όπως παραδείγματος χάρη τα γυροσκόπια ελέγχου στροφορμής. Τέλος, οι ανιχνευτές laser χρησιμοποιούν ακτίνες laser για την ανίχνευση της σχετικής θέσης του δορυφόρου ως προς τη γη. Με βάση τα δεδομένα των ανιχνευτών δημιουργείται ένα σήμα έλεγχου που στέλνεται στους μηχανισμούς διόρθωσης θέσης που συμπεριλαμβάνουν : Συσκευές ελέγχου της στροφορμής, όπως είναι οι τροχοί αντίδρασης που μεταβάλλουν τη ταχύτητα περιστροφής γύρω από τον επιθυμητό άξονα, και τα γυροσκόπια ελεγχόμενης στροφορμής που αλλάζουν την κλίση του ίδιου του άξονα περιστροφής του ρότορα, επιτυγχάνοντας την επιθυμητή ροπή στρέψης του δορυφόρου. Το πλεονέκτημα αυτών των συσκευών είναι η μη χρήση των διαθέσιμων καυσίμων. Προωθητές αερίων και πλάσματος, που δημιουργούν ροπές εκτοξεύοντας αέρια από τα κατάλληλα ακροφύσια. 27

40 Πηνία τα οποία διαρρεόμενα από ρεύμα δημιουργούν το αντίστοιχο μαγνητικό πεδίο, το οποίο αλληλεπιδρώντας με αυτό της γης δημιουργεί τις επιθυμητές ροπές στρέψης. Ο έλεγχος της τροχιάς του δορυφόρου γίνεται με παρόμοιο τρόπο. Κατά την περίοδο λειτουργίας του ένας δορυφόρος λόγω των δυνάμεων που αναφέρθηκαν παραπάνω ένας δορυφόρος υπόκειται σε διάφορες ολισθήσεις που τείνουν να τον βγάλουν από την προκαθορισμένη τροχιά του. Οι ολισθήσεις αυτές μπορούν να λάβουν χώρα είτε στο γεωγραφικό μήκος (διεύθυνση ανατολής-δύσης) είτε στο γεωγραφικό πλάτος (διεύθυνση βορρά-νότου) είτε στο υψόμετρο του δορυφόρου. Ειδικά στις περιπτώσεις γεωστατικών τροχιών τα προηγούμενα αποκτούν πολλή μεγάλη σημασία. Αφού εντοπιστεί η ακριβής θέση του δορυφόρου με καθορισμό της γωνίας ανύψωσης και της απόστασης του από τη γη, ενεργοποιούνται οι κατάλληλοι προωθητήρες που ενεργούν αντίθετα στην ολίσθηση και επαναφέρουν το σκάφος στην ονομαστική του τροχιά. Η σημαντικότερη ολίσθηση είναι αυτή στην γωνία ανύψωσης (γεωγραφικό πλάτος) που είναι σχεδόν 1 ανά έτος και για την διόρθωση της οποίας σπαταλιέται το μεγαλύτερο μέρος του προωθητικού καυσίμου. Ανάλογα με το είδος της τροχιάς και τη συχνότητα λειτουργίας του δορυφορικού συστήματος θέτονται διαφορετικές προδιαγραφές στην επιτρεπόμενη απόκλιση στην κάθε διεύθυνση από την καθορισμένη τροχιά. Έτσι δημιουργείται ένα κουτί γύρω από την ονομαστική τροχιά μέσα στο οποίο επιτρέπεται να βρίσκεται ο δορυφόρος. Για έναν γεωστατικό δορυφόρο στην C ζώνη λειτουργίας για παράδειγμα, το κουτί έχει διαστάσεις 150 km στο γεωγραφικό μήκος και πλάτος και 72 km στο ύψος ή αλλιώς επιτρεπτές αποκλίσεις 0.1 και 1% αντίστοιχα. Γίνεται εύκολα κατανοητό ότι όσο μικρότερο είναι το μέγεθος του κουτιού τόσο ευκολότερη η παρακολούθηση του δορυφόρου από την κεραία στη γη. Το προωστικό υποσύστημα Αποτελείται από το υγρό καύσιμο και τους αναγκαίους οξειδωτές, τους προωθητήρες και το σύστημα έλεγχου τους. Οι προωθητήρες είναι χημικοί (συνήθως υδραζίνης) ή ηλεκτρικοί (ιοντικοί ή πλάσματος) και πρέπει να δίνουν μικρές ωθήσεις, μέχρι μερικά Nm. Η απαιτούμενη μάζα προωθητικού υλικού που χρειάζεται για μια μεταβολή dv της ταχύτητας του δορυφόρου δίνεται από τον τύπο όπου η ολική μάζα του δορυφόρου, και η ταχύτητα και η εξερχόμενη μάζα αντίστοιχα του εκτοξευόμενου προωθητικού. 28

41 Ένα χαρακτηριστικό μέγεθος του χρησιμοποιούμενου καυσίμου είναι η ειδική ώθηση I w που ορίζεται ως η ώθηση που προσδίδει στο σκάφος του δορυφόρου προς το βάρος της ποσότητας του που εκτοξεύεται και δίνεται από τον τύπο ( ) ( ) ( ) Δηλαδή ισούται με την ταχύτητα του εκτοξευόμενου αερίου προς την επιτάχυνση της βαρύτητας και έχει μονάδες χρόνου. Η μάζα του καυσίμου πριν την απογείωση είναι υπεύθυνη για το % του συνολικού βάρους του δορυφόρου και καθορίζει τον χρόνο ζωής του τελευταίου καθώς στους περισσότερους δορυφόρους το προωθητικό τελειώνει πριν την εμφάνιση προβλημάτων στα υπόλοιπα συστήματα λειτουργίας. Το υποσύστημα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας Η ηλεκτρική ισχύς που χρειάζεται ο δορυφόρος για την σωστή λειτουργία όλων των συστημάτων του, συμπεριλαμβανομένης και της πολύ σημαντικής βαθμίδας ενίσχυσης του σήματος κάτω ζεύξης, παρέχεται κυρίως από διατάξεις ηλιακών κυψελών οι οποίες μετατρέπουν την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας ή αλλιώς ηλιακή σταθερά υπολογίζεται σε 1353 W/m 2 συνεπώς για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών ενός δορυφόρου, οι οποίες ανέρχονται σε λίγα KW, είναι αναγκαία η ανάπτυξη ενός μεγάλου αριθμού κυψελών, καθώς η απόδοση των τελευταίων ξεκινά περίπου από το 25% στην αρχή της ζωής τους και καταλήγει κάτω από το 10% κοντά στο τέλος της ( 15 χρόνια). Φυσικά όσες περισσότερες οι ηλιακές κυψέλες τόσο μεγαλύτερος και βαρύτερος ο δορυφόρος. Επιπλέον της πρωτογενούς ενεργειακής πηγής του ο δορυφόρος διαθέτει και επαναφορτιζόμενες μπαταριές, η οποίες αποθηκεύουν ηλεκτρική ενέργεια από τις κυψέλες και την παρέχουν όταν κρίνεται αναγκαίο, π.χ. σε περιόδους ηλιακών εκλείψεων όπου δεν φωτίζονται οι κυψέλες. Οι εκλείψεις αυτές είναι προβλέψιμες και ο μέγιστος χρόνος διάρκειάς τους για έναν γεωστατικό δορυφόρο είναι περίπου 70 λεπτά (στην εαρινή και φθινοπωρινή ισημερία). Οι συνηθέστεροι τύποι χρησιμοποιούμενων μπαταριών είναι οι νικελίου καδμίου (Ni-Cd) που είναι πολύ αξιόπιστες και με μεγάλη διάρκεια ζωής και οι νικελίου υδρογόνου (NiH 2 ) που είναι αποδοτικότερες και ελαφρύτερες. Το υποσύστημα ηλεκτρικής ισχύος συμπληρώνουν κυκλώματα διανομής, παρακολούθησης και ελέγχου της παραγόμενης και αποθηκευμένης ενέργειας. Οι συστοιχίες ηλιακών κυψελών και οι διάφοροι συσσωρευτές ξεπερνούν το 10% του συνολικού βάρους του δορυφόρου. 29

42 Το υποσύστημα τηλεμετρίας και εντολών Είναι ένα πολύ σημαντικό υποσύστημα του δορυφόρου καθώς περιλαμβάνει όλες εκείνες τις λειτουργιές που είναι απαραίτητες για τη διαχείριση και τον έλεγχο όλων των υπόλοιπων υποσυστημάτων και τελικά την ασφαλή λειτουργία του ίδιου του δορυφόρου. Συνήθως διαθέτει τις δικές του κεραίες επικοινωνίας με τη γη και μπορεί να λειτούργει σε διαφορετική ζώνη συχνοτήτων από το υποσύστημα επικοινωνιών. Επικοινωνεί συνήθως με ειδικούς επίγειους σταθμούς που καλούνται σταθμοί ελέγχου και είναι υπεύθυνοι για την αποστολή των σημάτων ελέγχου στον δορυφόρο ώστε να λειτουργούν ορθά όλα τα συστήματά του και να συγκρατείται στην ονομαστική του τροχιά. Το υποσύστημα τηλεμετρίας και εντολών είναι υπεύθυνο για τις παρακάτω λειτουργίες : Εντοπισμού και ιχνηλάτισης του δορυφόρου, που συνήθως γίνεται μέσω της εκπομπής από τον δορυφόρο ειδικών αναγνωριστικών σημάτων. Αυτά λαμβάνονται από τις κεραίες των σταθμών ελέγχου και μέσω της ολίσθησης Doppler στη συχνότητα του σήματος μπορεί να προσδιοριστεί η ταχύτητα του δορυφόρου, ενώ μέσω μετρήσεων των γωνιών ανύψωσης και αζιμούθιου από μια η περισσότερες κεραίες προσδιορίζεται η θέση του. Η απόσταση του δορυφόρου από το σημείο του γήινου σταθμού έλεγχου μπορεί να υπολογιστεί από τη χρονική καθυστέρηση με την οποία φτάνουν τα σήματα από τον δορυφόρο. Τηλεμετρίας, που συνιστάται στην συγκομιδή των δεδομένων από όλους τους σένσορες των διάφορων υποσυστημάτων του δορυφόρου, όπως είναι τάσεις και ρεύματα από διάφορα κυκλώματα στην τροφοδοσία, επίπεδο δεξαμενής καυσίμου, θερμοκρασία σε διάφορα σημεία-κλειδιά, κατάσταση των κυκλωμάτων του αναμεταδότη, δεδομένα από τους ανιχνευτές θέσης και προσανατολισμού του σκάφους και άλλα. Τα σήματα δεδομένων αφού διαμορφωθούν με χρήση PSK ή FSK μεθόδου, αποστέλλονται στον σταθμό ελέγχου με ρυθμό μετάδοσης μερικών εκατοντάδων bps. Ελέγχου, με την αποστολή από τον επίγειο σταθμό των κατάλληλων εντολών αφού επεξεργαστεί τα δεδομένα τηλεμετρίας που έχει λάβει από το δορυφόρο. Τέτοιες εντολές αποσκοπούν μεταξύ άλλων στον έλεγχο της λειτουργίας και της στόχευσης των κεραιών, ενεργοποίηση των προωθητών και άλλων συσκευών σχετικών με τον έλεγχο της στάσης και της τροχιάς του δορυφόρου, επιβολή αλλαγών στον τρόπο λειτουργιάς των αναμεταδοτών, μεταβολή του προσανατολισμού των φωτοβολταϊκών στοιχείων, έλεγχο των παραμέτρων του συστήματος τροφοδοσίας και έλεγχο της θερμοκρασίας σε διάφορα σημεία του δορυφόρου. Τα σήματα εντολών είναι συνήθως κρυπτογραφημένα για αποφυγή λανθασμένων χειρισμών από τυχαίες ή 30

43 ηθελημένες παρεμβολές. Η ασφάλεια της επικοινωνίας ενισχύεται από την πολλαπλή μετάδοση κάθε εντολής πριν την εκτέλεση της για την εξασφάλιση της λήψης και της πιστότητάς της. Το υποσύστημα θερμικού έλεγχου Οι σκάφος του δορυφόρου και τα διάφορα συστήματά του είναι σχεδιασμένα να λειτουργούν σε συγκεκριμένα όρια θερμοκρασίας. Πηγές θερμότητας για τον δορυφόρο είναι τόσο η ηλιακή ακτινοβολία όσο και η λειτουργία των διαφόρων κυκλωμάτων που διαθέτει. Οι θερμοκρασίες που αναπτύσσονται πρέπει να ελέγχουν αλλιώς μπορεί να προκαλέσουν διαστολή και συστολή του σκάφους του δορυφόρου με πολύ δυσμενή αποτελέσματα για την δομή και τη στάση του, καθώς ένα μέρος του λαμβάνει συνέχεια ηλιακή θερμική ακτινοβολία ενώ το άλλο βιώνει τις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες του διαστήματος. Επίσης οι επιφάνειες μεγάλων κεραιών μπορεί να παραμορφωθούν για τον ίδιο λόγο με καταστροφικές συνέπειες για το κέρδος και την σκόπευση της ακτίνας τους. Για τον έλεγχο της θερμοκρασίας χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνικές όπως κάλυψη των διάφορων κομματιών του δορυφόρου με θερμικές ασπίδες ή η χρήση καθρεφτών γύρω από ευαίσθητα και σημαντικά κομμάτια του εξοπλισμού για την ανάκλαση της ακτινοβολίας. Οι προηγούμενες μέθοδοι ανήκουν στον παθητικό θερμοκρασιακό έλεγχο, ενώ ο ενεργητικός περιλαμβάνει αντλίες θερμότητας για την καλύτερη απαγωγή της θερμότητας από τις πηγές που την δημιουργούν προς τα εξωτερικά στρώματα του δορυφόρου και ηλεκτρικούς θερμαντήρες για την συγκράτηση της θερμοκρασίας σε ανεκτά επίπεδα για αρκετές συσκευές όπως οι προωθητήρες που δεν μπορούν να λειτουργήσουν σε χαμηλές θερμοκρασίες. Το σώμα του δορυφόρου Όλα τα υποσυστήματα και ο εξοπλισμός που περιγράφτηκαν προηγουμένως πρέπει να εγκατασταθούν πάνω σε μια στέρεα και αξιόπιστη μηχανική βάση, που αποτελεί το φυσικό σώμα του δορυφόρου, γνωστό και ως σκάφος ή λεωφορείο του δορυφόρου. Το σχήμα του σκάφους εξαρτάται από τη μέθοδο σταθεροποίησης της θέσης και του προσανατολισμού του δορυφόρου και μπορεί να είναι κυλινδρικό, για σταθεροποίηση περιστροφής γύρω από έναν άξονα αναφοράς (τον άξονα του κυλίνδρου), ή οποιουδήποτε άλλου στερεού σχήματος (π.χ. κυβικό με πτερύγια ηλιακών κυψελών) για σταθεροποίηση γύρω και από τους τρεις άξονες του δορυφόρου. Η μερίμνα για την προστασία του δορυφόρου από την θερμοκρασία και τις συγκρούσεις με διάφορα σωμάτια στο διάστημα γίνεται με την χρησιμοποίηση των κατάλληλων υλικών για την κάλυψη του εξωτερικού μέρους του δορυφόρου, την κατασκευή των διάφορων συσκευών απαγωγής θερμότητας κτλ. 31

44 Σχήμα 1.10 : Λειτουργικό διάγραμμα δορυφόρου 1.6 Μέθοδοι πρόσβασης στον δορυφόρο Ο δορυφορικός αναμεταδότης αποτελεί έναν τηλεπικοινωνιακό κόμβο διάμεσου του οποίου όλοι οι χρήστες του συστήματος πρέπει να διασυνδέονται ανεμπόδιστα και αποδοτικά. Κάθε δορυφόρος είναι προσβάσιμος από πολλούς σταθμούς βάσης απαιτώντας έτσι την ταυτόχρονη λειτουργιά πολλών καναλιών για την ικανοποίηση των συνολικών επικοινωνιακών αναγκών. Ένα από τα πιο σύνθετα προβλήματα ενός επικοινωνιακού δορυφόρου είναι η ορθή κατανομή του φάσματος συχνοτήτων και του τηλεπικοινωνιακού εξοπλισμού του για την εξυπηρέτηση όλων των χρηστών που συνδέονται σε αυτόν. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι πολλαπλής προσπέλασης (Multiple Access, MA) του δορυφόρου από πολλούς επίγειους σταθμούς. Οι βασικότερες είναι με διαίρεση συχνότητας (FDMA), με διαίρεση χρόνου (TDMA) και με διαίρεση κώδικα (CDMA). H επιλογή του κατάλληλου συστήματος πολλαπλής προσπέλασης γίνεται με κριτήριο τη βελτιστοποίηση του τηλεπικοινωνιακού συστήματος ως προ διάφορα χαρακτηριστικά του, όπως: Την αποδοτικότητα του συχνοτικού φάσματος Την ενεργειακή αποδοτικότητα Την ελαχιστοποίηση των εισαγόμενων καθυστερήσεων Την άμεση προσαρμογή σε αυξημένη τηλεπικοινωνιακή κίνηση ή επέκταση του δικτύου 32

45 Την πολυπλοκότητα και το κόστος υλοποίησης Το σύστημα FDMA (Frequency Division Multiple Access) Το διαθέσιμο φάσμα συχνοτήτων άνω ζεύξης κάθε δορυφόρου διαιρείται σε μικρότερα τμήματα που ονομάζονται κανάλια επικοινωνίας, κάθε ένα από τα οποία εκχωρείται σε έναν επίγειο σταθμό εκπομπής. Κάθε κανάλι διαθέτει τη δική του φέρουσα και ίσο εύρος ζώνης, ενώ διαχωρίζονται μεταξύ τους μέσω συχνοτικών διαστημάτων ασφαλείας για την αποφυγή παρεμβολών. Ο αριθμός των καναλιών (που καθορίζει και το εύρος τους) εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του επικοινωνιακού συστήματος ενώ το εύρος των διαστημάτων ασφαλείας από τον λόγο ισχύος φέρουσας προς θόρυβο παρεμβολής γειτονικών φερουσών (C/I) και συνήθως απαιτούμε να είναι πάνω από 20dBi για την θεώρηση των παρεμβολών ως αμελητέων. Η αντίστοιχη διαδικασία πραγματοποιείται και στην κάτω ζεύξη, όπου κάθε φέρουσα άνω ζεύξης μετατρέπεται από τους αναμεταδότες του δορυφόρου στην αντίστοιχη φέρουσα κάτω ζεύξης. Οι επίγειοι σταθμοί λήψης, αφού λάβουν σήματα όλων των συχνοτήτων του φάσματος κάτω ζώνης, με διαδικασίες αποπολύπλεξης κρατάει τη κατάλληλη ζώνη συχνοτήτων για επικοινωνία με τον αντίστοιχο σταθμό εκπομπής. Ο καταμερισμός της συχνότητας στους διάφορους φορείς μπορεί να γίνει με δύο τρόπους: με στατική εκχώρηση( fixed access, FA) ενός προκαθορισμένου κομματιού του φάσματος σε κάθε σταθμό, ή με δυναμική εκχώρηση (Demand Assigned Multiple Access, DAMA) των διαθέσιμων καναλιών στους συνδεδεμένους σταθμούς ανάλογα με την ζήτηση και τις ανάγκες του συστήματος. Οι χρησιμοποιούμενες τεχνικές FDMA διακρίνονται σε ανάθεση ενός καναλιού ανά φορέα (Single Carrier Per Channel, SCPC) και σε συστήματα πολλαπλών καναλιών ανά φορέα (MCPC). Η πρώτη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τηλεφωνικές συνδιαλέξεις μικρής κλίμακας αφού για έναν αναμεταδότη φάσματος 36 MHz μπορεί να διαθέσει το πολύ 800 κανάλια, δηλαδή εξυπηρέτηση 400 ταυτόχρονων κλήσεων, ενώ μπορεί να συνδυαστεί με μεθόδους DAMA. Τα συστήματα FDMA μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για αναλογικές όσο και για ψηφιακές επικοινωνίες, με την κατάλληλη πάντα διαμόρφωση (συστήματα FDM/FM/FDMA, PCM/TDM/PSK/FDMA κτλ). Συνηθισμένες εφαρμογές τους είναι σε υπηρεσίες αναλογικής αλλά και ψηφιακής τηλεφωνίας, τηλεοπτικού σήματος και μεταφοράς δεδομένων. Το σύστημα TDMA (Time Division Multiple Access) Σε αντίθεση με την προηγούμενη μέθοδο, στην TDMA κάθε επίγειος σταθμός μεταδίδει στο ίδιο εύρος συχνοτήτων. Αυτό που αλλάζει είναι ότι ο καταμερισμός 33

46 γίνεται στο πεδίο του χρόνου και όχι της συχνότητας. Αυτό επιτυγχάνεται με την περιοδική εκχώρηση σε κάθε επίγειο σταθμό ενός συγκεκριμένου χρονικού διαστήματος (time slot, χρονοθυρίδα) κατά το οποίο η χρήση του δορυφορικού αναμεταδότη γίνεται αποκλειστικά από τον συγκεκριμένο σταθμό. Κατά τη διάρκεια της χρονοθυρίδας ο σταθμός εκπέμπει συμπιεσμένη την ψηφιακή πληροφορία σε μία ριπή (burst). Η συνολική διάρκεια των χρονοθυρίδων όλων των επίγειων σταθμών καλείται χρονικό πλαίσιο (TDMA frame ) και είναι της τάξης των λίγων ms. Στη διάρκεια του χρονικού πλαισίου, οι πληροφορίες προς αποστολή στον κάθε σταθμό συγκεντρώνονται και αποθηκεύονται υπό την μορφή πακέτων σε μία μνήμη συμπίεσης, η οποία όταν έρθει η χρονοθυρίδα του σταθμού της ανακτά τις πληροφορίες πολύ γρήγορα και τις αποστέλλει σε μία ριπή. Καλείται μνήμη συμπίεσης γιατί συμπιέζει τον χρόνο στον οποίο περιέχονται οι πληροφορίες. Για παράδειγμα, για ρυθμό εισόδου δεδομένων στον σταθμό 64 kbps, ο ρυθμός αποστολής τους προς τον δορυφόρο φτάνει τα 60 Mbps για αναμεταδότες εύρους 36 MHz και τα 130 Mbps για αναμεταδότες των 72 MHz. Μεταξύ των διαφορετικών χρονοθυρίδων παρεμβάλλονται μικρά διαστήματα διαχωρισμού για την αποφυγή αλληλοκαλύψεων μεταξύ γειτονικών σημάτων. Επίσης η πρώτη θυρίδα του πλαισίου εκπέμπεται συνήθως από ειδικό σταθμό ελέγχου και ονομάζεται θυρίδα αναφοράς. Δεν περιέχει πληροφορία από κάποιο σταθμό αλλά χρησιμοποιείται για λόγους συγχρονισμού. Κάθε χρονοθυρίδα τώρα διαιρείται σε 2 μέρη. Στο πρώτο γίνεται η αποστολή μιας ριπής αναφοράς, η οποία περιέχει σήματα συγχρονισμού ώστε ο επιθυμητός σταθμός λήψης να ενεργοποιήσει το κύκλωμα αποκωδικοποίησής του για τη συγκεκριμένη θυρίδα, ενώ στο δεύτερο περιλαμβάνεται η ριπή της χρήσιμης πληροφορίας που θέλουμε να αποσταλεί. Η μετάδοση των ριπών πληροφορίας μπορεί να γίνει με χρήση είτε ενός φέροντος ανά ζεύξη, όπου ο κάθε σταθμός εκπέμπει σε κάθε χρονικό πλαίσιο έναν αριθμό ριπών ίσο με το πλήθος των υπόλοιπων σταθμών του δικτύου, είτε ενός φέροντος ανά επίγειο σταθμό, όπου ο κάθε σταθμός εκπέμπει μόνο μία ριπή ανά χρονικό πλαίσιο μειώνοντας έτσι το μέγεθος του πλαισίου και διευκολύνοντας τον συγχρονισμό. Τα δεδομένα πληροφορίας που φτάνουν στον δέκτη του σταθμού λήψης με την υψηλό ρυθμό μετάδοσης αποθηκεύονται στη μνήμη αποσυμπίεσης, ώστε να επεξεργαστούν από το κύκλωμα αποκωδικοποίησης στον κανονικό χαμηλό ρυθμό τους. Τα πλεονεκτήματα της TDMA είναι η αποφυγή των παρεμβολών από ενδοδιαμόρφωση καθώς γίνεται μετάδοση ενός σήματος κάθε φορά, πράγμα που επιτρέπει τη λειτουργία των ενισχυτών ισχύος του δορυφόρου κοντά στη περιοχή κόρου, όπου επιτυγχάνεται η μέγιστη δυνατή απόδοση τους. Επίσης το επικοινωνιακό σύστημα είναι πιο ευπροσάρμοστο σε μεταβολή ή επέκταση της λειτουργίας του αφού η διαχείριση της χωρητικότητας του είναι πολλή πιο απλή και ευέλικτη από αυτή του FDMA. Το σοβαρό του μειονέκτημα όμως είναι ο λεπτός 34

47 συγχρονισμός που απαιτείται μεταξύ των σταθμών βάσης, πολλές φορές σε παγκόσμιο επίπεδο, και ο οποίος σε συνδυασμό με την αναγκαστική μετατροπή των αναλογικών σημάτων σε ψηφιακά, αυξάνουν την πολυπλοκότητα στο επίγειο κομμάτι. Το σύστημα CDMA (Code Division Multiple Access) Με αυτό το σύστημα, οι διάφοροι σταθμοί του δικτύου μεταδίδουν ταυτόχρονα και συνεχόμενα στο ίδιο εύρος ζώνης του δορυφορικού αναμεταδότη. Δημιουργούνται επομένως παρεμβολές μεταξύ των σημάτων που προέρχονται από διαφορετικούς σταθμούς. Για να ξεχωρίσει ο δέκτης του σταθμού λήψης το σήμα που τον ενδιαφέρει εισάγεται στο κάθε σήμα μια υπογραφή (signature), που δηλώνει τον σταθμό προέλευσης του σήματος. Η υπογραφή αποτελείται από μία δυαδική ακολουθία η οποία παράγεται τοπικά σε κάθε σταθμό εκπομπής και συνδυάζεται με την χρήσιμη πληροφορία προς αποστολή. Η ψηφιακή ακολουθία πρέπει να διαθέτει τα ακόλουθες ιδιότητες : - Κάθε ακολουθία πρέπει να είναι εύκολα διαχωρίσιμη από παραλλαγές της που προκύπτουν με ολίσθησή της στον χρόνο. - Κάθε ακολουθία πρέπει να είναι εύκολα διαχωρίσιμη από τις υπόλοιπες τοπικές ακολουθίες του δικτύου. Σε κάθε επίγειο σταθμό, ο συνδυασμός της ψηφιακής ακολουθίας με το διαμορφωμένο σήμα άνω ζεύξης οδηγεί σε διεύρυνση του φάσματος που χρησιμοποιεί το μεταδιδόμενο σήμα, γι αυτό και το σύστημα CDMA συχνά αποκαλείται και σύστημα εξαπλωμένου φάσματος (Spread Spectrum Multiple Access, SSMA). Το πλεονέκτημα του CDMA σε σχέση με το TDMA είναι ότι δεν απαιτείται η διαδικασία του συγχρονισμού για την μετάδοση της πληροφορίας από τους επίγειους σταθμούς, όμως η σωστή λειτουργία του εξαρτάται από την ικανότητα του δέκτη να ξεχωρίσει τις διάφορες ταυτότητες, διαδικασία που γίνεται όλο και πιο δύσκολη όσο αυξάνουν οι σταθμοί του δικτύου. Οι ακολουθίες των πομπών δημιουργούνται από γεννήτριες ψευδοτυχαίων ακολουθιών. Αυτές μπορούν να συνδυαστούν με το χρήσιμο κωδικοποιημένο σήμα και να διαμορφωθούν μαζί σε ένα κοινό φέρον με την ίδια συχνότητα για όλους τους σταθμούς, προκύπτοντας έτσι το σύστημα απευθείας ακολουθίας (Direct Sequence, DS CDMA). Επίσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο ενός συνθέτη συχνοτήτων (frequency synthesizer), ο οποίος παράγει τη συχνότητα του φέροντος πάνω στο οποίο θα μεταδοθεί το χρήσιμο σήμα. Αυτή η τεχνική ονομάζεται CDMA με μεταπήδηση συχνότητας (Frequency Hopping CDMA, FH CDMA). Το σύστημα CDMA χρησιμοποιείται κυρίως σε δίκτυα μικρών σταθμών με κεραίες ευρείας δέσμης και στις κινητές δορυφορικές επικοινωνίες, λόγω της προστασίας που 35

48 προσφέρει έναντι σε παρεμβολές γειτονικών συστημάτων και πολυοδικής διάδοσης. Σχήμα 1.11 : Μέθοδοι πολλαπλής πρόσβασης 1.7 Συμπεράσματα Από την εκτόξευση του πρώτου τεχνητού δορυφόρου Sputnik I το 1957 έχουν πραγματοποιηθεί αλματώδη βήματα στην εξέλιξη των δορυφορικών επικοινωνιών. Τα δορυφορικά συστήματα χρησιμοποιούνται σήμερα σε ένα μεγάλο φάσμα της ανθρώπινης δραστηριότητας, από τη συλλογή δεδομένων για την πρόγνωση του καιρού και την εξερεύνηση του διαστήματος, μέχρι την μετάδοση τηλεοπτικού σήματος σε κάθε γωνιά του πλανήτη, την πλοήγηση επίγειων, ναυτικών, και εναέριων μέσων, και την κατασκοπία και ασφαλή επικοινωνία για στρατιωτικούς σκοπούς. Μπορούμε με σιγουριά να πούμε ότι οι τεχνητοί δορυφόροι αποτελούν ένα από τα μεγαλύτερα επιτεύγματα του ανθρώπου, η κατασκευή όμως και λειτουργία των οποίων θα ήταν αδύνατη χωρίς την πρόοδο της τεχνολογίας σε πολλούς άλλους τομείς όπως της μικροηλεκτρονικής, της επιστήμης των υλικών, της θεωρίας πληροφορίας και επικοινωνιών κτλ. Για πρώτη φορά ο άνθρωπος πετυχαίνει παγκόσμια τηλεπικοινωνιακή σύνδεση, μέσω της οποίας είναι σε θέση να ανταλλάσει άμεσα μηνύματα ποικίλου περιεχομένου από την μία μεριά της γης στην άλλη με χρήση ενός μεμονωμένου ή ενός αστερισμού δορυφόρων. Σε αυτό το κεφάλαιο αναφερθήκαμε στις βασικές αρχές που διέπουν ένα σύστημα δορυφορικών επικοινωνιών, καθώς επίσης και στη δομή και λειτουργία του επίγειου και διαστημικού μέρους του δορυφορικού συστήματος. Τέλος, περιγράψαμε τις πιο γνωστές μεθόδους πρόσβασης στον δορυφόρο από πολλούς διασυνδεδεμένους χρήστες. 36

49 2 ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΕΠΙΓΕΙΟΥ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ 2.1 Εισαγωγή Κάθε δορυφορικό σύστημα επικοινωνιών αποτελείται από τουλάχιστον έναν επίγειο σταθμό εκπομπής που μεταδίδει την επιθυμητή πληροφορία και από έναν επίγειο σταθμό λήψης που δέχεται αυτή τη πληροφορία. Σε περιπτώσεις αμφίδρομων συστημάτων ο ίδιος σταθμός βάσης λειτουργεί τόσο ως πομπός όσο και σαν δέκτης, όπως συμβαίνει συνήθως στα σύγχρονα συστήματα δορυφορικών επικοινωνιών, όπου απαιτείται επικοινωνία δυο δρόμων (δορυφορική τηλεφωνία, δορυφορικό ίντερνετ κοκ). Σε αυτό το κεφάλαιο θα παρουσιαστούν τα στοιχεία από τα οποία αποτελείται ένας τέτοιος επίγειος σταθμός, καθώς επίσης και η συμβολή τους στη λειτουργία του δορυφορικού συστήματος. 2.2 Δομή ενός επίγειου σταθμού Ένας επίγειος σταθμός, εκτός από τον πομποδέκτη για την επικοινωνία με τον δορυφόρο, διαθέτει και ένα άλλο μεγάλο μέρος εξοπλισμού που καλύπτει την ευρύτερη λειτουργία του. Όπως αναφέρθηκε και στην ενότητα 1.5, ένας σταθμός βάσης αποτελείται από τα ακόλουθα μέρη : Το υποσύστημα επικοινωνιών Το υποσύστημα παρακολούθησης και ελέγχου Το υποσύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενεργείας Το υποσύστημα επικοινωνιών Το υποσύστημα επικοινωνιών περιλαμβάνει όλο το βασικό εξοπλισμό του πομπού και του δέκτη του σταθμού καθώς επίσης και το σύστημα της κεραίας. Μπορεί να βρίσκεται κοντά στην πηγή της πληροφορίας, π.χ. ενός τηλεοπτικού σταθμού, ή να συνδέεται με αυτή μέσω του συμβατικού επίγειου δικτύου, 37

50 ενσύρματου και ασύρματου. Η βασική δομή του πομποδέκτη ενός επίγειου σταθμού φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 2.1 : Βασική δομή πομποδέκτη επίγειου σταθμού Όπως μπορούμε να διακρίνουμε από το λειτουργικό διάγραμμα, το σύστημα επικοινωνιών περιλαμβάνει τις βαθμίδες βασικής ζώνης (BB), ενδιάμεσης συχνότητας (IF) και ραδιοσυχνοτήτων (RF). Ούτε αυτές επιβάλλεται να είναι η μία δίπλα στην άλλη αλλά η σύνδεσή τους γίνεται πάντα με ενσύρματα μέσα διάδοσης. Στόχος του πομπού είναι η μετατροπή των σημάτων βασικής ζώνης, όπως αναλογικά ή ψηφιακά τηλεφωνικά και τηλεοπτικά κανάλια ή ψηφιακά πακέτα δεδομένων, σε σήματα στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων, τα οποία στη συνέχεια εκπέμπει προς τον δορυφόρο μέσω της άνω ζεύξης. Από την άλλη, στόχος του δέκτη είναι να συλλέγει τα RF (Radio Frequency) σήματα από την έξοδο της κεραίας και στη συνέχεια αφού τα μετατρέψει στα αρχικά σήματα βασικής ζώνης να τα στείλει στο επίγειο δίκτυο με το οποίο είναι συνδεδεμένος. Επίσης ο πομπός και ο δέκτης μπορούν να είναι συνδεδεμένοι στην ίδια κεραία μέσω ενός διπλέκτη, αναιρώντας έτσι την απαίτηση για 2 διαφορετικές κεραίες για εκπομπή και λήψη με τον δορυφόρο. Ο εξοπλισμός βασικής ζώνης στην είσοδο του πομπού λαμβάνει από το επίγειο δίκτυο τα αναλογικά ή ψηφιακά σήματα προς μετάδοση και τα επεξεργάζεται προκειμένου να τα φέρει στη κατάλληλη μορφή (σε πακέτα δεδομένων για ψηφιακά σήματα) για την περαιτέρω ενίσχυση και τελικά την αποστολή τους μέσω του ραδιοδιαύλου στον αντίστοιχο προορισμό. Ο εξοπλισμός αυτός περιλαμβάνει μονάδες αποθήκευσης, πολυπλέκτες, κωδικοποιητές, χαμηλοπερατά φίλτρα και ADC (Analog to Digital Converter) μετατροπείς στην περίπτωση αναλογικών σημάτων καθώς με την επικράτηση των ψηφιακών επικοινωνιών η συνήθης πρακτική είναι η ψηφιοποίηση των αναλογικών σημάτων πριν την διαμόρφωση και μετάδοσή τους. Στην έξοδο του δέκτη αντίστοιχα, ο εξοπλισμός περιλαμβάνει παρόμοιες πάλι μονάδες (αποκωδικοποιητές, 38

51 αποπολυπλέκτες, Digital to Analog Converters ή αλλιώς DACs κτλ) για την μετατροπή των εισερχόμενων από τις άλλες βαθμίδες του δέκτη σημάτων στην αρχική μορφή αποστολής τους από το επίγειο δίκτυο. Στη βαθμίδα ενδιάμεσης συχνότητας του πομπού το σήμα πληροφορίας βασικής ζώνης διαμορφώνει το IF φέρον συνήθως κατά φάση (PSK, QPSK), αφού αυτός ο τρόπος επιφέρει χαμηλότερα ποσοστά λαθών κατά τη μετάδοση. Επίσης τα διάφορα πακέτα δεδομένων κατανέμονται στο διάφορα κανάλια μετατροπέων συχνότητας ανάλογα με τον δορυφορικό αναμεταδότη στον οποίο θα αποσταλούν. Στην αντίστοιχη βαθμίδα του δέκτη πραγματοποιείται σύμφωνη αποδιαμόρφωση του φέροντος σήματος, επανάκτηση των ψηφίων πληροφορίας και επαναπολύπλεξη των σημάτων από τους διάφορους κάτω μετατροπείς. Το σημαντικότερο πρόβλημα είναι ότι τα φέροντα των διάφορων πακέτων δεδομένων που λαμβάνονται σειριακά από τον σταθμό, είναι διαμορφωμένα σε διαφορετικές φάσεις και πλάτη καθώς προέρχονται από διαφορετικούς επίγειους σταθμούς εκπομπής. Κάθε επίγειος σταθμός συνδέει κάθε βαθμίδα IF με τον αντίστοιχο μετατροπέα συχνότητας, για την δημιουργία ενός ισάριθμου πλήθους καναλιών. Η ανάγκη για ύπαρξη της IF βαθμίδας στο σύστημα επικοινωνιών προκύπτει κυρίως από την μεγάλη δυσκολία της υλοποίησης διαμορφωτών σε συχνότητες άνω των 6 GHz που χρησιμοποιούνται από τα δορυφορικά συστήματα, καθώς και η ευκολία που προσφέρει στο διαχωρισμό και την προετοιμασία των καναλιών. Η ενδιάμεση συχνότητα για συστήματα με αναμεταδότες των 36 MHz είναι τα 70 MHz, ενώ διπλασιάζεται για αναμεταδότες εύρους 54 ή 72 MHz. Στην τελική βαθμίδα του εκπομπού, πραγματοποιείται άνω μετατροπή συχνότητας στο κάθε κανάλι για την προσαρμογή του στις προδιαγραφές του αντίστοιχου δορυφορικού αναμεταδότη, και στη συνέχεια ενίσχυση μέσω του κατάλληλου ενισχυτή ισχύος (High Power Amplifier, HPA) ώστε το RF σήμα να λάβει την απαιτουμένη ενέργεια που χρειάζεται για την εκπομπή του στον ραδιοδίαυλο. Στην RF βαθμίδα του δέκτη το πολύ ασθενές ραδιοσήμα που λαμβάνεται από την κάτω ζεύξη ενισχύεται από έναν LNA (ενισχυτής χαμηλού θορύβου) και μέσω των κατάλληλων μετατροπέων συχνότητας οδηγείται στους διάφορους IF αποδιαμορφωτές. Αναφέρουμε ακόμα ότι μεταξύ των διαφόρων βαθμίδων αλλά και μέσα σε αυτές, είναι εγκατεστημένα διάφορα φίλτρα για τον περιορισμό του θορύβου και της αλλοίωσης πού επιδέχεται το σήμα ενδιαφέροντος, είτε από εξωτερικά αίτια (θόρυβος από τον ραδιοδίαυλο) ή από τις διάφορες διεργασίες άπου υφίσταται μέσα στα κυκλώματα του πομποδέκτη (μετατροπές συχνότητας, διαμόρφωση/αποδιαμόρφωση, μη γραμμικότητες ενισχυτών). Για παράδειγμα ανάμεσα στις βαθμίδες BB και IF παρεμβάλλεται πάντα κατωπερατό φίλτρο (LPF) για την απομόνωση των συχνοτήτων βασικής ζώνης κάτω από η συχνότητα που μας ενδιαφέρει, ενώ ανάμεσα στις IF και RF βαθμίδες παρεμβάλλεται ζωνοπερατό IF φίλτρο (BPF) που επιτρέπει την διέλευση μόνο των επιθυμητών συχνοτήτων σε κάθε κανάλι μετά τη διαμόρφωση ή πριν την αποδιαμόρφωση. Στην είσοδο του δέκτη και την έξοδο του πομπού τοποθετούμε RF 39

52 ζωνοπερατά φίλτρα για την απομάκρυνση του θορύβου που έχει προστεθεί από τον ραδιοδίαυλο κάτω ζεύξης και από τους ενισχυτές ισχύος αντίστοιχα. Τέλος η επιτυχία και απόδοση του όλου δορυφορικού συστήματος κρίνεται από το ποσοστό των λαθών στην έξοδο του αποκωδικοποιητή του δέκτη (Bit Error Rate,BER για τα ψηφιακά συστήματα). Το ποσοστό αυτό εξαρτάται από τον λόγο σήματος προς θόρυβο στην είσοδο του αποκωδικοποιητή καθώς και από τον τύπο διαμόρφωσης και κώδικα για κωδικοποίηση καναλιού που έχουν χρησιμοποιηθεί, δηλαδή τη δυνατότητα του κώδικα να εντοπίζει και να διορθώνει τυχόν λάθη. Παρακάτω παραθέτονται δύο ακόμα διαγράμματα για τον πομπό και τον δέκτη επίγειων σταθμών. Σχήμα 2.2 : Πομπός και δεκτής επίγειων σταθμών Το υποσύστημα παρακολούθησης και ελέγχου Το υποσύστημα αυτό περιλαμβάνει όλες εκείνες τις διαδικασίες που είναι απαραίτητες για τη σωστή λειτουργία του επίγειου σταθμού και ιδιαίτερα του συστήματος επικοινωνιών. Το σύστημα παρακολούθησης δεν είναι αναγκαίο να βρίσκεται στην ίδια τοποθεσία με το σύστημα επικοινωνιών αφού μπορεί να επικοινωνεί με το τελευταίο μέσω επίγειων συνδέσεων ή και κατευθείαν μέσω του δορυφορικού σήματος από ειδικά γι αυτό το σκοπό κανάλια. Οι διάφορες διαδικασίες ελέγχονται συνήθως από κεντρικό υπολογιστή και στοχεύουν στα ακόλουθα : 40

53 Απόκτηση δεδομένων από μετρήσεις παραμέτρων σε διάφορα σημεία των υποσυστημάτων του επίγειου σταθμού για την παρακολούθηση της λειτουργίας του και τη διαχείριση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης. Έναρξη σημάτων συναγερμού σε περίπτωση δυσλειτουργίας ή αναπάντεχου γεγονότος που επηρεάζει κάποιο υποσύστημα ή τμήμα του εξοπλισμού θέτοντας σε κίνδυνο την ομαλή λειτουργία της δορυφορικής ζεύξης και τα οποία επιτρέπουν τον εντοπισμό των εμπλεκόμενων ελαττωματικών μερών. Δημιουργία σημάτων ελέγχου και διόρθωσης όπου είναι δυνατό ως απάντηση στα σήματα συναγερμού, με σκοπό την αποφυγή ή την διόρθωση της μη αποδεκτής λειτουργίας, όπως ρύθμιση διάφορων παραμέτρων του συστήματος ή εναλλαγή σε ένα εφεδρικό σύστημα (αν υπάρχει διαθέσιμο) σε περίπτωση βλάβης ή απώλειας του κύριου. Το υποσύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Οι διάφοροι σταθμοί βάσης τροφοδοτούνται με απαραίτητη για τις λειτουργίες τους ηλεκτρική ισχύ από το επίγειο σύστημα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, με εξαίρεση ίσως μερικές περιπτώσεις σταθμών εγκατεστημένων σε απομακρυσμένες περιοχές, όπου χρειάζεται να εξασφαλίζουν μόνοι τους την απαιτούμενη ισχύ για την λειτουργία τους, μέσω εναλλακτικών πηγών ενέργειας ή δικών τους γεννητριών κτλ. Και στην απλή περίπτωση του δημόσιου δικτύου όμως οι σταθμοί πρέπει να διαθέτουν το δικό τους σύστημα προστασίας απέναντι σε κακή λειτουργία ή και διακοπές του δικτύου. Πιο αναλυτικά μπορούμε να διακρίνουμε τρία επίπεδα προστασίας. Στο πρώτο ανήκουν εκείνα τα τμήματα του σταθμού που δεν πρέπει να σταματήσει η λειτουργία τους για κανένα λόγο και συνήθως για κάθε ένα τέτοιο σύστημα σε λειτουργία παρέχεται προστασία από ένα εφεδρικό. Στο δεύτερο επίπεδο ανήκουν τα συστήματα του σταθμού των οποίων η προσωρινή διακοπή της λειτουργίας τους μπορεί να γίνει ανεκτή και συνήθως παρέχεται προστασία ενός εφεδρικού συστήματος ανά ομάδα τέτοιων ίδιων συστημάτων. Τέλος, στο τρίτο επίπεδο περιλαμβάνονται τα τμήματα που μπορούν να υποστούν μεγάλες διακοπές λειτουργίας χωρίς να θέσουν σε κίνδυνο τον σταθμό και το δορυφορικό σύστημα γενικότερα. Σε αυτά δεν παρέχεται κάποια μορφή εφεδρικής προστασίας και τροφοδοτούνται απευθείας από το κανονικό δίκτυο. 2.3 Διαμόρφωση Η μετάδοση μέσα από τον ραδιοδίαυλο του αναλογικού σήματος πληροφορίας ή της ακολουθίας δυαδικών αριθμών ενός ψηφιακού σήματος πληροφορίας γίνεται μέσω της απεικόνισής τους σε κατάλληλες αναλογικές κυματομορφές. Αυτό 41

54 συμβαίνει γιατί ο ραδιοδίαυλος είναι στην ουσία ένα αναλογικό κανάλι, συνεπώς για την μεταφορά της ψηφιακής πληροφορίας πρέπει πρώτα να γίνει η μετατροπή της σε αντίστοιχα αναλογικά σήματα. Η μετατροπή αυτή επιτυγχάνεται συνήθως αντιπροσωπεύοντας τις τιμές ενός bit ή μιας ομάδας bit σε σήματα παλμών. Έτσι δημιουργείται ένα αναλογικό σήμα βασικής ζώνης της μορφής ( ) ( ) (2.3.1) όπου οι όροι της ακολουθίας δυαδικών ψηφίων, ( ) ο μορφοποιητικός παλμός και η διάρκεια ενός bit. Οι παλμοί αυτοί στην πραγματικότητα δεν είναι ιδανικοί (απότομες μεταβάσεις στις κορυφές) αλλά εξομαλυμένοι. Υπάρχουν έτσι διάφορα είδη κατασκευασμένων παλμών που προσεγγίζουν τον ιδανικό, η επιλογή των οποίων επηρεάζει τη συνολική επίδοση του δορυφορικού συστήματος. Το σχήμα του παλμού καθορίζει τα φασματικά χαρακτηριστικά του εκπεμπόμενου σήματος, τη δυνατότητα επίτευξης συγχρονισμού και την αξιοπιστία του τμήματος αποδιαμορφωσης και αποκωδικοποίησης στη μεριά του δέκτη. Στις δορυφορικές επικοινωνίες χρησιμοποιούνται συνήθως οι παλμοί NRZ (Non Return to Zero) και Manchester και ορίζονται στο πεδίο του χρόνου από τους τύπους ( ) ( ) ( ) και ( ) ( ) ( ) ( ) αντίστοιχα. Όπως προκύπτει από τον μετασχηματισμό Fourier τους, το φασματικό περιεχόμενο του NRZ είναι συγκεντρωμένο γύρω από την μηδενική συχνότητα ενώ του Manchester γύρω από την συχνότητα 1/T b. Το φάσμα του σήματος βασικής ζώνης που προκύπτει, m(t), αποδεικνύεται πως δίνεται από τη σχέση ( ) ( ) (2.3.2) όπου P(f) η απόκριση συχνότητας του παλμού. Συνεπώς φαίνεται η άμεση εξάρτηση του φάσματος του σήματος που διαμορφώνεται και εκπέμπεται στο ραδιοκανάλι με το είδος του εφαρμοζόμενου παλμού. Δεδομένου ότι ο ραδιοδίαυλος είναι ένα ζωνοπερατό κανάλι στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων, είναι αναγκαία η μεταφορά των σημάτων πληροφορίας βασικής ζώνης στη κατάλληλη περιοχή υψηλών συχνοτήτων για την μετάδοσή τους στο κανάλι. Αυτό υλοποιείται με την αποτύπωση του σήματος πληροφορίας σε ένα ημιτονοειδές υψίσυχνο φέρον, το οποίο μετατοπίζει το φασματικό περιεχόμενο της πληροφορίας γύρω από την κεντρική του συχνότητα f c. Το ημιτονοειδές φέρον είναι της μορφής : ( ) ( ) (2.3.3) Όπου το πλάτος, η συχνότητα και η φάση του φέροντος. Ανάλογα με τον τρόπο αποτύπωσης της πληροφορίας ορίζουμε ότι το σήμα μηνύματος διαμόρφωσε 42

55 το φέρον κατά πλάτος, συχνότητα ή κατά φάση αν το τελικό φέρον σήμα που προκύπτει έχει το αντίστοιχο χαρακτηριστικό του συναρτήσει του m(t). Το πλεονέκτημα των ψηφιακών επικοινωνιών έναντι των αναλογικών είναι ότι στις τελευταίες απαιτείται από τον δέκτη η πιστή αναπαραγωγή του αναλογικού σήματος πληροφορίας που εκπέμφθηκε, ενώ στις πρώτες στόχος είναι απλά η ορθή απόφαση για το σύμβολο που έχει αποσταλεί μέσα από ένα πλήθος δυνατών συνδυασμών N=2 k, όπου k ο αριθμός των bit του κάθε μεταδιδόμενου συμβόλου. Αυτή η ειδοποιός διαφορά διευκολύνει πολύ τη λειτουργία του αποδιαμορφωτή και αυξάνει την αξιοπιστία σε ένα ψηφιακό σύστημα επικοινωνιών. Ένα άλλο πολύ σημαντικό πλεονέκτημα για τις δορυφορικές ψηφιακές επικοινωνίες είναι η χρήση ενεργών επαναληπτών με δυνατότητα επεξεργασίας στον δορυφόρο, που αναδημιουργούν πλήρως το σήμα πληροφορίας πριν το ενισχύσουν και επανεκπέμψουν προς τη γη, μοιράζοντας έτσι την απόσταση που έχει να διανύσει το σήμα μέχρι το τελικό σταθμό λήψης. Αυτό σε συνδυασμό με την δυνατότητα κωδικοποίησης για ανίχνευση λαθών και κρυπτογράφησης ενισχύουν περισσότερο την αξιοπιστία και ασφάλεια του συστήματος. Η κύρια παράμετρος με την οποία μετριέται η αξιοπιστία ενός ψηφιακού συστήματος είναι το ποσοστο ή ρυθμός εσφαλμένων ψηφίων BER( Bit Error Ratio ή Bit Error Rate) στην έξοδο του αποκωδικοποιητή και εκφράζει τον αριθμό εσφαλμένων ψηφίων προς το συνολικό αριθμό ληφθέντων ψηφίων σε ένα συγκεκριμένο χρονικό διαστημα. Η απόφαση για το αν μια λαμβανόμενη κυματομορφή αποτελεί λογικό 0 ή 1 γίνεται από τον αποδιαμορφωτή και εξαρτάται από τον σηματοθορυβικό λόγο C/N στην είσοδο του ή αλλιώς από τον λόγο ενέργειας ψηφίου προς πυκνότητα θορύβου E b /N 0 πάλι στην είσοδο του αποδιαμορφωτή. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι για την επίτευξη του επιθυμητού BER στην έξοδο της αποδιαμόρφωσης χρειαζόμαστε τον αντίστοιχο E b /N 0 στην είσοδο αυτής ή αλλιώς για δεδομένο E b /N 0 πετυχαίνουμε διαφορετικά BER. Συγκρίνοντας την πιθανότητα λάθους (BEP, Bit Error Probability), η οποία αποτελεί μια εκτίμηση της μέσης τιμής του BER καθώς αυτό μεταβάλλεται στο χρόνο, για διάφορες μορφές διαμόρφωσης βλέπουμε ότι εξαρτάται από τον λόγο E b /N 0 και το σχήμα διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται. Ενδεικτικά αναφέρονται οι BEP τιμές για ένα κανάλι λευκού προσθετικού θορύβου (AWGN) και διάφορα σχήματα διαμόρφωσης : Διαμόρφωση πλάτους PAM (Pulse Amplitude Modulation) για την αντιποδική περίπτωση (-Α, Α) : { }, σ η τυπική απόκλιση του θορύβου που συνοδεύει το σήμα Διαμόρφωση συχνότητας FSK (Frequency-Shift Keying) : {( ) } Διαμόρφωση φάσης PSK (Phase-Shift Keying) : {( ) } 43

56 Με Q(x)= 1 Φ(x), όπου Φ(x) η αθροιστική συνάρτηση κατανομής της τυπικής κανονικής κατανομής. Όπως φαίνεται από τα παραπάνω η πιθανότητα σφάλματος είναι όμοια για τα 2 πρώτες διαμορφώσεις καθώς και. Η διαμόρφωση PSK όμως έχει σημαντικά μικρότερη πιθανότητα λάθους (όσο μεγαλώνει το όρισμα της Q μικραίνει η συνάρτηση), γι αυτό και αποτελεί τη συνηθέστερη επιλογή σε συστήματα δορυφορικών επικοινωνιών. Αυξάνει όμως την πολυπλοκότητα και το κόστος του αποδιαμορφωτή/αποκωδικοποιητή, ώστε να επιτυγχάνεται η απαιτούμενη συμφωνία φάσης. Επίσης πρέπει να αναφερθεί εδώ ότι οι διαμορφώσεις φάσης και συχνότητας εισάγουν μη γραμμικότητα στο σύστημα, σε αντίθεση με τις απλές διαμορφώσεις πλάτους που θεωρούνται γραμμικές. Συμπερασματικά λοιπόν, τα κριτήρια για την επιλογή του σχήματος διαμόρφωσης σχετίζονται με τις συμπεριφορές ως προς το σηματοθορυβικό λόγο για την επίτευξη της ζητούμενης αξιοπιστίας, ως προς το εύρος ζώνης του μεταδιδόμενου σήματος, τη μη γραμμικότητα που εισάγεται σε αυτό και την πολυπλοκότητα των κυκλωμάτων διαμόρφωσης και αποδιαμόρφωσης. Προσαρμοσμένα φίλτρα Όπως αναφέραμε και προηγουμένως, ο στόχος του δέκτη και συγκεκριμένα του αποδιαμορφωτή σε ένα ψηφιακό σύστημα επικοινωνιών είναι η σωστή απόφαση του συμβόλου που μεταδίδεται κάθε φορά. Αυτό γίνεται με δειγματοληψία του λαμβανόμενου σήματος με περίοδο δειγματοληψίας T S, ίση με την περίοδο των συμβόλων και σύγκρισή του με ένα γνωστό όριο απόφασης. Για να αναλυθεί όμως το λαμβανόμενο αποδιαμορφωμένο σήμα r(t)=s(t)+n(t) (s(t) το σήμα πληροφορίας και n(t) ο θόρυβος που έχει προστεθεί από ένα υποθετικό AWGN κανάλι) στις διάφορες διαστάσεις του (π.χ. 2 διαστάσεις για την QPSK διαμόρφωση) και να μπορέσει να γίνει η διαδικασία της απόφασης στην έξοδο του αποδιαμορφωτή πρέπει να περάσει μέσα από N προσαρμοσμένα φίλτρα, όπου Ν οι διαστάσεις διαμόρφωσης του σήματος. Ονομάζονται προσαρμοσμένα φίλτρα γιατί η κρουστική τους απόκριση είναι προσαρμοσμένη στην ορθογώνια συνάρτηση βάσης της κάθε διάστασης. Σημειώνουμε εδώ ότι κάθε σήμα πληροφορίας s(t) αποτελεί γραμμικό συνδυασμό των από πάνω βάσεων. Εάν συμβολίσουμε με φi(t) μία συνάρτηση βάσης του σήματος, τότε η κρουστική απόκριση του αντίστοιχου προσαρμοσμένου φίλτρου θα είναι της μορφής ( ) ( ) για. (2.3.4) Έτσι στην έξοδο των φίλτρων θα πάρουμε : 44

57 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ), (2.3.5) Δειγματοληπτώντας τις εξόδους των φίλτρων τις χρονική στιγμη t = T s παίρνουμε ( ) ( ) ( ), (2.3.6) Όπου οι μεταβλητές πάνω στις οποίες γίνεται η απόφαση για το μεταδοθέν σύμβολο, αφού κάθε αντιστοιχεί σε συγκριμένο σύμβολο, δηλαδή συγκριμένη ακολουθία bits (σημείωση: η απεικόνιση του συνόλου των σε ένα ορθογώνιο σύστημα N διαστάσεων ονομάζεται αστερισμός του σήματος s). Η απόκριση συχνότητας ενός φίλτρου ( ) προσαρμοσμένου σε ένα σήμα s(t) είναι ( ) ( ), με ( ) η απόκριση συχνότητας του σήματος. Από την τελευταία σχέση φαίνεται ότι το φίλτρο έχει ίδιο πλάτος απόκρισης συχνότητας με αυτό του σήματος. Η πολύ σημαντική ιδιότητα των προσαρμοσμένων φίλτρων και ο κύριος λόγος χρήσης τους είναι ότι για ένα σήμα s(t) αλλοιωμένο από λευκό γκαουσιανό θόρυβο n(t), το προσαρμοσμένο στο σήμα φίλτρο ( ) ( ) μεγιστοποιεί το SNR εξόδου τη χρονική στιγμή t = Ts. αποδεικνύεται μάλιστα ότι το SNR στην έξοδο του φίλτρου τη χρονική στιγμή t = Ts είναι (2.3.7) όπου η ενέργεια συμβόλου και η φασματική πυκνότητα του θορύβου. Ένα παράδειγμα QPSK διαμόρφωσης με χρήση προσαρμοσμένων φίλτρων στον αποδιαμορφωτή δίνεται στο σχήμα 2.3. Σχήμα 2.3 : QPSK διαμόρφωση και αποδιαμόρφωση με χρήση προσαρμοσμένων φίλτρων στον αποδιαμορφωτή 45

58 2.4 Κωδικοποίηση Όπως είδαμε στα διάφορα παραδείγματα διαμορφώσεων η πιθανότητα σφάλματος είναι μία συνάρτηση της μορφής Q{f(Eb/N0)}, όπου f(x) μια συνάρτηση που εξαρτάται από το σχήμα της εφαρμοζόμενης διαμόρφωσης. Ισχύει επίσης ότι (2.4.1) όπου ο ρυθμός μετάδοσης. Από τα παραπάνω φαίνεται ότι για να μειώσουμε τη πιθανότητα σφάλματος πρέπει να αυξήσουμε την ενέργεια ψηφίου Eb είτε αυξάνοντας την ισχύ του πομπού (αύξηση του C) είτε αυξάνοντας τη διάρκεια μετάδοσης (Τb). Το πρώτο είναι τόσο μη εφικτό πάντα λόγω της ύπαρξης ενός ορίου στην ισχύ που μπορεί να μεταδώσει ο πομπός, όσο και μη επιθυμητό καθώς ειδικά στον πομπό του δορυφόρου θέλουμε την κατανάλωση όσο το δυνατόν μικρότερης ισχύος. Από την άλλη, η αύξηση της διάρκειας ενός bit μειώνει το ρυθμό μετάδοσης, πράγμα διόλου επιθυμητό στις σύγχρονες επικοινωνίες. Μάλιστα για να πετύχουμε πολύ μικρή πιθανότητα σφάλματος φαίνεται ότι ο ρυθμός μετάδοσης πρέπει να τείνει στο μηδέν. Ευτυχώς αυτό δεν ισχύει στη πράξη καθώς μέσω της θεωρίας πληροφορίας του Shannon αποδεικνύεται ότι για επίτευξη αξιόπιστης πληροφορίας αρκεί να ισχύει η συνθήκη. αποδεικνύεται ότι τα ορθογώνια σήματα είναι σε θέση να επιτύχουν την χωρητικότητα του καναλιού με μη μηδενικούς ρυθμούς. Η χωρητικότητα σε ένα θορυβώδες κανάλι ορίζεται ως ο μέγιστος ρυθμός μετάδοσης πληροφορίας που μπορεί να επιτευχτεί στο συγκεκριμένο κανάλι με αυθαίρετα μικρή πιθανότητα σφάλματος. Το κόστος όμως για την προσέγγιση της χωρητικότητας είναι η εκθετική αύξηση των ορθογώνιων σημάτων με αποτέλεσμα την εκθετική μείωση του χρονικού διαστήματος των μορφοποιητικών παλμών και το αντίστοιχη αύξηση του εύρους ζώνης που απαιτείται για την μετάδοσή τους. Στα δορυφορικά συστήματα τόσο η ισχύς εκπομπής όσο και το εύρος συχνοτήτων των χρησιμοποιούμενων ζωνών καθορίζονται από διεθνείς συμβάσεις και τεχνικούς περιορισμούς, συνεπώς η εκθετική αύξηση του εύρους ζώνης είναι μη αποδεκτή. Λύση σε αυτό το πρόβλημα έρχεται να δώσει η κωδικοποίηση για ανίχνευση και διόρθωση λαθών. Προσθέτονται γι αυτό το λόγο ένας κωδικοποιητής καναλιού μετά την είσοδο του πομπού και ο αντίστοιχος αποκωδικοποιητής πριν την έξοδο του δέκτη. Ο κωδικοποιητής προσθέτει με συγκεκριμένο τρόπο στην δυαδική ακολουθία πλεονάζοντα bits. Αυτά δεν είναι bit πληροφορίας αλλά χρησιμεύουν στην ανίχνευση και διόρθωση πιθανών λαθών που έχει υποστεί το σήμα λόγω της αλλοίωσης του από το κανάλι με αποτέλεσμα την εσφαλμένη απόφαση στον αποδιαμορφωτή της λογικής τιμής ενός ή περισσότερων bit του συμβόλου. Επιτυγχάνεται έτσι μικρότερη πιθανότητα λάθους για τον ίδιο σηματοθορυβικό λόγο ή αλλιώς ίδια πιθανότητα λάθους με μικρότερη ισχύ μετάδοσης. Βέβαια η 46

59 κωδικοποίηση πάλι αυξάνει το χρησιμοποιούμενο εύρος ζώνης αλλά με αναλογικό και όχι εκθετικό τρόπο. Αν υποθέσουμε ότι πριν την κωδικοποίηση μεταδίδαμε k bit πληροφορίας σε ένα χρονικό διάστημα ίσο με και ότι ο κωδικοποιητής προσθέτει n-k bit πληροφορίας, τότε για την μετάδοση της ίδιας πληροφορίας απαιτείται τώρα η μετάδοση n bit στο ίδιο χρονικό διάστημα. Η διάρκεια λοιπόν του παλμού που αντιστοιχεί στο κάθε bit είναι μειωμένη κατά ένα παράγοντα. Η διεύρυνση της χρησιμοποιούμενης λοιπόν συνολικής ζώνης είναι (2.4.2) που αποτελεί αναλογική αύξηση του εύρους. Οι σημαντικότεροι χρησιμοποιούμενοι σήμερα κώδικες μπορούν να χωριστούν σε 2 ευρείς κατηγορίες: τους γραμμικούς κώδικες μπλοκ και τους συνελικτικούς κώδικες. Στους κώδικες μπλοκ κάθε ακολουθία από bits πληροφορίας χωρίζεται σε μπλοκ όπου στο καθένα απ αυτά ο κώδικας προσθέτει ίδιο αριθμό πλεοναζόντων bits. Δεν υπάρχει μνήμη μεταξύ διαδοχικών μπλοκ, δηλαδή η προσθήκη των bits ελέγχου είναι ανεξάρτητη σε κάθε μπλοκ. Στους συνελικτικούς κώδικες αντίθετα υπάρχει μνήμη, δηλαδή η καινούργια λέξη μήκους N εξαρτάται όχι μόνο από τα k bits πληροφορίας που περιέχει αλλά και από ένα μέρος της μέχρι τότε ακολουθίας που καθορίζεται από το μήκος του καταχωρητή ολίσθησης που χρησιμοποιούμε. Τέλος ορίζουμε ως κέρδος κωδικοποίησης G coding τον λόγο που δίνεται από την ακόλουθη σχέση: ( ) ( ) (2.4.3) όπου ( ) και ( ) τα SNR ανά bit χωρίς και με χρήση κωδικοποίησης αντίστοιχα,για την επίτευξη του ίδιου ρυθμού ψηφίων λάθους. Σχήμα 2.4 : Παράδειγμα συστήματος κωδικοποίησης-αποκωδικοποίησης 47

60 2.5 Μετατροπείς συχνότητας Όπως γνωρίζουμε η μετάδοση των σημάτων μέσα από τους ραδιοδιαύλους ανόδου και καθόδου γίνεται σε προκαθορισμένες από διεθνή πρότυπα ζώνες συχνοτήτων. Προκειμένου το σήμα βασικής ζώνης ή ενδιάμεσης συχνότητας να μετατραπεί στο αντίστοιχο RF σήμα κατάλληλης ζώνης και αντίστροφα, είναι απαραίτητη η χρήση μετατροπέων συχνότητας. Στα μεν κυκλώματα του πομπού χρησιμοποιούμε άνω μετατροπείς(up Converters, U/C) για την αύξηση της συχνότητας του σήματος, ενώ στο δέκτη κάτω μετατροπείς(down Converters,D/C) για την επαναφορά του υψίσυχνου σήματος στις κανονικές χαμηλές συχνότητές του. Το σημαντικότερο στοιχείο σε έναν μετατροπέα είναι ο μίκτης του, που δημιουργεί σήματα που έχουν το άθροισμα και τη διαφορά των συχνοτήτων εισόδου. Η έμφυτη μη γραμμικότητα του μίκτη λόγω των διόδων που χρησιμοποιεί, δημιουργεί συχνότητες πέρα από τις επιθυμητές του απλού αθροίσματος και διαφοράς των εισόδων (προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 2 ης, 3 ης κοκ τάξης). Η βασική λειτουργία ενός μίκτη φαίνεται στο σχήμα 2.5. για να γίνει κατανοητό πως προκύπτει αυτή η ολίσθηση της συχνότητας ας θεωρήσουμε δυο ημιτονοειδή σήματα της μορφής : ( ) ( ) και ( ) ( ) (2.5.1)&(2.5.2) Όπου ( ) και ( ) το σήμα του τοπικού ταλαντωτή (Local Oscillator,LO) και το προς μετατροπή συχνότητας σήμα αντίστοιχα. Αν τα 2 αυτά σήματα εισέλθουν σε ένα μίκτη τότε η έξοδος του τελευταίου θα είναι : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (2.5.3) όπου το κέρδος μίκτη. Χρησιμοποιώντας τη γνωστή όμως τριγωνομετρική ταυτότητα [ ( ) ( )] καταλήγουμε στη σχέση (2.5.4) : ( ) [ ( ( ) ) ( ( ) )] Παρατηρούμε λοιπόν ότι το φάσμα του σήματος έχει μετατοπιστεί γύρω από τις κεντρικές συχνότητες ( ) και ( ). Συνεπώς ένα ζωνοπερατό φίλτρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί πλέον για την απομόνωση της συχνότητας που προέρχεται από την πρόσθεση (περίπτωση U/C) ή την αφαίρεση (περίπτωση D/C) των συχνοτήτων αρχικού σήματος και τοπικού ταλαντωτή. 48

61 Σχήμα 2.5 : Μίκτης Σχήμα 2.6 : Συχνοτικά παράγωγα μίκτη Άνω και κάτω μετατροπέας απλής μετατροπής συχνότητας Ένας απλός U/C χρησιμοποιώντας την αρχή που περιγράψαμε προηγουμένως μετατρέπει τα σήματα IF από την έξοδο του διαμορφωτή σε RF σήματα στις χρησιμοποιούμενες συχνότητες από τις δορυφορικές επικοινωνίες (κοντά στα 6 GHz για τη C ζώνη και στα 12 GHz για την Ku). Για παράδειγμα αν ένα σήμα IF συχνότητας f1= 70 MHz (οι πιο συνηθισμένες IF συχνότητες στα δορυφορικά συστήματα είναι 70 και 140 MHz) συνδυαστεί με ένα σήμα LO συχνότητας f2= 6250 MHz θα δώσουν ένα RF σήμα εξόδου με συχνότητες f3= 6320 MHz και f4= 6180 MHz. Η f3 καλείται συχνότητα άνω πλευρικής ζώνης και η f4 κάτω πλευρικής ζώνης. Με ένα κατάλληλο ζωνοπερατό φίλτρο μικρού εύρους (συνήθως 36 MHz,το τυπικό εύρος ζώνης καναλιού ενός C-Band δορυφορικού αναμεταδότη) κρατάμε μόνο την περιοχή συχνοτήτων γύρω από την επιθυμητή f3. Αντίστροφα, στον D/C το RF σήμα ( γύρω από τα 4 GHz και GHz για την C και Ku ζώνη αντίστοιχα) μετατρέπεται σε IF σήμα, κατάλληλο για την περαιτέρω επεξεργασία του από το κύκλωμα αποδιαμόρφωσης. Χρησιμοποιώντας πάλι το ίδιο παράδειγμα αλλά με τις κατάλληλες συχνότητες f1= 4150 MHz και f2= 4080 MHz στην έξοδο του μίκτη θα πάρουμε την επιθυμητή f3= 70 MHz και την ανεπιθύμητη f4= 8230 MHz την οποία εύκολα αποκόπτουμε με ένα αρκετά ευρύ φίλτρο γύρω από την f3. Παρατηρούμε όμως ότι και η μίξη της συχνότητας f5= 4010 MHz με τη συχνότητα του LO f2= 4080 MHz μπορεί να δώσει πάλι την επιθυμητή f3= 70 MHz. Η συχνότητα f5 ονομάζεται συχνότητα ειδώλου ή απλά είδωλο της f1 και είναι ανεπιθύμητη καθώς το περιεχόμενό της μπορεί να προστεθεί στην έξοδο σε αυτό από την f1.γι αυτό πριν τον μίκτη τοποθετούμε ένα ζωνοπερατό φίλτρο για απομάκρυνση του ειδώλου (Image rejection filter). Στην περίπτωση RF σημάτων χαμηλού εύρους ζώνης, όπως όταν χρησιμοποιούμε δορυφορικούς αναμεταδότες των 36 MHz η ενδιάμεση συχνότητα των 70 MHz είναι επαρκής. Όταν όμως το εύρος των RF σημάτων μεγαλώνει, απαιτείται η χρήση μεγαλύτερης IF συχνότητας, 49

62 συνήθως 140 MHz, για να βελτιώσουμε το φιλτράρισμα των ανεπιθύμητων ειδώλων. Ένας άλλος τρόπος για να βελτιώσουμε το πρόβλημα του απαιτούμενου μικρού εύρους ζώνης των φίλτρων αλλά και του επανασυντονισμού τους στα διάφορα κανάλια των RF συχνοτήτων είναι η χρησιμοποίηση ενός μετατροπέα διπλής μετατροπής σε όλο το εύρος των 500 MHz περίπου της χρησιμοποιούμενης δορυφορικής ζώνης. Άνω και κάτω μετατροπέας διπλής μετατροπής συχνότητας Αυτό το είδος μετατροπέα αποτελείται από τα ακόλουθα στοιχεία: Ένα RF φίλτρο 2 μίκτες σε σειρά 2 τοπικούς ταλαντωτές LO, έναν σταθερής και έναν μεταβαλλόμενης συχνότητας 2(ή παραπάνω) IF φίλτρα Ενισχυτές ενδιάμεσης συχνότητας Εξισωτές καθυστέρησης περιβαλλουσών πλάτους (group delay equalizers) Σχήμα 2.7 : Διπλός άνω και διπλός κάτω μετατροπέας συχνότητας 50

63 Ο διπλός άνω μετατροπέας είναι πιο κοινός στους σύγχρονους σταθμούς γιατί παρέχει μεγάλη ευελιξία καθώς συντονίζοντας κατάλληλα τον 1 ο LO (RF LO) μπορούμε να μεταβάλλουμε την RF συχνότητα σε ολόκληρο το εύρος των 500 MHz λειτουργίας. Ο αντίστοιχος διπλός κάτω μετατροπέας του σχήματος λαμβάνει ένα σήμα έστω C ζώνης (4 GHz) και το περνάει μέσα από ένα φίλτρο εύρους 500 MHz (εύρος λειτουργίας ζώνης). Στη συνέχεια το σήμα συνδυάζεται σε ένα μίκτη με το αυτό ενός ρυθμιζόμενου τοπικού ταλαντωτή και μετατρέπεται στο σήμα 1 ης ενδιάμεσης συχνότητας (γύρω στο 1 GHz). Αφού το τελευταίο περάσει μέσα από σταθερό ζωνοπερατό φίλτρο 72MHz και ενισχυθεί από έναν IF ενισχυτή, μετατρέπεται στη 2 η IF 140 MHz με τη βοήθεια ενός 2 ου σταθερού ταλαντωτή. Τέλος ξαναφιλτραρεται από ένα παρόμοιο με το προηγούμενο φίλτρο (με χαμηλότερη κεντρική συχνότητα βέβαια) και ενισχύεται πάλι. Η χρήση μεγαλύτερης 1 ης IF από το εύρος ραδιοσυχνοτήτων 500 MHz δίνει τη δυνατότητα αλλαγής της συχνότητας λειτουργίας μέσα στο επιτρεπόμενο εύρος μεταβάλλοντας μόνο τη συχνότητα του 1 ου LO, χωρίς την ανάγκη αναπροσαρμογής των φίλτρων, που είναι δύσκολη και χρονοβόρα διαδικασία. Πολλές φορές χρησιμοποιείται μαζί με συνθέτη συχνοτήτων για καλύτερα αποτελέσματα. Συγκεκριμένα υπάρχουν 2 είδη τοπικών ταλαντωτών που χρησιμοποιούνται στου μετατροπείς συχνότητας. Οι ταλαντωτές ελεγχόμενοι από κρυσταλλικό οδηγό και από συνθέτη συχνότητας. Στους πρώτους η αλλαγή της συχνότητας πραγματοποιείται με αντικατάσταση του κρυστάλλου ή με εναλλαγή μεταξύ πολλών κρυστάλλων. Στους δεύτερους η αλλαγή συχνότητας επιτυγχάνεται απλά μέσα από περιστροφικούς διακόπτες η και με απομακρυσμένο έλεγχο. Οι τοπικοί ταλαντωτές κατασκευάζονται παίρνοντας έναν σήμα καθαρού ταλαντωτή (π.χ. ένα ημίτονο σταθερής συχνότητας) και διαιρώντας ή πολλαπλασιάζοντας τη συχνότητα του παράγονται στην έξοδο όλες οι επιθυμητές συχνότητες. Οι καθαροί ταλαντωτές είναι απλές ηλεκτρονικές συσκευές που συντονίζουν κάποιο κύκλωμα συντονισμού, όπως RLC κυκλώματα, συντονιστές κρυστάλλων quartz και ατομικούς συντονιστές. Οι RLC ταλαντωτές χρησιμοποιούνται σπάνια καθώς οι ατέλειες των στοιχείων του κυκλώματος, που αυξάνουν όσο περνά ο χρόνος, εισάγουν θερμικό θόρυβο που προκαλεί διακυμάνσεις τόσο στο πλάτος όσο και στη συχνότητα και τη φάση του σήματος εξόδου. Ενώ οι διακυμάνσεις στο πλάτος είναι αντιμετωπίσιμες και άνευ σημασίας, οι διακυμάνσεις στη συχνότητα και τη φάση (γνωστές και ως θόρυβος φάσης,phase noise) είναι μη αποδεκτές έως και καταστροφικές για τα δορυφορικά συστήματα. Αυτό συμβαίνει διότι η πρόσθεση των διαταραχών από τους τοπικούς ταλαντωτές που χρησιμοποιούνται κατά μήκος όλου του μονοπατιού που ακολουθεί το δορυφορικό σήμα, δημιουργεί αλλοιώσεις στη φάση/συχνότητα του σήματος λήψης ικανές να υποβαθμίσουν το BER του συστήματος, ακόμα και να οδηγήσουν σε απώλεια του συγχρονισμού στα κυκλώματα αποδιαμόρφωσης. Γι αυτό το λόγο έχουν θεσπιστεί αυστηροί διεθνείς κανονισμοί για το επιτρεπόμενο όριο θορύβου φάσης που εισάγουν τα διάφορα κυκλώματα των δορυφορικών συστημάτων, όπως 51

64 είναι οι LO και οι ενισχυτές ισχύος. Οι κρυσταλλικοί ταλαντωτές παρουσιάζουν καλύτερη συμπεριφορά από τους αντίστοιχους RLC, ενώ οι ατομικοί είναι οι πιο σταθεροί και με τον λιγότερο θόρυβο φάσης. Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά των μετατροπέων διπλής μετατροπής συνοψίζονται εδώ : Το μεγάλο εύρος συχνοτήτων (μέχρι 575MHz) που καλύπτει όλη τη ζώνη λειτουργίας ενός δορυφορικού συστήματος) Η ευελιξία στην αλλαγή της συχνότητας λειτουργίας για την συνεχή προσαρμογή του σταθμού στις απαιτήσεις του συστήματος (αυξομειώσεις κίνησης, μεταπήδηση σε άλλον δορυφόρο κτλ) Αντιστάθμιση των διαταραχών στην απόκριση συχνότητας και την χρονική καθυστέρηση των περιβαλλουσών των διάφορων ημιτονοειδών συνιστωσών του σήματος (λόγω της διαφορετικής χρονικής καθυστέρησης με την οποία διαδίδονται οι διάφορες συχνότητες μέσα από το σύστημα), τόσο στην IF βαθμίδα του δέκτη όσο και στην αντίστοιχη του εκπομπού. Το επίπεδο γραμμικότητας. Αυτή είναι αναγκαία σε περιπτώσεις που ένας αριθμός διαφορετικών φερόντων μετατρέπεται από τον ίδιο μετατροπέα καθώς τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης που μπορεί να προκύψουν πρέπει να κρατηθούν σε πολύ χαμηλά επίπεδα σε σχέση με αυτά που προκύπτουν από τους ενισχυτές ισχύων. Επίσης είναι πολύ χρήσιμη για την άμβλυνση της παραμόρφωσης που εισάγεται από τους IF αντισταθμιστές. Η δυνατότητα επίτευξης καλών ορίων ανοχής στις μεταβολές της συχνότητας (ανάλογα με τους χρησιμοποιούμενους ταλαντωτές), μέσα στα επιτρεπόμενα όρια διακυμάνσεων. 2.6 Ενισχυτές ισχύος (HPAs) Η ύπαρξη αυτών των συστημάτων είναι πολύ σημαντική τόσο στον επίγειο σταθμό εκπομπής όσο και στον πομπό του δορυφορικού αναμεταδότη που επεξεργάζεται, ενισχύει και επανεκπέμπει το σήμα άνω ζεύξης. Η βασική λειτουργία τους έγκειται στο να δέχονται το χαμηλού επιπέδου RF σήμα και να το μεταφέρουν στο επιθυμητό επίπεδο ισχύος για την εκπομπή του στο δορυφορικό κανάλι. Κοινοί τύποι ενισχυτών ισχύος που συναντώνται στους επίγειους σταθμούς είναι ο KPA (Klystron Power Amplifier), ο TWTA ( Travelling Wave Tube Amplifier) και ο SSPA (Solid State Power Amplifier), με τους δυο τελευταίους να είναι οι πιο δημοφιλείς. Οι δυο πρώτοι ανήκουν στην κατηγορία των ενισχυτών σωλήνα ενώ ο τρίτος στους FET ενισχυτές. Παρακάτω θα ασχοληθούμε κυρίως με τον TWTA ενισχυτή καθώς είναι ο πιο διαδεδομένος μέχρι σήμερα και η μελέτη του οποίου θα φανερώσει τα γενικά χαρακτηριστικά των ενισχυτών ισχύος. 52

65 Ο TWTA ενισχυτής Σχήμα 2.8 : O TWTA ενισχυτής υψηλής ισχύος Η κεντρική ιδέα στους TWTAs είναι η χρήση λυχνιών κενού για ενίσχυση στη μικροκυματική περιοχή, μια αρκετά παλιά τεχνολογία. Έχουν μεγάλο βάρος και το κόστος τους ανέρχεται σε εκατοντάδες χιλιάδες δολάρια. Παρέχουν όμως μεγαλύτερη ισχύ εξόδου και λειτουργούν σε ψηλότερες συχνότητες από τους FET ενισχυτές. Το μειονέκτημα τους σε σχέση με τους τελευταίους είναι η παρουσίαση πιο έντονης μη γραμμικής συμπεριφοράς με αποτέλεσμα την δημιουργία πιο έντονων προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης και την παραμόρφωση του σήματος. Τα στοιχεία εκείνα που χαρακτηρίζουν έναν TWTA είναι συνήθως τα εξής: η μέγιστη ισχύς εξόδου (peak power) η χαρακτηριστική Pout-Pin η χαρακτηριστική ΟΒΟ-ΙΒΟ (ΑΜ/ΑΜ Conversion) η χαρακτηριστική Φάσης-IBO (ΑΜ/PΜ Conversion) η χαρακτηριστική κέρδους (Gain) Η μέγιστη ισχύς εξόδου ενός TWTA κυμαίνεται από μερικές δεκάδες Watt μέχρι μερικά kw (π.χ. 3 kw). Η γενική χαρακτηριστική μεταφοράς Pout Pin είναι μη γραμμική και έχει τη μορφή του σχήματος. Σχήμα 2.9 : Χαρακτηριστική ισχύος Ε/Ε TWTA ενισχυτή 53

66 Όπως παρατηρούμε, μέχρι κάποια τιμή της ισχύος εισόδου η χαρακτηριστική είναι σχεδόν γραμμική ή αλλιώς βρισκόμαστε στη γραμμική περιοχή της χαρακτηριστικής. Από την τιμή αυτή όμως της ισχύος εισόδου και μετά η ισχύς εξόδου παραμένει σχεδόν σταθερή, δηλαδή η χαρακτηριστική εισέρχεται στον κορεσμό και το σημείο λειτουργίας με τη συγκεκριμένη τιμή ονομάζεται σημείο κόρου (saturation point). Πολλές φορές αντί της χαρακτηριστικής ισχύος εξόδου εισόδου χρησιμοποιείται η χαρακτηριστική OBO IBO (Input Back-Off ή περιθώριο ισχύος εισόδου Output Back-Off ή περιθώριο ισχύος εξόδου). Αυτή η χαρακτηριστική έχει τη μορφή του παρακάτω σχήματος. Σχήμα 2.10 : Χαρακτηριστική ΟΒΟ-ΙΒΟ Τα IBO και OBO περιγράφουν στην ουσία το σημείο λειτουργίας και είναι ένα μέτρο του πόσο απέχει η ισχύς εισόδου και εξόδου αντίστοιχα από το σημείο κόρου. Πιο συγκεκριμένα περιγράφονται από τις σχέσεις: ( ), ( ) (2.6.1)&(2.6.2) Επομένως γνωρίζοντας την ισχύ εισόδου και εξόδου στο σημείο κόρου και τα τρέχοντα IBO και OBO μπορούμε να υπολογίσουμε την ισχύ εισόδου και την ισχύ εξόδου στο σημείο λειτουργίας. Όταν ο ενισχυτής ενισχύει σήμα που αποτελείται από πολλαπλά κανάλια, όπως τα σήματα FDMA για παράδειγμα, λόγω της μη γραμμικότητας του ενισχυτή στη περιοχή κόρου υπάρχει ο κίνδυνος δημιουργίας προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης σε φέρουσες συχνότητες που είναι γραμμικός συνδυασμός των φερουσών των επιμέρους καναλιών. Αυτό συνεπάγεται παρεμβολές στο σήμα εξόδου εφόσον οι παραγόμενες συχνότητες βρίσκονται μέσα στο επιθυμητό εύρος ζώνης. Για τον περιορισμό αυτού του φαινομένου οι ενισχυτές πρέπει να λειτουργούν με ένα άνετο περιθώριο ισχύος, το μέγεθος του οποίου εξαρτάται από την ελάχιστη τιμή της ισχύος εκπομπής, το πλήθος των επιμέρους καναλιών και φυσικά τη μορφή της χαρακτηριστικής του ενισχυτή. Η 54

67 χαρακτηριστική OBO IBO καλείται και AM/AM μετατροπή. Υπάρχει και η AM σε PM μετατροπή (AM/PM) που στην ουσία περιγράφει την μεταβολή στην φάση εξόδου ανά αύξηση 1 db στην ισχύ (πλάτος) εισόδου και εκφράζεται σε deg/db. Η χαρακτηριστική AM/PM δίνεται συνήθως από τον κατασκευαστή του ενισχυτή και έχει την ακόλουθη μορφή. Σχήμα 2.11 : Χαρακτηριστική Φάσης-ΙΒΟ Μέσω της AM/PM μετατροπής εισάγεται θόρυβος φάσης στο σήμα εξόδου που οφείλεται στις ανεπιθύμητες διαταραχές της περιβάλλουσας του σήματος εισόδου. Για την αποφυγή αυτών των διακυμάνσεων στο πλάτος του σήματος εισόδου τοποθετούμε συνήθως πριν από τον ενισχυτή έναν ζωνοπερατό περιοριστή πλάτους (συνδυασμός περιοριστή πλάτους και ζωνοπερατού φίλτρου). Ο περιοριστής πλάτους ιδανικά εξαλείφει τις μεταβολές στο πλάτος του σήματος εισόδου επομένως κρατάει σταθερή και την ισχύ της εξόδου του. Στην πραγματικότητα όμως ο ζωνοπερατός περιοριστής είναι και αυτός ένα μη γραμμικό κύκλωμα που εισάγει θόρυβο φάσης στο σήμα εισόδου του. Έτσι τόσο ο ενισχυτής που λειτουργεί στη μη γραμμική περιοχή όσο και ο περιοριστής προκαλούν φασματική διαπλάτυνση, αποκαθιστώντας μερικώς ή συνολικά τους πλευρικούς λοβούς που είχαν συμπιεστεί από το RF φιλτράρισμα. Αυτό συμβαίνει γιατί μεταβάλλεται η συχνότητα των 2 ορθογωνίων συνιστωσών του φιλτραρισμένου σήματος, δημιουργώντας παρεμβολή της μίας στην άλλη. Ένας καλύτερος τρόπος για την άρση των προβλημάτων της μη γραμμικότητας του ενισχυτή είναι η σύνδεση σε σειρά ενός άλλου μη γραμμικού κυκλώματος του οποίου ο συνδυασμός με τον ενισχυτή δίνει γραμμική συμπεριφορά. Παρόλη τη δυσκολία κατασκευής ενός τέτοιου μη ιδανικού κυκλώματος, τα όφελος από την ύπαρξή του είναι μεγάλο καθώς θα μπορούμε με ασφάλεια πλέον να λειτουργήσουμε τον ενισχυτή κοντά στο σημείο του κόρου, όπου έχει τη μέγιστη επίδοσή του. Από την μέχρι τώρα περιγραφή γίνεται φανερό ότι ο TWTA, και γενικά ένας ενισχυτής ισχύος, εισάγει σημαντική μη γραμμικότητα τόσο στο πλάτος όσο και στη φάση του σήματος όσο πλησιάζει την περιοχή κόρου. Τις τελευταίες δεκαετίες 55

68 έχουν γίνει αρκετές προσπάθειες για την μαθηματική περιγραφή της χαρακτηριστικής μεταφοράς των ενισχυτών ισχύος και του TWTA ειδικότερα. Το πιο δημοφιλές μαθηματικό μοντέλο προτάθηκε το 1981 από τον Adel Saleh και είναι γνωστό ως μοντέλο του Saleh. Το μοντέλο αυτό έγινε ευρέως γνωστό για την καλή ακρίβεια και την σχετική απλότητά του, αφού χρησιμοποιεί μόνο 2 παραμέτρους για την περιγραφή των AM/AM και AM/PM χαρακτηριστικών. Το μοντέλο του Saleh Σε αυτό το μοντέλο οι τιμές της ισχύος (ή αλλιώς του πλάτους) και της φάσης της εξόδου είναι συναρτήσεις της ισχύος εισόδου. Υποθέτουμε ότι έχουμε ένα απλό φέρον της μορφής : ( ) ( ) [ ( )] (2.6.3) όπου η κυκλική συχνοτητα του φέροντος, ( ) η συνάρτηση πλάτους και ( ) η συνάρτηση φάσης. Αν εισάγουμε αυτό το σήμα στον ενισχυτή ισχύος θα υποστεί τις αντίστοιχες AM/AM και AM/PM μετατροπές, δίνοντας τελικά στην έξοδο ένα σήμα της μορφής : ( ) [ ( )] { ( ) [ ( )]} (2.6.4) όπου [ ( )] μια περιττή συνάρτηση του πλάτους εισόδου που αντιπροσωπεύει το κέρδος AM/AM και [ ( )] μια άρτια συνάρτηση του πλάτους εισόδου πάλι που αντιπροσωπεύει το κέρδος AM/PM. Η ακριβής προσέγγιση αυτών των συναρτήσεων παραδοσιακά υλοποιείται με πολυώνυμα μεγάλου βαθμού, τα όποια εισάγουν μεγάλη υπολογιστική πολυπλοκότητα. Αντί των δύσχρηστων αυτών πολυωνύμων, ο Saleh πρότεινε τη χρήση απλών μαθηματικών τύπων που εξαρτώνται από δύο μόνο παραμέτρους ο καθένας. Οι τύποι αυτοί είναι οι ακόλουθοι : ( ) ( ) και ( ) ( ) (2.6.5)&(2.6.6) Τα και αποτελούν κανονικοποιημένες τιμές του πλάτους εισόδου και εξόδου αντίστοιχα, ενώ οι παράμετροι προσδιορίζονται με τη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων από πειραματικές μετρήσεις που έχουμε πάρει από τον υπό μελέτη ενισχυτή. Έτσι, οι κανονικοποιημένες AM/AM και AM/PM καμπύλες που προκύπτουν από το μοντέλο του Saleh έχουν τη μορφή του σχήματος(matlab figure) 56

69 Σχήμα 2.12 : Κανονικοποιημένες χαρακτηριστικές ΑΜ/ΑΜ και ΑΜ/ΡΜ 2.7 Ενισχυτές χαμηλού θορύβου (LNAs) Οι ενισχυτές χαμηλού θορύβου, όπως υποδεικνύει και το όνομά τους, είναι ενισχυτές που έχουν πολύ χαμηλή θερμοκρασία θορύβου συνδυασμένη με ένα καλό εύρος ζώνης λειτουργίας. Γι αυτούς τους λόγους χρησιμοποιούνται στην 1 η βαθμίδα του δέκτη για την λήψη και ενίσχυση του αδύναμου RF σήματος. Χωρίζονται σε δυο κατηγορίες: τους παραμετρικούς και τους ενισχυτές τύπου FET. Παραμετρικοί Ενισχυτές Αυτό το είδος ενισχυτή αποτελείται από δύο κυκλώματα συντονισμένα σε διαφορετικές συχνότητες, τα οποία συζευγνύονται μέσω μίας varactor διόδου ημιτονοειδούς χωρητικότητας με συχνότητα ίση με το άθροισμα των δύο συχνοτήτων συντονισμού. Ένας κυκλοφορητής οδηγεί το σήμα εισόδου αρχικά στο κύκλωμα συντονισμού όπου ενισχύεται και στη συνέχεια στη θύρα εξόδου του ενισχυτή. Προσεγγιστικά, η ισοδύναμη θερμοκρασία θορύβου του παραμετρικού ενισχυτή δίνεται από τον τύπο: (2.7.1) όπου η θερμοκρασία λειτουργίας του varactor και οι συχνότητες συντονισμού. Όπως είναι φανερό ο έλεγχος της ισοδύναμης θερμοκρασίας θορύβου γίνεται μέσω της. Ο τρόπος του εφαρμοζόμενου έλεγχου καθορίζει 57

70 το είδος του παραμετρικού ενισχυτή. Έτσι οι τελευταίοι διακρίνονται σε μη ψυχόμενους ( ), θερμοηλεκτρικά ψυχόμενους ( ) και κρυογενικά ψυχόμενους ( ). Η συντήρηση που χρειάζονται οι LNA είναι ελάχιστη και στους παραμετρικούς συγκεκριμένα περιορίζεται στην περιστασιακή ρύθμιση του ελέγχου πόλωσης της διόδου και του επιπέδου ισχύος. FET Ενισχυτές Οι ενισχυτές από FETs (Field-Effect Transistors) επιτυγχάνουν ακόμα καλύτερα επίπεδα θορύβου, ενώ παράλληλα έχουν χαμηλό κόστος και υψηλή αξιοπιστία. Η τυχαία κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα στους ημιαγωγούς προκαλεί βέβαια θερμικό θόρυβο που μπορεί όμως να ελαχιστοποιηθεί μειώνοντας τη φυσική θερμοκρασία του ενισχυτή (ψύξη Peltier ή κρυογονική ψύξη) ή με κατασκευή των ενισχυτών με χρήση της τεχνολογίας ΗΕΜΤ (High Electron Mobility Transistor) ή ετεροδομικών FET όπως αλλιώς ονομάζονται. Ο πιο διαδεδομένος τύπος FET LNA είναι ο GaAsFET LNA ή LNA από FET αρσενιούχου γαλλίου. Ένας τυπικός τέτοιος ενισχυτής αποτελείται από 4 στάδια ενίσχυσης με συνολικό κέρδος πάνω από 20 db. Το πρώτο συνήθως στάδιο ψύχεται θερμοηλεκτρικά, επιτυγχάνοντας θερμοκρασία θορύβου μικρότερη από 80 K. Από την δημιουργία τους το 1972, τα GaAsFETs βελτιώνονται συνεχώς δίνοντας σήμερα πλέον τη δυνατότητα να φτιάξουμε ενισχυτές με θερμοκρασία θορύβου κάτω από 40 Κ, ενώ η συντήρηση που απαιτούν είναι μηδαμινή, χαρακτηριστικό που τα κάνει ιδανικά για τους LNA του δορυφορικού αναμεταδότη. Άλλα σημαντικά χαρακτηριστικά των LNA είναι η συμπεριφορά ως προς την γραμμικότητα και τη σταθερότητα του κέρδους, τα κυκλώματα προσαρμογής στην αλυσίδα του δέκτη και ο συντελεστής θορύβου. Η γραμμικότητα των ενισχυτών καθορίζεται κυρίως από το σημείο παρεμβολής 3 ης τάξης IIP3 (Third-order Input Intercept Point ή πιο απλά ΙΡ3), που εκφράζει σε ποιο σημείο τα παράγωγα 3 ης τάξης τέμνουν τη χαρακτηριστική μεταφοράς, και από το σημείο συμπίεσης 1-dB, που είναι το σημείο στο οποίο η ισχύς εξόδου είναι 1 db χαμηλότερη από την ισχύ που θα υπήρχε στην έξοδο αν αυτή ήταν γραμμική. Όσο ψηλότερα βρίσκονται τα σημεία αυτά από το σημείο λειτουργίας του ενισχυτή, τόσο πιο γραμμική θα είναι η επεξεργασία και λιγότερο εμφανή τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 3 ης τάξης στην έξοδο. Το σημείο IP3 ενός τυπικού LNA βρίσκεται μεταξύ -10 μέχρι 0 dbm. Πρέπει επίσης να αναφέρουμε ότι στα ευζωνικά συστήματα γίνονται μη αμελητέες και οι γραμμικότητες 2 ης τάξης οπότε πρέπει να λάβουμε υπόψιν και το σημείο παρεμβολής 2 ης τάξης (IP2). Έκτος αυτών οι ενισχυτές εισάγουν θόρυβο που μεταβάλει το πλάτος των σημάτων άρα και της ισχύος εξόδου. Η σταθερότητα κέρδους περιγράφει για δεδομένη επιτρεπτή θερμοκρασία, τη διακύμανση του 58

71 κέρδους ενός ενισχυτή στο εύρος συχνοτήτων λειτουργίας του και εκφράζεται ως ο μέσος της διαφοράς της ελάχιστης από τη μέγιστη τιμή κέρδους σε όλο το εύρος συχνοτήτων λειτουργίας. Όσον αφορά τα κυκλώματα προσαρμογής, αυτά είναι απαραίτητα για την εξασφάλιση του μέγιστου δυνατού κέρδους στην περιοχή λειτουργίας του ενισχυτή και την μείωση του συντελεστή θορύβου στην ονομαστική ελάχιστη τιμή. Ως γνωστόν, για τη μέγιστη μεταφορά ισχύος απαιτείται η εφαρμογή συζυγούς προσαρμογής μεταξύ των βαθμίδων της αλυσίδας. Αυτό σημαίνει ότι η αντίσταση εισόδου του LNA πρέπει να ισούται με την αντίσταση εξόδου του προηγούμενου στοιχείου (συνήθως ένα RF φίλτρο στην είσοδο του δέκτη) και η αντίσταση εξόδου με την αντίσταση εισόδου του επόμενου (συνήθως το RF φίλτρο απόρριψης ειδώλου του κάτω μετατροπέα συχνότητας). Ο συντελεστής θορύβου ενός συστήματος δίνεται από τη σχέση: ( ) (2.7.2) όπου η ισοδύναμη θερμοκρασία θορύβου του συστήματος και η θερμοκρασία του περιβάλλοντα χώρου ( 290 K). Όμως σε μια αλυσίδα στοιχείων η ισοδύναμη θερμοκρασία θορύβου δίνεται από τον τύπο : (2.7.3) όπου και κτλ οι ισοδύναμες θερμοκρασίες θορύβου και τα κέρδη αντίστοιχα των επιμέρους βαθμίδων. Όπως βλέπουμε από την τελευταία σχέση, η συνολική ισοδύναμη θερμοκρασία θορύβου άρα και ο συνολικός συντελεστής θορύβου του δέκτη εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά του LNA, καθώς αποτελεί συνήθως την πρώτη ή δεύτερη βαθμίδα του δέκτη. Συνεπώς τοποθετούμε στην είσοδο του ενισχυτή το κατάλληλο προσαρμοστικό κύκλωμα ώστε ο συντελεστής θορύβου της LNA βαθμίδας να είναι όσο το δυνατόν μικρότερος (< 2 db). Συνηθισμένες τιμές αντιστάσεων εισόδου και εξόδου ενός LNA είναι της τάξης των 50 Ω. Αναφέρουμε τέλος ότι πέρα από τους ενισχυτές που περιγράψαμε στα δύο τελευταία κεφάλαια στα δορυφορικά συστήματα συναντώνται ακόμα 2 είδη ενισχυτών: οι IFΑ ενισχυτές ή ενισχυτές ενδιάμεσων συχνοτήτων (Intermediate Frequency Amplifier) και οι προενισχυτές. Οι πρώτοι χρησιμοποιούνται στην IF βαθμίδα τόσο του πομπού όσο και του δέκτη και στόχο έχουν την περαιτέρω ενίσχυση του σήματος, π.χ. για να καταστεί δυνατή η επεξεργασία του από τον αποδιαμορφωτή. Ο προενισχυτής από την άλλη χρησιμοποιείται πριν τον HPA για την επίτευξη του επιθυμητού επιπέδου ισχύος στην είσοδο του HPA προκειμένου ο τελευταίος να δώσει την απαιτούμενη ισχύ εκπομπής στην έξοδό του. Η χρήση του προενισχυτή επιβάλλεται τόσο από την χαμηλή ενίσχυση του σήματος σε όλες τις προηγούμενες βαθμίδες του πομπού όσο και από την παρουσία των μεταβλητών εξασθενητών πριν τελική βαθμίδα ενίσχυσης του HPA. 59

72 2.8 Η δορυφορική κεραία Στο υποκεφάλαιο 1.5 κάναμε μια σύντομη περιγραφή των διάφορων κεραιών που τοποθετούνται στη μονάδα του δορυφόρου καθώς και των σημαντικότερων χαρακτηριστικών τους. Οι κεραίες που χρησιμοποιούνται στους επίγειους σταθμούς δεν έχουν μεγάλες διαφορές. Η πιο σημαντική ίσως είναι η μεγαλύτερη ευελιξία στο μέγεθος της κεραίας, αφού δεν τίθεται θέμα χωρικού περιορισμού, εκτός ίσως από τις κεραίες για οικιακές εφαρμογές (π.χ. VSAT δίκτυα). Γενικά χαρακτηριστικά Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά μιας δορυφορικής κεραίας είναι το κέρδος, η γωνία ημίσεως ισχύος και η διάταξη και το μέγεθος των πλευρικών λοβών της. Το κέρδος ή απολαβή (G) μιας κεραίας ορίζεται ως ο λόγος της ισχύος που ακτινοβολεί η κεραία ανά μονάδα στερεάς γωνίας (πυκνότητα ισχύος) σε μία συγκεκριμένη κατεύθυνση, προς την ισχύ που ακτινοβολεί ανά μονάδα στερεάς γωνίας μία ισοτροπική κεραία τροφοδοτούμενη με την ίδια ισχύ. Η πυκνότητα ισχύος που ακτινοβολείται συναρτήσει της κατεύθυνσης εκφράζεται μέσω του διαγράμματος ακτινοβολίας της κεραίας, το οποίο αποτελεί και αυτό στην ουσία μία συνάρτηση του κατευθυντικού κέρδους της G(θ,φ), όπου θ η γωνία ανύψωσης και φ η αζιμουθιακή γωνία. Λόγω του θεωρήματος της αμοιβαιότητας τα παραπάνω ισχύουν και στην περίπτωση της λήψης, δηλαδή το διάγραμμα ακτινοβολίας εκπομπής είναι ίδιο με το διάγραμμα ακτινοβολίας λήψης. Η γωνία ή το εύρος δέσμης ημίσεως ισχύος, ή πιο απλά γωνία 3dB, ορίζεται ως η γωνία μεταξύ των διευθύνσεων εκατέρωθεν του μεγίστου όπου το κέρδος της κεραίας ελαττώνεται στο μισό της μέγιστης τιμής του. Η γωνία αυτή λοιπόν βρίσκεται μέσα στον κύριο λοβό του διαγράμματος ακτινοβολίας καθώς περιέχει το μέγιστό του. Εκτός όμως της ισχύος που ακτινοβολείται (ή λαμβάνεται) από την κατεύθυνση του κύριου λοβού, υπάρχει ένα σημαντικό ποσοστό της συνολικής ισχύος που ακτινοβολείται (ή λαμβάνεται αντίστοιχα) μέσω των πλευρικών λοβών ακτινοβολίας. Η ισχύς αυτή δημιουργεί προβλήματα στο σύστημα που την λαμβάνει καθώς συνήθως προέρχεται από ανεπιθύμητες πηγές. Συνεπώς, στις περισσότερες δορυφορικές εφαρμογές επιθυμούμε υψηλό κέρδος στην κατεύθυνση της ραδιοζεύξης και αμελητέους πλευρικούς λοβούς. Μία άλλη σημαντική έννοια για την περιγραφή της κεραίας είναι η ενεργός επιφάνειά της A e. Η ενεργός επιφάνεια της κεραίας ορίζεται ως ο λόγος μεταξύ της απορροφούμενης ισχύος στο φορτίο υπό συνθήκες προσαρμογής προς την ισχύ ανά μονάδα επιφάνειας του κάθετα προσπίπτοντος η/μ κύματος. Η ενεργός επιφάνεια συνδέεται με τη φυσική επιφάνεια της κεραίας Α phys μέσω του συντελεστή απόδοσης της κεραίας n a που ορίζεται ως : 60

73 (2.8.1) Το μέγιστο κέρδος Gmax και η γωνία μισής ισχύος θ 3dB συνδέονται με τον συντελεστή απόδοσης με τους παρακάτω προσεγγιστικούς τύπους. και (2.8.2)&(2.8.3) Σχήμα 2.12 : Διάγραμμα ακτινοβολίας κεραίας Σχήμα 2.13: Γωνία μισής ισχύος(3db) Η τελευταία έννοια με την οποία θα ασχοληθούμε είναι η πόλωση μιας κεραίας. Γενικά ως πόλωση της κεραίας ονομάζουμε την πόλωση του η/μ κύματος που αυτή ακτινοβολεί. Όπως είναι γνωστό, ένα η/μ κύμα αποτελείται από το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο, τα οποία είναι κάθετα τόσο μεταξύ τους όσο και με τη διεύθυνση διάδοσης. Το διάνυσμα του ηλεκτρικού πεδίου δεν είναι σταθερό και στη γενική του θεώρηση το άκρο του διαγράφει μία έλλειψη. Όπως προκύπτει από τα παραπάνω το επίπεδο της έλλειψης είναι κάθετο στη διεύθυνση διάδοσης. Η πόλωση του κύματος εξαρτάται από το διάνυσμα του ηλεκτρικού πεδίου και ειδικότερα καθορίζεται από την κατεύθυνση περιστροφής (δεξιόστροφη ή αριστερόστροφη ως προς τον άξονα διάδοσης), τον αξονικό λόγο (δηλαδή τον λόγο του μεγάλου προς τον μικρό άξονα της έλλειψης) και την κλίση της έλλειψης (η γωνία μεταξύ του μεγάλου άξονα και της x- συνιστώσας του ηλεκτρικού πεδίου). Όταν ο αξονικός λόγος γίνεται μονάδα έχουμε κυκλική πόλωση ενώ όταν τείνει στο άπειρο η πόλωση γίνεται γραμμική. Η σημαντική ιδιότητα που προκύπτει από τη θεωρία η/μ κυμάτων είναι ότι μια κεραία κατασκευασμένη για να ακτινοβολεί η να λαμβάνει υπό κάποια πόλωση δεν μπορεί να λειτουργήσει στην κάθετη αυτής πόλωση. Εφαρμογή αυτής της ιδιότητας γίνεται στις μεθόδους αναχρησιμοποίησης συχνότητας όπως περιγράψαμε και στο 1 ο κεφάλαιο, αλλά σε αυτές τις περιπτώσεις 61

74 θα πρέπει να λαμβάνεται σοβαρά υπόψη η αποπόλωση του κύματος κατά την διάδοσή του στην ατμόσφαιρα. Τύποι κεραιών Όπως αναφέραμε και στο σύστημα επικοινωνιών του δορυφόρου, οι βασικοί τύποι κεραιών που χρησιμοποιούνται στα δορυφορικά συστήματα επικοινωνιών είναι το δίπολο λ/2, η ελικοειδής κεραία, η χοανοκεραία, η παραβολική κεραία και οι στοιχειοκεραίες. Η πρώτη λόγω του σχεδόν ομοιόμορφου διαγράμματος ακτινοβολίας χρησιμοποιείται σε φορητά τερματικά όπως σε δορυφορικά κινητά τηλέφωνα. Οι δύο επόμενες είναι κλασικές κεραίες που χρησιμοποιούνται και στις επίγειες ασύρματες επικοινωνίες και χαρακτηρίζονται από υψηλή κατευθυντικότητα αλλά και αρκετά μεγάλους πλάγιους λοβούς. Η παραβολική ή κεραία παραβολικού κατόπτρου είναι ο πιο διαδεδομένος τύπος δορυφορικής κεραίας λόγω της υψηλής της κατευθυντικότητας και των χαμηλών πλευρικών λοβών. Θα ασχοληθούμε μαζί της στη συνέχεια. Το τελευταίο είδος κεραιών έχει αποκτήσει αρκετή δημοτικότητα τα τελευταία χρόνια καθώς επιτρέπει τον έλεγχο του διαγράμματος ακτινοβολίας μεταβάλλοντας τη φάση του ρεύματος εισόδου στα στοιχεία από τα οποία αποτελείται η κεραία. Απλουστεύεται έτσι σημαντικά η κατασκευή της βάσης της κεραίας και προσφέρεται μεγάλη ευελιξία στην προσαρμογή του διαγράμματος ακτινοβολίας στις εκάστοτε συνθήκες. Η παραβολική κεραία Είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη κεραία στα δορυφορικά συστήματα, με μεγάλο κέρδος που μπορεί να ξεπεράσει τα 60dB, γωνία μισής ισχύος κάτω από 1 και πλάτος μεγαλύτερου πλευρικού λοβού τουλάχιστον 17 db μικρότερο από την μέγιστη τιμή. Η παραβολική κεραία αποτελείται από δύο τμήματα. Το πρώτο είναι η πηγή τροφοδοσίας της, η οποία μπορεί να είναι είτε πρωτεύουσα, συνήθως χοανοκεραία, είτε δευτερεύουσα όπως ένας υποανακλαστήρας. Το δεύτερο είναι ο ιδανικά πλήρως αγώγιμος παραβολικός ανακλαστήρας, που ανακλά κατάλληλα την ακτινοβολία από την πρωτεύουσα πηγή στο εσωτερικό μίας δέσμης σχηματίζοντας κατά προσέγγιση επίπεδο κύμα. Το μέγεθος του κατόπτρου επηρεάζει σημαντικά τα χαρακτηριστικά της κεραίας όπως θα δούμε παρακάτω και η διάμετρός του κυμαίνεται από 30 cm σε μικρές οικιακές κεραίες λήψης έως 30 m σε παλαιούς κεντρικούς επίγειους σταθμούς όπως αυτούς του INTELSAT Standard A συστήματος. Η πιο απλή κατασκευή παραβολικής κεραίας είναι με τοποθέτηση της τροφοδοσίας στην εστία του άξονα του παραβολοειδούς ώστε να επιτυγχάνεται κυκλική συμμετρία. Το μειονέκτημα αυτής της διάταξης είναι η μεγάλη απόσταση μεταξύ 62

75 της τροφοδοσίας και των κυκλωμάτων του πομποδέκτη του επίγειου σταθμού. Η μεταφορά του σήματος γίνεται με ομοαξονικά καλώδια ή κυματοδηγούς που εισάγουν εξασθένιση της ισχύος και θόρυβο. Για να αποφύγουμε αυτό το φαινόμενο μπορούμε να τοποθετήσουμε την τροφοδοσία στο επίπεδο του ανακλαστήρα και να κατευθύνουμε την ακτινοβολία στον τελευταίο μέσω ενός υποανακλαστήρα παραβολικού η υπερβολικού σχήματος. Βέβαια και ο υποανακλαστήρας με τη σειρά του δημιουργεί μια μικρή σκιά στο κυρίως κάτοπτρο που επηρεάζει το μέγιστο κέρδος και το περίγραμμα των πλευρικών λοβών. Η εξασθένιση όμως αυτή είναι συνήθως πολύ μικρή, της τάξης των 0.5dB. Οι διάφοροι τύποι παραβολικών κεραιών ανάλογα με τη διάταξη της τροφοδοσίας τους φαίνονται στο σχήμα. Σχήμα 2.14: Είδη παραβολικών κεραιών Η κάθετη στον προσπίπτον η/μ κύμα προβολή της φυσικής επιφάνεια μίας παραβολικής κεραίας δίνεται από τον τύπο : (2.8.4) Όπου η διάμετρος της κεραίας (δηλαδή του παραβολικού κατόπτρου). Συνδυάζοντας την (2.8.4) με την (2.8.2) παίρνουμε το μέγιστο κέρδος μιας παραβολικής κεραίας συναρτήσει ( ) (2.8.5) Όπου ο συντελεστής απόδοσης με συνηθισμένες τιμές μεταξύ 0.55 ~ για μικρές γωνίες απόκλισης γύρω από την διεύθυνση του μεγίστου, το κέρδος μιας παραβολικής κεραίας προσεγγίζεται από τη σχέση : ( ) ( ) [ ( ) ] (2.8.6) Όπου η γωνία μισής ισχύος. Παρατηρούμε ότι για παίρνουμε το μέγιστο κέρδος της κεραίας. Πέρα από την ελάττωση του κέρδους λόγω 63

76 απομάκρυνσης από τη διεύθυνση του μεγίστου, όπως φαίνεται από τον τύπο (2.8.5) μείωση του μέγιστου άρα και του συνολικού κέρδους της κεραίας μπορεί να επέλθει και από τον συντελεστή απόδοσης. Αυτός γενικά επηρεάζεται από τις εξής παραμέτρους : την σκιά που επιφέρει η κατασκευή της διάταξης του υποανακλαστήρα τις επιφανειακές ανωμαλίες του κυρίως ανακλαστήρα, καθώς κανένας ανακλαστήρας δεν έχει τελείως λεία επιφάνεια. τον συντελεστή απόδοσης φωτισμού της κεραίας, που εκφράζει τη μη ομοιομορφία της εκπεμπόμενης ή λαμβανόμενης ακτινοβολίας το ποσοστό της ισχύος που ακτινοβολείται μέσω των δευτερευόντων λοβών. Η δεύτερη παράμετρος προκαλεί σκέδαση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας η οποία μέσω του συντελεστή απόδοσης επιφέρει μείωση του κέρδους της κεραίας. Η μείωση αυτή έχει ποσοτικοποιηθεί εμπειρικά και περιγράφεται από τη σχέση : [ ( ) ] (2.8.7) Όπου σ η rms τιμή των επιφανειακών ανωμαλιών του ανακλαστήρα. Μελετώντας τη σχέση (2.8.5) οι άλλοι 2 παράγοντες που επηρεάζουν την απολαβή της κεραίας είναι η διάμετρός της και το μήκος κύματος ή αλλιώς η συχνότητα της ακτινοβολίας. Όσο μεγαλύτερη η διάμετρος και η συχνότητα λειτουργίας της κεραίας τόσο μεγαλύτερο το κέρδος της. Την απεριόριστη αυτή αύξηση του κέρδους με την αύξηση της συχνότητας έρχεται να αντισταθμίσει η εξίσωση (2.8.7) που θέτει ένα άνω όριο στη συμφέρουσα αύξηση της συχνότητας. Για το εύρος δέσμης μισής ισχύος υπάρχει ο προσεγγιστικός τύπος : (2.8.8) Τέλος, παρόλο που η παραβολική κεραία έχει γενικά καταπιεσμένους πλευρικούς λοβούς ακτινοβολίας, έχουν θεσπιστεί αυστηρά διεθνή πρότυπα και όρια για το μέγεθος των πλευρικών λοβών στις δορυφορικές κεραίες. Συγκεκριμένα η ITU έχει κοινοποιήσει εδώ και πολλά χρόνια οδηγίες για το μέγιστο επιτρεπόμενο κέρδος των πλευρικών λοβών ανάλογα με το μέγεθος της κεραίας. Έτσι για κεραίες διαμέτρου d > 100λ το κέρδος των πλευρικών λοβών απαγορεύεται να υπερβαίνει σε db το όριο : ( ) (2.8.9) για συχνότητες λειτουργίας 2~10 GHz. Ο περιορισμός αυτός συνεπάγεται ελάχιστη επιτρεπόμενη γωνιακή απόσταση 2 ο μεταξύ γειτονικών γεωστατικών δορυφόρων. Για κεραίες με d < 100λ το όριο έχει μετατραπεί σε : ( ) ( ) (2.8.10) 64

77 Η βάση στήριξης της παραβολικής κεραίας Οι παραβολικές κεραίες χρησιμοποιούνται στις δορυφορικές επικοινωνίες λόγω του πολύ μικρού εύρους δέσμης τους. Αυτό όμως επιβάλλει την ύπαρξη ενός πολύ ακριβούς μηχανισμού στήριξης και σκόπευσης της κεραίας. Ο μηχανισμός αυτός περιλαμβάνει διάφορα εξαρτήματα όπως ρουλεμάν, γρανάζια, δίσκους, σερβοκινητήρες κτλ και πρέπει να είναι αρκετά στιβαρός ώστε αν αντέχει τις καταπονήσεις του περιβάλλοντος, όπως συστολές και διαστολές λόγω μεταβολών στη θερμοκρασία, βροχή και δυνατούς ανέμους. Ειδικά οι μεγάλες κεραίες διαμέτρου μερικών μέτρων είναι αρκετά ευάλωτες στους ισχυρούς ανέμους. Ακόμα σαν προστασία ενάντια σε δυσμενείς καιρικές συνθήκες η κεραία μερικές φορές καλύπτεται από ένα λεπτό σφαιρικό φλοιό κατασκευασμένο από ειδικό πλαστικό υλικό, ώστε να προστατεύεται το σώμα της από τις σταγόνες βροχής, το χαλάζι και τον πάγο που δημιουργούν ανωμαλίες στην επιφάνεια του κατόπτρου μειώνοντας την απόδοσή της. Υπάρχουν τρία είδη βάσεων : Η X Y βάση, η οποία χρησιμοποιείται για μεσαίου μεγέθους κεραίες (έως 13m). Η βάση αυτή αποτελείται από δύο άξονες. Ο X άξονας είναι παράλληλος με το έδαφος και η περιστροφή γύρω από αυτόν ρυθμίζει τη γωνία ανύψωσης. Ο Υ άξονας βρίσκεται ψηλότερα και πάντα είναι κάθετος στον Χ άξονα. Το επίπεδό του εξαρτάται από την περιστροφή του X άξονα. Είναι η πιο απλή βάση αλλά έχει μειωμένη κάλυψη του χώρου καθώς μπορεί να στραφεί μέχρι 90 ο στον X άξονα και μόνο μέχρι λίγες μοίρες στον Y. Η βάση αζιμούθιου/ανύψωσης. Όπως περιγράφει και το όνομά της, αυτή η βάση διαθέτει δυο άξονες περιστροφής, έναν κάθετο στον ορίζοντα που αφορά την αζιμουθιακή γωνία και έναν κάθετο πάλι στο επίπεδο του εδάφους που μεταβάλλει τη γωνία υπερύψωσης. Και αυτός είναι σχετικά απλός τύπος βάσης με τη διαφορά ότι παρέχει πλήρη κάλυψη στη γωνία ανύψωσης και [-180,180] ο κάλυψη στο αζιμούθιο. Καλύπτει δηλαδή όλο το ημισφαίριο που μας ενδιαφέρει. Η πολική βάση. Αυτός είναι ο πιο σύνθετος τύπος βάσης. Αποτελείται από έναν άξονα που είναι πάντα παράλληλος στον άξονα της γης και καλείται άξονας γωνίας ώρας, και έναν κάθετο σε αυτόν άξονα που ρυθμίζει την απόκλιση(declination). Η απόκλιση εξαρτάται τόσο από το γεωγραφικό πλάτος του δορυφόρου όσο και από τα γεωγραφικό μήκος και πλάτος του επίγειου σταθμού. 65

78 Σχήμα 2.15: Βάσεις στήριξης (παραβολικής) κεραίας Σχετικά με τη σκόπευση της κεραίας υπάρχουν τρείς βασικοί τρόποι για την υλοποίησή της. Η χειροκίνητη σκόπευση. Χρησιμοποιείται συνήθως σε μικρά τερματικά όπως για παράδειγμα σε οικιακές κεραίες λήψης, λόγω του μηδαμινού κόστους της και του μεγάλου εύρους δέσμης των τελευταίων που δεν επιβάλει σημαντική ακρίβεια. Η προγραμματιζόμενη σκόπευση. Σε αυτό το είδος η σκόπευση της κεραίας προγραμματίζεται περιοδικά αξιοποιώντας δεδομένα που παρέχονται για τη θέση του δορυφόρου, την ταχύτητα του κτλ. Η ακρίβειά της είναι της τάξης των 0.05 ανάλογα βέβαια και με την ακρίβεια των δεδομένων που επεξεργάζεται. Η αυτόματη σκόπευση. Είναι σχεδόν πάντα η επιλογή για τους μεγάλους επίγειους σταθμούς που απαιτούν πολύ υψηλή ακρίβεια λόγω του μεγέθους του κατόπτρου τους. Λειτουργεί συγκρίνοντας την ισχύ η την φάση των σημάτων που φτάνουν από τον δορυφόρο (μερικές φορές χρησιμοποιούνται ειδικά σήματα-φάροι για αυτή τη λειτουργία), και ενεργοποιεί τους κατάλληλους μηχανισμούς στρέψης τις κεραίας (σερβοκινητήρες) μέχρι να βρει τη θέση μέγιστης λήψης. Αποτελείται συνήθως από την μονάδα ελέγχου της τροφοδοσίας του κατόπτρου, ευαίσθητους δέκτες, συγκριτές σημάτων και την μονάδα σερβομηχανισμού. Η ακρίβεια της μπορεί να φτάσει τις Συμπεράσματα Σε αυτό το κεφάλαιο έγινε προσπάθεια για την αναλυτική περιγραφή ενός επίγειου σταθμού. Παρουσιάστηκαν τα δομικά στοιχεία από τα οποία αποτελείται καθώς και η λειτουργία που επιτελεί το καθένα. Έννοιες όπως ο σηματοθορυβικός λόγος, ο ρυθμός εσφαλμένων ψηφίων και το κέρδος του ενισχυτή και η απολαβή 66

79 μιας κεραίας επηρεάζουν την ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών και θα παίξουν σημαντικό ρόλο στην ανάλυση του δορυφορικού διαύλου που θα γίνει στη συνέχεια. Τέλος η αναφορά στους μηχανισμούς στήριξης και σκόπευσης των κεραιών ήταν απαραίτητη για την ανάπτυξη του συστήματος αυτόματης παρακολούθησης του δορυφόρου που είναι και ο σκοπός αυτής της εργασίας. 67

80 68

81 3 ΤΟ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟ ΚΑΝΑΛΙ 3.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο 1 αναλύθηκαν οι βασικές αρχές λειτουργίας των δορυφορικών συστημάτων υποθέτοντας ένα τέλειο ασύρματο κανάλι διάδοσης. Στην πραγματικότητα όμως το σήμα πληροφορίας που εκπέμπεται από τον επίγειο σταθμό ή τον δορυφόρο υπό μορφή η/μ κυμάτων υφίσταται εξασθένιση τόσο λόγω της απόστασης όσο και ποικίλων φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στην γήινη ατμόσφαιρα μέσω της οποίας διαδίδεται. Οι επιδράσεις της ατμόσφαιρας πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπόψη από τον μηχανικό που θα σχεδιάσει το δορυφορικό σύστημα, προκειμένου να υπολογίσει σωστά την ισχύ του σήματος που φτάνει στο δέκτη του σταθμού λήψης μέσα από μια διαδικασία που καλείται ισολογισμός ισχύος της δορυφορικής ζεύξης (link budget). Η ένταση της επίδρασης των ατμοσφαιρικών παραγόντων στην ποιότητα της ραδιοζεύξης εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως η συχνότητα λειτουργίας του συστήματος, οι τοπικές κλιματολογικές συνθήκες, το γεωγραφικό ανάγλυφο, ο τρόπος μετάδοσης και η γωνία ανύψωσης προς τον δορυφόρο. Το κεφάλαιο ξεκινάει με την περιγραφή της ισοδύναμης ισοτροπικής ακτινοβολούμενης ισχύος μιας κεραίας εκπομπής και των απωλειών που υφίσταται ένα κύμα κατά τη διάδοσή του στο κενό (ελεύθερος χώρος) συναρτήσει της διανυόμενης απόστασης. Στη συνέχεια αναλύονται οι ατμοσφαιρικοί παράγοντες που επηρεάζουν την ποιότητα της μετάδοσης και τέλος γίνεται μία σύντομη αναφορά στην θορυβική συμπεριφορά του συνολικού συστήματος. 3.2 EIRP Ισοδύναμη Ακτινοβολούμενη Ισχύς Υποθέτουμε έναν πομπό και έναν δέκτη των οποίων οι κεραίες βρίσκονται σε απόσταση R μεταξύ τους, είναι προσανατολισμένες σωστά η μία στην άλλη και ανάμεσά τους δεν παρεμβάλλεται κάποιο εμπόδιο, έχουμε δηλαδή μια ζεύξη οπτικής επαφής (LOS, Line Of Sight). Αν η κεραία του πομπού είναι ισοτροπική, δηλαδή εκπέμπει ομοιόμορφα στον χώρο, η πυκνότητα ισχύος δέκτη θα είναι : που φτάνει στον 69

82 ( ) (3.2.1) Όπου η εκπεμπόμενη ισχύς. Στην γενική περίπτωση όμως που η κεραία του πομπού είναι κατευθυντική με ένα (μέγιστο) κέρδος G T, η αντίστοιχη πυκνότητα ισχύος που φτάνει στον δέκτη, ο οποίος βρίσκεται στη κατεύθυνση μέγιστης εκπομπής, θα είναι : ( ) (3.2.2) Αφού εξ ορισμού το κέρδος μίας κεραίας σε μία κατεύθυνση είναι G=P/P isotropic. Η ποσότητα ονομάζεται ισοδύναμη ή ενεργός ισοτροπικά ακτινοβολούμενη ισχύς ή για συντομία EIRP (Equivalent or Effective Isotropically Radiated Power), εκφράζεται συνήθως σε db και αποτελεί πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό των πομπών στα δορυφορικά αλλά και στα ασύρματα γενικότερα συστήματα επικοινωνιών. Ένα πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό για τον δέκτη είναι η μέγιστη ενεργός επιφάνεια A R, που χρησιμοποιήθηκε και στο κεφάλαιο 2. Αναδιατυπώνοντας τον ορισμό της, ορίζουμε ως μέγιστη ενεργό επιφάνεια τον λόγο της ισχύος που φτάνει στην είσοδο του δέκτη προς τη πυκνότητα ισχύος που προσπίπτει στην κεραία υπό συνθήκες προσαρμογής και βέλτιστου προσανατολισμού. Για την περίπτωσή μας λοιπόν θα ισχύει: ( ) (3.2.3) όπου η ισχύς που λαμβάνεται στο δέκτη. Αναδιαμορφώνοντας τη σχέση (2.8.2 ) παίρνουμε : (3.2.4) όπου το κέρδος της κεραίας λήψης. Συνδυάζοντας την σχέση (3.2.3) με την (3.2.2) παίρνουμε την ισχύ στο δέκτη συναρτήσει της EIRP του πομπού, της ενεργού επιφανείας της κεραίας του δέκτη και της μεταξύ τους απόστασης : (3.2.5) Όπως φαίνεται στην παραπάνω εξίσωση η EIRP της κεραίας του πομπού επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό το λαμβανόμενο επίπεδο ισχύος στον δέκτη. Ακόμα και στο πραγματικό δορυφορικό κανάλι που υπεισέρχονται διάφοροι παράγοντες αποσβέσεων και διαλείψεων, οι EIRP του επίγειου και δορυφορικού πομπού είναι σχεδόν ο μόνος παράγοντας ενίσχυσης του σήματος στη διαδρομή του από τον επίγειο σταθμό εκπομπής στον επίγειο σταθμό προορισμού. Για τον λόγο αυτό ο έλεγχός του είναι από τα λίγα μέσα που διαθέτει ο διαχειριστής του συστήματος για 70

83 την αντιμετώπιση των μεγάλων αποσβέσεων και των ξαφνικών διαλείψεων που εμφανίζονται σε ένα δορυφορικό ραδιοδίαυλο. Αναφέρουμε εδώ ότι με τον όρο εξασθένιση ή απόσβεση του σήματος εκφράζουμε μία χρονικά σταθερή μείωση της στάθμης του σήματος λόγω της διάδοσης του στον ελεύθερο χώρο και την ατμόσφαιρα, ενώ με τον όρο διάλειψη συνήθως αναφερόμαστε σε τυχαίες, μικρής διάρκειας και χρονικά μεταβαλλόμενες αυξομειώσεις της στάθμης του σήματος πάλι λόγω αλληλεπιδράσεων του διαδιδόμενου κύματος με διάφορα ατμοσφαιρικά φαινόμενα (π.χ. με ατμοσφαιρικές κατακρημνίσεις σε συχνότητες > 10 GHz). Συχνά βέβαια στη βιβλιογραφία αυτοί οι δύο όροι ταυτίζονται. Έτσι λοιπόν, για τη βελτίωση της απόδοσης του συστήματος μπορεί να μεταβληθεί κατάλληλα η EIRP του πομπού είτε μέσω ελέγχου της ισχύος εκπομπής είτε μέσω ελέγχου του κατευθυντικού κέρδους της κεραίας. Ο έλεγχος της ισχύος διακρίνεται στον έλεγχο ισχύος της άνω ζεύξης ή ULPC (Uplink Power Control) που πραγματοποιείται στον επίγειο σταθμό εκπομπής και στον έλεγχο ισχύος της κάτω ζεύξης ή DLPC (Downlink Power Control) που πραγματοποιείται πάνω στο δορυφόρο. Και οι δύο βασίζονται σε μετρήσεις του καναλιού και των λαμβανομένων επιπέδων ισχύος. Ο ULPC είναι πιο εύκολα εφαρμόσιμος και επηρεάζει το σύνολο της ζεύξης (άνω και κάτω) σε αντίθεση με τον DLPC που επιδρά μόνο στην κάτω ζεύξη και η εφαρμογή του δυσχεραίνεται από περιορισμούς στη διαθέσιμη ισχύ και στο σύστημα ελέγχου του δορυφόρου. Από την άλλη, ο έλεγχος του προσανατολισμού και της κατευθυντικότητας της κεραίας εκπομπής του δορυφόρου γίνεται με την τεχνική της διαμόρφωσης λεπτής δέσμης SBS (Spot Beam Shaping). Η τεχνική αυτή είναι χρήσιμη σε περιπτώσεις που το τηλεπικοινωνιακό φορτίο που εξυπηρετεί ο δορυφόρος είναι συγκεντρωμένο σε μία σχετικά μικρή γεωγραφική περιοχή εντός της επιφάνειας κάλυψης του δορυφόρου, οπότε ο τελευταίος μειώνει το εύρος δέσμης του κύριου λοβού της κεραίας του, προσαρμόζοντάς το στα όρια της συγκεκριμένης γεωγραφικής περιοχής και αποφεύγοντας την σπατάλη EIRP στην ευρύτερη επιφάνεια κάλυψης. 3.3 Απώλειες ελεύθερου χώρου Συνεχίζοντας τη μαθηματική ανάλυση της προηγούμενης παραγράφου και αντικαθιστώντας την (3.2.4) στην (3.2.5) παίρνουμε την τελική εξίσωση για την λαμβανόμενη ισχύ στην κεραία του δέκτη : ( ) (3.3.1) Η παραπάνω εξίσωση είναι σε μονάδες W (Watt), ισχύει πάντα για μετάδοση σε ζεύξη οπτικής επαφής κενού χώρου (LOS) και δείχνει την εξάρτηση της ισχύος λήψης από την EIRP της πηγής, το κέρδος της κεραίας λήψης και έναν παράγοντα 71

84 που εξαρτάται από το μήκος κύματος ακτινοβολίας και την απόσταση των 2 κεραιών. Ο παράγοντας αυτός εκφράζει τις απώλειες ελεύθερου χώρου FSL (Free Space Loss) και ορίζεται ως ακολούθως : ( ) ( ) (3.3.2) όπου η ταχύτητα του φωτός. όπως φαίνεται από την τελευταία σχέση οι απώλειες ελεύθερου χώρου είναι ανάλογες του τετραγώνου της απόστασης και της συχνότητας. Η ισοδύναμη έκφραση των FSL σε db είναι : όπου η απόσταση μετριεται σε km και η συχνότητα του φέροντος σε GHz. (3.3.3) Σχήμα 3.1 : Μοντέλο ελεύθερου χώρου Οι απώλειες ελευθέρου χώρου αποτελούν τη βασική πηγή απωλειών στο δορυφορικό κανάλι λόγω της μεγάλης απόστασης μεταξύ γης δορυφόρου (35786 km για γεωστατικούς δορυφόρους) και των περιοχών υψηλής συχνότητας που χρησιμοποιούνται (μερικά GHz) στις δορυφορικές επικοινωνίες. Όπως αναφέραμε και πριν, ο ελεύθερος χώρος ορίζεται ως ένα περιβάλλον διάδοσης όπου η ζεύξη δεν περιέχει εμπόδια ή άλλες αιτίες που θα μπορούσαν να επηρεάσουν τη διάδοση του η/μ κύματος. Με άλλα λόγια, συνθήκες διάδοσης ελεύθερου χώρου έχουμε πρακτικά όταν εξασφαλίζεται η καθαρότητα της πρώτης ζώνης Fresnel σε μία LOS μετάδοση. Ο ελεύθερος χώρος θεωρείται ένα ιδανικό, ισοτροπικό, γραμμικό μέσο χωρίς άλλου είδους απώλειες. Δυστυχώς το περιβάλλον της ατμόσφαιρας είναι αρκετά μακριά από μία τέτοια θεώρηση καθώς τα διάφορα στοιχεία που περιέχει (οξυγόνο, υδρατμοί, σταγόνες νερού βροχής, ιονισμένα άτομα) και η χρονική και χωρική μεταβολή της συγκέντρωσής τους, προκαλούν 72

85 ποικίλες εξασθενίσεις και αλλοιώσεις του διαδιδόμενου η/μ κύματος όπως θα δούμε και παρακάτω. Έτσι, στα πραγματικά δορυφορικά συστήματα η σχέση (3.3.1) επεκτείνεται στην (3.3.4) για να καλύψει όλες τις απώλειες που υπεισέρχονται ανάμεσα στην έξοδο του πομπού και την είσοδο του δέκτη. (3.3.4) όπου (3.3.5) το σύνολο των απωλειών πέραν του FSL και συμπεριλαμβάνει τις επιμέρους, που είναι οι απώλειες φίλτρων, κυματοδηγών και καλωδίων μεταξύ της εξόδου του πομπού και της κεραίας εκπομπής, οι απώλειες λόγω φαινομένων κατά τη διάδοση στην ατμόσφαιρα (τροπόσφαιρα και ιονόσφαιρα), οι απώλειες νεφώσεων, ομίχλης και βροχόπτωσης, οι απώλειες λόγω αποπόλωσης του η/μ κύματος κατά τη διάδοση, οι απώλειες από τοποθέτηση του σταθμού στο όριο της περιοχής κάλυψης ή λόγω ατελούς ευθυγράμμισης των κεραιών του σταθμού με το δορυφόρο και τις οποίες θα προσπαθήσουμε να ελαχιστοποιήσουμε στα πλαίσια αυτής της εργασίας, και τέλος οι απώλειες από την κεραία λήψης μέχρι την είσοδο του δέκτη. 3.4 Επίδραση της ατμόσφαιρας Σε αντίθεση με ένα περιβάλλον διάδοσης ελεύθερου χώρου, όταν τα η/μ κύματα μεταδίδονται μέσω της ατμόσφαιρας υφίστανται διεργασίες απορρόφησης, διάθλασης και αποπόλωσης. Η απορρόφηση γίνεται κυρίως στα χαμηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας (τροπόσφαιρα), ενώ η διάθλαση και η σκέδαση πραγματοποιούνται τόσο στη τροπόσφαιρα όσο και στην ιονόσφαιρα. Η αποπόλωση οφείλεται κυρίως στα φορτισμένα ιόντα της ιονόσφαιρας αλλά και σε καιρικά φαινόμενα που συμβαίνουν στην τροπόσφαιρα, όπως είναι οι βροχοπτώσεις. Οι επιπτώσεις αυτών των διεργασιών είναι πιο έντονες όσο μεγαλύτερη είναι η διαδρομή του κύματος μέσα στην ατμόσφαιρα, συνεπώς εξαρτώνται άμεσα από τη γωνία ανύψωσης του δορυφόρου από το σημείο που είναι τοποθετημένη η κεραία του επίγειου σταθμού. Όσο μικρότερη η γωνία ανύψωσης τόσο μεγαλύτερη η διαδρομή που πρέπει να ακολουθήσει το κύμα. Επίσης η πυκνότητα της ατμόσφαιρας μειώνεται όσο αυξάνεται το υψόμετρο επομένως η απόσβεση του σήματος είναι μικρότερη σε μεγαλύτερα υψόμετρα. Για όλους αυτούς τους λόγους, οι επίγειοι σταθμοί γεωστατικών συστημάτων που είναι τοποθετημένοι κοντά στον ισημερινό έχουν συγκριτικό πλεονέκτημα έναντι αυτών που βρίσκονται σε μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη (πιο κοντά στους πόλους). Αναφέρεται εδώ ότι η τροπόσφαιρα είναι το πρώτο στρώμα της γήινης 73

86 ατμόσφαιρας και φτάνει σε ύψος τα 15 km περίπου, ενώ η ιονόσφαιρα εκτείνεται χονδρικά από 50 έως 700 km πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας. Για τις περιοχές συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται στις δορυφορικές επικοινωνίες, δηλαδή από 1 30 GHz, τα φαινόμενα εξασθένισης και διαλείψεων μπορούν να χωριστούν σε 2 κατηγορίες : φαινόμενα που επηρεάζουν τη διάδοση σημάτων συχνότητας μέχρι 3GHz, και φαινόμενα που επιδρούν κυρίως σε σήματα συχνότητας άνω των 3 GHz. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν κατά κύριο λόγο ιονοσφαιρικά φαινόμενα όπως: Οι ιονοσφαιρικοί σπινθηρισμοί Φαινόμενο Faraday Καθυστέρηση διάδοσης Διασπορά του συχνοτικού περιεχομένου του σήματος. Στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν κυρίως τροποσφαιρικά φαινόμενα όπως: Απόσβεση λόγω ατμοσφαιρικών κατακρημνίσεων Απόσβεση λόγω αερίων της ατμόσφαιρας Απόσβεση από σύννεφα και ομίχλη Αποπόλωση λόγω βροχής, σύννεφων και ομίχλης Τροποσφαιρικοί σπινθηρισμοί Αν και στα πλαίσια αυτής της εργασίας μας ενδιαφέρουν κυρίως τα στοιχεία της δεύτερης κατηγορίας θα κάνουμε μία σύντομη περιγραφή όλων των παραπάνω φαινομένων που επηρεάζουν την ποιότητα της δορυφορικής ζεύξης. Ιονοσφαιρικοί σπινθηρισμοί Οφείλονται στην ανομοιογένεια της κατανομής της πυκνότητας των ηλεκτρονίων στην ιονόσφαιρα και προκαλούνται από μεταβολές στο δείκτη διάθλασης της τελευταίας λόγω αυτής της ανομοιογένειας. Με τον όρο σπινθηρισμοί αναφερόμαστε σε ταχείες μεταβολές του πλάτους και της φάσης των ραδιοκυμάτων. Παρατηρούνται σε συχνότητες από 30 MHz έως 7 GHz, με τους σπινθηρισμούς που φορούν το πλάτος να κάνουν την εμφάνισή τους συνήθως μέχρι τα 300 MHz. Οι αυξομειώσεις αυτές μπορούν να γίνουν πολύ μεγάλες, φτάνοντας και μέχρι και τα 30 db από κορυφή σε κορυφή για ακραίες περιπτώσεις. Το φαινόμενο των ιονοσφαιρικών σπινθηρισμών είναι πιο έντονο στις περιοχές που εκτείνονται σε γεωγραφικά πλάτη περίπου 20 γύρω από τον ισημερινό και τους πόλους, ενώ εμφανίζεται κυρίως το πρωί με την ανατολή του ήλιου και για κάποιες ώρες μετά τη δύση του. Για την ποσοτικοποίηση της έντασης των διακυμάνσεων από σπινθηρισμούς έχει εισαχθεί ο δείκτης σπινθηρισμών S 4 ο οποίος ισούται με 74

87 ( ) (3.4.1) όπου η ένταση του σήματος και η παρένθεση συμβολίζει τη μέση τιμή της περιεχόμενης μεταβλητής. Όσο ο παραπάνω δείκτης πλησιάζει τη μονάδα τόσο αυξάνεται το εύρος των διακυμάνσεων. Υπό ακραίες συνθήκες ο δείκτης μπορεί να ξεπεράσει τη μονάδα, οδηγώντας σε διακυμάνσεις της τάξεως των 30 db, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω. Ένας πιο εμπειρικός τρόπος υπολογισμού του δείκτη σπινθηρισμών μίας ζεύξης που προτάθηκε από την ITU βασίζεται στο εύρος μεταξύ ελάχιστης και μέγιστης τιμής της διακύμανσης που παρατηρείται στο κανάλι και εκφράζεται με τον ακόλουθο τύπο : όπου (3.4.2) η από κορυφή σε κορυφή (peak-to-peak) διακύμανση, εκφρασμένη σε db. Παραδείγματος χάρη, για μια διακύμανση σπινθηρισμών κοντά στο 0.5. λαμβάνουμε δείκτη Φαινόμενο Faraday Η στροφή στη πόλωση των ραδιοκυμάτων λόγω της αλληλεπίδρασής τους με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια της ιονόσφαιρας υπό την επήρεια του μαγνητικού πεδίου της γης είναι γνωστή και ως φαινόμενο Faraday. Το φαινόμενο αυτό επηρεάζει κυρίως γραμμικά πολωμένα κύματα στη ζώνη πολύ υψηλών συχνοτήτων. Η στρέψη του επιπέδου πόλωσης οφείλεται στις διαφορετικές ταχύτητες περιστροφής των δύο ίσων και αντίθετης φοράς περιστροφής κυκλικών συνιστωσών της γραμμικής πόλωσης του κύματος κατά τη διάδοσή τους στην ιονόσφαιρα. Η γωνία στρέψης του επιπέδου πόλωσης είναι ανάλογη της έντασης του γήινου μαγνητικού πεδίου και της ποσότητας των ηλεκτρονίων που βρίσκονται κατά μήκος του μονοπατιού διάδοσης του κύματος, ενώ είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της συχνότητας. Γι αυτό και η γωνία στρέψης ελαχιστοποιείται όσο αυξάνεται η συχνότητα μετάδοσης, πέφτοντας κάτω από τις 60 για συχνότητα λειτουργίας 3GHz. Στο σχήμα 3.2 φαίνεται η στρέψη της πόλωσης κατά μία γωνία β όταν το γραμμικά πολωμένο η/μ κύμα περνάει μέσα από ένα διαφανές υλικό με μαγνητικό πεδίο B και σταθερά Verdet V. Σχήμα 3.2 : Στρέψη πόλωσης λόγω του φαινομένου Faraday 75

88 Πέρα από τα μέτρα αντιστάθμισης της στρέψης αυτής στη κεραία του επίγειου σταθμού, τα οποία δεν είναι πάντα αξιόπιστα λόγω της τυχαιότητας που υπεισέρχεται στη μεταβολή των παραμέτρων (π.χ. γεωμαγνητικές καταιγίδες), μία καλή επιλογή για την αποφυγή του φαινομένου στις χαμηλές συχνότητες είναι η χρήση κυκλικής πόλωσης στα μεταδιδόμενα κύματα, η οποία μένει σχεδόν ανεπηρέαστη από το φαινόμενο Faraday. Καθυστέρηση διάδοσης Αυτό το φαινόμενο αφορά την μείωση της ταχύτητας διάδοσης του η/μ κύματος μέσα στην ατμόσφαιρα λόγω της παρουσίας ελεύθερων ηλεκτρονίων στον δρόμο διάδοσης. Παρατηρείται έτσι μία καθυστέρηση στην άφιξη του σήματος σε σχέση με τον χρόνο άφιξης υπό συνθήκες διάδοσης σε ελεύθερο χώρο. Η χρονική αυτή καθυστέρηση συναρτήσει της πυκνότητας ηλεκτρονίων και της χρησιμοποιούμενης συχνότητας δίνεται από τον προσεγγιστικό τύπο : (3.4.3) Όπου το αντιπροσωπεύει την πυκνότητα των ελεύθερων ηλεκτρονίων στο δρόμο διάδοσης και εκφράζεται σε el/m 2. Η καθυστέρηση αυτή που είναι της τάξης των μερικών μs για συχνότητες μέχρι 3 GHz μπορεί να επηρεάσει σημαντικά κάποια δορυφορικά συστήματα πλοήγησης και μέτρησης της απόστασης του δορυφόρου που λειτουργούν συνήθως σε χαμηλές συχνότητες (L ζώνη). Συχνοτική διασπορά Από την εξίσωση (3.4.3) βλέπουμε ότι η χρονική καθυστέρηση εξαρτάται από τη συχνότητα του κύματος και μάλιστα είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της. Αυτή ακριβώς η εξάρτηση είναι που προκαλεί παραμόρφωση στα ευζωνικά σήματα καθώς κάθε συχνοτική συνιστώσα του σήματος διαδίδεται με διαφορετική ταχύτητα στην ιονόσφαιρα, προκαλώντας έτσι διασπορά (ή διασκόρπιση) των συχνοτήτων καθώς υπάρχει σημαντική διαφορά στην χρονική καθυστέρηση των άνω και κάτω συχνοτήτων της ζώνης. Αυτή η διαφορά γίνεται πρακτικά αμελητέα για συχνότητες πάνω από την UHF περιοχή, δηλαδή στην ουσία επηρεάζει μόνο την L ζώνη δορυφορικών συχνοτήτων. Όπως σημειώθηκε και στην αρχή, η πλειονότητα των φαινομένων που αναπτύχτηκαν λαμβάνουν χώρα στην περιοχή της ιονόσφαιρας και έχουν σημαντική επίπτωση μόνο στη διάδοση σημάτων στις VHF και UHF περιοχές συχνοτήτων (< 3 GHz). Τα φαινόμενα που ακολουθούν παίζουν σημαντικό ρόλο 76

89 στην SHF περιοχή (3 30 GHz), που στην ουσία περιέχει την συντριπτική πλειοψηφία των συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται στις δορυφορικές τηλεπικοινωνίες. Συγκεκριμένα, η ένταση των περισσότερων φαινομένων, όπως θα φανεί και από την ανάλυσή τους, γίνεται προβληματική για την δορυφορική ζεύξη για συχνότητες μεγαλύτερες από 10 GHz, επηρεάζοντας έτσι πολύ λίγο τις ζώνες S και C. Απόσβεση λόγω ατμοσφαιρικών κατακρημνίσεων Όταν η μετάδοση του σήματος γίνεται μέσα σε περιβάλλον βροχής ή χιονόπτωσης, το αντίστοιχο ραδιοκύμα υφίσταται εξασθένηση λόγω μηχανισμών απορρόφησης και σκέδασης από τις σταγόνες της βροχής. Αν και το ξηρό χιόνι έχει μικρή επίδραση στο διαδιδόμενο κύμα, το υγρό χιόνι (χιονόνερο) μπορεί να προκαλέσει χειρότερες εξασθενίσεις από την απλή βροχή, αλλά η συχνότητα εμφάνισης του είναι τόσο μικρή που η μελέτη του παραμελείται. Η σκέδαση από τη βροχή επηρεάζει κυρίως συχνότητες άνω των 30 GHz οπότε δεν θα μας απασχολήσει ιδιαίτερα. Η υδρομετεωρική απορρόφηση όμως αποτελεί τον κύριο παράγοντα ατμοσφαιρικής εξασθένισης στις συχνότητες από 10 έως 30 GHz. Η συνολική απόσβεση του δορυφορικού σήματος αποτελεί συνδυασμό της απορρόφησης και της σκέδασης στις βροχοσταλίδες. Σε μικροσκοπική θεώρηση εξαρτάται από το μέγεθος (δηλαδή τη διάμετρο) των σταγόνων, την κατανομή του μεγέθους τους (αφού δεν είναι όλες όμοιες μεταξύ τους), το δείκτη διάθλασής τους, καθώς και από το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (άρα και από τη συχνότητά της), ενώ μακροσκοπικά εξαρτάται τόσο από την απόσταση που διανύει το σήμα μέσα στη βροχή, άρα και από τη γωνία ανύψωσης του δορυφόρου, όσο και από το είδος της πόλωσης του η/μ κύματος. Από μελέτες που έχουν γίνει έχει προκύψει το συμπέρασμα ότι η κατανομή του μεγέθους των σταγόνων έχει άμεση σχέση με το ρυθμό βροχόπτωσης, ο οποίος μετριέται σε mm/h. Επίσης η συχνότητα εμφάνισης των βροχοπτώσεων εκφράζεται ως ένα ποσοστό του χρόνου κατά το οποίο ο ρυθμός βροχόπτωσης σε ένα μέρος ξεπερνάει ένα προκαθορισμένο όριο. Το παρακάτω σχήμα δείχνει την αλληλεξάρτηση των τριών τελευταίων μεγεθών. 77

90 Σχήμα 3.3 : Σχέση ποσοστού και έντασης βροχόπτωσης με διάμετρο σταγόνας Τέλος παραθέτουμε έναν εμπειρικό τύπο για την μέτρηση της ειδικής απόσβεσης A σε db/km συναρτήσει του ρυθμού βροχόπτωσης R (mm/h). Ο τύπος αυτός είναι γνωστός ως μοντέλο SAM και προτάθηκε το 1984 από τους Stutzman και Dishman. (3.4.4) Όπου οι, σταθερές που εξαρτώνται σε μεγαλύτερο βαθμό από τη συχνότητα και σε μικρότερο από τη πόλωση του κύματος (είδος, γωνία κτλ) και τη γωνία ανύψωσης του δορυφόρου. Συνήθως οι 2 σταθερές υπολογίζονται έτσι ώστε η συνάρτηση να προσεγγίζει με τη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων τις πειραματικές μετρήσεις για διάφορα δεδομένα βροχόπτωσης στον επίγειο σταθμό. Το αντίστοιχο μοντέλο που χρησιμοποιεί η Διεθνής Ένωση Τηλεπικοινωνιών περιέχεται στη σύσταση ITU-R P και είναι όμοιο με το μοντέλο SAM. Συγκεκριμένα δίνεται από τον τύπο: (3.4.5) όπου η ειδική εξασθένιση σε db/km, η ένταση ή ρυθμός της βροχόπτωσης σε mm/h και σταθερές ανάλογες με εκείνες του μοντέλου SAM. Αναλυτικότερη μελέτη της επίδρασης της βροχής και του μοντέλου για τον υπολογισμό της εξασθένισης που εισάγει στο ραδιοσήμα θα γίνει σε επόμενη παράγραφο. 78

91 Απόσβεση λόγω αερίων της ατμόσφαιρας Η γήινη ατμόσφαιρα αποτελείται από ένα πλήθος χημικών στοιχείων και ενώσεων σε αέρια μορφή. Τα πιο σημαντικά απ αυτά, ανάλογα με τον όγκο που καταλαμβάνουν είναι το άζωτο (78.09 %), το οξυγόνο (20.95 %), το αργό (0.93 %) και το διοξείδιο του άνθρακα (0.039 %). Συνυπάρχει επίσης και μια μεταβλητή ποσότητα νερού σε μορφή υδρατμών η οποία κοντά στην επιφάνεια της γης καταλαμβάνει περίπου το 1 4 % του αέρινου όγκου, ενώ το ποσοστό αυτό ελαττώνεται με το υψόμετρο. Τα συστατικά που μας ενδιαφέρουν από ραδιοεπικοινωνιακής σκοπιάς είναι το οξυγόνο και οι υδρατμοί, καθώς το φάσμα απορρόφησής τους περιλαμβάνει χρησιμοποιούμενες συχνότητες δορυφορικών επικοινωνιών. Και εδώ η γωνία ανύψωσης παίζει σημαντικό ρόλο καθώς όσο μικρότερη είναι τόσο περισσότερο το σήμα δέχεται την επίδραση αυτών των αερίων, ειδικότερα στα χαμηλότερα υψόμετρα όπου η πυκνότητα του αέρα είναι πιο υψηλή. Για συχνότητες κάτω των 30 GHz στην εξασθένιση συμβάλλουν σχεδόν μόνο οι υδρατμοί, καθώς το φάσμα τους περιλαμβάνει ένα μέγιστο στη συχνότητα 22.3 GHz. Τα άλλα δύο μέγιστα στις συχνότητες και GHz δεν επηρεάζουν τις δορυφορικές επικοινωνίες. Επίσης το οξυγόνο παρουσιάζει ένα σημαντικό μέγιστο απορρόφησης γύρω από τα 60 GHz το οποίο επηρεάζει τη V ζώνη ραδιοσυχνοτήτων που χρησιμοποιείται ακόμα δοκιμαστικά σε περιορισμένη κλίμακα. Τα υπόλοιπα μέγιστα βρίσκονται σε ψηλότερες συχνότητες που δεν ενδιαφέρουν τη παρούσα μελέτη. Σημειώνουμε ακόμα ότι η εξασθένιση λόγω απορρόφησης από τους υδρατμούς, σε αντίθεση με αυτή του οξυγόνου, εξαρτάται από τις κλιματολογικές συνθήκες όπως τη θερμοκρασία και την απόλυτη υγρασία της περιοχής. Τα παραπάνω φαίνονται γραφικά στο σχήμα 3.4 Σχήμα 3.4 : Εξασθένιση λόγω υδρατμών και οξυγόνου συναρτήσει της συχνότητας 79

92 Απόσβεση από σύννεφα και ομίχλη Τα σύννεφα και η ομίχλη αποτελούνται από σταγονίδια νερού, αρκετά μικρότερα εκείνων της βροχής. Ένα τυπικό μέγεθος τέτοιου σταγονιδίου είναι της τάξης των 0.01 mm. Η σχετική υγρασία μέσα σε ένα σύννεφο αγγίζει το 100 %, ενώ σύννεφα σε μεγαλύτερο υψόμετρο που αποτελούνται από παγοκρυστάλλους δεν επιφέρουν υπολογίσιμη απόσβεση στο ραδιοκύμα, μόνο φαινόμενα αποπόλωσης. Η μέση συγκέντρωση νερού σε ένα σύννεφο κυμαίνεται από 0.05 g/m 2 σε μικρά αραιά σύννεφα καθαρού καιρού μέχρι και τα 5 g/m 2 σε βαριά σύννεφα καταιγίδας, με μέγιστη τιμή για καλές καιρικές συνθήκες το 1g/m 2. Το πολύ μικρό μέγεθος των σταγονιδίων (κάτω από 0.01 cm) επέτρεψε τη χρήση της προσέγγισης Rayleigh για τη σκέδαση της ακτινοβολίας πάνω στις σταγόνες, δίνοντας τη δυνατότητα για ένα προσεγγιστικό υπολογισμό της ειδικής εξασθένισης από νεφώσεις και ομίχλη, ο οποίος σύμφωνα με τις διεθνείς συστάσεις (ITU-R P.840-5) δίνεται από τον τύπο : (3.4.6) Όπου η ειδική απόσβεση σε db/km, ο συντελεστής ειδικής απόσβεσης σε db m 3 /km g, και η πυκνότητα του νερού στο σύννεφο ή την ομίχλη σε g/m 3. Καθώς η πυκνότητα του νερού στην ομίχλη είναι συνήθως πολύ μικρή (0.05 g/m 3 για ήπια ομίχλη-ορατότητα μέχρι 300 m και 0.5 g/m 3 για πυκνή ομίχλη-ορατότητα μέχρι 50 m), η απόσβεση της ομίχλης παίζει σημαντικό ρόλο σε συχνότητες πάνω από 100 GHz. Για συχνότητες μέχρι 1000 GHz ο συντελεστής ειδικής απόσβεσης υπολογίζεται ως εξής : ( ) (3.4.7) Όπου η συχνότητα σε GHz, ( ) ( ) ( ) η μιγαδική διηλεκτρική σταθερά του νερού και. Το πραγματικό και το φανταστικό μέρος διηλεκτρικής σταθεράς δίνεται από τις παρακάτω σχέσεις : ( ) ( ) [ ( ) ] ( ) [ ( ) ] (3.4.8) ( ) ( ) ( ) (3.4.9) Όπου ( ), με τη θερμοκρασία σε Kelvin (K) 80

93 Ενώ οι πρώτη και δεύτερη συχνότητα χαλάρωσης και αντίστοιχα δίνονται σε GHz από τους ακόλουθους τύπους : ( ) ( ) (3.4.10) ( ) (3.4.11) Τέλος, για τον υπολογισμό της συνολικής απόσβεσης λόγω νεφώσεων για μία δεδομένη πιθανότητα υπέρβασης, δίνεται ο εναλλακτικός τύπος (ITU-R P.840-5) :, για (3.4.12) όπου η απόσβεση είναι σε db, η γωνία ανύψωσης και μετρείται σε kg/m 3 ή mm και εκφράζει το ισοδύναμο ύψος νερού σε έναν ογκομετρικό σωλήνα εάν όλη η ποσότητα του νερού που περικλείεται μέσα σε έναν νοητό ατμοσφαιρικό κύλινδρο πάνω από τον σωλήνα, έπεφτε ως βροχή στη γη. Σχήμα 3.5 : Απόσβεση λόγω βροχής και ομίχλης συναρτήσει μήκους κύματος 81

94 Σχήμα 3.6 : Απόσβεσης λόγω νεφώσεων συναρτήσει συχνότητας Αποπόλωση λόγω βροχής, σύννεφων και ομίχλης Οι σταγόνες της βροχής, των νεφώσεων και οι παγοκρύσταλλοι λειτουργούν ως σχεδόν σφαιρικοί σκεδαστές, οι οποίοι εισάγουν διαφορική απόσβεση και ολίσθηση φάσης, προκαλώντας αποπόλωση των η/μ κυμάτων. Αν και για την περίπτωση απλών μεταδόσεων με ένα κανάλι ανά συχνότητα αυτό το φαινόμενο δεν είναι τόσο σημαντικό ή αντιμετωπίζεται εύκολα, μπορεί να δημιουργήσει σοβαρά προβλήματα στην περίπτωση μετάδοσης με αναχρησιμοποίηση συχνότητας (ταυτόχρονη μετάδοση δύο σημάτων πληροφορίας ίδιου συχνοτικού περιεχομένου με χρήση κυμάτων με ορθογώνιες πολώσεις). Εξ αιτίας της αποπόλωσης, μέρος της ισχύος του σήματος που μεταδίδεται με τη μία πόλωση μπορεί να περάσει στο σήμα της (αρχικά) ορθογώνιας πόλωσης και αντίστροφα, δημιουργώντας παρεμβολή και αλλοίωση της πληροφορίας. Τα δύο μεγέθη που εκφράζουν την ένταση της αποπόλωσης είναι ο διαχωρισμός διασταύρωσης πόλωσης (XPD) και η απομόνωση διασταύρωσης πόλωσης (XPI), τα οποία δίνονται σε db από τους τύπους ( ) (3.4.13) 82 ( ) (3.4.14) όπου με συμβολίζουμε το πλάτος του ηλεκτρικού πεδίου κατά τη διεύθυνση αναφοράς από το σήμα που υφίσταται τη παρεμβολή, με το πλάτος του ηλεκτρικού πεδίου στη διεύθυνση αναφοράς από παρεμβολή του ορθογώνια πολωμένου σήματος και το πλάτος του κάθετου ηλεκτρικού πεδίου στη διεύθυνση αναφοράς.

95 Τροποσφαιρικοί σπινθηρισμοί Πρόκειται για παρόμοιο φαινόμενο με αυτό των ιονοσφαιρικών σπινθηρισμών, δηλαδή τις ταχείες διακυμάνσεις στις παραμέτρους του σήματος λόγω απότομων μεταβολών του δείκτη διάθλασης τόσο στον χρόνο όσο και στον χώρο. Οι παράμετροι του σήματος που επηρεάζονται είναι κυρίως το πλάτος (για τα ραδιοσήματα που μας ενδιαφέρουν), η φάση, η πόλωση και η γωνία άφιξης του στον επίγειο σταθμό. Οι διακυμάνσεις του δείκτη διάθλασης παρατηρούνται στα πρώτα χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνεια της γης και προκαλούνται από μεγάλες μεταβολές της υγρασίας και της θερμοκρασίας στα διάφορα στρώματα. Επομένως η ένταση του φαινομένου μεταβάλλεται ανάλογα με την εποχή, την ώρα της ημέρας και το τοπικό κλίμα. Σε μια απλοϊκή θεώρηση μπορούμε να υποθέσουμε ότι ο δείκτης διάθλασης μένει σταθερός στο οριζόντιο επίπεδο και μεταβάλλεται μόνο με το υψόμετρο, υιοθετούμε δηλαδή μια στρωματοποίηση της ατμόσφαιρας. Προκύπτει έτσι ότι για μικρές γωνίες ανύψωσης το ραδιοκύμα υφίσταται πιο έντονα και για μεγαλύτερη διάρκεια τις επιδράσεις της μεταβολής του δείκτη. Από τη θεωρία για τον τροποσφαιρικό δείκτη διάθλασης γνωρίζουμε ότι στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων είναι μία συνάρτηση της θερμοκρασίας, της ατμοσφαιρικής πίεσης και της συγκέντρωσης των υδρατμών στην υπό μελέτη περιοχή και παίρνει τιμές κοντά στη μονάδα. Αφού βέβαια οι παραπάνω παράμετροι μεταβάλλονται με το υψόμετρο, προκύπτει και η υψομετρική εξάρτηση του δείκτη που θεωρήσαμε στην αρχή. Για να ποσοτικοποιηθούν οι διακυμάνσεις του πλάτους του σήματος λόγω των σπινθηρισμών στα συστήματα επικοινωνιών, έχουν αναπτυχθεί διάφορα προσεγγιστικά μοντέλα. Στη συνέχεια θα παρουσιάσουμε το προτεινόμενο μοντέλο από την ITU που είναι από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα. Αρχικά, ορίζουμε το δείκτη που χαρακτηρίζει την ατμόσφαιρα με υγρασία και αποτελεί έναν από τους δύο όρους της διαθλαστικότητας της. Όπου RH η σχετική υγρασία [%] και Τ η θερμοκρασία σε C. ( ) ( ) (3.4.15) Στη συνέχεια υπολογίζουμε τη διασπορά χρησιμοποιείται σαν αναφορά του πλάτους του σήματος που db (3.4.16) Ακολουθεί ο υπολογισμός του ενεργού μήκους διαδρομής m (3.4.17) 83

96 Όπου το υψόμετρο του στρώματος διαταραχής και θ η γωνία ανύψωσης της διαδρομής. Η ενεργός διατομή της κεραίας δίνεται από τον τύπο : (3.4.18) Όπου η φυσική διατομή της κεραίας και ο συντελεστής απόδοσης. Η τυπική απόκλιση του πλάτους του σήματος για τη δεδομένη περίοδο και διαδρομή μετάδοσης, δίνεται από τον τύπο ( ) ( ) (3.4.19) Όπου η συχνότητα του κύματος σε GHz και ( )ένας συντελεστής που ονομάζεται antenna averaging factor και υπολογίζεται από τη σχέση ( ) ( ) [ ] (3.4.20) με : ( ) (3.4.21) Τέλος, το συνολικό βάθος των διαλείψεων που δεν ξεπερνάει ένα ποσοστό συνολικού χρόνου δίνεται από τη σχέση του ( ) ( ) σ (3.4.22) Όπου ( ) ένας συντελεστής αυτού του ποσοστού χρόνου που υπολογίζεται από τον τύπο ( ) ( ) ( ) (3.4.23) Συνήθως βέβαια το φαινόμενο των τροποσφαιρικών σπινθηρισμών προσεγγίζεται αρκετά ικανοποιητικά από την κατανομή Gauss με μέση τιμή το πλάτος του σήματος και τυπική απόκλιση αυτή που υπολογίσαμε προηγουμένως. Μια πιο εμπειρική μέθοδος που έχει προκύψει από πειραματικές μετρήσεις του λαμβανόμενου πλάτους σε διάφορες συχνότητες και γωνίες ανύψωσης δίνει τον ακόλουθο προσεγγιστικό τύπο υπολογισμού της διασποράς : 84

97 ( ) (3.4.24) όπου η γωνία ανύψωσης και σταθερές που εξαρτώνται από τη συχνότητα με την τελευταία να παίρνει τιμές κοντά στη θεωρητική που προκύπτει από το Kolmogorov μοντέλο διαταραχών. Από πειραματικές μετρήσεις που έχουν γίνει σε διάφορα σημεία της γης και για διάφορες συχνότητες έχουν προκύψει χρήσιμα αποτελέσματα που μας δίνουν μία γενική εικόνα του μεγέθους των σπινθηρικών διαταραχών. Για παράδειγμα, στα εύκρατα κλίματα, όπως αυτό της Ελλάδας, και για γωνίες ανύψωσης άνω των 20, προκύπτει ότι οι διακυμάνσεις μεταξύ ελάχιστης και μέγιστης τιμής από σπινθηρισμούς σε συνθήκες καθαρού ουρανού είναι της τάξης του 1 db το καλοκαίρι και 0.3 db το χειμώνα, ενώ σε συνθήκες νεφώσεων κυμαίνονται από 2 έως 6 db. Οι διακυμάνσεις αυτές χωρίζονται συνήθως σε δύο συνιστώσες, μια γρήγορη με περίοδο μερικών δεκάτων του δευτερολέπτου και μία πιο αργή με περίοδο μέχρι 3 λεπτά. Αντίθετα, για μικρές γωνίες ανύψωσης κάτω από τις 10, η περίοδος γίνεται μερικά δευτερόλεπτα, ενώ το πλάτος των διακυμάνσεων αυξάνεται κατακόρυφα, ξεπερνώντας τα 20 db. Στο σχήμα 3.7 φαίνεται για δεδομένες παραμέτρους μίας γεωγραφικής περιοχής, η συχνότητα εμφάνισης διάφορων τιμών τυπικής απόκλισης τόσο για τις αυξήσεις όσο και για τις μειώσεις του πλάτους από φαινόμενα σπινθηρισμών, ενώ στο σχήμα 3.8 απεικονίζεται η πιθανότητα εμφάνισης των διάφορων τιμών τυπικής απόκλισης για τους σπινθηρισμούς σε συνδυασμό με διάφορες αποσβέσεις λόγω βροχόπτωσης για 2 διαφορετικές γωνίες ανύψωσης. Σχήμα 3.7 : Αθροιστική κατανομή των σπινθηρισμών σήματος για εξασθένιση και ενίσχυση (f=12ghz, θ=40 ο ) Σχήμα 3.8 : Πιθανότητα εμφάνισης διάφορων τυπικών αποκλίσεων για θ=32.7 ο και 37.7 ο 85

98 3.5 Επίδραση της βροχής Από τη μέχρι τώρα ανάλυση προκύπτει ότι η βροχή αποτελεί τον πιο σημαντικό παράγοντα ατμοσφαιρικής εξασθένισης για συχνότητες πάνω από 10 GHz. Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενη ενότητα, η εξασθένιση αυτή προκαλείται από μηχανισμούς αλληλεπίδρασης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος με τις σταγόνες τις βροχής. οι παράμετροι που επηρεάζουν την ένταση αυτής της αλληλεπίδρασης και συνεπώς τον βαθμό εξασθένισης του ραδιοκύματος είναι : Η συχνότητα του κύματος. Οι μηχανισμοί αλληλεπίδρασης περιλαμβάνουν απορρόφηση και σκέδαση του η/μ κύματος, που βλέπει τις σταγόνες της βροχής σαν εμπόδια με διαφορετική διηλεκτρική συμπεριφορά απ αυτή του αέρα και μέγεθος συγκρίσιμο με το μήκος κύματός του. Έτσι ένα κομμάτι της ενέργειάς του απορροφάται και σκεδάζεται προκαλώντας πτώση της λαμβανόμενης ισχύος και εξασθένιση της στάθμης του σήματος. Όσο αυξάνει η συχνότητα, τόσο μεγαλύτερες γίνονται οι σταγόνες σε σχέση με το μήκος κύματος, επιδεινώνοντας το αποτέλεσμα των παραπάνω μηχανισμών. Η ένταση της βροχόπτωσης. Η βροχή αποτελεί μια τυχαία διαδικασία του χώρου και του χρόνου με έντονη ανομοιογένεια και η μελέτη της μπορεί να γίνει μόνο με στατιστική ανάλυση από μετρήσεις κάποιων χαρακτηριστικών της. Ένα τέτοιο χαρακτηριστικό είναι η σημειακή ένταση της βροχόπτωσης, η οποία συμβολίζεται συνήθως με R και εκφράζει το ρυθμό μεταβολής της στάθμης ενός υψομετρητή νερού της βροχής σε mm/h. Η ένταση της βροχόπτωσης μεταβάλλεται τόσο με το χρόνο όσο και με το χώρο. Όπως είναι φανερό, όσο αυξάνει η ένταση της βροχόπτωσης σε μία περιοχή, αυξάνει και η συγκέντρωση των σταγόνων στον αέρα, οδηγώντας σε αύξηση των εμποδίων που συναντάει το κύμα κατά τη διαδρομή του και συνεπακόλουθα σε μεγαλύτερες ενεργειακές απώλειες. Η πόλωση του κύματος. Στην πραγματικότητα οι σταγόνες δεν έχουν σφαιρικό σχήμα, διότι λόγω της πτώσης τους διαπλατύνονται κατά τον οριζόντιο άξονα, αποκτώντας ένα οβάλ σχήμα. Συνεπώς τα κύματα οριζόντιας πόλωσης είναι πιο ευάλωτα από τα αντίστοιχα κάθετης. Η ITU-R έχει χωρίσει τη γη σε κλιματικές ζώνες, κάθε μία με το δικό της μέσο όρο ρυθμού βροχόπτωσης και άλλων μετεωρολογικών παραμέτρων, έτσι ώστε να χρησιμεύσουν σαν αναφορά σε περίπτωση που δεν μπορούν να γίνουν αξιόπιστες μετρήσεις αυτών. Οι στατιστικές περιγραφές που προσεγγίζουν το ρυθμό βροχόπτωσης είναι η κανονική λογαριθμική κατανομή και η κατανομή γάμμα, ανάλογα με τη ζώνη ενδιαφέροντος. Η στατιστική περιγραφή της έντασης της βροχόπτωσης μπορεί να γίνει και μέσω του ποσοστού ενός χρονικού διαστήματος (συνήθως ένα έτος) κατά το οποίο η ένταση της βροχόπτωσης ξεπέρασε ένα συγκεκριμένο όριο. Με άλλα λόγια το χρονικό ποσοστό εκφράζει τη πιθανότητα η 86

99 ένταση της βροχόπτωσης να ξεπεράσει τη συγκεκριμένη τιμή. Για συνθήκες καθαρού ουρανού, δηλαδή για μικρές εντάσεις, το ποσοστό αυτό είναι της τάξης του 20%, ενώ για συνθήκες βαριάς βροχόπτωσης πέφτει στο 0.01%, ανάλογα πάντα με την περιοχή που μελετάμε. Για παράδειγμα, σε περιοχές με εύκρατο κλίμα, η πιθανότητα 0.01% αντιστοιχεί σε ένταση βροχόπτωσης R το πολύ 50mm/h, ενώ η ίδια πιθανότητα σε μία τροπική χώρα όπως η Ταϋλάνδη αντιστοιχεί σε R=120 mm/h, φανερώνοντας το σημαντικό μειονέκτημα των τροπικών περιοχών σε θέματα ατμοσφαιρικής εξασθένισης. Τα πράγματα περιπλέκονται περισσότερο αν λάβουμε υπόψη μας την βαθιά τοπική εξάρτηση των φαινομένων έντονης βροχόπτωσης. Τα γεγονότα έντονης βροχόπτωσης συμβαίνουν εντός μικρών σχετικά περιοχών μέσα στο γενικότερο σύννεφο που ευθύνεται για τη βροχή. Οι περιοχές αυτές ονομάζονται βροχοπυρήνες και το μέγεθός τους είναι αντιστρόφως ανάλογο του ρυθμού βροχόπτωσης, όπως φαίνεται και στο σχήμα Στο εσωτερικό των βροχοπυρήνων η σημειακή ένταση της βροχόπτωσης εμφανίζει έντονη αυτοσυσχέτιση ενώ τα όρια του πυρήνα ορίζονται από τα σημεία που η ένταση της βροχόπτωσης πέφτει στο μισό της μέγιστης τιμής που είχε μέσα στον πυρήνα. Η ύπαρξη βροχοπυρήνων εντός της γενικότερης περιοχής με βροχή οδηγεί σε μεταβλητή εξασθένηση κατά μήκος της διαδρομής του δορυφορικού κύματος. Όπως έχει ήδη περιγραφεί, η ειδική απόσβεση της βροχής σε σχέση με την ένταση της τελευταίας δίνεται από τον τύπο (3.4.5) : Σύμφωνα πάντα με την ITU-R P.838-3, οι τιμές των συντελεστών και ορίζονται από τις ακόλουθες σχέσεις : [ ( ) ] (3.5.1) [ ( ) ] (3.5.2) όπου η συχνότητα σε GHz, ένας από τους ή και ένα από τα ή. Σημειώνουμε εδώ ότι οι δείκτες και αντιπροσωπεύουν την οριζόντια και κάθετη πόλωση αντίστοιχα. Οι σταθερές,,,,, και για κάθε περίπτωση πόλωσης δίνονται από ειδικούς πίνακες. Επομένως για περιπτώσεις γραμμικής και κυκλικής πόλωσης οι αρχικοί συντελεστές και δίνονται συναρτήσει των επιμέρους,, και από τους ακόλουθους γενικούς τύπους : [ ( ) ] (3.5.3) [ ( ) ] (3.5.4) 87

100 όπου είναι η γωνία ανύψωσης της διαδρομής και η κλίση του επιπέδου πόλωσης σε σχέση με το οριζόντιο ( για κυκλική πόλωση). Για μεγαλύτερη ευκολία στη χρήση των παραπάνω σχέσεων η ITU-R έχει εκδώσει προσεγγιστικούς πίνακες για τις τιμές των συντελεστών,, και, για διάφορες τιμές της συχνότητας. Η συνολική απόσβεση που υφίσταται το σήμα προκύπτει με ολοκλήρωση της ειδικής εξασθένισης κατά μήκος της διαδρομής υπό βροχή L, δηλαδή (3.5.5) όπου η συνολική απόσβεση σε db και η ειδική απόσβεση σε db/km. Η ολοκλήρωση βέβαια γίνεται πιο σύνθετη στην περίπτωση βροχοπυρήνων όπου η ειδική απόσβεση μεταβάλλεται κατά μήκος της διαδρομής όπως σημειώθηκε και παραπάνω. Για να βρούμε το άνω όριο ολοκλήρωσης ακολουθείται η παρακάτω διαδικασία. Η κατακόρυφη δομή της βροχής ως μέσου διάδοσης μπορεί να χωριστεί σε δύο περιοχές. Σε ένα υψόμετρο πάνω από την επιφάνεια της γης που ονομάζεται ενεργό ύψος βροχής, το μίγμα χιονιού και παγοκρυστάλλων που βρίσκεται στην άνω περιοχή και για συχνότητες μικρότερες των 60 GHz δεν συμβάλει ουσιαστικά στην απόσβεση, μετατρέπεται σε σταγόνες νερού που σχηματίζουν την κάτω περιοχή της βροχής. Συνεπώς, η συνολική απόσβεση θεωρείται ότι συμβαίνει μόνο στη κάτω περιοχή. Η ζώνη γύρω από το ενεργό ύψος βροχής που πραγματοποιείται η μετατροπή αυτή ονομάζεται στρώμα τήξης και αντιστοιχεί στο υψόμετρο της ισόθερμης των 0 C. Για μικρές γωνίες ανύψωσης το στρώμα τήξης συμβάλει αρκετά στην εξασθένιση των σημάτων που διέρχονται από μέσα του, η συμβολή όμως αυτή υπολογίζεται ξεχωριστά από την απόσβεση της βροχόπτωσης. Το μέσο υψόμετρο H της ισόθερμης των 0 C εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος Λ της περιοχής και προσδιορίζεται προσεγγιστικά σε km από τη σχέση : { (3.5.6) Το μήκος του ευθύγραμμου τμήματος της διαδρομής που βρίσκεται μέσα στη κάτω περιοχή της βροχής ονομάζεται ενεργό μήκος της διαδρομής (L e ) και δίνεται από τις σχέσεις : { ( ) [( ) ( ) ] ( ) (3.5.7) Όπου η (μέση) ακτίνα της γης, η γωνιά ανύψωσης της διαδρομής και το υψόμετρο του επίγειου σταθμού ως προς την επιφάνεια της θάλασσας. Ένας πιο απλοποιημένος υπολογισμός της συνολικής απόσβεσης Α προκύπτει αν υιοθετήσουμε τη παραδοχή Crane, που θεωρεί την ένταση της βροχόπτωσης 88

101 σταθερή στον κατακόρυφο άξονα μέχρι το ενεργό ύψος βροχής. Τότε η συνολική απόσβεση Α μπορεί να υπολογιστεί μέσω της σχέσης (3.5.8) όπου η απόσβεση κατά μήκος μιας υποθετικής επίγειας διαδρομής η οποία προκύπτει από τη προβολή του ενεργού μήκους στο οριζόντιο επίπεδο. Τα παραπάνω φαίνονται στο σχήμα Σχήμα 3.9 : Παράμετροι μοντέλου υπολογισμού απόσβεσης λόγω βροχής Ακόμα παραθέτουμε άλλα 2 σχήματα όπου φαίνεται η εξάρτηση της απόσβεσης λόγω βροχής σε συνδυασμό με διακυμάνσεις λόγω σπινθηρισμών από την ένταση βροχόπτωσης και τη συχνότητα του κύματος. Σχήμα 3.10 : Συνδυαστική επίδραση βροχής και σπινθηρισμών στο σήμα 89

102 Σχήμα 3.11 : Συνολική απόσβεση συναρτήσει του ρυθμού βροχόπτωσης για διάφορες συχνότητες 3.6 Θόρυβος στα δορυφορικά συστήματα Γενικά, ως θόρυβο σε ένα σύστημα επικοινωνιών θεωρούμε όλες εκείνες τις ανεπιθύμητες συνιστώσες των οποίων η ισχύς προστίθεται σε αυτή του σήματος (ή του φέροντος σήματος) πληροφορίας. Ο θόρυβος επιδρά αρνητικά στη λειτουργία του δέκτη καθώς μειώνει τη πιθανότητα λήψης και σωστής αποδιαμόρφωσης αποκωδικοποίησης του φέροντος ώστε να εξαχθεί το επιθυμητό σήμα πληροφορίας. Ο θόρυβος στα δορυφορικά συστήματα και πιο συγκεκριμένα στην είσοδο του δέκτη, διακρίνεται σε δύο μεγάλες κατηγορίες : τον εξωγενή θόρυβο, που εισέρχεται στο σύστημα από τη κεραία του δέκτη και τον ενδογενή θόρυβο που δημιουργείται από τα κυκλώματα του τελευταίου. Ο εξωγενής θόρυβος, αναφερόμενος στη βιβλιογραφία και ως ραδιοθόρυβος, προέρχεται τόσο από φυσικές όσο και από ανθρωπογενείς αιτίες. Οι φυσικές πηγές μπορούν με τη σειρά τους να διακριθούν σε γήινες και διαστημικές πηγές. Οι διαστημικές πηγές θορύβου περιλαμβάνουν τα εξής : Κοσμική ακτινοβολία. Ο κοσμικός θόρυβος προκαλείται από διάσπαρτες στο σύμπαν πηγές φωτεινού θορύβου καθώς και από μία θερμοκρασία θορύβου K που αποτελεί τον απόηχο του Big Bang. Υπάρχει και ο γαλαξιακός 90

103 θόρυβος, που προέρχεται από το κέντρο του γαλαξία μας (milky way), τον οποίο μία κεραία στη γη αντιλαμβάνεται ως μία λεπτή ζώνη έντονης ακτινοβολίας. Οι δύο παραπάνω θόρυβοι μειώνονται γρήγορα με την αύξηση της συχνότητας οπότε για συχνότητες κοντά στο όριο της ιονοσφαιρικής προστασίας, όπως τα 100 MHz, έχουν θερμοκρασίες θορύβου μερικών εκατοντάδων και μερικών χιλιάδων K αντίστοιχα, ενώ άνω των 2 GHz συμβάλουν μόνο με το ισοτροπικό υπόλοιπο του Big Bang που αναφέρθηκε προηγουμένως Ηλιακή και σεληνιακή ακτινοβολία. Ο ήλιος είναι η ισχυρότερη πηγή θορύβου στο διάστημα. Η θερμοκρασία θορύβου που προσθέτει στην κεραία του δέκτη είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της συχνότητας, ενώ εξαρτάται επίσης από την ηλιακή δραστηριότητα, το εύρος δέσμης της κεραίας και την ευθυγράμμιση αυτής με τον ήλιο. Για ένα τυπικό σύστημα επικοινωνιών στα 20 GHz η πρόσθετη από τον ήλιο θερμοκρασία ανέρχεται περίπου στους 8100 K, ενώ πάνω από τα 30 GHz η θερμοκρασία αυτή σταθεροποιείται γύρω από τους 6000 K. Η σεληνιακή ακτινοβολία από την άλλη, αποτελεί στην ουσία αντανάκλαση της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στο φεγγάρι. Η πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας της σελήνης, όπως κάθε μελανού σώματος, ακολουθεί τη μεταβολή του τετραγώνου της συχνότητας, ενώ εκτός από το εύρος δέσμης της κεραίας, εξαρτάται από τη φάση της και την εκκεντρότητα της τροχιάς της. Η αντίστοιχη πρόσθετη θερμοκρασία για το σύστημα των 20 GHz ανέρχεται στους 320 K περίπου. Ακτινοβολία από ραδιοαστέρες. Με τον όρο αυτό εννοούμε μερικές ισχυρές πηγές μη θερμικού θορύβου όπως είναι ο Ταύρος Α και η Κασσιόπεια Α, όμως ακόμη και οι ισχυρότερες απ αυτές φτάνουν μόνο το 1/10 του θορύβου που προέρχεται από τη σελήνη. Χρησιμοποιούνται συνήθως για τη διακρίβωση του λόγου G/T του δέκτη. Οι γήινες πηγές φυσικού θορύβου περιλαμβάνουν : Απορρόφηση των ραδιοκυμάτων από αέρια της ατμόσφαιρας και υδρομετέωρα (σύννεφα, βροχή, χαλάζι κτλ). Η απορρόφηση ισχύος από το διερχόμενο ραδιοκύμα αυξάνει σε μοριακό επίπεδο τη θερμική ενέργεια των αερίων και των υδρομετεώρων αντίστοιχα, οδηγώντας στην ακτινοβολία ισχύος θερμικού θορύβου. Τα αέρια που συμβάλλουν στην παραγωγή του θερμικού θορύβου είναι αυτά που προκαλούν και την απόσβεση στα ραδιοκύματα, δηλαδή το οξυγόνο και οι υδρατμοί. Η θερμοκρασία θορύβου λοιπόν εξαρτάται από τη γωνία ανύψωσης, τις κλιματολογικές συνθήκες (υγρασία, ατμοσφαιρική πίεση, απόλυτη θερμοκρασία) και φυσικά τη συχνότητα του κύματος. Μεγάλες αυξήσεις της θερμοκρασίας θορύβου παρατηρούνται κοντά στις συχνότητες απορρόφησης των αερίων, όμως υπό κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες δεν ξεπερνάει τους 290 K. Για την 91

104 θερμοκρασία θορύβου t r από την απορρόφηση της βροχής υπάρχει ο προσεγγιστικός τύπος : ( ) ( ) (3.6.1) όπου η θερμοκρασία στην επιφάνεια της γης σε Κ, η συνολική απόσβεση της διαδρομής σε db και η θερμοκρασία θορύβου βροχής σε K. Το παράδοξο που προκύπτει από την παραπάνω εξίσωση είναι ότι η θερμοκρασία θορύβου δεν εξαρτάται από τη συχνότητα. Για μεγάλες αποσβέσεις λόγω βροχής (>20 db), η μέγιστη θερμοκρασία θορύβου κυμαίνεται μεταξύ 270 και 280 K. Σημειώνεται ότι η εξασθένιση της στάθμης του σήματος από τα παραπάνω φαινόμενα και η δημιουργία θερμικού θορύβου που έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της συνολικής θερμοκρασίας θορύβου του δέκτη, δρούνε αθροιστικά στην μείωση του λόγου ισχύος φέροντος προς ισχύ θορύβου του συστήματος (CNR) για τη ζεύξη που μας ενδιαφέρει. Ακτινοβολία από ηλεκτρικές εκκενώσεις και άλλες φυσικές ατμοσφαιρικές πηγές θορύβου (κεραυνοί, αστραπές, θύελλες κ.α.). Το συχνοτικό φάσμα του θορύβου που προκαλείται από τέτοιες διαδικασίες είναι πολύ ευρύ. Όμως το πλάτος της ισχύος ελαττώνεται με την αύξηση της συχνότητας. Έτσι ο ατμοσφαιρικός αυτός θόρυβος είναι υπολογίσιμος μόνο για συχνότητες κάτω από 300 KHz. Μπορεί να αναλυθεί σε λευκό θόρυβο που προέρχεται από μακρινές διαταραχές ή καταιγίδες, και σε θόρυβο υπό μορφή παλμών από κοντινές καταιγίδες. Προφανώς η ισχύς του εξαρτάται από την εγγύτητα του φαινομένου που τον προκάλεσε. Ανάκλαση ακτινοβολίας από το έδαφος και από άλλα αντικείμενα που βρίσκονται στο οπτικό πεδίο της κεραίας. Η ακτινοβολία αυτή μπορεί να προέρχεται από διάφορες φυσικές πηγές όπως αυτές που περιγράψαμε μέχρι τώρα αλλά και από τεχνητές. Ακόμα και αν αυτή η ακτινοβολία δεν φώτιζε αρχικά τη κεραία του δέκτη, μέσα από διάφορες ανακλάσεις σε διάφορα εμπόδια και τη γη είναι δυνατόν η κεραία να συλλέξει την ανακλώμενη ακτινοβολία μέσω του κύριου αλλά και των πλευρικών λοβών της, αυξάνοντας τη θερμοκρασία θορύβου της. Όπως αναφέραμε όμως και στην αρχή, ο εξωγενής θόρυβος μπορεί να προέρχεται και από προϊόντα ανθρώπινης δραστηριότητας. Αυτό γιατί όλες οι ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές συσκευές εκπέμπουν η/μ κύματα ανάλογα με τη λειτουργία τους. Έτσι, στις ανθρωπογενείς πηγές θορύβου μπορούν να περιλαμβάνονται : Ανεπιθύμητη ακτινοβολία από ηλεκτρικές μηχανές (γεννήτριες, κινητήρες) 92

105 Ανεπιθύμητη ακτινοβολία από ηλεκτρολογικό εξοπλισμό (λάμπες, διακόπτες, ρελέ) και ηλεκτρονικές συσκευές (ηλεκτρονικοί υπολογιστές, κυκλώματα ημιαγώγιμων στοιχείων) Γραμμές μεταφοράς του δικτύου ηλεκτροδότησης Έναυση μηχανών εσωτερικής καύσης Παρεμβολές από άλλα συστήματα επικοινωνιών που λειτουργούν σε παραπλήσιες συχνότητες Οι παραπάνω πηγές δημιουργούν είτε συνεχή θόρυβο είτε παλμικό, κατά τη διάρκεια αλλαγών στην κατάσταση λειτουργίας τους. Εκτός από τον τελευταίο παράγοντα, οι υπόλοιποι δημιουργούν συνήθως μικρού επιπέδου θόρυβο σε συχνότητες κάτω των 500 MHz. Βέβαια ακόμα και αυτοί οι χαμηλοί θόρυβοι είναι σε θέση να επηρεάσουν ευαίσθητους δέκτες που λαμβάνουν πολύ αδύναμα σήματα πληροφορίας. Γι αυτό και μεγάλοι σταθμοί ειδικού σκοπού με υπερευαίσθητους δέκτες τοποθετούνται σε αραιοκατοικημένες περιοχές. Ο ενδογενής ή εσωτερικός θόρυβος προκαλείται από το ίδιο το κύκλωμα του δέκτη και στη συντριπτική πλειοψηφία του είναι θερμικός θόρυβος που οφείλεται στη θερμική κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα στις διατάξεις του κυκλώματος. Η σημαντικότερη πηγή θορύβου τέτοιου είδους είναι οι ενισχυτές που χρησιμοποιούνται στα διάφορα στάδια του δέκτη αλλά και του δορυφορικού αναμεταδότη, και ειδικά οι ενισχυτές ισχύος στις εξόδους των πομπών. Οι τελευταίοι βέβαια εισάγουν και θόρυβο ενδοδιαμόρφωσης στα σήματα που ενισχύουν λόγω της μη γραμμικής συμπεριφοράς τους. Άλλες πιθανές πηγές θορύβου περιλαμβάνουν μίκτες, μετατροπείς ισχύος, διακόπτες, πολυπλέκτες, συζεύκτες και πολλά άλλα. Παράμετροι μέτρησης του θορύβου Το πιο διαδεδομένο μοντέλο θερμικού θορύβου είναι ο λευκός θόρυβος. Η χαρακτηριστική ιδιότητα του λευκού θορύβου είναι η σταθερή φασματική πυκνότητα ισχύος του N 0 (W/Hz) σε όλο το εύρος συχνοτήτων που χρησιμοποιείται. Στην πραγματικότητα, όλες οι πηγές θορύβου δεν έχουν σταθερή φασματική πυκνότητα ισχύος αλλά το μοντέλο αυτό λειτουργεί καλά για μελέτη σε περιορισμένο εύρος ζώνης. Συνεπώς η συνολική ισοδύναμη ισχύς θορύβου N(W) που λαμβάνεται από τον δέκτη σε ένα εύρος συχνοτήτων B N, προκύπτει : Η φασματική πυκνότητα ισχύος N 0 του λευκού θορύβου δίνεται από τη σχέση : 93 (3.6.2) (3.6.3)

106 Όπου η σταθερά του Boltzmann και η (ισοδύναμη) θερμοκρασία θορύβου της πηγής από την οποία μεταβιβάζεται ο θόρυβος σε ένα προσαρμοσμένο στοιχείο ή συσκευή και εκφράζεται σε Κ. Η ισοδύναμη θερμοκρασία θορύβου T e ορίζεται ως η φυσική θερμοκρασία μιας αντίστασης, η οποία θα παρήγαγε την ίδια διαθέσιμη πυκνότητα ισχύος με την πηγή του θορύβου. Ο όρος διαθέσιμη αναφέρεται στην ύπαρξη τέλειας προσαρμογής μεταξύ πηγής και συσκευής-παραλήπτη του θορύβου. Η ισοδύναμη θερμοκρασία είναι ένα μέτρο του θορύβου που δημιουργείται στο εσωτερικό ενός στοιχείου και αναφέρεται πάντα στην είσοδό του. Η ισοδύναμη θερμοκρασία θορύβου ενός τετραθύρου για παράδειγμα αντιπροσωπεύει τη φυσική θερμοκρασία μίας αντίστασης, η οποία τοποθετούμενη στην είσοδο του αντίστοιχου ιδανικού (χωρίς θόρυβο) τετραθύρου θα έδινε την ίδια διαθέσιμη ισχύ θορύβου στην έξοδο του τελευταίου με αυτή που θα παίρναμε από το μη ιδανικό στοιχείο χωρίς την πηγή θορύβου στην είσοδό του. Σχήμα 3.12 : Μοντέλο αντίστασης ισοδύναμης θερμοκρασίας θορύβου Υποθέτουμε ότι έχουμε ένα τετράθυρο στοιχείο με κέρδος G, εύρος ζώνης λειτουργίας B και είσοδο μία πηγή με θερμοκρασία θορύβου τη θερμοκρασία αναφοράς T 0 = 290 K. Τότε η συνολική ισχύς θορύβου στην έξοδο του στοιχείου θα είναι : (3.6.4) όπου η ισχύς θορύβου που προέρχεται από την πηγή στην είσοδο και το κομμάτι του θορύβου που δημιουργεί το ίδιο το στοιχείο. Ορίζουμε σαν συντελεστή θορύβου F του στοιχείου το λόγο συνολικής ισχύος θορύβου στην έξοδο του στοιχείου προς την ισχύ θορύβου που προέρχεται από την πηγή στην είσοδό του ή μαθηματικά : ( ) (3.6.5) Ο συντελεστής θορύβου εκφράζεται συχνά σε db μέσω της σχέσης : 94

107 Θερμοκρασία και συντελεστής θορύβου ενός εξασθενητή [ ] (3.6.6) Ο εξασθενητής είναι ένα παθητικό τετράθυρο στοιχείο που μπορεί να αναπαρασταθεί με μία διάταξη αντιστάσεων σε φυσική θερμοκρασία Τ εξ. Έχει κέρδος συνεπώς εισάγει στην ουσία απώλειες. Η ισοδύναμη θερμοκρασία θορύβου του εξασθενητή δίνεται από τον τύπο : ( ) (3.6.7) Συγκρίνοντας τις (3.6.5) και (3.6.7) παρατηρούμε ότι για θορύβου του εξασθενητή ταυτίζεται με τις απώλειές του. ο συντελεστής (3.6.8) Θερμοκρασία και συντελεστής θορύβου τετραθύρων σε σειρά Έστω δύο τετράθυρες συσκευές συνδεδεμένες σε σειρά, με κέρδη G 1 και G 2, ισχείς θορύβου στην έξοδό τους N 1 και N 2 αντίστοιχα, ισοδύναμες θερμοκρασίες θορύβου T e1 και T e2 και ισχύ θορύβου στην είσοδο του πρώτου N 0. Τότε θα ισχύουν τα παρακάτω : Ή ισοδύναμα ( ) ( ) Από τη τελευταία εξίσωση φαίνεται ότι η ισοδύναμη θερμοκρασία θορύβου του συνδυασμού των δύο στοιχείων είναι : Γενικεύοντας τα παραπάνω σε μία αλυσίδα Ν διαδοχικών τετράθυρων στοιχείων προκύπτει ότι η ισοδύναμη θερμοκρασία θορύβου του συστήματος είναι (3.6.9) Ενώ ο ισοδύναμος συνολικός συντελεστής θορύβου F δίνεται από τη σχέση : 95

108 (3.6.10) όπου ο συντελεστής θορύβου του -οστού στοιχείου. Σχήμα 3.13 : Θερμοκρασία και συντελεστής θορύβου διαδοχικών τετραθύρων Θερμοκρασία θορύβου της κεραίας Ο θόρυβος της κεραίας οφείλεται στις απώλειες (θερμικές, ακτινοβολίας) της κατασκευής της ίδιας της κεραίας και στο θόρυβο που λαμβάνει η κεραία από το περιβάλλον της. Οι απώλειες της κεραίας προκαλούν πτώση της ισχύος του λαμβανομένου σήματος κατά db. Η εξασθένιση αυτή αντιστοιχεί σε μία ισοδύναμη θερμοκρασία θορύβου μερικών δεκάδων K. Οι απώλειες της κεραίας συνήθως συμπεριλαμβάνονται στο συντελεστή απόδοσης της κεραίας και δεν λαμβάνονται υπόψη ξεχωριστά στον ισολογισμό ισχύος του καναλιού. Έτσι ο θόρυβος που μας απασχολεί κυρίως είναι αυτός που προέρχεται από το περιβάλλον της κεραίας και προστίθεται στο σύστημα μέσω της αύξησης που προκαλεί στην θερμοκρασία θορύβου της κεραίας. Οι πηγές αυτού του θορύβου περιγράφηκαν νωρίτερα και περιλαμβάνουν ατμοσφαιρικά, διαστημικά και ανθρωπογενή αίτια. Η κεραία συλλαμβάνει αυτό το θόρυβο μέσω του διαγράμματος ακτινοβολίας της συνεπώς η θερμοκρασία θορύβου της εξαρτάται άμεσα από τη συνάρτηση του κέρδους της ως προς τις γωνίες προσανατολισμού της. Συγκεκριμένα έστω T α η θερμοκρασία ακτινοβολίας από μία πηγή θορύβου που βρίσκεται σε μία κατεύθυνση ως προς τη κεραία και G το κέρδος της κεραίας σε αυτή τη κατεύθυνση. Τότε η ισοδύναμη θερμοκρασία θορύβου της κεραίας Τ κ θα δίνεται από την ολοκλήρωση όλων αυτών των συνιστωσών θορύβου μέσα στη περιοχή του διαγράμματος ακτινοβολίας της κεραίας, δηλαδή ( ) ( ) ( ) (3.6.11) Όπου η στερεά γωνία και οι γωνίες ανύψωσης και αζιμούθιου αντίστοιχα. 96

109 Θερμοκρασία θορύβου συστήματος Τ sys Σχήμα 3.14 : Ισοδύναμη θερμοκρασία συνολικού συστήματος στην είσοδο δέκτη Στο παραπάνω σχήμα φαίνεται η βαθμίδα εισόδου του δέκτη ενός επίγειου σταθμού. Αποτελείται από την κεραία η οποία συνδέεται με το κύκλωμα του δέκτη μέσω μίας γραμμής με απώλειες L F.. Η γραμμή επομένως μπορεί να θεωρηθεί ως ένας εξασθενητής με κέρδος G F = 1/L F και αντίστοιχη θερμοκρασία θορύβου (L F 1)T F, όπου T F η φυσική θερμοκρασία της γραμμής, σύμφωνα με την (3.6.7). Το κύκλωμα του δέκτη (LNA, φίλτρα, μίκτες, αποδιαμορφωτές) έχει μία ισοδύναμη θερμοκρασία θορύβου Τ R. Θα υπολογίσουμε τη θερμοκρασία θορύβου Τ 1 στην έξοδο της κεραίας και τη θερμοκρασία θορύβου Τ 2 στην είσοδο του δέκτη, μετά τις απώλειες της γραμμής. Η θερμοκρασία θορύβου Τ 1 μπορεί να ιδωθεί ως η ισοδύναμη ολική θερμοκρασία θορύβου του υποσυστήματος θορυβώδους γραμμής μεταφοράς και δέκτη, που δέχεται ως είσοδο την θερμοκρασία θορύβου της κεραίας Τ κ. Έτσι χρησιμοποιώντας τη σχέση (3.6.9) παίρνουμε : ( ) (3.6.12) Η θερμοκρασία θορύβου Τ 2 προκύπτει πολλαπλασιάζοντάς την Τ 1 με το κέρδος της γραμμής μεταφοράς G F = 1/L F. Επομένως θα έχουμε ( ) (3.6.13) Η θερμοκρασία Τ 2 ονομάζεται (ισοδύναμη) θερμοκρασία θορύβου του συστήματος και συνήθως συμβολίζεται με Τ sys. 3.7 Σηματοθορυβική Ανάλυση Το σημαντικότερο ίσως μέτρο που καθορίζει την ποιότητα επικοινωνίας μίας ασύρματης ζεύξης είναι ο σηματοθορυβικός λόγος στην είσοδο του δέκτη του τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Ο σηματοθορυβικός λόγος συμβολίζεται με C/N ή 97

110 CNR (Carrier to Noise Ratio) και δηλώνει το λόγο ισχύος φέροντος σήματος προς την ισχύ του θορύβου του συστήματος του δέκτη. Σύμφωνα με όσα έχουμε πει νωρίτερα προκύπτει ότι ο σηματοθορυβικός λόγος θα είναι : (3.7.1) όπου έγινε χρήση των εξισώσεων (3.3.4), (3.6.2) και (3.6.3), με οι συνολικές απώλειες τις ραδιοζεύξης συμπεριλαμβανομένων των απωλειών ελεύθερου χώρου. Εναλλακτικά, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη πυκνότητα ισχύος θορύβου από την (3.6.3),, για να προσδιορίσουμε το λόγο ισχύος φέροντος προς τη πυκνότητα ισχύος του θορύβου στο δέκτη, δημιουργώντας έτσι το σηματοθορυβικό λόγο απαλλαγμένο από το εύρος ζώνης λειτουργίας του συστήματος. ( ) ( ) ( ) (3.7.2) Αν μετατρέψουμε τη παραπάνω σχέση σε db τότε με τη βοήθεια των (3.2.2) και (3.3.3) παίρνουμε το εκφρασμένο σε dbhz : 3.7.3) Όπου : : η ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς του πομπού εκφρασμένη σε db : οι απώλειες ελεύθερου χώρου εκφρασμένες σε db. : ο λόγος κέρδους κεραίας προς θερμοκρασία θορύβου συστήματος δέκτη. Στη ξένη βιβλιογραφία είναι γνωστός με το όνομα (receiver s) Figure of Merit και αποτελεί ένα πολύ σημαντικό δείκτη της ποιότητας και αξιοπιστίας του χρησιμοποιούμενου δέκτη. : η σταθερά Boltzmann εκφρασμένη σε db : οι υπόλοιπες απώλειες (τροπόσφαιρας, ευθυγραμμισμού κεραιών, κυκλωμάτων σύνδεσης με τις κεραίες κτλ) εκφρασμένες σε db. Τέλος, αν συμβολίσουμε με (C/N 0 ) up το σηματοθορυβικό λόγο άνω ζεύξης και με (C/N 0 ) down τον αντίστοιχο της κάτω ζεύξης προκύπτει ότι για τον συνολικό λόγο 98

111 ισχύος φέροντος προς πυκνότητα ισχύος θορύβου στο δέκτη του επίγειου σταθμού λήψης θα ισχύει η σχέση : ( ) ( ) ( ) (3.7.3) 3.8 Συμπεράσματα Από τα παραπάνω προκύπτει ότι για τον υπολογισμό του σηματοθορυβικού λόγου στην είσοδο του δέκτη, ή αντίστοιχα του λόγου και στην έξοδο του αποδιαμορφωτή που είναι από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά ενός δορυφορικού συστήματος επικοινωνιών, είναι αναγκαία η γνώση όλων των παραμέτρων που επηρεάζουν τις ισχύες του μεταδιδόμενου δορυφορικού σήματος και του θορύβου στο σύστημα του δέκτη, τόσο για την άνω όσο και για την κάτω ζεύξη. Σε αυτό το κεφάλαιο αρχικά παρουσιάσαμε τους ντετερμινιστικούς και ελεγχόμενους παράγοντες που καθορίζουν την ισχύ του μεταδιδόμενου φέροντος κύματος, όπως είναι η ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς του πομπού, το κατευθυντικό κέρδος του δέκτη και οι σταθερές για δεδομένη απόσταση απώλειες ελεύθερου χώρου. Στη συνέχεια έγινε εκτενής αναφορά στους παράγοντες που επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά του διαδιδόμενου στην ατμόσφαιρα η/μ κύματος και ιδιαίτερα των τροποσφαιρικών φαινομένων τα οποία έχουν σοβαρές επιδράσεις στα φέροντα συχνότητας άνω των 3 GHz, που αποτελούν και τη πλειοψηφία χρησιμοποιούμενων συχνοτήτων στα σύγχρονα δορυφορικά συστήματα. Αναλύθηκε έτσι η επίδραση του κάθε τροποσφαιρικού φαινομένου, όπως οι εξασθενίσεις του σήματος από υδρομετέωρα, νεφώσεις, ομίχλη, αέρια και υδρατμούς, καθώς και οι διαλείψεις λόγω των συνεχών αλλαγών του ατμοσφαιρικού δείκτη διάθλασης, ενώ παρουσιάστηκαν τα πιο διαδεδομένα μαθηματικά μοντέλα για τον υπολογισμό του μεγέθους των διάφορων αποσβέσεων. Τέλος, αναφέρθηκαν λιτά και περιεκτικά οι διάφορες μορφές γήινου και διαστημικού θορύβου που υπεισέρχονται σε ένα δορυφορικό σύστημα, μετρώντας την επίδρασή τους στη συμπεριφορά του συστήματος μέσω της αύξησης που προκαλούν σε παράγοντες όπως η θερμοκρασία και ο συντελεστής θορύβου της κεραίας. Όλα τα παραπάνω επέτρεψαν την υλοποίηση του ισολογισμού ισχύων στο δορυφορικό κανάλι και τον υπολογισμό του λόγου στην είσοδο του δέκτη. 99

112 100

113 4 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ ΔΟΡΥΦΟΡΟΥ ΣΕ ΚΑΝΑΛΙ ΜΕΤ ΑΠΩΛΕΙΩΝ 4.1 Εισαγωγή Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέραμε ότι οι γεωστατικοί δορυφόροι, παρά το όνομά τους, συνηθίζουν να εξοκείλουν από την ονομαστική τροχιά τους λόγω διάφορων παραγόντων (βαρυτική έλξη από τον ήλιο και τη σελήνη, ανομοιογενές βαρυτικό πεδίο γης λόγω του σχήματός της, πίεση ηλιακής ακτινοβολίας κ.α.). Η ολίσθηση αυτή μπορεί να δημιουργήσει στην τροχιά κλίση μέχρι και 1 ανά έτος, ενώ το μη τέλειο κυκλικό σχήμα της δημιουργεί μικρότερες ολισθήσεις στο γεωγραφικό μήκος του δορυφόρου. Παρόλο που μέσω των συστημάτων τηλεμετρίας και ελέγχου και του προωστικού συστήματος του δορυφόρου οι ολισθήσεις αυτές διορθώνονται περιοδικά, πάλι υπάρχει ένα μικρό παράθυρο αβεβαιότητας γύρω από την ονομαστική τροχιά. Το παράθυρο αυτό συνήθως δεν ξεπερνάει τις στο γεωγραφικό μήκος και πλάτος. Ακόμα όμως και αυτή η μικρή αβεβαιότητα μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα σε επίγειους σταθμούς με κεραίες μεγάλης κατευθυντικότητας. Η συνάρτηση κέρδους αυτών των κεραιών μειώνεται γρήγορα όσο απομακρυνόμαστε από το μέγιστό τους, δηλαδή όσο μεγαλώνει η γωνία απόκλισης της ευθείας που συνδέει την επίγεια κεραία με τον δορυφόρο, από τον άξονα στόχευσης της κεραίας. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την ανάλογη πτώση της προσλαμβανόμενης ισχύος P r στον επίγειο δέκτη καθώς στην εξίσωση ισολογισμού ισχύος του καναλιού (3.3.1) η G R δεν αντιστοιχεί στην μέγιστη τιμή της. Επίσης, επειδή τα επικοινωνιακά κυκλώματα του δορυφόρου συνήθως έχουν πολύ μεγαλύτερη διάρκεια ζωής από τον ίδιο (δηλαδή από τα αποθέματα προωθητικού καυσίμου του ), οι χειριστές του συστήματος μπορούν προς το τέλος της ζωής του να μειώσουν τις διορθωτικές κινήσεις της θέσης του δορυφόρου (περιθώριο κλίσης μέχρι και +/ 3 ) προκειμένου να εξοικονομήσουν προωθητικό και να επεκτείνουν τη διάρκεια παροχής των υπηρεσιών του δορυφορικού συστήματος, εξοικονομώντας έτσι τεράστια ποσά. Βέβαια κάτι τέτοιο είναι αδύνατο χωρίς τη ύπαρξη δυνατότητας παρακολούθησης του δορυφόρου από τις κεραίες των χρηστών. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 4.1 η ολίσθηση ενός γεωστατικού 101

114 δορυφόρου ως προς ένα σταθερό παρατηρητή στη γη φαίνεται να διαγράφει ένα σχήμα 8 στον ουρανό, του οποίου το ύψος (ολίσθηση στη διεύθυνση βορράνότου) είναι αρκετά μεγαλύτερο από το πλάτος (ολίσθηση δύσης-ανατολής). Παρακάτω θα περιγράψουμε τα πιο γνωστά συστήματα παρακολούθησης της θέσης του δορυφόρου από επίγειες σταθερές κεραίες και τέλος θα ακολουθήσει ο δικός μας αλγόριθμος ανίχνευσης και παρακολούθησης του δορυφορικού σήματος υπό διάφορες συνθήκες καναλιού. Σχήμα 4.1 : Ολίσθηση γεωστατικού δορυφόρου 4.2 Συστήματα παρακολούθησης σταθερών κεραιών Ο βασικός στόχος του συστήματος παρακολούθησης της κεραίας ενός δορυφορικού τηλεπικοινωνιακού συστήματος είναι η συγκράτηση των επιπέδων ισχύος λήψης και μετάδοσης εντός προκαθορισμένων ορίων για ένα δεδομένο κανάλι. Αυτό είναι απαραίτητο για την σωστή μετάδοση των μηνυμάτων, δηλαδή την μείωση του ποσοστού λαθών στην αναδημιουργία του αρχικού μηνύματος. Μία κεραία επίσης μπορεί να μην περιορίζεται σε κάποιο ανώτατο όριο αλλά να αναζητά συνεχώς τη θέση μέγιστης λήψης ή εκπομπής (υπό την έννοια της μέγιστης μεταφοράς ισχύος στο άλλο άκρο της ζεύξης). Καθώς οι κατασκευαστές προσπαθούν να μειώσουν όσο γίνεται περισσότερο την ισχύ εκπομπής των δορυφόρων για μείωση του κόστους κατασκευής και εκτόξευσης και μεγιστοποίηση του χρόνου ζωής τους, οι απαιτήσεις για μέγιστη δυνατή αξιοποίηση της μεταδιδόμενης ισχύος από τους σταθμούς λήψης αυξάνουν. Η απαιτούμενη ακρίβεια του συστήματος σκόπευσης της κεραίας εξαρτάται κυρίως από τη συχνότητα λειτουργίας και το μέγεθος (διάμετρο) της παραβολικής κεραίας καθώς αυτά τα μεγέθη καθορίζουν στον μεγαλύτερο βαθμό τη γωνίας μισής ισχύος και κατά συνέπεια το εύρος της μεταβολής του κέρδους ανάλογα με την μεταβολή της γωνίας απόκλισης από την κατεύθυνση του μεγίστου. Η ανίχνευση και 102

115 παρακολούθηση του δορυφόρου γίνεται συνήθως με τη χρήση ενός σήματοςφάρου (beacon signal) το οποίο βρίσκεται στη μέση του εύρους ζώνης συχνοτήτων που χρησιμοποιεί το σύστημα για καλύτερη αντιπροσώπευση της συμπεριφοράς των μεταδιδόμενων φερόντων σημάτων όλων των συχνοτήτων κατά τη διάδοσή τους στο κανάλι και σε αρκετή συχνοτική απόσταση όμως από αυτά για την αποφυγή παρεμβολών. Μερικές φορές μπορεί να χρησιμοποιηθούν και τα ίδια τα φέροντα πληροφορίας για την παρακολούθηση του δορυφόρου, αλλά αυτό συνήθως δεν συνίσταται καθώς πρόκειται για σήματα που έχουν υποστεί μεγάλο βαθμό διαμόρφωσης και η εκπομπή τους δεν είναι συνεχής, αλλά μόνο όταν χρησιμοποιείται η συγκεκριμένη συχνότητα (κανάλι δορυφορικού αναμεταδότη) για επικοινωνία, συνεπώς ο δέκτης του συστήματος θα πρέπει να είναι σε θέση να εντοπίζει αυτόματα άλλο διαθέσιμο φέρον για να συνεχίσει την παρακολούθηση. Από την αρχή της δημιουργίας και χρήσης των δορυφορικών επικοινωνιών προτάθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν διάφορα συστήματα παρακολούθησης και στόχευσης της κεραίας στον δορυφόρο. Οι τέσσερις κύριες κατηγορίες τέτοιων συστημάτων είναι οι εξής : Χειροκίνητη και προγραμματιζόμενη σκόπευση Μονοπαλμική ή ταυτόχρονη παρακολούθηση (monopulse tracking) Παρακολούθηση ακολουθιακής ανίχνευσης πλάτους Παρακολούθηση ηλεκτρονικής λοξοδρόμησης δέσμης (electronic beamsquinting) Οι παραπάνω τέσσερις κατηγορίες μπορούν να διακριθούν σε συστήματα κλειστού και ανοιχτού βρόχου. Συγκεκριμένα η πρώτη κατηγορία αποτελείται από συστήματα ανοικτού βρόχου, ενώ οι τρεις τελευταίες αποτελούν συστήματα κλειστού βρόχου, καθώς διαθέτουν μηχανισμούς ανατροφοδότησης που τους επιτρέπουν να ακολουθούν αυτόματα την κίνηση του δορυφόρου από τη στιγμή που τον εντοπίσουν και μετά. Γι αυτό τα συστήματα κλειστού βρόχου ονομάζονται και συστήματα αυτόματης παρακολούθησης (auto tracking). Χειροκίνητη και προγραμματιζόμενη σκόπευση Κοινό στοιχείο και των δύο αυτών μεθόδων παρακολούθησης είναι η απλότητα της εφαρμογής τους και η απουσία ανάγκης για οποιαδήποτε μορφή ανάδρασης δεδομένων που αφορούν τη κατάσταση του δορυφόρου ή του λαμβανόμενου σήματος. Αποτελούν τις πιο παλιές μεθόδους σκόπευσης των κεραιών, τόσο λόγω της απλότητας στην εφαρμογή και λειτουργία τους όσο και για το πολύ μικρό κόστος τους. Και οι δύο μπορούν να εφαρμοστούν σε μικρά τερματικά με κεραίες μικρής διαμέτρου όπου το μεγάλο εύρος δέσμης τους 103

116 επιτρέπει μεγαλύτερη ελαστικότητα στην επιθυμητή ακρίβεια. Έτσι περιοριζόμαστε στην περιστασιακή υλοποίηση κάποιων χονδρικών στρέψεων της κεραίας προκειμένου να κρατήσουμε τη ποιότητα της ζεύξης σε κάποια επιθυμητά όρια. Στη μεν χειροκίνητη σκόπευση, αυτό γίνεται μέσω ενός ανθρώπου-χειριστή ο οποίος στρέφει κάθε τόσο τη κεραία προκειμένου να μεγιστοποιήσει τη στάθμη του λαμβανόμενου σήματος, που παρατηρεί μέσω κάποιου ειδικού οργάνου. Τέτοιο παράδειγμα είναι τα οικιακά πιάτα δορυφορικής τηλεόρασης, ενώ είναι εύλογο ότι η ακρίβεια τους είναι αρκετά περιορισμένη και βασίζεται αρκετά στον ανθρώπινο παράγοντα. Στη δε προγραμματιζόμενη σκόπευση, ο άνθρωπος αντικαθίσταται από ένα πρόγραμμα, το οποίο έχει στη διάθεσή του αποθηκευμένα δεδομένα προηγούμενων προβλέψεων για τη θέση του δορυφόρου. Οι προβλέψεις αυτές γίνονται από το ίδιο το σύστημα μέσω της γνώσης της γεωμετρίας της τροχιάς, των διορθωτικών κινήσεων που πρόκειται να γίνουν και δεδομένων για τη θέση του δορυφόρου που έρχονται ανά περιόδους από τους σταθμούς τηλεμετρίας και ελέγχου. Η ανάπτυξη και λειτουργία αυτών των συστημάτων λοιπόν είναι αρκετά φθηνή και απλή και δίνει καλύτερα αποτελέσματα από την απλή χειροκίνητη σκόπευση. Βέβαια καθώς δεν διαθέτουν τρόπο αξιολόγησης των προβλέψεων και των αποτελεσμάτων τους (ανάδραση), μπορεί να υποπέσουν σε μεγάλα σφάλματα σκόπευσης αν η αληθινή θέση του δορυφόρου ξεφύγει αρκετά από τη προβλεπόμενη. Μονοπαλμικά συστήματα παρακολούθησης Η μονοπαλμική παρακολούθηση είναι το πιο παλιό σύστημα αυτόματης παρακολούθησης και από τα πιο αξιόπιστα. Χρησιμοποιούταν σχεδόν αποκλειστικά μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 70 όπου έκαναν την εμφάνισή τους τα συστήματα ακολουθιακής ανίχνευσης και ιδιαίτερα τα συστήματα βηματικής παρακολούθησης (step-tracking systems). Ο όρος μονοπαλμική προέρχεται από την ορολογία των ραντάρ για να περιγράψει τη τεχνική με την οποία το γωνιακό σφάλμα μπορεί να προσδιοριστεί από έναν μόνο παλμό. Το πλεονέκτημά τους σε σχέση με τα συστήματα βηματικής παρακολούθησης είναι ότι χρησιμοποιούν συνεχή λήψη και επεξεργασία του λαμβανόμενου σήματος που τα καθιστά πιο ευσταθή σε διαλείψεις και διάφορες άλλες απότομες αλλαγές του περιβάλλοντος. Αυτή η ιδιότητα τα κάνει κατάλληλα και για χρήση σε κινητές εφαρμογές όπως π.χ. σε κεραίες πλοίων, αεροσκαφών κτλ. Το μεγάλο τους μειονέκτημα όμως είναι η αυξημένη πολυπλοκότητα τους και η ανάλογη άνοδος στο κόστος εφαρμογής τους. Υπάρχουν διάφορα συστήματα μονοπαλμικής παρακολούθησης, όλα όμως στηρίζονται στη βασική ιδέα της ταυτόχρονης δημιουργίας δύο ή περισσότερων σημάτων από το λαμβανόμενο σήμα-φάρο και με σύγκριση των πλατών ή/και των φάσεών τους να εξαχθεί πληροφορία για την γωνιακή απόκλιση της ευθείας 104

117 δορυφόρου κεραίας από τον άξονα μεγίστου της τελευταίας. Για παράδειγμα, το μονοπαλμικό σύστημα που χρησιμοποιήθηκε για την παρακολούθηση του πρώτου Telstar αποτελούταν από μία διάταξη τεσσάρων χοανών στη τροφοδοσία της κύριας κεραίας (παραβολικό κάτοπτρο), οι οποίες δημιουργούσαν δύο αλληλοκαλυπτόμενους και ορθογώνιους μεταξύ τους κύριους λοβούς ακτινοβολίας. Το σήμα που λαμβανόταν από κάθε χοάνη επεξεργαζόταν από ένα συγκριτή από τον οποίο προέκυπταν τρία διαφορετικά χαρακτηριστικά της απόκρισής του, πράγμα που συνεπάγεται την ανάγκη χρήσης τριών ξεχωριστών καναλιών λήψης και επεξεργασίας. Άλλα συστήματα χρησιμοποιούν τέσσερα ή και παραπάνω κανάλια επεξεργασίας σήματος. Επίσης μία άλλη τεχνική κάνει χρήση της ιδιότητας ότι εφόσον το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο του προσπίπτοντος κύματος δεν είναι κάθετο στη διεύθυνση του άξονα μεγίστου της τροφοδοσίας της κεραίας τότε μέσα στον κυματοδηγό δημιουργούνται αρμονικές ανώτερης τάξης, η ανίχνευση των οποίων γίνεται μέσω ειδικών διατάξεων και μπορεί να προσδιορίσει το σφάλμα στη γωνία πρόσπτωσης. Βέβαια όλες αυτές οι πρόσθετες απαιτήσεις σε υλικό και στην τροφοδοσία αυξάνουν κατά πολύ τη πολυπλοκότητα και το κόστος της κεραίας. Συστήματα ακολουθιακής ανίχνευσης πλάτους Όπως αναφέραμε, τα συστήματα μονοπαλμικής παρακολούθησης, παρά τη πολύ καλή απόδοσή τους, δεν κατάφεραν να γίνουν πολύ δημοφιλή λόγω της πολυπλοκότητας και του μεγέθους που προσθέτουν στο τερματικό. Η χρήση τους περιορίστηκε κυρίως σε μεγάλους επίγειους σταθμούς και κεραίες μεγάλων πλοίων που απαιτούν υψηλά επίπεδα αξιοπιστίας. Έτσι αναζητήθηκαν άλλες πιο απλές μέθοδοι παρακολούθησης του δορυφορικού σήματος. Δύο από τις πιο γνωστές και χρησιμοποιούμενες τέτοιες μεθόδους είναι η κωνική σάρωση και η βηματική παρακολούθηση. Και οι δύο βασίζονται στην διαδοχική δειγματοληψία του πλάτους (δηλαδή της ισχύος) του λαμβανόμενου σήματος με σκοπό να διαπιστώσουν την ύπαρξη σφάλματος στη σκόπευση της κεραίας και να το ελαχιστοποιήσουν. Η εφαρμογή τους δεν απαιτεί κάποια ιδιαίτερη προσθήκη υλικού στο σύστημα της κεραίας κρατώντας έτσι το μέγεθος και το κόστος της χαμηλά. Έχουν βέβαια το μειονέκτημα ότι είναι αρκετά ευάλωτα σε διαλείψεις και άλλα φαινόμενα εξασθένισης του δορυφορικού διαύλου καθώς και σε παρεμβολές (είτε λόγω αποπόλωσης είτε από γειτονικά κανάλια) που επηρεάζουν το πλάτος του λαμβανόμενου σήματος. Μέθοδος κωνικής σάρωσης 105

118 Σε αυτή τη μέθοδο, μέσω της περιστροφής είτε του κύριου κατόπτρου είτε του υποανακλαστήρα δημιουργούμε μία διαμόρφωση πλάτους στο λαμβανόμενο σήμαφάρο, η οποία περιέχει την πληροφορία για την παρακολούθηση του δορυφόρου. Εξετάζοντας το πλάτος του σήματος που προκύπτει μπορούμε να βγάλουμε ένα συμπέρασμα για το μέγεθος της γωνιακής απόκλισης του δορυφόρου, ενώ εξετάζοντας τη φάση του μπορούμε να εκτιμήσουμε τη κατεύθυνση της απόκλισης. Η συχνότητα της διαμόρφωσης του λαμβανόμενου σήματος εξαρτάται από τη συχνότητα περιστροφής του κυρίως ή δευτερεύοντος ανακλαστήρα, ενώ η φάση της από τη γωνία μεταξύ της ευθείας που συνδέει τη κεραία με το δορυφόρο και του άξονα περιστροφής. Από τα παραπάνω καταλαβαίνουμε ότι για ένα συμμετρικό σύστημα κεραίας (συμμετρική παραβολική κεραία) η προσπάθεια επικεντρώνεται στην ελαχιστοποίηση του μεγέθους της διαμόρφωσης πλάτους που παρατηρείται στο αρχικό λαμβανόμενο σήμα, καθώς στην ιδανική περίπτωση όλα τα ισαπέχοντα σημεία γύρω από τον άξονα σκόπευσης της κεραίας λαμβάνουν (ή εκπέμπουν) την ίδια ακτινοβολία σε ένα συμμετρικό διάγραμμα ακτινοβολίας. Το σοβαρότερο μειονέκτημα αυτού του συστήματος, πέραν των μειονεκτημάτων που είναι κοινά σε όλα τα συστήματα ακολουθιακής ανίχνευσης, είναι ότι αυτή η διαμόρφωση στο σήμα-φάρο που περιγράφτηκε θα εφαρμοστεί και στα υπόλοιπα φέροντα πληροφορίας, ενώ σε αμφίδρομα συστήματα θα εμφανιστεί και στη μετάδοση άνω ζεύξης. Το σύστημα κωνικής σάρωσης εγκαταλείφθηκε σχετικά γρήγορα μπροστά στην ανάπτυξη και βελτίωση άλλων συστημάτων όπως της βηματικής και μονοπαλμικής παρακολούθησης. Βηματική παρακολούθηση (step-tracking) Όπως υποδεικνύει και το όνομά της, η μέθοδος αυτή περιλαμβάνει τη στρέψη της κεραίας με μικρά βήματα προς τη κατεύθυνση μέγιστης λήψης. Αναπτύχθηκε κατά πρώτο λόγο ως μία εύκολη και φθηνή μέθοδος ακριβούς στόχευσης της κεραίας. Υποτίθεται ότι ένας χειριστής ή ένα κατάλληλο πρόγραμμα έχει τοποθετήσει την στόχευση της κεραίας αρκετά κοντά στο δορυφόρο ώστε να είναι δυνατή η επίτευξη του ακριβούς εντοπισμού και της μετέπειτα παρακολούθησης του δορυφόρου μέσω μικρών βημάτων στις γωνίες προσανατολισμού της κεραίας. Πιο συγκεκριμένα η διαδικασία που ακολουθείται είναι η εξής: αφού έχει επιτευχθεί ένα ικανοποιητικό επίπεδο σήματος, η κεραία στρέφεται κατά ένα μικρό βήμα στον ένα άξονα και μετριέται η ισχύς του σήματος στη νέα θέση. Αν αυτή είναι μεγαλύτερη της ισχύος του σήματος που έχει μετρηθεί και αποθηκευτεί στη προηγούμενη θέση τότε η κίνηση της κεραίας συνεχίζεται προς την ίδια κατεύθυνση. Αν είναι μικρότερη, αντιστρέφεται η φορά στρέψης και η διαδικασία επαναλαμβάνεται εναλλάξ στους άξονες αζιμούθιου και ανύψωσης της κεραίας μέχρι την εύρεση της θέσης μέγιστης λήψης ή την επίτευξη κάποιας ικανοποιητικής 106

119 στάθμης σήματος. Το μεγάλο πλεονέκτημα του step-tracking συστήματος είναι το χαμηλό του κόστος που πηγάζει από την απλότητα των εξαρτημάτων που απαιτεί. Για παράδειγμα για να λειτουργήσει χρειάζεται έναν απλό μονοκάναλο δέκτη ο οποίος δεν χρειάζεται να είναι καν σύμφωνος αφού μας ενδιαφέρει μόνο το πλάτος και όχι η φάση του σήματος. Επίσης απαιτείται μία χρονική γεννήτρια για να εναλλάσσει περιοδικά τη λειτουργία μεταξύ των δύο αξόνων και φυσικά ο κατάλληλος σερβομηχανισμός στρέψης της κεραίας. Ένα από τα σοβαρότερα μειονεκτήματα της step-tracking μεθόδου είναι ότι πάντα θα υπάρχει ένα μικρό σφάλμα σκόπευσης αντίστοιχο του γωνιακού βήματος, καθώς η κεραία δεν έχει άλλο τρόπο να αναγνωρίσει τη θέση μέγιστης λήψης παρά μόνο μέσω της συνεχούς μετατόπισης και σύγκρισης διαδοχικών τιμών. Συνεπώς η κεραία μπορεί να στρέφεται αέναα σε απόσταση ενός βήματος γύρω από τη διεύθυνση μεγίστου. Αυτό το σφάλμα βέβαια είναι πολύ μικρό και ελαττώνεται όσο μικραίνει το βήμα της μεθόδου. Υπερβολική βέβαια μείωση του βήματος (π.χ. κάτω της 0.01 ) θα οδηγήσει σε μεγάλους χρόνους σύγκλισης ή και αδυναμία επίτευξής της τελευταίας, καθώς η κεραία δεν θα προλαβαίνει να ακολουθεί ικανοποιητικά το δορυφόρο αντισταθμίζοντας παράλληλα τις εξωτερικές τυχαίες διαταραχές (ριπές ανέμου στο σκελετό της κεραίας, διαλείψεις και προστιθέμενος θόρυβος στο σήμα κτλ). Αυτό βέβαια εξαρτάται άμεσα και από τη δυναμική απόκριση του συστήματος, δηλαδή τον χρόνο που χρειάζεται ώστε να γίνει η δειγματοληψία, η σύγκριση και η στρέψη της κεραίας και αυξάνεται αρκετά σε συστήματα μεγάλων κεραιών που εμφανίζουν υψηλή αδράνεια λόγω του όγκου και του βάρους τους. Ένα ακόμα μειονέκτημα είναι η απαίτηση για ικανοποιητική στάθμη του σήματος πριν αρχίσει η διαδικασία παρακολούθησης καθώς η μέθοδος βασίζεται μόνο σε μέτρηση του πλάτους του σήματος. Έτσι είναι εμφανής η ανάγκη ύπαρξης ενός ικανοποιητικού επιπέδου ισχύος λήψης αλλά και SNR (λόγου σήματος προς θόρυβο) προκειμένου το σύστημα να μπορεί να αναγνωρίσει άνετα το σήμα εισόδου και να προβεί στη διαδικασία παρακολούθησης. Αυτό συνεπάγεται αύξηση του εκπεμπόμενου EIRP από τον δορυφόρο ή αύξηση του μεγέθους της κεραίας προκειμένου να μεγαλώσει το κατευθυντικό κέρδος της, και τα δύο ανεπιθύμητα σε ένα δορυφορικό σύστημα επικοινωνιών. Τέλος, λόγω της συνεχούς βηματικής κίνησης της κεραίας επέρχεται μεγάλη φθορά στους σερβοκινητήρες στρέψης, η οποία είναι ανάλογη και με το μέγεθος της υπό στρέψη κεραίας. Γι αυτό στις μεγάλες παραβολικές κεραίες διαμέτρου αρκετών μέτρων προτιμάται η στρέψη του υποανακλαστήρα για μεγαλύτερη ευκολία και ταχύτερα αποτελέσματα. 107

120 4.3 Παρουσίαση του αλγορίθμου παρακολούθησης Σε αυτό το κεφάλαιο θα παρουσιαστεί ο αλγόριθμος που υλοποιήσαμε σε περιβάλλον Matlab με στόχο την παρακολούθηση ενός γεωστατικού δορυφόρου με ικανοποιητική ακρίβεια. Η ακρίβεια που ζητείται στα πραγματικά συστήματα είναι της τάξης της 0.1 ο για μικρές κεραίες με αρκετά μεγάλο εύρος ζώνης (>2dB), ενώ για μεγαλύτερα και πιο κατευθυντικά κάτοπτρα (θ 3dB 1 ο ) φτάνει τις 0.02 ο περίπου. Ο παρών αλγόριθμος βασίζεται στη τεχνική του step-tracking που αναλύσαμε προηγουμένως, δηλαδή στη διαδοχική εξέταση και σύγκριση της στάθμης του λαμβανόμενου σήματος μετά από κάθε στρέψη της κεραίας κατά ένα συγκεκριμένο, πεπερασμένο βήμα u στον άξονα του αζιμούθιου και της ανύψωσης αντίστοιχα (βλέπε σχήμα 2.15, AZ-EL βάση). Όσον αφορά το γεωστατικό δορυφόρο, όπως εξηγήσαμε στα πρώτα κεφάλαια της διπλωματικής η πραγματική κίνηση του δεν ακολουθεί ακριβώς την ονομαστική τροχιά αλλά πραγματοποιεί μια μικρή διακύμανση εντός ενός παραθύρου επιτρεπτών διαστάσεων γύρω από αυτή. Η ελλειψοειδής αυτή κίνηση του δορυφόρου γύρω από την ονομαστική τροχιά προσομοιώνεται με τις ακόλουθες προσεγγιστικές εξισώσεις [6] : ( ) (4.3.1) ( ) (4.3.2) Όπου, οι σύγχρονες γωνίες αζιμούθιου και ανύψωσης του δορυφόρου αντίστοιχα,, οι αρχικές γωνίες όταν ξεκινάει το πείραμα και ο χρόνος που έχει περάσει σε ώρες (hrs). Η προσομοίωση της παραπάνω κίνησης για αρχικές γωνίες και και χρονικό διάστημα δίνει το ακόλουθο αποτέλεσμα. Σχήμα 4.2: Ολίσθηση γεωστατικού δορυφόρου 108

121 Από ότι φαίνεται και από το παραπάνω σχήμα η απόκλιση του δορυφόρου δεν ξεπερνάει τις 0.15 ο στο αζιμούθιο και τις 0.3 ο στην ανύψωση. Η βασική διαδικασία που ακολουθεί ο αλγόριθμος είναι η εξής : αρχικά κατασκευάζουμε ένα χονδρικό διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας σε όλο το χώρο που μελετάμε και διενεργούμε μία γρήγορη σάρωση με βήμα της τάξης της 1 ο ή και μεγαλύτερο προκειμένου να βρούμε που περίπου βρίσκεται ο δορυφόρος ώστε να μπορέσει να ξεκινήσει η διαδικασία εντοπισμού και παρακολούθησής, καθώς όπως έχουμε πει για να λειτουργήσει ένα step-tracking σύστημα πρέπει η κεραία να στοχευθεί με κάποιο τρόπο αρκετά κοντά στον δορυφόρο. Αυτό στη πραγματικότητα είναι πολύ εύκολο, ειδικά με τους γεωστατικούς δορυφόρους, καθώς γνωρίζουμε τη τροχιά του καθενός και την θέση που κανονικά θα έπρεπε να βρίσκεται ανά πάσα στιγμή και το σφάλμα που υπάρχει από την ονομαστική θέση δεν ξεπερνάει συνήθως τις 0.3 ο όπως φάνηκε και από το προηγούμενο σχήμα. Έτσι λοιπόν η ακρίβεια της 1 ο της αρχικής εκτίμησης με τη σάρωση (μέθοδος που προτάθηκε στο [4]) είναι αρκετά απαισιόδοξη και καλύπτει την αβεβαιότητα της κίνησης του δορυφόρου. Εναλλακτικά θα μπορούσε ο χρήστης να εισάγει μόνος του τα δεδομένα για την αρχικά εκτιμώμενη θέση του δορυφόρου από την πρόβλεψη της τροχιάς ή κατευθείαν από παρατήρηση. Όλη αυτή η διαδικασία είναι σημαντική προκειμένου ο δορυφόρος να βρεθεί στο κύριο λοβό του διαγράμματος ακτινοβολίας της κεραίας όπου υπάρχει μόνο ένα μέγιστο και είναι δυνατή η αναζήτηση αυτού του ολικού μεγίστου αλλιώς στην περίπτωση που υπεισέρχονται και οι πλευρικοί λοβοί δημιουργούνται και άλλα τοπικά μέγιστα που δυσκολεύουν κατά πολύ την εύρεση του σημείου μέγιστης λήψης μέσω της βηματικής παρακολούθησης. Στα παρακάτω διαγράμματα φαίνεται η προσεγγιστική εύρεση του μεγίστου από τη γρήγορη σάρωση του κομματιού του ουρανού που μας ενδιαφέρει (συγκεκριμένα εδώ σαρώσαμε για γωνίες -100<φ<100 και 0<θ<70) και το διάγραμμα ακτινοβολίας του κύριου λοβού της κεραίας που έχουμε υποθέσει στην προσομοίωσή μας (διάμετρος 0.6 m, f=12ghz). Έτσι λοιπόν δημιουργούμε μία περιοχή έκτασης +/- 2 ο γύρω από την αρχικά υποτιθέμενη θέση του δορυφόρου μέσα στην οποία ψάχνουμε τον τελευταίο μέσω της ισχύος των δειγμάτων του λαμβανόμενου σήματος. Στην απλή περίπτωση διάδοσης ελεύθερου χώρου η ισχύς αυτών των δειγμάτων εξαρτάται μόνο από την τιμή του κέρδους της κεραίας λήψης για την τρέχουσα γωνιακή απόκλιση δορυφόρου και άξονα στόχευσης της κεραίας δηλαδή εξαρτάται μόνο από το διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας, τις γωνίες σκόπευσης της κεραίας και την πραγματική θέση του δορυφόρου αφού η ισχύς εκπομπής του δορυφόρου και οι απώλειες στο κανάλι θεωρούνται σταθερές. Στη στοχαστική περίπτωση που θα μελετηθεί αργότερα όπου εισέρχονται πρόσθετες αποσβέσεις και διαλείψεις του σήματος στο κανάλι πρέπει να υπολογιστεί κανονικά η λαμβανόμενη ισχύς στο δέκτη μέσω του link budget. 109

122 Σχήμα 4.3 : (κανονικοποιημένη) ισχύς από τη σάρωση (η κεραία δεν ανιχνεύει τη θέση μέγιστης ισχύος=1) Σχήμα 4.4 : Κύριος λοβός διαγράμματος ακτινοβολίας χρησιμοποιούμενης κεραίας Ντετερμινιστική περίπτωση (διάδοση ελεύθερου χώρου) Δημιουργούμε ένα πίνακα για την περιοχή αναζήτησης +/-2 ο που αναφέραμε προηγουμένως, το μέγεθος του οποίου εξαρτάται από το μέγεθος του γωνιακού βήματος που επιλέγουμε. Ο πίνακας αυτός περιέχει σε κάθε επανάληψη που πραγματοποιείται τις τιμές του σήματος που θα λάμβανε στη κεραία ο δέκτης για κάθε γωνίες σκόπευσης της κεραίας και γωνίες θέσης του δορυφόρου. Φυσικά αφού ο δορυφόρος κινείται αργά στον χρόνο, ο πινάκας αυτός είναι χρονικά 110

123 μεταβαλλόμενος. Έτσι με διαδοχικές μεταβολές στις γωνίες στόχευσης της κεραίας κατά ένα βήμα τη φορά εναλλάξ στους άξονες του αζιμούθιου και της ανύψωσης και συγκρίνοντας τη τιμή του λαμβανόμενου δείγματος με αυτή του προηγούμενου βήματος προσπαθούμε να ανιχνεύσουμε και να παρακολουθήσουμε το δορυφόρο. Στα παρακάτω διαγράμματα φαίνεται το αποτέλεσμα αυτής της προσπάθειας για δύο διαφορετικά βήματα που δοκιμάστηκαν u=0.02 o και u=0.05 ο και διάρκεια χρόνου t=500 sec. Σχήμα 4.5 : Απόκριση αλγορίθμου για βήμα 0.02 ο Σχήμα 4.6 : Απόκριση αλγορίθμου για βήμα 0.05 ο 111

124 Στα παραπάνω διαγράμματα, όπως και σε αυτά που θα ακολουθήσουν, οι μπλε ρόμβοι συμβολίζουν τα διαδοχικά βήματα στη στρέψη της κεραίας ενώ ο πράσινος ρόμβος υποδηλώνει την αρχική θέση της κεραίας, ο γαλάζιος την τελική και η κόκκινη γραμμή τη πραγματική θέση του δορυφόρου. Η τελευταία επειδή μεταβάλλεται ελάχιστα στη διάρκεια χρόνου που μελετάμε, στο εξής θα εμφανίζουμε με ένα κόκκινο στόχο μόνο τη τελική θέση του δορυφόρου (δηλαδή μετά τα 500 sec). Όπως φαίνεται από τα παραπάνω σχήματα η κεραία εντοπίζει αρκετά γρήγορα την πραγματική θέση του δορυφόρου και περιστρέφεται γύρω από αυτή σε απόσταση μικρότερη των 2 δύο βημάτων. Συνεπώς βλέπουμε ότι η ακρίβεια της ανίχνευσης και παρακολούθησης του δορυφόρου περιορίζεται μόνο από το χρησιμοποιούμενο βήμα στρέψης. Ένας τρόπος για την αποφυγή των αχρείαστων στρέψεων γύρω από τη θέση του μεγίστου θα ήταν διακοπή του αλγορίθμου, δηλαδή της στρέψης της κεραίας, μόλις η τιμή του λαμβανόμενου σήματος υπερβεί ένα κατώφλι κοντά στο μέγιστο. Αναφέρουμε ακόμα ότι υποτέθηκε ότι για κάθε στρέψη της κεραίας κατά ένα βήμα στον κάθε άξονα, δειγματοληψία της στάθμης του σήματος και σύγκριση με τη προηγούμενη αποθηκευμένη τιμή απαιτείται χρονικό διάστημα 5 sec, χρόνος αρκετά ρεαλιστικός για το σύστημα μικρής κεραίας που μελετάμε. Έτσι λαμβάνουμε ένα συνολικό αριθμό 100 δειγμάτων. Προφανώς οι γωνιακές θέσεις της κεραίας που αντιστοιχούν σε αυτά τα δείγματα πολλές φορές συμπίπτουν, αφού η κεραία μπορεί να περάσει πολλές φορές από το ίδιο σημείο αζιμούθιου και υπερύψωσης. Τα καλά αποτελέσματα της ντετερμινιστικής περίπτωσης μας επιτρέπουν να την χρησιμοποιήσουμε σαν μέτρο σύγκρισης για την στοχαστική περίπτωση που ακολουθεί. Στοχαστική περίπτωση (εισαγωγή παραμέτρων της ατμόσφαιρας στην διάδοση) Σε αντίθεση με τη κατάσταση που περιγράψαμε στο ντετερμινιστικό μοντέλο, στη πραγματικότητα τα πράγματα είναι αρκετά πιο σύνθετα. Ατμοσφαιρικοί παράμετροι όπως η θερμοκρασία και η υγρασία της περιοχής, η συγκέντρωση διάφορων αερίων και υδρατμού, η εμφάνιση νεφώσεων και υδρομετεώρων πάνω από τον επίγειο σταθμό και γενικά στο οπτικό πεδίο της ζεύξης, μπορούν να δημιουργήσουν σοβαρές εξασθενίσεις και αυξομειώσεις του σήματος όπως περιγράφτηκε στο κεφάλαιο 3, καθιστώντας την παρακολούθηση και γενικά την επικοινωνία με τον δορυφόρο αρκετά δύσκολη έως και αδύνατη. Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής θα μελετήσουμε την επίδραση των τροποσφαιρικών σπινθηρισμών στην παρακολούθηση του δορυφόρου με τον αλγόριθμο που αναπτύξαμε, καθώς είναι το μόνο ατμοσφαιρικό φαινόμενο στη συχνότητα των 12GHz που μας ενδιαφέρει (Ku band) το οποίο παρουσιάζει μεγάλη τυχαιότητα και μπορεί να προκαλέσει μεγάλες διακυμάνσεις στη στάθμη του σήματος σε μικρό 112

125 χρονικό διάστημα. Άλλα τροποσφαιρικά φαινόμενα όπως οι ατμοσφαιρικές κατακρημνίσεις (βροχή, χαλάζι, χιόνι) ή η παρουσία νεφώσεων και ομίχλης εισάγουν μεν σοβαρή απόσβεση στο δορυφορικό κανάλι αλλά δεν επηρεάζουν αυτή καθ εαυτή τη διαδικασία της παρακολούθησης καθώς μεταβάλλονται πολύ αργά στο χρόνο σε σχέση με το χρόνο πραγματοποίησης κάθε βήματος, οπότε μπορούν να θεωρηθούν σαν σταθεροί παράγοντες απόσβεσης όπως οι απώλειες ελεύθερου χώρου. Επίσης οι συγκεντρώσεις των αερίων και των υδρατμών στην ατμόσφαιρα μεταβάλλονται επίσης πολύ αργά σε σύγκριση με το χρονικό διάστημα που μας ενδιαφέρει, ενώ και οι αποσβέσεις που προκαλούν δεν είναι σημαντικές μέχρι τα 20GHz, όπως αναλύσαμε και στην ενότητα 3.4. Επίσης όλα τα παραπάνω και ιδιαίτερα η βροχόπτωση και οι βαριές νεφώσεις αυξάνουν την ένταση των τροποσφαιρικών σπινθηρισμών καθώς αλλάζουν διάφορες παραμέτρους στην ατμόσφαιρα όπως την υγρασία και αυξάνουν την τροποσφαιρική σκέδαση των η/μ κυμάτων λόγω των σταγονιδίων νερού, συνεισφέροντας στην περεταίρω μεταβολή του δείκτη διάθλασης. Συνεπώς μπορεί να θεωρηθεί ότι λαμβάνονται έμμεσα υπόψη μέσω της μελέτης των σπινθηρισμών. Αρχικά, για τη μοντελοποίηση και την ποσοτική μέτρηση του φαινομένου των σπινθηρισμών χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο της ITU που περιγράφτηκε στην ενότητα 3.4. Έτσι, υιοθετώντας την ευρέως χρησιμοποιούμενη προσέγγιση της κανονικής (Γκαουσιανής) κατανομής με μηδενική μέση τιμή για το πλάτος των διακυμάνσεων που προσδίδουν στο φέρον σήμα οι σπινθηρισμοί της τροπόσφαιρας, μπορούμε να υπολογίσουμε την τυπική απόκλιση της κατανομής των πλατών από τις εξισώσεις ( ). Έτσι λοιπόν για διάφορες συνθήκες της ατμόσφαιρας και διαφορετικές γωνίες ανύψωσης η κατανομή της διακύμανσης του πλάτους λόγω σπινθηρισμών φαίνεται στα παρακάτω σχήματα. 113

126 Σχήμα 4.7 : Διακύμανση του πλάτους σπινθηρισμών για θ=10.34 ο, Τ=10 ο C, RH=50% Σχήμα 4.8 : Διακύμανση του πλάτους σπινθηρισμών για θ=10.34 ο, Τ=30 ο C, RH=100% 114

127 Σχήμα 4.9 : Διακύμανση του πλάτους σπινθηρισμών για θ=65.24 ο, Τ=10 ο C, RH=50% Σχήμα 4.10 : Διακύμανση του πλάτους σπινθηρισμών για ο, Τ=30 ο C, RH=100% Δοκιμάζουμε αρχικά τον αλγόριθμό μας σε συνθήκες χαμηλών σπινθηρισμών ( χαμηλή θερμοκρασία Τ=10 ο C, κανονική σχετική υγρασία RH=50% και γωνία ανύψωσης ο ), με βήμα 0.02 ο. το αποτέλεσμα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. 115