I.P.S.I.A. Di
BOCCHIGLIERO
a.s. 2010/2011
-classe III-
Materia: Telecomunicazioni
---- Ponti radio satellitari ----
alunna
Serafini Rossella
prof. Ing. Zumpano Luigi
IPSIA Bocchigliero
-TelecomunicazioniPonti radio satellitari
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Ponti radio
Per ponte radio si intende un sistema di collegamento, bidirezionale, a larga banda, che
utilizza le onde elettromagnetiche per trasmettere informazioni sia analogiche sia digitali.
I ponti radio sono utilizzati per:
➢ comunicazioni telefoniche multicanali di tipo analogico (tecnica FDM) e di tipo
digitale (tecnica PCM);
➢ trasmissioni radiotelevisive;
➢ trasmissione dati;
➢ sistemi a larga banda.
La capacità trasmissiva del ponte radio è solitamente espressa come numero di canali
(telefonici, televisivi, dati e musicali). Le frequenze utilizzate sono molto elevate dell’ordine
dei (GHz) (campo delle microonde) e di conseguenza la propagazione delle onde
elettromagnetiche è per onda diretta.
Per le attuali comunicazioni a larga banda si cerca di utilizzare frequenze sempre più
elevate in modo da poter disporre di canali di trasmissione a larga banda dell’ordine di
qualche (GHz).Per la trasmissione e la ricezione dei segnali sono utilizzate le antenne
paraboliche perché hanno un elevato guadagno e sono molto direttive. Siccome vengono
impiegate antenne a elevato guadagno, il livello di potenza utilizzato è basso, cioè
dell’ordine del watt o di qualche decina di watt. Le tecniche di modulazione utilizzate sono
la modulazione analogica di frequenza (FM), le modulazioni digitali PSK e QAM. I ponti
radio sono classificati in terrestri e satellitari
Ponti radio satellitari
Il satellite è un sistema capace di interconnettere due o più terminali di terra, mediante un
collegamento a microonde. Esso rappresenta la stazione ripetitrice in un collegamento in
ponte radio: riceve il segnale dalla stazione trasmittente A (tratta in salita o uplink) e lo
ritrasmette alla stazione ricevente B (tratta in discesa o downlink), dopo aver operato un
filtraggio del segnale, la sua amplificazione ed eventualmente la conversione su una
frequenza diversa. Il ripetitore satellitare può essere anche di tipo rigenerativo, in caso di
trasmissione numerica. La tratta in salita è meno critica, in quanto sulla terra è più facile
produrre potenze di trasmissione elevate e impiegare grandi antenne ad alto guadagno,
con meccanismi di puntamento precisi verso il satellite.
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Le frequenze impiegate nella trasmissione satellitare vanno da 1 a 40 Ghz circa e
vengono classificate in bande. Per la trasmissione in banda C, ad esempio, si adoperano
frequenze intorno ai 6 Ghz per la tratta in salita e intorno ai 4 Ghz per quella in discesa;
ciascuna frequenza portante fornisce una larghezza di banda totale di 500 Mhz per ogni
direzione. I satelliti più recenti operano invece su bande di frequenza più elevate (bande
Ku e Ka), sia per aumentare la capacità di trasmissione sia perché ciò consente di usare
antenne di dimensioni più ridotte. Per la banda K a è prevista una larghezza di banda di
3500 Mhz per ogni direzione. Per realizzare un corretto collegamento sulla tratta in
discesa occorrono grandi antenne terrestri e precisi posizionamenti dei veicoli spaziali. Il
tipo di collegamento con le stazioni terrestri può essere:
➢ punto-punto, se esistono solo due stazioni terminali terrestri interconnesse tra loro;
➢ punto-multipunto, se l'informazione viene trasferita da una stazione origine verso
più stazioni destinatarie contemporaneamente, come nel caso di diffusione
satellitare televisiva;
➢ multipunto-punto, se l'informazione viene trasferita da più stazioni origine verso
un'unica stazione destinataria, come nel caso della trasmissione dati indirizzata a
un grosso elaboratore.
I ponti radio satellitari rappresentano il mezzo di collegamento più conveniente; si pensi ad
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esempio a centri separati da oceani o deserti, o a zone che comunque non sono idonee
all'istallazione di ripetitrici terrestri, oppure con limitate infrastrutture di terra (Paesi meno
industrializzati). I principali servizi satellitari attualmente disponibili sono:
➢ servizi di base di tipo telefonico e dati, sia in ambito nazionale sia internazionale;
➢ servizi di diffusione e trasporto di segnali televisivi, radiofonici e di videoconferenza;
➢ servizi orientati direttamente all'utenza affari: reti private per trasmissioni video
locali, teleconferenza, dati e fonia;
➢ servizi mobili, quali le comunicazioni di tipo marittimo, aeronautico e terrestre
( radiolocalizzazioni).
Le caratteristiche principali di un ponte radio satellitare sono:
➢ minore sensibilità alle interferenze rispetto ai ponti radio terrestri;
➢ costo del servizio praticamente indipendente dalla distanza;
➢ possibilità di attuare una rete completa di telecomunicazione e di distribuire la
capacità in modo variabile tra i vari terminali;
➢ possibilità di offrire comunicazioni di tipo personale;
➢ disponibilità di impiego di grandi larghezze di banda, offerte dai collegamenti a
microonde;
➢ copertura totale del globo terrestre utilizzando il numero minore di punti di
rigenerazione.
Per contro, gli svantaggi sono imputabili a:
➢ fenomeni di eclissi; si verifica cioè una diminuzione di energia elettrica e quindi
perdita di potenza durante la trasmissione;
➢ disturbi atmosferici durante violenti temporali;
➢ spazio limitato sull'orbita geostazionaria;
➢ ritardo nella trasmissione dovuto al tempo di propagazione del segnale.
Orbite dei satelliti
il movimento dei satelliti artificiali intorno alla terra può essere paragonato a quelli dei
pianeti attorno al sole, le leggi della gravitazione universale e le tre leggi di Keplero. La
legge di gravitazione universale afferma che, ogni volta che due masse qualsiasi sono
presenti nello spazio, si manifesta tra loro una forza di attrazione direttamente
proporzionale alle masse stesse e inversamente proporzionale al quadrato della distanza
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tra i rispettivi baricentri.
F g =G
m1⋅m2
Dove G è la costante gravitazionale universale e
r2
vale 6,67⋅10−11 Nm2/Kg2.
I satelliti descrivono in generale, orbite ellittiche intorno alla terra e quest'ultima occupa
uno dei fuochi; essi si spostano con una velocità relativa, rispetto a quella della terra, tale
da essere considerati in movimento o fissi da un osservatore posto sulla terra. Un satellite
fisso rispetto alla terra consente un collegamento in ponte radio più semplice, in quanto le
stazioni terrestri non necessitano di complicati meccanismi di inseguimento. Affinché un
satellite artificiale sia fisso rispetto alla terra, occorre che si muova in sincronia con essa,
cioè ruoti nello stesso verso e con lo stesso periodo di rivoluzione (circa 24 ore). L'orbita
che il satellite percorre viene detta geostazionaria ed e circolare e disposta nel piano
equatoriale. L'orbita geostazionaria è anche chiamata “cintura di Clarke”, dal nome di colui
che per primo l'ha studiata e definita. Per immettere un satellite in orbita geostazionaria,
risulta determinante la conoscenza della sua velocità angolare o tangenziale V r e la sua
altezza h dalla superficie terrestre. Le forze a cui è soggetto un satellite di massa m sono
essenzialmente due: la forza centrifuga e la forza di gravità. La forza centrifuga F c tende
ad allontanarlo dall'orbita e si ottiene dalla relazione
F c =m⋅a c =m
V 2r
. La forza di gravità
r
F g =m⋅a g =m⋅g
Fg tende a riportarlo sulla terra e si ottiene dalla relazione
Imponendo la condizione di equilibrio tra le due forze
la velocità

V r= g
R2
r
2
V
R
=m r
2
r
r
2
m⋅g
R2
.
2
r
è possibile ricavare
detta velocità circolare; essa rappresenta la velocità che deve
avere un satellite per percorrere un'orbita geostazionaria a un'altezza
superficie della Terra. Essendo
possibile ricavare la distanza r
V r=
2
r , sarà anche
T
T 2⋅g⋅R 2
r =
2
4
3

r =3

h=r −R
2
g⋅R2
⋅r =
T
r
T 2⋅g⋅R 2
. Per
4 2
dalla
da cui è
T =23h e 561 ,
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g =9,80 m/s 2 ,
R=6370 Km , si ricava
satellite rispetto alla superficie terrestre
distanza r, la velocità circolare vale
r =42.230 Km
e quindi anche l'altezza h del
h=r −R=42.230−6370=35.860 Km . Nota la
V r=3,070 Km /s . Da un'altezza di circa 36.000 km il
satellite vede, sotto un angolo di circa 18°, una regione della terra che risulta pari a 1/3 di
quella totale, bastano quindi 3 satelliti geostazionari,a 120° l'uno dall'altro, per ottenere la
copertura dell'intero globo terrestre. Però le tre regioni di copertura del satellite in parte si
sovrappongono, per cui restano scoperte le calotte polari. Naturalmente esistono anche
satelliti non geostazionari che gravitano su orbite ellittiche non equatoriali, i quali sorgono
e tramontano diverse volte in un giorno. In questo caso, per la copertura globale occorre
un numero di satelliti superiore a tre.
Apparati di bordo
il satellite per telecomunicazioni è un sistema complesso composto essenzialmente da
quattro parti:
➢ sistema di alimentazione;
➢ sistema di antenne;
➢ sistema di ricezione, elaborazione e trasmissione (trasponditore);
➢ sistema di telemetria e controllo.
Il sistema di alimentazione è costituito da pannelli solari adatti a convertire l'energia dei
raggi solari in energia elettrica. I pannelli solari provvedono quasi per intero al
funzionamento delle parti elettroniche di bordo; per alcuni periodi, comunque, non
vengono colpiti dai raggi luminosi, per cui, per assicurare la continuità delle trasmissioni,
sono affiancati da batterie di accumulatori, mantenute costantemente sotto carica. La
funzione più importante del satellite riguarda la ricetrasmissione dei segnali di
comunicazione. La stazione ripetitrice a bordo del satellite prende il nome di
trasponditore e può essere di tipo trasparente o di tipo rigenerativo. Il trasponditore
trasparente amplifica il segnale captato dall'antenna ricevente, lo converte in frequenza e
lo ritrasmette verso la stazione di terra, con una potenza che dipende dal sistema di
alimentazione a pannelli solari e dalla linearità dei componenti utilizzati negli stadi finali di
potenza. Normalmente un satellite è equipaggiato con una batteria di trasponditori che
lavorano in bande di frequenze contigue. Nel caso di trasmissione di tipo numerico il
trasponditore è di tipo rigenerativo e opera una demodulazione del segnale numerico, la
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sua rigenerazione quindi rimodula il segnale per inviarlo sulla tratta di discesa. La
modulazione utilizzata è tipicamente quella Q-PSK per pacchetti di segnali multiplati con
tecnica TDM. La tendenza attuale nella tecnologia di trasponditori e quella di aumentare la
potenza trasmessa dal satellite e migliorare la sensibilità della ricezione, in modo da
ridurre i costi delle stazioni terrestri, il cui numero ovviamente maggiore delle stazioni
satellitari. Inoltre si utilizzano frequenze di lavoro più elevate, al di sopra dei Ghz; difatti,
poiché il guadagno di un'antenna parabolica è proporzionale al suo diametro e alla sua
frequenza di lavoro, per frequenze più alte si possono utilizzare sistemi di antenne di
dimensioni ragionevolmente più contenute.
Tecniche di accesso multiplo
Il modo con cui si accede alla larghezza di banda di un trasponditore si chiama accesso
multiplo. Le tecniche di accesso multiplo più utilizzate sono la FDMA (accesso multiplo a
divisione di frequenza) e la TDMA (accesso multiplo a divisione di tempo); altre
configurazioni più complesse e innovative sono la CDMA (accesso multiplo a divisione di
codice) e la SDMA ( accesso multiplo a divisione di spazio). Nel caso della FDMA, ogni
stazione trasmittente utilizza una parte della larghezza di banda del satellite, modulando la
propria portante con il segnale in banda base che contiene i segnali di informazione
destinati alle altre stazioni. In ricezione, ciascuna stazione ricevente deve demodulare le
portanti trasmesse dalle altre stazioni e, dai segnali demodulati, estrae l'informazione a lei
destinata. Nel caso della TDMA, le stazioni trasmittenti utilizzano a turno l'intera banda
disponibile sul satellite. Ogni stazione, ciclicamente (per ogni intervallo di trama T),
trasmette verso il satellite il pacchetto di informazione ( burst, ottenuto con tecnica TDM )
destinato alle altre stazioni assieme a un preambulo costituito da simboli di servizio per
l'indirizzamento e la sincronizzazione, modulando la stessa portante con la stessa tecnica
Q-PSK. La stazione ricevente opererà la demodulazione dei pacchetti a essa destinati e la
rigenerazione. La tecnica FDMA è usata principalmente per le trasmissioni analogiche di
segnali vocali e televisivi, mentre la tecnica TDMA per le trasmissioni dati, digitali televisive
ad alta definizione e applicazioni multimediali. L'altra tecnica più innovativa e la CDMA,
chiamata anche con l'acronimo SSMA ( accesso multiplo a dispersione di spettro). Per
questa tecnica non è necessaria alcuna temporizzazione tra i vari pacchetti provenienti
dalle diverse stazioni, ma tutte le stazioni trasmettono contemporaneamente, occupando
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la stessa banda disponibile. Ogni utente viene riconosciuto per la presenza nel segnale da
trasmettere di un opportuno codice o segnale di indirizzo diverso per ogni stazione. In
ricezione ogni stazione riconosce il proprio codice e separa il segnale a essa destinato
dagli altri. Per creare il codice identificativo di ciascun segnale si utilizzano due tecniche:
➢ impiego di sequenze pseudocausali;
➢ a salto di frequenze.
Nel primo caso il messaggio dati di una stazione trasmittente modula dapprima una
portante con tecnica Q-PSK (a volte anche FSK ), quindi viene combinato con una
sequenza pseudocausale (codice di espansione); il segnale ottenuto è amplificato e
inviato in antenna. Ogni stazione opera in questo modo utilizzando codici diversi e tutte le
portanti possono essere presenti simultaneamente sul trasponditore del satellite. In
ricezione viene confrontato il proprio codice con quello dell'intero segnale ricevuto e
recuperata la propria sequenza informativa. Con la tecnica a salto di frequenza, per ogni
trasmissione viene fatta variare in modo casuale la frequenza, un certo numero di volte
prefissato al secondo. In ricezione, ogni stazione riconosce la replica sincronizzata della
configurazione di frequenze utilizzata nella trasmissione a essa destinata. Questo tipo di
accesso richiede comunque una sincronizzazione temporale tra i codici. L'accesso
multiplo a divisione di spazio SDMA prevede, invece, una copertura selettiva della zona
terrestre illuminata dal satellite. Il satellite è equipaggiato con un sistema di antenne
multifascio altamente selettivo, capace cioè di irradiare su più fasci radio messaggi
separati verso differenti stazioni terrestri.
La trasmissione televisiva satellitare
La prima trasmissione televisiva satellitare fu realizzata nel 1964 in occasione dei Giochi
Olimpici di Tokio. La stazione giapponese di Kashima trasferì le immagini dei giochi a
quella di Point-Mugo in California, facendo uso del satellite americano Syncon3 e di
un'antenna parabolica terrestre di circa 26 metri di diametro. Con la messa in orbita di
nuovi satelliti per la diffusione diretta dei segnali televisivi (DBS, Direct Broadcasting
Satellite), operanti a frequenze più elevate, è oggi possibile ricevere nella propria
abitazione i programmi televisivi con antenne paraboliche di 60÷90 cm e con costi di
impianto estremamente ridotti. Poiché il satellite è situato in un punto molto alto rispetto
alla Terra, le zone di copertura risultano assai estese, a carattere nazionale e continentale;
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inoltre, come già visto, con un numero minimo di stazioni satellitari è possibile la copertura
dell'intero globo. Il segnale prodotto nello studio televisivo, tramite ponte radio terrestre,
giunge alla stazione trasmittente e, attraverso un collegamento radio a microonde in salita
(uplink), è inviato al satellite, allocato nella cintura di Clarke; a sua volta il trasponditore sul
satellite ritrasmette lo stesso segnale verso terra attraverso un altro fascio radio (dowlink),
solitamente a frequenza inferiore a quella di ricezione, servendo un'ampia zona detta
footprint (orma di piede) entro la quale il segnale risulta utile per la ricezione da parte delle
antenne di terra. La figura mostra un esempio di footprint relativo al satellite Astra. In essa
sono rappresentate le linee isolivello congiungenti i punti della terra dove il segnale,
ricevuto da antenne di uguale dimensione, presenta lo stesso rapporto S/N (in dB).
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L'intensità del segnale trasmesso verso terra risulta maggiore al centro e diminuisce verso
l'estremità della zona di copertura, cosicché per mantenere invariato il rapporto S/N è
necessario utilizzare antenne paraboliche di diametro via via crescente man mano che ci
si allontana dal centro del cono di copertura. Le posizioni dei satelliti sulla fascia di Clarke
sono misurate in gradi rispetto al meridiano di Greenwich. Le bande di frequenza sono
attualmente tre:
➢ banda FSS compresa tra 10,95 Ghz e 11,7 Ghz.
➢ Banda DBS compresa tra 11,7 Ghz e 12,5 Ghz .
➢ Banda SMS compresa tra 12,5 Ghz e 12,75 Ghz.
Per le trasmissioni satellitari la modulazione più utilizzata è ancora la FM per segnali TV a
colore in banda base di 5 Mhz e uno o più canali audio (mono, stereo o multilingue); per i
satelliti più recenti si utilizza il sistema di codifica D2MAC che prevede la possibilità di
avere quattro canali audio numerici da 384 kbit/s per segnali stereo o multilingue con una
qualità paragonabile ai compact disc.
Struttura dell'impianto ricevente
la struttura di un impianto di ricezione televisiva satellitare è costituita da un'antenna
parabolica, dall'unità esterna detta LNB, dall'unità interna (ricevitore satellitare) e
dall'apparecchio televisivo. L'antenna parabolica assolve il compito di captare il debole
segnale a microonde proveniente dal dowlink edi concentrarlo in un unico punto, detto
fuoco, in corrispondenza del quale sono posizionati i blocchi di ricezione esterna, cioè
l'illuminatore, il polarizzatore e il convertitore. Se l'antenna è fissa, si possono ricevere i
programmi di un solo satellite o di qualche satellite, con particolari accorgimenti nel
polarizzatore; se si desidera la ricezione di tutti i satelliti visibili nel luogo di
posizionamento dell'antenna, occorre dotare l'antenna di un motore per il puntamento
automatico, governabile da telecomando. L'antenna deve essere orientata in modo che il
suo asse sia puntato esattamente verso il satellite geostazionario prescelto. Per il suo
puntamento è necessaria la conoscenza di due grandezze: l'azimut (spostamento
laterale) e l'elevazione (spostamento verticale), le quali esprimono rispettivamente
l'orientamento dell'antenna sul piano orizzontale e su quello verticale. Queste grandezze
sono di difficile determinazione, per cui, per facilitare il compito agli impiantisti, esistono
delle tabelle che riportano i valori, calcolati con il computer, dell'azimut e dell'elevazione
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per ogni capoluogo di provincia. L'illuminatore è costituito da una guida d'onda che ha il
compito di raccogliere l'energia concentrata dallo specchio della parabola e di trasferirla
per mezzo di un tronco di guida circolare all'LNB. Tra l'illuminatore e l'unità esterna è posto
il polarizzatore, formato da una serie di cavità meccaniche mediante le quali vengono
suddivisi fra loro i segnali a microonde che giungono con polarizzazioni diverse. Nel terzo
blocco è situato il primo componente attivo del sistema parabola, cioè l'LNB il cui compito
è quello di amplificare il piccolo segnale ricevuto e di convertire l'intera banda occupata dal
satellite in un intervallo più basso, chiamato 1° IF (prima frequenza intermedia), in maniera
tale da poter trasferire il segnale al televisore semplicemente attraverso un cavo coassiale,
senza apprezzabili perdite.
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