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I SATELLITI - SCHEMA A BLOCCHI DI UN TRANSPONDER DEL SATELLITE

telecomunicazioni


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I SATELLITI - SCHEMA A BLOCCHI DI UN TRANSPONDER DEL SATELLITE

I SATELLITI


Un sistema di comunicazione via satellite consente di mettere in comunicazione due o più punti sulla terra posti anche a grande distanza. In relazione al tipo di orbita che viene descritta è possibile distinguere due classi di satelliti.

1.     GEOSTATIONARY ORBIT (GEO);

2.     LOW EARTH ORBIT (LEO).



     (GEO): sono satelliti posti in un orbita geostazionaria; non presentano un moto relativo rispetto alla terra e quindi assumono una posizione fissa rispetto a una sezione di terra.

     (LEO): sono satelliti posti a un'altezza variabile tra circa 1000 e 10000 Km; vengono utilizzati per servizi quali radio-localizzazione, trasmissione dati, telefonia satellitare, ecc. in generale per offrire un certo servizio devono essere utilizzati molti satelliti in quanto essi sono posti in orbite basse e presentano un moto relativo rispetto alla terra (da un punto sulla superficie terrestre sono visti solo per un certo intervallo 818d36i di tempo).

I satelliti (GEO) assumono particolare importanza in quanto con un singolo satellite geostazionario è possibile realizzare un sistema di comunicazione in grado di fornire i propri servizi  24 ore su 24.

L'orbita geostazionaria è un orbita circolare posta a circa 36000 Km di altezza e situata in corrispondenza dell'equatore. Un satellite in orbita geostazionaria può offrire sia la copertura di un intero emisfero sia una copertura a SPOT, cioè la copertura sia di aree geografiche ben determinate. L'area di copertura di un satellite viene comunemente definita "FOOTPRINT" (ORMA O IMPRONTA) e il livello della copertura radio viene dato fornendo il livello di potenza, in dBW, con cui il satellite trasmette nelle regioni comprese entro la propria area. Man mano che ci si allontana dal centro del FOOTPRINT è necessario utilizzare antenne riceventi di diametro (e quindi guadagno) via via più per ricevere con qualità accettabile il segnale irradiato dal satellite. Per quanto concerne il collegamento, viene definito UPLINK, o tratta in salita, la tratta radio che va dall'antenna trasmittente di una stazione di terra all'antenna ricevente del satellite; mentre viene definita DOWNLINK,o tratta in discesa , la tratta radio che va dall'antenna trasmittente del satellite all'antenna ricevente di una stazione di terra. Per evitare interferenze tra ricezione e trasmissione, in un sistema di comunicazione via satellite la tratta in salita (UPLINK) impiega una frequenza diversa da quella utilizzata per la tratta in discesa (DOWNLINK). In particolare la frequenza di trasmissione per l'UPLINK è più elevata di quella con cui il satellite trasmette verso terra (DOWNLINK), in quanto nelle stazioni di terra è possibile utilizzare amplificatori a elevata potenza per compensare  l'attenuazione del percorso, che aumenta con l'aumentare della frequenza.

In un collegamento analogico tra due (o più) stazioni di terra, la funzione che svolge il satellite è semplicemente quella di amplificare il segnale ricevuto da una stazione di terra e di traslarlo in frequenza, in modo da trasmetterlo verso terra (nel DOWNLINK) a una frequenza inferiore rispetto a quella di ricezione. In un satellite l'apparato che effettua l'amplificazione e la traslazione in frequenza viene denominata TRANSPONER e un satellite può essere dotato di uno o più TRANSPONDER. In definitiva, daun punto di vista radio un satellite costituisce semplicemente un ripetitore in grado di ricevere il segnale radio emesso da una o più stazioni di terra, di amplificarlo e trasmetterlo verso una o più stazioni di terra.

SCHEMA A BLOCCHI DI UN TRANSPONDER DEL SATELLITE:

In presenza del MIXER permette le traslazione in frequenza del segnale.

Nel caso di trasmissione via satellite digitali, invece, il TRANSPONDER di un satellite può rigenerare il segnale, prima di ritrasmetterlo verso terra. La rigenerazione viene effettuata in banda base per cui è necessario traslare a frequenza intermedia il segnale ricevuto, demodularlo e poi rigenerarlo.

 Dopo la rigenerazione il segnale viene nuovamente modulato e traslato dalla frequenza intermedia alla frequenza di trasmissione prevista per il DOWNLINK, vedi figura: Schema a blocchi del rigeneratore di un transponder nel caso di trasmissione via satellite digitale.

Le bande delle microonde su cui trasmettono i satelliti commerciali sono normalmente due:

1.     BANDA "C"   (con frequenza di utilizzo tra 3.7 ÷ 6.2 GHZ);

2.     BANDA "Ku" (con frequenza di utilizzo tra 11 ÷ 14.5 GHZ).

Se si impiegano le frequenze comprese nella banda "C" si ha il vantaggio di porsi a frequenza in cui il rumore, assume un valore minimo. Inoltre le frequenze della banda "C", essendo inferiori ai 10 GHZ, non vengono attenuate dalla pioggia. Per contro, poiché il guadagno delle antenne paraboliche dipende dal diametro dell'antenna, è necessario utilizzare antenne riceventi di diametro relativamente grande per esempio 2 m, per ottenere guadagni elevati ( G ≥ 30 dB).

Se invece, si impiegano le frequenze "Ku" si risente dall'attenuazione prodotta dalla pioggia, ma poiché si opera con frequenze elevate è possibile impiegare antenne riceventi di piccolo diametro (anche inferiori al metro).

Le piccole dimensioni dell'antenna ne consentono l'installazione sui tetti delle case, sui balconi ecc.. ciò favorisce la diffusione commerciale dei sistemi riceventi satellitari per la ricezione dei programmi televisivi. Un satellite può essere utilizzato per favorire essenzialmente 3 tipi di connessioni:



1.     collegamenti punto-punto;

2.     collegamenti punto- multipunto unidirezionale (diffusione in BROADCAST);

3.     collegamenti bidirezionali multipunto-punto.

Nel caso (1) si ha una comunicazione bidirezionale tra due stazioni di terra. In generale un satellite realizza un certo numero di collegamenti bidirezionali (FULL DUPLEX) che collegano coppie di stazioni di terra. In questo caso è necessario adottare un'opportuna strategia di accesso multiplo. Un collegamento punto-punto può essere utilizzato per trasferire segnali telefonici, segnali video o dati.

Nel caso (2) il satellite viene utilizzato per irradiare il segnale che giunge da una stazione di terra verso molte altre stazioni, che però possono solo ricevere. Un tipico esempio di applicazione di questo servizio è quello della diffusione diretta da satellite di programmi televisivi ( DIRECT BROADCAST SATELLITE, DBS).

Il caso (3) permette di realizzare una rete a stella che inerconnette in modo bidirezionale un cero numero di stazioni di terra a una stazione di terra centrale. Le stazioni non possono colloquiare tra loro direttamente, ma la comunicazione avviene passando sempre per la stazione di terra centrale. La stazione di terra principale può essere dotata di un'antenna di grandi dimensioni, mentre le altre stazioni possono essere costituite da terminali che utilizzano antenne di dimensioni contenute.

SATELLITI INTELSAT ( INTERNATIONAL TELECOMUNICAZION SETELLITE CONSORTIUM)

Nel  1965, venne posto in orbita INTELSAT 1, il primo satellite commerciale per  telecomunicazioni. Oggi esistono migliaia di satelliti INTELSAT, di varie generazioni, in grado di coprire tutta la superficie terrestre. Oltre 100 paesi, tra i quali l'Italia, sono collegati al sistema INTELSAT, il quale è suddiviso in 3 macro-regioni corrispondenti e le tre aree oceaniche. Le stazioni terrestri prima di poter essere attivate, devono superare una serie di prove ed essere approvate dal consorzio INTELSAT. Le stazioni standard di tipo "A" presentano antenne con diametri compresi tra 27.5 m e 30 m e sono in genere costituite da riflettori parabolici dotati di alimentatori CASSE GRAIN.

Le antenne devono essere orientabili per poter seguire automaticamente la figura a 8 lunga 20 Km realizzata giornalmente dal satellite. La potenza massima di uscita di una stazione di tipo "A" è di 8 KWatt sulla banda complessiva riservata alle comunicazioni via satellite.

I ricevitori di una stazione terrestre sono del tipo SUPERETERODINA dotati di pre-amplificatori a basso rumore (LNA,LOW NOISE AMPLIFIER) calcolati in prossimità della guida d'onda, al centro dell'antenna. Questi amplificatori generano un guadagno complessivo di 60 o 70 dB e vengono calcolati nelle vicinanze dell'antenna ricevente. Il segnale viene inviato alla stazione primaria attraverso una guida d'onda e, dopo una successiva amplificazione, raggiunge un divisore di potenza, e infine una serie di filtri. Pertanto l'uscita del divisore di potenza alimenta una serie di filtri passa banda ciascuno dei quali caratterizzato da una banda che permette il transito della portante desiderata.

A valle di ogni filtro troviamo un MIXER che riconverte il segnale dalla portante a una frequenza intermedia pari a 70 MHZ; il nuovo segnale viene quindi amplificato e demodulato. L'uscita della catena di ricevitori corrisponde alla banda base della specifica portante dalla quale vengono estratti i canali d'interesse.

TECNCHE DI ACCESSO MULTIPLO 

Le principali tecniche di accesso multiplo implementate dai protocolli per la condivisione spaziale (cioè satellite con UPLINK e DOWNLINK) del collegamento sono:

1.     FDMA ( accesso multiplo a divisione di frequenza);

2.     TDMA (accesso multiplo a divisione di tempo);

3.     CDMA (accesso multiplo a divisione di codice);

4.     SDMA (accesso multiplo a divisione di spazio).

Nell'FDMA ogni termine terrestre può connettersi ad altri terminali terrestri utilizzando, per il collegamento al transponder, preassegnati intervalli di frequenza. Sinteticamente si può dire che le stazioni terrestri inviano il proprio segnale con portanti nell'ordine dei GHZ, i segnali ricevuti dal satellite vengono multiplati in FDMA, quindi l'insieme dei segnali viene traslato in frequenza, amplificato e irradiato da un'antenna a tutte le stazioni riceventi, le stazioni riceventi effettuano sul segnale ricevuto una demodulazione di frequenza estraendo solo il canale (o i canali) di loro pertinenza. In questa modalità a ogni stazione terrestre viene assegnata una "SOTTOBANDA" cioè una posizione della banda totale di cui dispone il satellite.




ACCESSO MULTIPLO A DIVISIONE DI TEMPO

L'accesso multiplo a divisione di tempo è la tecnica secondo cui una singola portante viene condivisa contemporaneamente da più stazioni terrestri. Ogni stazione trasmittente usa l'intera banda disponibile solo in specifici intervalli temporali prefissati (i TIME SLOT): è così possibile utilizzare l'intera potenza del TRANSPONDER senza produrre rumore d'intermodulazione tra canali adiacenti. Il sistema "TDMA" è basato sulla rigorosa definizione di una struttura a trama e di opportune tecniche di sincronizzazione tra i vari terminali, per evitare la sovrapposizione temporale tra i segnali trasmessi, cosa che rende questa architettura più complessa di quella relativa alla "FDMA".

In questa tecnica di accesso multiplo esistono differenti tipologie di affermazione:

1.     TDMA ad accesso predefinito;

2.     TDMA ad accesso casuale;

3.     TDMA ad accesso su prenotazione.

TDMA AD ACCESSO PREDEFINITO:

Ogni terminale dispone in modo fisso e commutativo di un determinato TIME SLOT.

TDMA AD ACCESSO CASUALE(conosciuto anche come ALOHA):

Il generico terminale contende agli altri il mezzo reale senza alcuna precedenza di prenotazione del mezzo; in caso di collisione (cioè se due stazioni tentano la trasmissione sullo stesso TIME SLOT) la stazione destinataria che non ha ricevuto correttamente l'informazione, non confermando la ricezione forza la stazione trasmittente a inviare di nuovo le informazioni perse a causa del conflitto.

TDMA ACCESSO SU PRENOTAZIONE ( noto anche come DAMA: DEMAND ASSIGMENT MULTIPLE ACCESS):

Uno dei terminali costituisce la STAZIONE DI RIFERIMENTO a cui è delegata l'organizzazione del traffico (cioè ogni altro terminale) accede al segmento spaziale in seguito a una prenotazione al termine della trasmissione comunica agli altri elementi del sistema di aver ultimato la sessione di collegamento e di aver liberato la porzione di banda precedentemente utilizzata.

ACCESSO MULTIPLO A DIVISIONE DI SPAZIO

 

La tecnica "SDMA" non consiste in una vera tecnica di accesso multiplo, ma piuttosto in una funzionale e rigida ripartizione delle frequenze utilizzabili su differenti aree geografiche servite. La gamma di frequenze utilizzabili sui satelliti limita il numero di portanti disponibili contemporaneamente.

Per poter stabilire un elevato numero di collegamenti bisogna utilizzare più volte la stessa portante: le interferenze sono evitate sfruttando la forte direttività delle antenne.

Utilizzando più "TRANSPONDER" dedicate a diverse aree geografiche uno stesso satellite moltiplica la propria capacità trasmissiva. I limiti operativi risiedono nella tecnologia con cui si realizzano le antenne ( a cui è demandata la direttività dell'antenna), nella capacità di evitare interferenze all'interno del sistema e nei limiti di peso e d'ingombro del satellite.

ACCESSO MULTIPLO A DIVISIONE DI CIDICE

 

La tecnica "CDMA" è impiegata soprattutto per trasmettere una bassa quantità di dati a molte stazioni riceventi, in sistemi, come quelli militari per cui la segretezza o la riservatezza sono qualità essenziali. La trasmissione "CDMA" è caratterizzata dalla elevata immunità a rumori che possono agire sul collegamento.

La banda del segnale utilizzato in trasmissione risulta molto maggiore di quella del segnale in banda base, per cui la tecnica è riconducibile alla TRASMISSIONE A SPETTRO ESPANSO (SSMA: SPREAD SPECTRUM MULTIPLE ACCESS). Il segnale SSMA, composto da segnale informativo, informazione ridondante della codifica e indicazioni d'indirizzamento, viene trasmesso a tutte le stazioni riceventi. Ciascuna stazione terrestre, all'atto della ricezione del segnale verifica l'identità del destinatario. Se l'indirizzo, non corrisponde al proprio , la stazione ingnora il segnale. Se corrisponde al proprio, la stazione ricevente attiva l'algoritmo per la codifica che è (generalmente) specifico per ogni indirizzo, ed estrae l'informazione che è destinata. Le stazioni non destinatarie dal messaggio non dispongono del codice corretto per la codifica, e non possono accedere al contenuto del segnale che possono per altro ricevere. Le tecniche di accesso multiplo, moltiplicando il numero di utenze  che non sollecite può soddisfare, sono il punto modale nella concezione di un sistema satellitare. Nessuna tecnica è in assoluto superiore alle altre, ma per ogni tipologia di servizio è possibile individuare la tecnica più adatta.  








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