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20.3  Collegamenti satellitari

Tutti i satelliti artificiali hanno, ovviamente, l’esigenza di mantenere un collegamento radio con il centro di controllo orbitale terrestre; in tutti i modi, un buon numero di satelliti è stato lanciato per svolgere un ruolo nell’ambito dei sistemi di comunicazione e telerilevamento, come ad esempio nei casi dei satelliti meteorologici, di radiolocalizzazione (il gps, ma non solo), per ponti radio televisivi, di telefonia, di broadcast televisivo. Senza molto togliere alla generalità dell’esposizione, questa procede illustrando l’ultimo caso citato, detto dvb (Digital Video Broadcast), in cui il satellite semplicemente ritrasmette verso una estesa area geografica i segnali ricevuti da terra, come mostrato in figura 20.4↓, assieme all’ipsogramma[1046] [1046] Dal greco hypsos che significa altezza. Mentre l’ipsografia è un diagramma che individua il rilievo altimetrico terrestre, il termine ipsogramma è a volte usato nelle telecomunicazioni per descrivere l’andamento del livello di potenza in un collegamento. relativo.

20.3.1  Studio di produzione

Non volendo assolutamente entrare qui negli innumerevoli dettagli che andrebbero illustrati, limitiamoci a descrivere i passi necessari a generare il segnale inviato al satellite:
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Figura 20.4 Andamento del livello di potenza in dB per un collegamento satellitare

20.3.2  Uplink

Il collegamento in salita (Sulink) è quello mediante il quale lo studio di produzione invia al satellite l’mpeg-ts che deve essere re-distribuito. Il segnale sopra descritto è quindi amplificato a potenza WdT, parte della quale si perde nel cavo che collega l’antenna trasmittente di guadagno GeT. L’eirpe (Equivalent Isotropically Radiated Power) rappresenta la potenza effettivamente irradiata[1047] [1047] Più precisamente, l’eirp è la potenza che erogherebbe una antenna isotropa, per generare lo stesso campo elettrico prodotto dalla antenna direttiva nella direzione di massimo guadagno., che si riduce notevolmente nella trasmissione da terra a satellite. Considerando una portante di 2 GHz e la quota di un satellite in orbita geostazionaria[1048]  [1048] Un satellite in orbita geostazionaria è visto da terra sempre nella stessa posizione (e ciò consente di puntare l’antenna in modo permanente) in quanto la sua orbita giace sul piano definito dall’equatore, ed il suo periodo di rivoluzione attorno all’asse terrestre coincide con quello di rotazione della terra (pari ad un giorno). Il moto orbitale è causa di una forza centrifuga, che è bilanciata da quella centripeta prodotta dall’attrazione terrestre. Dato che all’aumentare della distanza dalla terra, la prima aumenta (con orbite più grandi, deve aumentare la velocità tangenziale) e la seconda diminuisce, la quota di 36.000 Km costituisce un punto di equilibrio, al disotto del quale il satellite precipiterebbe al suolo, ed al disopra del quale si perderebbe nello spazio. (36.000 Km da terra), l’attenuazione di spazio libero dell’Su-Link (eguale a quella del Down-Link da satellite a terra) è di circa 190 dB.

20.3.3  Transponder

Il segnale ricevuto, di potenza WsR, è captato dall’antenna ricevente del satellite di guadagno GsR, e l’amplificatore seguente eleva ulteriormente il livello del segnale ricevuto, che poi subisce alcune perdite nel collegamento con l’antenna trasmittente del satellite di guadagno GsT, determinando così il valore della eirps all’uscita del trasponder satellitare. Questo termine descrive la circostanza che il satellite non si limita ad amplificare il segnale in transito, ma traspone anche la banda di frequenze occupata dalla trasmissione. Infatti, essendo la differenza tra eirps e WsR molto elevata, se la frequenza portante utilizzata nell’uplink fosse uguale a quella del down-link il segnale trasmesso costituirebbe un rilevante termine di interferenza per il lato ricevente del satellite, nonostante l’elevata direttività delle antenne, dando così luogo ad un fenomeno di diafonia[1049] [1049] Le considerazioni sulla diafonia si applicano altrettanto bene anche al caso di ripetitori terrestri.. La Fig. 20.5↓mostra come il segnale a banda larga (che trasporta molteplici canali) ricevuto da terra viene prima filtrato alla banda del segnale utile, quindi amplificato una prima volta, poi miscelato con un oscillatore locale[1050] [1050] Come descritto al § 10.2.7↑, l’oscillatore locale deve avere una frequenza fe tale che fd = fu  − fe, in modo che il segnale di downlink sia centrato ad una frequenza pari alla differenza tra quella di uplink e quella di eterodina., ed infine amplificato una seconda volta[1051] [1051] La suddivisione della amplificazione in due stadi a frequenza diversa previene fenomeni di reazione positiva..
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Figura 20.5 Elaborazione di bordo per un trasponder DVB satellitare
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Quindi, i singoli canali fdm che compongono il segnale sono separati tra loro mediante il banco di filtri passa-banda indicati come imux (input multiplexer), e amplificati individualmente mediante dei twta[1052] [1052] Travelling Wave Tube Amplifier, ovvero tubi amplificatori ad onda progressiva: http://it.wikipedia.org/wiki/Travelling_wave_tube. che, se spinti alla massima potenza, presentano una caratteristica ingresso-uscita non lineare (vedi § 7.3↑), mostrata nella figura a lato. Nel caso di trasmissioni modulate angolarmente, la distorsione in ampiezza è ben tollerata, e quindi si può mantenere limitato il back-off necessario; d’altra parte, le componenti frequenziali spurie prodotte dalla non linearità devono essere rimosse per non provocare disturbo alle altre comunicazioni, e questo è il compito del banco di filtri passa banda omux (output multiplexer) posti di seguito ai twta.

20.3.4  Footprint e Downlink

L’antenna trasmittente del satellite sagoma il proprio diagramma di radiazione in modo da concentrare la potenza trasmessa in una ben determinata area della terra, dando luogo alla cosiddetta footprint (impronta) raffigurata sotto, in cui le curve isomere individuano sia il livello di potenza ricevuto, che il diametro (e quindi il guadagno) necessario per l’antenna ricevente.
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La tecnica che permette di distribuire la potenza emessa secondo una geometria diversa da una simmetria radiale prende il nome di beamforming, e si basa sull’utilizzo di più antenne trasmittenti, in modo da realizzare un phased array[1053] [1053] http://en.wikipedia.org/wiki/Phased_array). Ad ogni antenna dell’array perviene lo stesso segnale modulato, ma con una fase tale da creare uno schema di interferenza con le altre antenne dell’array, in modo che alla distanza di ricezione, si determini la distribuzione spaziale desiderata.
Dal lato del ricevitore terrestre arriva dunque un segnale di potenza WeR, che ha subito l’attenuazione del down-link; questo è quindi riportato ad un livello di potenza appropriato, sia grazie al guadagno di antenna, che per mezzo di uno stadio di amplificazione.

20.3.5  Temperatura di antenna

Come illustrato al § 16.3↑, una antenna ricevente è schematizzabile come un generatore controllato, ed al § 7.4.2.1↑ si mostra come la sua impedenza interna sia la fonte del rumore additivo gaussiano in ingresso al ricevitore, caratterizzato da una densità di potenza disponibile Wdn(f) = (1)/(2)kTg, in cui Tg ora viene detta temperatura di antenna Ta, e assume un valore inferiore ai 290 oK, e precisamente compreso tra i 15 ed i 60 oK. La fonte diretta di rumore, in questo caso, è il rumore galattico, la cui temperatura si abbatte a 10 oK sopra i 2,5 GHz, mentre i lobi laterali del diagramma di radiazione captano il rumore legato alla temperatura terrestre[1054]  [1054] Per contro, nel caso in cui dietro al satellite verso cui è puntata l’antenna vi sia una stella luminosa, la Ta è più elevata..

20.3.6  Ricevitore a terra

La figura 20.8↓ mostra l’architettura del ricevitore satellitare per la trasmissione televisiva dvb.
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Figura 20.8 Ricevitore satellitare dvb
La parabola, puntata nella direzione del satellite desiderato, riceve il segnale in una di due bande 10.7-11.7 GHz, oppure 11.7-12.75 GHz, ed un dispositivo lnb (low noise block) provvede ad un primo stadio di amplificazione a basso rumore, e ad una prima conversione di frequenza che centra il segnale tra 0.95 e 2.05 GHz, in modo da ridurre le perdite introdotte dal cavo coassiale[1055]  [1055] Come descritto nel paragrafo che discute dell’effetto pelle (pag. 1↑), l’attenuazione in dB del cavo aumenta con l’aumentare della radice della frequenza. che collega l’antenna al ricevitore casalingo. Quindi, si ritrova uno schema simile a quello del trasponder, ovvero amplificatore-mixer-amplificatore, in cui questo secondo stadio eterodina centra il canale desiderato alla frequenza intermedia di 479.5 MHz.

20.3.7  Polarizzazione

Chi ha provato a sintonizzare un ricevitore TV satellitare, si sarà accorto che tra le varie opzioni possibili, si può indicare anche il tipo di polarizzazione, orizzontale o verticale. Questo termine si riferisce all’orientamento (rispetto all’orizzonte) del piano su cui varia il vettore di campo elettrico relativo alla trasmissione radio. Mentre per le trasmissioni terrestri, a causa delle molteplici possibili riflessioni, questo è impredicibile al ricevitore, nelle comunicazioni satellitari il tipo di polarizzazione adottata dal trasmettitore (il satellite) si mantiene fino a terra. Dato che un segnale polarizzato in un senso, risulta attenuato di decine di dB se ricevuto da una antenna predisposta per la polarizzazione nell’altro senso, nella stessa banda di frequenze possono essere effettuate due trasmissioni contemporanee.
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Trasmissione dei Segnali e Sistemi di Telecomunicazione

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