Bilde av en satellitt Satellitter.no
Simplicatus

Satellittkommunikasjon

Introduksjon
Hvordan fungerer egentlig et satellittsystem? Og hva vil påvirke de elektromagnetiske bølgene vi bruker for å overføre informasjon på deres reise gjennom rommet?

Klikk her for å se en elektromagnetiske bølge som brer seg utover (Krever Java).

Prinsippet for kommunikasjonsdelen av et satellittsystem er veldig enkelt. Vi starter med informasjon vi ønsker å overføre. Denne informasjonen blir sendt opp til satellitten via en bakkestasjon. Denne delen av systemet kalles opplink. Oppe i satellitten befinner det seg flere transpondere. En transponder er en utrustning i en satellitt som tar imot et signal på en viss frekvens sendt fra en bakkestasjon, forsterker det, konverterer frekvensen og sender det ut igjen. De signalene som sendes opp til satellitten, innenfor det båndet den dekker, vil ha samme format når de sendes tilbake med unntak av signaleffekt og frekvensforskyvning, satellitten kalles derfor transparent. Signalet kan sendes tilbake til en eller flere mottakere. Denne delen av systemet kalles nedlinken.

Se animasjon av en TV-overføring
Oversikt over et satellittkommunikasjons-system
Oversikt over et satellittkommunikasjons-system. (Illustrasjon: Odd Gutteberg)

Grunnen til at det frem til i dag ikke vært vanlig å utføre mer signalbehandling i satellitten, er at dette vil kreve mye mer effekt samt at bruksområdene ville bli begrenset. Satellitten ville og blitt ubrukelig dersom alt ikke fungerte som det skulle. Kostnadene til en eventuell reparasjon i rommet ville vært skyhøye. Kombinasjonen av høy teknologiutvikling, det økende behovet for å kunne overføre stadig mer informasjon og trengselen i både baner og frekvensbåndfremtiden, viser at vi vil få betydelige gevinster ved å innføre mer avansert signalbehandling i satellittene. Dette vil bli fremtiden.

Dersom satellittnyttelasten kan utføre demodulasjon og regenerering av bærebølgene gir dette bedre transmisjonskvalitet. En transponder med regenerering kan også endre aksessteknikk mellom opplink og nedlink og dermed bedre utnytte frekvensbåndet og satellitteffekten.

Tilbake til toppen


Steg for steg

La oss ta for oss et enkelt system bestående av en bakkestasjon, en satellitt med en enkel transponder og en mottaker. Signalet vil da gå gjennom følgende steg før det når målet sitt.

Satellittsystemet steg for steg
Satellittsystemet steg for steg

Overføringen av informasjonen starter i bakkestasjonen. Vi har da et informasjonssignal som vi ønsker å formidle. Mye av informasjonen som skal overføres foreligger på digital form, for eksempel internett og for andre overføringer av tekst og datafiler. I andre tilfeller eksisterer den på analog form som for eksempel signalet fra en mikrofon. Da må signalet overføres fra analog til digital form ved hjelp av en A/D konverter. I dette steget kan også avansert signalbehandling redusere datamengden som må overføres.

Visste du at..?
Med vanlig fasttelefon overføres informasjonssignalet med en hastighet på 64 kbit/s. Mobilsystemet GSM reduserer datahastigheten til 13 kbit/s, mens de nyeste systemene kan gi god talekvalitet ved en datahastighet på 2,4 kbit/s.

Deretter kan det nå digitale signalet tilføres ekstra bit i form av feilkorrigerende koder. Denne kodingen gir økt sannsynlighet for at den endelige mottakeren trekker ut riktig informasjon av det signalet han mottar.

Neste steg av overføringen er modulatoren. Modulasjon er en måte å overføre informasjonen til en høyfrekvent bærebølge før transmisjon og er viktig for å optimalisere systemet. En av grunnene til modulasjon er at signalet som sendes til satellitten må ligge innenfor frekvensområdet/ båndbredden som satellitten kan motta. En bærebølge kan moduleres på tre måter, forandring av amplituden, frekvensen eller forandring av fasen.

Ved AM modulasjon holdes frekvensen til bærebølgen konstant. Modulasjonen skjer ved at bærebølgen sin amplitude blir påvirket av informasjonssignalet.

Ved frekvensmodulasjon holdes amplituden konstant, men frekvensen påvirkes av modulasjonen.

I stedet for å variere frekvensen eller amplituden til bærebølgen, kan vi å formidle informasjon og variere fasen til bærebølgen. Amplituden holdes konstant, mens fasen skifter.

Deretter forsterkes og sendes signalet til satellitten. Det mottatte signalet blir her forskjøvet i frekvens og forsterket på nytt. Frekvensforskyvningen har to formål. For det første brukes det forskjellige frekvensbånd i opplinken og nedlinken slik at signalet fra satellittens sender ikke går rett inn i satellittens mottaker og ødelegger denne. Dessuten hindres ustabilitet og oscillasjoner i satellitten.

Strømforsyningen til satellittene kommer fra batteriene og solcellepaneler, og denne ressursen er mer begrenset enn strømforsyningen til jordstasjonen. Det er derfor vanlig å forskyve frekvensen nedover i satellitten da dempning i atmosfæren, spesielt regndempning, er lavere ved lavere frekvenser.
Kommuninkasjon med satellitt
Kommuninkasjon med satellitt (Foto: NASA)

Forsterkeren øker effekten til signalet og overfører det til sendeantennen til satellitten. Denne antennen dekker et forhåndsbestemt geografisk område.

Hos den endelige mottakeren vil signalet igjen forsterkes, den feilkorrigerende koden fjernes og signalet demoduleres. Demodulasjon er den motsatte prosessen av modulasjon og gjenskaper informasjonen fra det transmitterte signalet. Helt til slutt må vi eventuelt konvertere signalet fra digital til analog form via en D/A konverter, slik at mottakeren kan lese den informasjonen vi startet med.

Visste du at..?
Dagens satellitter kan ha et stort antall transpondere, typisk 30 til 40 hvorav hver transponder har kapasitet til å håndtere opptil 155 millioner informasjonsbit/sek. De ulike transponderne kan ha både forskjellige frekvensområder og dekningsområder.

Tilbake til toppen


Aksessteknikker

Stadig voksende trafikk gir krav til stadig økning av systemkapasiteten. Denne økningen kan enten realiseres ved at vi øker den eksisterende båndbredden, eller ved at det tildeles nye frekvenser til de tjenestene det gjelder. Frekvensspekteret er en begrenset ressurs, noe som krever en effektiv utnyttelse av en satellittransponders effekt og båndbredde. I Norge er Post- og Teletilsynet som har ansvaret for tildeling av frekvenser.

I en satellittransponder deler mange brukere den samme overføringskanalen ved at deres respektive signaler summeres til et signal før det sendes ut til stasjonene. Fra dette signalet må brukerne igjen kunne trekke ut sin informasjonsstrøm. Det er ønskelig at kvaliteten til det ene signalet ikke reduseres betraktelig av de resterende signalene og støy. Det er flere teknikker for å gjøre dette. Vi skal her ta for oss de tre klassiske metodene nemlig FDMA, TDMA og CDMA.

Prinsippet bak deling av en satellittransponder.
Prinsippet bak deling av en satellittransponder.

Frekvensdelt multippel aksess
Dette er den tradisjonelle måten å dele opp radioressurser på, ved at hver kommunikasjonskanal tildeles et eget, spesifikt frekvensområde. Prinsippet bak frekvensdelt multippel aksess (FDMA) er det samme som i vanlig FM-radio, nemlig at de forskjellige bærebølgene legges ved siden av hverandre i frekvens. Den totale effekten i satellittransponderen må deles mellom bærebølgene og hver bruker får tildelt et frekvensbånd og en tillatt effekt.

Tidsdelt multippel aksess
I tidsdelt multippel aksess (TDMA) vil brukerne sende informasjon innefor det samme frekvensområdet, ved at de sender i med full effekt i ulike tidsperioder. Lengden på tidslukene er avhengig av systemtype og anvendelse, typisk lengde er et par millisekunder. Det må legges inn noen tidsluker for å hindre at signaler kolliderer og forstyrrer hverandre, men typiske virkningsgrader til TDMA vil likevel ligge i området 90 % til 95 %.

Kodedelt multippel aksess
I kodedelt multippel aksess (CDMA) deles ikke kommunikasjonskanalen opp i tid som i TDMA eller frekvens som i FDMA. Dataen kodes i stedet med forhåndsbestemte koder som gjør at vi kan skille signaler som sendt på samme tidspunkt og innenfor samme frekvensområde. Dette gjør koordinering av tildeling av frekvens eller tidsluke unødvendig, men vi må passe på at totaleffekten til de sendte signalene ikke overstiger totaleffekten til transponderen.

Prinsippet for de ulike aksessteknikkene.
Prinsippet for de ulike aksessteknikkene. (Illustrasjon: Odd Gutteberg)

Tilbake til toppen


Signalsvekking og støy

Signalene til og fra satellitten beveger seg over enorme avstander og vil bli dempet på veien. Ved fri sikt er dempningen kun bestemt av frekvens og avstand.

Dempningen ved fri sikt er gitt av

hvor λ = bølgelengden gitt i meter og d er avstanden gitt i meter.

Signalene til og fra satellittene vil gå gjennom atmosfæren, og blir dermed dempet av regn, tåke og gasser i atmosfæren, særlig H2O og O2. Grafen nedenfor viser de store variasjonene i dempning pga disse gassene som funksjon av frekvens i klart vær.

Dempningen gjennom atmosfæren pga vanndamp og oksygen for ulike frekvenser.
Dempning gjennom atmosfæren pga vanndamp og oksygen for ulike frekvenser. (Illustrasjon: Odd Gutteberg)
Visste du at..?
Kraftig regnvær kan blokkere for signalet på vei opp eller ned fra satellitten og dermed ødelegge overføringen delvis eller helt.

Ved siden av det ønskede signalet, mottas også støy av forskjellig slag som vil kunne redusere overføringskapasiteten og transmisjonskvaliteten i et radiosystem. Støy kan skyldes naturlige årsaker eller den kan være menneskeskapt. Vi har allerede tatt for oss hvordan signalet blir svekket på sin lange ferd opp og ned til satellitten, men det finnes mange flere støykilder. For å nevne noen har vi termisk støy, støy i de ulike stegene av signalbehandlingen og spesifikk radiostøy. Med dette mener vi fra blant annet atmosfæriske utladninger som lyn, stråling fra annet elektrisk utstyr og andre radiokilder.

Termisk støy oppstår fordi elektriske ladninger beveger seg og kolliderer med naboelektroner. Alle komponentene i et satellittsystem vil følgelig generere termisk støy. Antenner generer også støy avhengig av den fysiske temperaturen på stedet antennen er rettet mot. En antenne på jorden som er brukt til å sende informasjon opp til en satellitt i verdensrommet, vil "se" en veldig lav temperatur og dermed generere lite støy. Antennen på satellitten ned mot jorden igjen vil derimot "se" temperaturen på jorden og derfor generere mer støy.

Interferens
Interferens går i korte trekk på at vi kan motta uønskede signaler fra andre kilder. Disse signalene kan ødelegge det vi i utgangspunktet ønsket å motta. Interferens kan for eksempel gi pipetone i en høyttaler dersom to nærliggende sendere sender på lik frekvens samtidig.

Her kan du se hva interferens er (Krever Java).

Interferens mellom satellitter.
Interferens mellom satellitter. (Illustrasjon: Odd Gutteberg)

Signal-støy-forholdet og støytall
Signal-støy-forholdet, SNR, defineres som forholdet mellom signaleffekt og støyeffekt ved et målepunkt og er en viktig parameter for å bedømme overføringskvaliteten. Jo høyere SNR dess bedre. Akseptabelt SNR-nivå bestemmes av hva systemet brukes til.

Støytallet, NF, forteller hvor mye støy som produseres i en enhet. Dette gjøres ved å sammenligne SNR på inngangen med SNR på utgangen, og beskriver kvaliteten på enheten.

Signal-støy-forholdet er gitt ved

hvor PS og PN er effekten til signalet og støyen og US og UN er effektivverdien til støyspenningen.

Støytallet er gitt ved
En støyfri enhet vil ha støytall lik en.

Tilbake til toppen

Logofoto: NASA/JPL-Caltech.