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Sistemas de Comunicaes
COMUNICAES VIASATLITE
Fernando Pereir a Paula Queluz
I nsti tuto Superior Tcnico
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Sistemas de Comunicaes
Estrutura de um Sistema de ComunicaoVia Satlite
Rede Terrestre Rede Terrestre
Interface Terrestre
Interface de Utente Utente
Estaode Terra Estao
de Terra
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Sistemas de Comunicaes
Comunicaes Via Satlite: Servios
Telecomunicaes Comunicaes pessoais
Difuso
Posicionamento (GPS -Global Positioning System) Deteco remota
Estudo da Terra
Meteorologia
Apoio agricultura
Espionagem
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Sistemas de Comunicaes
Servios Mveis, Fixos e de Difuso
Servios fixos por satlite (Fixed Satell ite
Services, FSS), p.e. INTELSAT, EUTELSAT
Servios mveis por satlite (Mobi le
Satell ite Servic es, MSS), p.e. INMARSAT
Servios de difuso por satlite
(Bro adcast Satel l i te Services, BSS), p.e.
EUTELSAT, ASTRA
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Sistemas de Comunicaes
Competindo com a Fibra ptica
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Sistemas de Comunicaes
Comunicaes Via Satlite
Vantagens Ligaes a grande distncia utilizando um nico repetidor (o satlite).
Vastido da zona de cobertura (continente, pas, ou regio de um pas).
Ausncia de condutas, postes ou outros requisitos logsticos.
Cobertura de zonas de difcil acesso, onde instalaes fixas soimpraticveis ou onde as infra-estruturas de telecomunicaes soinexistentes.
Comunicaes mveis sem fios, independentemente da localizao(areas, martimas ou pessoais); servios nicos de apoio navegao e aeronutica.
Baixo custo por receptor adicionado.
Desvantagens Grande atraso introduzido (~ 300 ms por salto, para os satlites GEO)
Custo do satlite e do seu lanamento.
Difcil manuteno.
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Sistemas de Comunicaes
Breve Resenha Histrica (1)
1945Arthur C. Clarke sugere, num artigo publicado na revista WirelessWorld, a possibilidade de comunicaes globais atravs do uso de 3 satlites
em rbita geoestacionria;
1954A Lua utilizada como repetidor passivo, mantendo-se um servioregular para transmisso de voz entre o Haway e Maryland, no perodo 1956-
1962; 1957 lanado o Sputnik I, o primeiro satlite Russo, com rbita a 950 km
de altura. Manteve-se operacional durante 62 dias. EUA aceleram programaespacial;
1958 lanado o Explorer I, o primeiro satlite americano. Manteve-seoperacional durante 5 meses;
1964Estabelece-se a I nternational Telecommunications Satell ite(INTELSAT), organizao internacional na qual Portugal esteve representadoatravs da Marconi.
1965 lanado o primeiro satlite da INTELSAT, conhecido como EarlyBird ou Intelsat I;
(...)
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Breve Resenha Histrica (2)
A concorrncia Rssia-EUA levou intensificao das investigaes e aolanamento de novos satlites. Em1975, existem vrias redes de satlitespara comunicaes comerciais:
INTELSAT, MARISAT,INMARSAT, ....
(...)
1998Aparecem as primeiras redesde satlite com cobertura global:
IRIDIUM (66 satlites) eGLOBALSTAR (48 satlites).
Torna-se possvel a comunicaoentre quaisquer dois pontos da
Terra, utilizando terminais
portteis.
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Projecto de um Satlite
O lanamento de um satlite em rbita geoestacionria implica que este deva seracelerado at uma velocidade de 3070 m/s numa rbita equatorial a 42242 km docentro da Terra.
Existem essencialmente 2 tecnologias para lanar um satlite:
Foguetes, tipo Ariane (Europa)
Veculos tripulados, tipo Space Shuttle (EUA) O custo e as limitaes do lanamento levam a que este seja normalmente feito usando
2 passos. A latitude do local de lanamento determina a inclinao da rbita detransferncia e logo o gasto de energia na correco da inclinao.
O peso do satlite determina fortemente o seu tempo de vida e a sua capacidade detransmisso. A forma do satlite fortemente determinada pelo esquema de correcoda rbita e pela rea mnima de painis solares.
O Space Shuttletem as vantagens e desvantagens de um veculo tripulado: intervenono espao, limitaes fsicas no lanamento, veculo recupervel, maior capacidade detransporte.
A durao dos eclipses do satlite pode atingir 70 minutos por dia o que pe problemas
potncia de emisso no satlite.
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Evoluo das Comunicaes Via Satlite
Peso,
Tamanho
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Evoluo dos Satlites INTELSAT
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Evoluo dos Satlites INTELSAT (cont.)
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Arquitectura dum satlite de comunicaes
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Arquitectura (cont.)
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Exemplo: Intelsat VI
Telecommunications satellites have simplified the placement of transoceanic calls, and that simplicity has resulted in such an increase in overseas calls that the size and
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Exemplo: Kizuna
Satlite de comunicaes Japons, lanado em 2008
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Bandas de Frequncia Utilizadas
As bandas de frequncia a utilizar nas comunicaes por satlite sodefinidas pela ITU-R e atribudas aos vrios servios pela WARC(World Administrative Radio Conference), um sub-grupo da ITU-R.
As bandas de frequncia do espectro radioeltrico mais favorveis
para as comunicaes via satlite, situam-se entre 1 GHz e 10 GHz, jque: a absoro pelos gases da atmosfera, ou pela chuva, tem pouca
importncia nesta faixa de frequncias;
o rudo, quer galctico quer produzido pelo Homem, mais intenso para
frequncias mais elevadas; bom desenvolvimento tecnolgico para estas frequncias (tecnologia
madura);
atenuao em espao livre inferior verificada para frequncias maiselevadas.
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Sistemas de Comunicaes
O elevado nmero de serviosterrestres na faixa 1-10 GHz e aocupao desta faixa por vriosservios de satlite, conduziu utilizao de bandas defrequncias superiores aos 10GHz, existindo actualmenteservios comerciais nas bandas
Ku e Ka. De notar que, devido s
limitaes de potncia nosatlite, o percurso descendente mais crtico que o ascendente,
justificando que lhe sejamusualmente atribudas bandasde frequncias mais baixas queas utilizadas para o percursoascendente.
Nome da Banda Gama de Frequncia
HF-band 1.8-30 MHz
VHF-band 50-146 MHz
P-band 0.230-1.000 GHz
UHF-band 0.430-1.300 GHz
L-band 1.530-2.700 GHz
S-band 2.700-3.500 GHz
C-band Downlink: 3.700-4.200 GHz
Uplink: 5.925-6.425 GHz
X-band Downlink: 7.250-7.745 GHz
Uplink: 7.900-8.395 GHz
Ku-band (Europe) Downlink: FSS: 10.700-11.700 GHz
DBS: 11.700-12.50 0 GHz
Uplink: FSS: 14.000-14.800 GHz;
DBS: 17.300-18.100 GHz
Ku-band (America) Downlink: FSS: 11.700-12.200 GHz
DBS: 12.200-12.700 GHz
Uplink: FSS: 14.000-14.500 GHz
DBS: 17.300-17.800 GHz
Ka-band Roughly 18-31 GHz
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rbitas Tpicas para Satlites deComunicao
rbitas circulares: GEOgeostationary Earth orbit
( 36 000 km de altitude)
MEOmedium Earth orbit( 5 000a 15 000 km de altitude)
LEOlow Earth orbit(700 a 900km de altitude)
rbitas elpticas: HEOhigh elliptical orbit
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Cinturas de Van Allen
Existem duas zonas de elevada radiaocinturas de Van Allendistncia da Terra de 1500-5000 km e 15000-20000 km. A radiaoexistente nestas zonas deteriora fortemente o equipamento dossatlites, impossibilitando a utilizao de satlites em rbita nessaszonas.
Abaixo dos 200 km no tecnicamente possvel a manuteno de umsatlite, devido ao seu baixo tempo de vida por deteriorao e
aquecimento.
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Caractersticas das rbitas GEO, LEO eHEO
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A rbita (verso simplificada para rbitas circulares)
Considerando que esto em presena a Terra e o satlite, deve ter-se emconta
FORA DE ATRACO entre 2 corpos (Lei de Newton)
fa = k M m / r2
onde k a constante de gravitao, Ma massa da Terra, ma massa dosatlite e ra distncia entre os 2 centros de massa (raio da rbita)
FORA CENTRFUGA provocada pelo movimento de translaco
fc = m 2 r
onde a velocidade angular da rbita (rad. s-1)
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A rbita (verso simplificada para rbitas circulares)
Para que a rbita seja estvel, necessrio que as 2 foras em presena seequilibrem ou seja
fa = fc
o que implica que
r3 = k M / 2
ou
r3
(km) = 5075, 6277 T2
(hora) r (km) = 5075, 6277 T 2/3 (hora)
que corresponde ao enunciado da 3 Lei de Kepler: o cubo do raio darbita proporcional ao quadrado do respectivo perodo.
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Satlite Geosncrono
Um satlite diz-se geosncrono quando tem um perodo orbital igual aoperodo de rotao da Terra ou seja T = 23 h 56 min 4.1 s.
O perodo de rotao da Terra vale
T = (360o + ) / 24 com = 360o /365.25 => T = 360o / T 23.9345 h
Como r (km) = 5075, 6277 T 2/3 (hora) ento:
T= 12 h r = 26604 km Alt. = 22231 km
T= 23.9345 h r = 42154 km Alt. = 35781 km
T= 24 h r = 42231 km Alt. = 35858 km
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Satlite Geoestacionrio
No contexto das rbitas possveis, tem especial interesse para asTelecomunicaes a rbita geoestacionria que geosncrona ou seja tem uma durao igual ao perodo de rotao da
Terra
equatorial ou seja situa-se no plano do Equador
Os satlites com rbita geoestacionria tm a propriedade de,observados a partir da Terra, parecerem imveis no espao.
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ngulo de fogo da antena de Terra
O ngulo de fogo com que a estao de Terra olha o satlite deve sersuperior a 0o (Intelsat especifca
> 5o) para que:
A Terra no obstrua a viso do satlite
O percurso na atmosfera seja minimizado
A contribuio da presena da Terra no rudo do receptor na estao de Terra
seja limitada
)sin(
/)cos(arctan
l
rrl T
: ngulo de fogol : latitude da estaorT: raio da Terrar: raio da rbita
o
ol
7.8
3.810
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Cobertura da Terra por Satlite
Um satlite em rbita geoestacionria pode comunicar com estaes deTerra situadas numa zona correspondente interseco de um cone comvrtice no satlite e semiabertura de = 8.7o e a prpria Terra.
Zona coberta na Terra entre 81.3oN e 81.3o S.
Se se excluirem as zonas polares, possvel com 3 satlites em rbitas
geoestacionrias cobrir praticamente toda a superfcie da Terra.
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Cobertura da Terra por Satlite: INMARSAT
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Rede Intelsat
10-02 @ 3590 E
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Sistemas de Comunicaes
10-02 @ 3590 E
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Ku-band Spot 1
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Especificaes (Intelsat)
EIRP do satlite
Factor de Mrito da estao de Terra
Densidade de potncia a colocar no satlite
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Parmetros Relevantes
SatlitePotncia Isotrpica Equivalente Radiada ou Equivalent I sotropicRadiate Power(EIRP)
EIRP = Ps + Gs [dBm, dBW]
equivale potncia radiada por uma antena isotrpica
Estao de TerraDensidade de potncia a colocar no satlite
= PT + GT10 log10 (4 d2) [dBW/m2]
Estao de Terra - Factor de Mrito (G/T)
(G/T) = 10 log10 (gT/Teq) [dB/K]
onde Teq a temperatura equivalente de rudo da estao de Terra e gT oganho da antena da estao de Terra.
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Temperatura equivalente de rudo
Considere-se o quadripolo
onde gganho de potncia
BWlargura de banda equivalente de rudo
Ffactor de rudo
Titemperatura da fonte de rudo (trmico) na entrada
Tem-se so=g si
ni = k TiBW (k=1.3810-23J/K constante de Bol tzman)
no=g ni+nint onde nint o rudo gerado pelo quadripolo
F = (s/n)i/ (s/n)o = 1+ nint/(gni) = 1+ nint/(gk TiBW)=1+Te/Ti
F=1+ Te/Ti, onde Te a temperatura equivalente de rudo do quadripolo
e Te= nint/(gkBW)
Ti g , Bw, F
so ,nosi ,ni
Dimenso: Kelvin
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Temperatura equivalente de rudo (cont.)
F=1+ Te/Ti : factor de rudo; Fo=1+ Te/To : factor de rudo padro
Como no=g ni+nint no=g k Ti BW + g k TeBW = g k BW (Ti +Te)
Ti g , Bw, F g , Bw
ideal
Ti
TeAssociao em cadeia de quadripolos
Ti g1, F1 g2, F2 g3, F3g1 g2 g3
Ti
Tcadeia=
ideais
21
3
1
21
gg
T
g
TT eee
Temperatura padro (290 K)
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Temperatura Equivalente de Rudo daEstao de Terra
Para avaliar o desempenho da ligao no percurso descendente, necessriocalcular o rudo trmico total introduzido pela cadeia de elementos activos e/oupassivos da estao receptora, bem como o rudo trmico captado pela antena.Para isso, define-se a Temperatura equivalente de rudo da estao, Teq
Tatemperatura de rudo captada pela antena
Ffactor de rudo da cadeia de quadripolos que constituem a estao
Tertemperatura equivalente de rudo da cadeia de quadripolos, referida aos terminais de
entrada da cadeia
Bwlargura de banda equivalente de rudo da cadeia
(s/n)i, (s/n)orelao sinal-rudo entrada e sada da cadeia
gTganho da antena da estao de Terra
gcganho da cadeia
Teq= (Ta+ Ter)
temperatura equivalente de rudo da estao de Terra
Guia Receptor
TaF, T
er, B
w, gc
gT Pr -amplificador
(G/T) = 10 log10 (gT/Teq) (dB/K)
Factor de mrito
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Temperatura Equivalente de Rudo daEstao de Terra (cont.)
Como atrs se deduziu:
no = gc k Teq Bw
Nota: k=1.3810-23J/Kconstante de Boltzman
A temperatura equivalente de rudo da estao Teq=Ta+Tere o rudo narecepo, referido aos terminais de entrada, pode ser calculado por:
n = k Teq Bw
O parmetro (G/T) = 10 log10 (gT /Teq) (dB/K)
permite caracterizar o desempenho da estao de Terra, sendo designadopor Factor deMritoda estao.
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O Percurso Ascendente - Uplink
O percurso ascendente o percurso entre a estao de Terra emissora e o satlite,receptor. Este percurso menos crtico que o percurso descendente e por isso
funciona normalmente a uma frequncia mais elevada, p.e. 6/4 GHz ou 14/11 GHz.
A densidade de potncia colocada no satlite pela estao de Terra
= PT + GT10 log10 (4 d2) [dBW/m2]
Do ponto de vista do rudo, o satlite comporta-se como um simples amplificadorcom um certo ganho e factor de rudo.
Para cada satlite e gama de frequncia, a INTELSAT especifica a densidade depotncia a colocar no satlite.
ascendente descendente
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Especificaes (Intelsat)
EIRP do satlite
Factor de Mrito da estao de Terra
Densidade de potncia a colocar no satlite
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O Percurso Descendente - Downlink
O percurso descendente o percurso entre o satlite emissor ea estao de Terra, receptora. Este percurso o mais crticodevido s limitaes de potncia no satlite.
A relao sinal-rudo na estao de Terra (considerando apenas o percursodescendente) vem:
C/N=PS + GS + GTLfs - 10 log10 (KTeqBw)=EIRP + G/T - Lfs - 10 log10 (KBw) A atenuao do percurso normalmente calculada para a situao mais
desfavorvel ou seja para os ngulos de fogo mais baixos. A INTELSATespecifica um ngulo de fogo mnimo de 5o para o qual se tem d=41118 km.
Sendo EIRP e G/T especificados pela INTELSAT para cada gama de frequncia,
C/N fica essencialmente dependente da largura de banda. Nas comunicaes via satlite, o desvanecimento deixa de ser importante devido
ao ngulo com que se atravessa a atmosfera mas a atenuao da chuva continuaa ser relevante.
Para ligaes via satlite digitais, a qualidade de referncia normalmente uma
taxa de erros de 10-6.
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Sistemas de Comunicaes
Relao C/N Global do Sistema
A relao sinal-rudo do sistema global, (c/n)T, e que determina a taxa de errosbinrios (BER) na estao de Terra, pode-se relacionar com as relaes sinal-rudopara cada um dos percursos considerados de forma independente:
(c/n)arelao sinal-rudo no percurso ascendente;
(c/n)drelao sinal-rudo no percurso descendente, calculada como atrsexposto, i.e., de forma independente do percurso ascendente;
(c/n)Trelao sinal-rudo global na estao de Terra, i.e., considerando o
efeito combinado dos dois percursos.
Uma vez que a relao sinal-rudo do sistema resulta do paralelo das relaessinal-rudo em cada um dos percursos, o desempenho global do sistema normalmente condicionado pelo percurso com a relao sinal-rudo mais baixa.
1
11 )()()(
daT
n
c
n
c
n
c
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Sistemas de Comunicaes
Porqu o paralelo das relaes c/n ?
na potncia do rudo introduzido nopercurso ascendente
pra potncia do sinal recebido nopercurso ascendente
nd potncia do rudo introduzido no
percurso descendente prdpotncia do sinal recebido no
percurso descendente
nTpotncia do rudo total na estao deTerra
g ganho do amplificador do satlite
gSganho da antena emissora do satlite
gTganho da antena receptora da estaode Terra
lfsa atenuao em espao livre nopercurso descendente
g
R
pra ; na
gS
gT
lfs
prd ; nT
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Sistemas de Comunicaes
a
raa
n
p
n
c)(
fs
TS
ra
fs
TSrard
l
ggL
gLpl
gggpp
com
d
ra
d
rdd
ngLp
np
nc )(
1
11 )()(
//
1
)/()(
1
)(
da
radraa
rada
da
ra
T
rdT
n
c
n
c
gLpnpn
gLpngLn
ngLn
gLp
n
p
n
c
Relao sinal-rudo no percurso ascendente:
Potncia de sinal recebido no percurso descendente:
Relao sinal-rudo no percurso descendente:
Relao sinal-rudo do sistema global:
g
R
pra
; na
gS
gT
lfs
p rd ; nT
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Sistemas de Comunicaes
Nveis dePotncia de
SinalL ink Power Budget
Exemplo para umsatlite INTELSAT
Sada da Terra
Chegada
ao satlite
Sada do
satlite
Chegada Terra
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Sistemas de Comunicaes
O Sistema de Comunicaes
O sistema de comunicaes acomponente principal de umsatlite de comunicaes aindaque possa no constituir a parcelamaior em termos de peso e
volume. O sistema de comunicaes
basicamente constitudo por umaou mais antenas e um conjunto dereceptores e emissores que
recebem, amplificam eretransmitem os sinais.
As unidades bsicas de recepo-emisso so conhecidas comotranspositores (transponders). INTELSAT V
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Sistemas de Comunicaes
O Acesso Mltiplo
O acesso mltiplo corresponde possibilidade de um elevado nmero deestaes de Terra comunicarem simultaneamente atravs do mesmo satlite.
O acesso mltiplo influencia todos os blocos do sistema, determina a suacapacidade e flexibilidade e fundamental para o seu custo e rentabilidade.
O problema bsico em questo como permitir a um grupo varivel notempo de estaes o uso simultneo dos recursos do satlite de modo aoptimizar:
Capacidade do satlite
Utilizao do espectro
Potncia do satlite Interconectividade
Flexibilidade
Adaptabilidade a misturas de trfego
Custo
Aceitao do utente
Como a optimizao
simultnea de todas
estas variveis
impossvel, trata-se de
encontrar o
compromisso possvel
entre elas !
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Sistemas de Comunicaes
Tcnicas de Acesso Mltiplo
O acesso mltiplo corresponde possibilidade de um elevado nmero deestaes de Terra comunicarem simultaneamente atravs do mesmo satlite.
Existem 3 tcnicas principais de acesso mltiplo:
Acesso mltiplo por diviso na frequncia (Frequency Division Multiple Access,FDMA)todas as estaes usam o satlite ao mesmo tempo mas cada uma usauma gama de frequncia diferente (comum em transmisso analgica).
Acesso mltiplo por diviso no tempo (Time Division Multiple Access, TDMA)as estaes transmitem vez (numa dada gama de frequncia) usando osslots no tempo que lhe foram atribudos (comum em transmisso digital).
Acesso mltiplo por diviso no cdigo (Code Division Multiple Access, CDMA)vrias estaes transmitem simultaneamente na mesma frequncia sinaisespalhados no espectro, codificados ortogonalmente; a recuperao de um
sinal implica o conhecimento do cdigo usado para espalhar o sinal no
espectro.
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FDMA
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TDMA
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Sistemas de Comunicaes
CDMA
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Sistemas de Comunicaes
CDMA (cont.)
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Notas finais
Os satlites tm vindo a assumir um papel cada vez mais variado emtermos de servios prestados, p.e. comunicaes fixas, mveis e dedifuso. Este papel tem variado ao longo do tempo e depender sempredas alternativas terrestres, guiadas ou no guiadas, que existirem em
cada momento (e das suas caractersticas). Os satlites permitem facilmente coberturas vastas e em zonas de
difcil acesso mas tm a desvantagem do atraso devido s grandesdistncias percorridas.
A tecnologia para lanamento de satlites cara e complexa masexistem cada vez mais pases capazes de o fazer.
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E no futuro ...
http://telecom.esa.int/telecom/www/object/index.cfm?fobjectid=29325
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Bibliografia
Principles of Communications Satellites, Gary D. Gordon,
Walter L. Morgan, John Wiley & Sons, 1993