transponder satellitari

Formidabili basi d’appoggio

I transponder a bordo dei satelliti sono in continua evoluzione per far fronte alla crescita di nuovi servizi per la Tv domestica, per la Tv in mobilità e per l'accesso alla banda larga. Come sono fatti? Come funzionano? Spieghiamone nel dettaglio struttura e principali parametri funzionali

Giugno 2009. L'utilizzo di transponder posti su satelliti geostazionari, in orbita nella cosidetta fascia di Clarke a circa 36.000 Km di distanza, continua a crescere a ritmo sostenuto per la distribuzione della Tv digitale e ora si prospetta un uso intensivo anche per la Tv mobile e per la banda larga finora realizzate in Europa solo con reti terrestri.

All'inizio del 2008 i canali Tv satellitari erano 21.000 e  nel  2017 si prevede raggiungano quota 30.000, di cui la televisione in HD rappresenterà una quota del 18%.

La ricezione satellitare è cresciuta nel suo complesso dell'8% nel 2007, il più alto tasso di crescita fra le varie piattaforme Tv esistenti, registrando una crescita record dei canali a pagamento pari al 15%.
Il numero di abitazioni in Italia predisposte per la ricezione via satellite è aumentato negli ultimi due anni del 13%, per un totale di 7,1 milioni di utenze, che rappresentano oltre un terzo dei 23,1 milioni di telespettatori del Paese.

Per fare fronte a tale crescita vengono messi in orbita un sempre maggior numero di transponder, soprattutto in banda Ku, con caratteristiche sempre più performanti.

Ora si affacciano nuove generazioni di transponder per nuovi impieghi.
Anzitutto per l'accesso a banda larga via satellite, di cui si è riscontratata una crescita del 60% negli ultimi due anni e che si prevede continuerà con un ritmo medio del 26% all'anno fino al 2017.

Poi per la Tv in mobilità, per la quale il satellite può risolvere l'empasse riscontrato oggi dalla Tv mobile terrestre, grazie alla maggiore copertura offerta dal satellite che permetterà di ricevere la Tv in mobilità anche in aree oggi non servite o quando si viaggia all'estero.

Queste nuove generazioni di transponder per la banda larga e per la Tv mobile sono caratterizzate anzitutto dall'impiego di nuove bande di frequenza, Ka per la banda larga ed S per la Tv mobile, ed anche da particolari requisiti di linearità e bidirezionalità.

Sotto costante controllo
Il transponder posto in orbita a bordo del satellite è sostanzialmente un ripetitore fra una o più stazioni di terra, connesse al satellite in up-link, e una molteplicità di utenti collegati al satellite dal down-link verso terra.

Anzitutto, poiché consideriamo solo i satelliti in orbita geostazionaria, le antenne a terra sia in up-link sia in down-link presentano un puntamento fisso verso l'equatore dal momento che il satellite è posto in orbita equatoriale e rimane fisso rispetto alla superfice terrestre.

Si dovrà spostare l'orientamento dell'antenna direttiva solo se si intende cambiare il tipo di satellite e il relativo transponder di cui si vogliono utilizzare i servizi.

La stazione di terra in up-link, il cosidetto “teleporto”, è in continuo “colloquio” con il satellite per controllare ed eventualmente correggere la sua posizione, per monitorare le prestazioni del transponder ed eventualmente rimediare ai guasti negli apparati (figura 1).

Figura 1. La stazione di terra in up-link, il cosidetto teleporto, è in continuo colloquio con il satellite per controllare, correggere la sua posizione e monitorare le prestazioni del transponder.

Il numero di canali/trasponder gestiti da un satellite tipo è compreso tra 12 e 24 ma, a seconda della loro missione, i satelliti possono ospitare più di 60 ripetitori ognuno dei quali, nel caso del servizio Tv, è in grado di trasmettere fino a dieci segnali televisivi digitali.

Collocando nella stessa posizione orbitale diversi satelliti che trasmettono con frequenze complementari gli operatori sono riusciti a creare l'equivalente di un unico satellite virtuale offrendo così un maggior numero di canali e il vantaggio di una ridondanza tra diversi satelliti in caso di guasti (figura 2).

Figura 2. Collocando nella stessa posizione orbitale diversi satelliti che trasmettono con frequenze complementari gli operatori sono riusciti a creare l'equivalente di un unico satellite virtuale.

Le caratteristiche e la struttura dei transponder si differenziano per il tipo di processamento del segnale e per il tipo servizio a cui sono adibiti.

Per quanto riguarda il processamento si distinguono:
- transponder trasparenti nei quali il segnale ricevuto da terra viene solo amplificato e trasposto in frequenza: questa è la versione più tradizionale per il DTH (Direct To Home Tv);
- transponder On Board Processor, cioè con processamento del segnale a bordo, di cui la prima versione commerciale realizzata è lo Skyplex.

Per quanto riguarda il servizio si distinguono:
- transponder per il DTH TV, operanti tipicamente in banda Ku,
- transponder di contributo per collegare fra loro gli studi degli operatori, operanti anche in banda C,
- transponder per accesso DTH a banda larga, operanti in bande Ku e Ka,
- transponder per Tv mobile, operanti in banda S.

Su misura per il broadcasting Tv
Nella figura 3 è presentato lo schema a blocchi di un tipico transponder del tipo trasparente per il broadcasting DTH (Direct-To-Home Tv) che opera in banda Ku.

Figura 3. Schema a blocchi di un tipico transponder del tipo trasparente per il broadcasting DTH (Direct-To-Home) operante in banda Ku.

Il transponder trasparente è compatibile con tutte le tecnologie e può ritrasmettere indifferentemente segnali analogici o digitali di qualsiasi dimensione o tipo di compressione.
Il segnale proveniente dalla stazione di terra ad una frequenza nella banda 14.0-14.5 GHz viene filtrato da Frx e amplificato da un LNA, poi con un oscillatore locale viene down-convertito a una frequenza nella bande 10.95 - 11.2 / 11.45 - 11.7 GHz, quindi amplificato da un tubo ad onda progressiva (TOP) e dopo filtraggio Ftx viene inviato ai ricevitori terrestri.

Insieme con il segnale televisivo sono trasmessi anche segnali di servizio TT&C (Telemetro Tracking & Command), che consentono di monitorare la posizione del satellite in orbita e di intervenire sui propulsori di bordo per eventualmente correggerla.
Al circuito Power Conditioner è affidata la gestione della potenza elettrica di bordo in modo da assicurare un'alimentazione costante dei circuiti attraverso i pannelli solari e le batterie di back-up.

La larghezza di banda del transponder varia da 33 a 36 MHz e la potenza del TOP (tubo a onda progressiva) si aggira su 60 W in banda Ku.

Sul satellite vi sono più transponder ciascuno operante a frequenza diversa.
Vi è la possibilità di riutilizzare le stesse frequenze, in modo da aumentare la capacità totale del satellite senza aumentare la banda assegnatagli, usando antenne con polarizzazioni incrociate (orizzontali e verticali nel caso di polarizzazioni lineari, verso destra e sinistra nel caso di quelle circolari) e antenne con fasci (spot) diretti verso aree geografiche sufficientemente distanti fra loro.

Le antenne sono programmabili in modo da sagomare il footprint dei fasci a terra.
I canali trasmessi dal satellite attraverso un'antenna con fascio a copertura nazionale o supranazionale vengono ricevuti in parallelo dai ricevitori di utente che selezionano quelli da vedere mediante la sintonia variabile del ricevitore Tv d'utente.

Le antenne di bordo a fascio sagomato e a copertura europea (figura 5) consentono di ottenere valori di EIRP/transponder di almeno 48 dBW nel footprint centrale e con valori che si riducono mano mano che ci si allontana da tale posizione.

Figura 5. Le antenne di bordo a fascio sagomato e a copertura europea consentono di ottenere valori di EIRP/transponder  di almeno 48 dBW nel footprint centrale e con valori inferiori mano mano che ci si allontana da tale posizione.

Le antenne riceventi hanno diametri di 60-80 cm se poste sulla verticale del satellite e con diametri maggiori allontanandosi da tale posizione (figura 4).

Figura 4. Le antenne riceventi hanno diametri di 60-70 cm se poste sulla verticale del satellite e con diametri maggiori allontanandosi da tale posizione.

Condivisione della capacità
Con la trasmissione analogica della Tv attraverso il satellite (con la modulazione FM una banda video di 6 MHz ha bisogno di 24-30 MHz per essere trasmessa) un canale Tv occupava tipicamente un trasponditore standard da 36 MHz di larghezza di banda e l'accesso al satellite era obbligatoriamente del tipo SCPT (Single Channel Per Transponder).

Con l'avvento della digitalizzazione e compressione del segnale video (capace di contenere la larghezza di banda in 4-6 Mbps, equivalentente a 6-8 MHz di banda RF occupata con modulazione QPSK) ciascun transponder trasparente standard da 36 MHz di larghezza di banda totale viene condiviso tra 4-6 canali video.

L'accesso passa quindi da SCPT a MCPT (Multiple Channel Per Transponder), con la multiplazione dei canali effettuata nel dominio delle frequenze (FDM) o nel dominio del tempo (TDM=Time Domain Multiplex) fatta in una stazione centrale un teleporto a cui convergono, attraverso feeder link, tutti i programmi da trasmettere per l'affasciamento dei canali diretti al satellite.

La digitalizzazione ha anche favorito un uso misto dei singoli canali, specie se affittati da piccoli service provider non  necessariamente interessati alla fornitura di soli servizi di broadcasting Tv.

Così l'accesso al singolo canale da 4-6 Mbps può essere del tipo SCPC (Single Channel per Carrier), tipico delle trasmissioni Tv, ma anche MCPC (Multiple channels Per Carrier), in cui i vari canali possono dividersi in TDM la risorsa disponibile con banda e potenza allocata in una fettina di transponder standard.

Accesso al transponder
Il sistema TDM con modulazioni ad inviluppo costante, come QPSK e 8PSK, consente di far lavorare il TOP a bordo del satellite in prossimità della saturazione e quindi con maggiore efficienza, ma richiede che tutti i programmi da trasmettere convergano alla stessa stazione trasmittente di terra.

Il sistema FDM viceversa richiede che il TOP garantisca una certa linearità, per non creare prodotti di intermodulazione fra le diverse sottoportanti, perciò il TOP non può lavorare in saturazione ma con un certo back-off a seconda del numero di sottoportanti.

La perdita di potenza del transponder è di circa 2.5 dB con due sottoportanti e di circa 6dB con quattro sottoportanti, il che richiede di aumentare il diametro dell'antenna ricevente a terra del 50% e 100% nei due casi rispettivamente per non peggiorare il rapporto segnale/disturbo del segnale.
La multiplazione TDM consente di minimizzare il diametro dell'antenna ricevente dell'utente perciò viene preferita nei sistemi broadcasting Tv.

Skyplex, processo a bordo
La proliferazione dei piccoli service provider commerciali nell'ultimo decennio ha comportato una richiesta crescente di svincolarsi, per i feederlink, dal dover transitare per una stazione centrale e di permettere invece a ciascun provider di accedere direttamente al satellite (figura 6).

Figura 6. La piattaforma Skyplex permette ai piccoli service provider commerciali di accedere direttamente al satellite senza dover transitare per una stazione centrale.

Ma ciò è necessariamente legato alla realizzazione di transponder non più in modo trasparente ma con processamento a bordo, come con la piattaforma Skyplex che ha visto la prima implentazione commerciale a bordo dei satelliti Eutelsat Hotbird-4 e 5 e successivamente nei satelliti Hot Bird 6 e W3A.

Il sistema Skyplex prevede di ricevere in up-link nello stesso transponder contributi diversi con velocità compresa fra 6 Mbs trasmessi con modalità SCPC o in 6 “fettine” di 350 Kbs trasmesse in TDMA in un canale di 2 Mbs (figura 7).

Figura 7. Il sistema Skyplex prevede di ricevere in up-link nello stesso transponder contributi diversi con velocità compresa fra 6 Mbs trasmessi con modalità SCPC o in 6 “fettine” di 350 Kbs trasmesse in TDMA in un canale di 2 Mbs.

Ciascun contributo viene demodulato e rigenerato in modo che il trasmettitore di terra risulta molto semplificato: antenna diametro 1.8 m con TOP da 50W e EIRP 55 dBW (figura 8).

Figura 8. La stazione in up-link di terra del sistema Skyplex risulta molto semplificata: antenna diametro 1.8 m (a destra) a confronto con la normale parabola ricevente DTH da 60 cm
(a sinistra).

I segnali video demodulati e rigenerati vengono multiplati in un TDM con capacità totale di 38 Mbs, modulata successivamente con DVB QPSK in modo da occupare tutta la banda passante di 33 MHz del transponder e inviata al TOP che lavora in saturazione (figura 9).

Figura 9. Nel sistema Skyplex i segnali video demodulati e rigenerati vengono multiplati in TDM con capacità totale di 38 Mbs (figura a sinistra), modulata successivamente con DVB QPSK in modo da occupare tutta la banda passante di 33 MHz (figura a destra).

Il segnale downlink risultante è identico per livello di potenza e struttura e a quello degli altri Hot Bird e può essere ricevuto da un normale decoder Mpeg-2/DVB, consentendo di massimizzare l'EIRP e quindi ridurre il diametro dell'antenna ricevente al normale valore di 60 cm.

Con il sistema Skyplex ogni operatore può affittare la capacità effettivamente necessaria e può decidere se criptare o no il segnale, a seconda del target di utenza.