Spectral analysis of tropospheric turbulence

In order to guarantee broadband, high-quality and reliable services, more and more bandwidth is required also in satellite communications. The increasing demand of bandwidth is strictly connected with the use of higher carrier frequencies than the Ku-band (12–18 GHz), now largely used for satellite links, as for instance the Ka-band (20–30 GHz), the Q-band (33–50 GHz) and even the V-band (40-75 GHz) thanks to their available bandwidth. However, the radio electromagnetic waves, used by satellites to communicate with Earth, mainly suffer the atmospheric effects at high frequencies. The main phenomena, which cause signal degradation, are absorption due to gases (oxygen and water vapour), attenuation due to clouds and fog, attenuation due to precipitation and scintillation. In particular, in clear sky conditions, an important role in the signal degradation is played by the scintillation, rapid variations of signals in amplitude and phase due to the tropospheric turbulences. Hence, an accurate characterization of the propagation channel and of the scintillation phenomenon is needed in order to design in a proper way the communication systems. The aim of this Thesis is to carry-out an analysis concerning the scintillation phenomenon from the 19.701 GHz and 39.402 GHz Alphasat measurements collected at Spino d’ Adda (close to Milan) and at the Politecnico di Milano campus. Furthermore, the beacon observations received at Isfjord at 19.68 GHz from the Eutelsat Ka-Sat satellite are analyzed.

Durante gli ultimi anni, per garantire servizi a larga banda, di altà qualità e affidabili, è richiesta sempre più banda anche nelle comunicazioni satellitari. La domanda crescente di banda è strettamente legata all’uso di frequenze portanti più alte rispetto alla banda Ku (12–18 GHz), attualmente largamente usata per comunicazioni satellitari, come ad esempio la banda Ka (20–30 GHz), la banda Q (33–50 GHz) e perfino la banda V (40–75 GHz) grazie alla loro disponibilità di banda più elevata. Tuttavia, le onde elettromagnetiche, usate dai satelliti per comunicare con la Terra, subiscono maggiormente gli effetti dell'atmosfera alle alte frequenze. I fenomeni principali, che causano degradazione del segnale sono assorbimento dovuto ai gas (ossigeno e vapore acqueo), attenuazione dovuta alle nuvole e alla nebbia, attenuazione dovuta alle precipitazioni e scintillazioni. In particolare, in condizioni di cielo chiaro, un ruolo importante nella degradazione del segnale è giocato dalle scintillazioni, rapide variazioni dell’ampiezza e della fase del segnale dovute a turbolenze troposferiche. E' necessaria quindi un’accurata caratterizzazione del canale di propagazione e del fenomeno delle scintillazioni per progettare i sistemi di comunicazione in modo opportuno. L'obiettivo di questa Tesi è fornire un’analisi riguardante il fenomeno delle scintillazioni da misurazioni del satellite Alphasat a 19.701 GHz e 39.402 GHz raccolte a Spino d’Adda (vicino Milano) e al Politecnico di Milano. Inoltre, le misurazioni ricevute a Isfjord a 19.68 GHz dal satellite Eutelsat Ka-Sat sono analizzate.