Introduction to Satellite Communication 3rd Edition

Figure 1.19
Orbit period (in hours) versus altitude, based on Kepler’s third law.

---

22
Fundamentals of Satellite Systems
Figure 1.20
The three most popular orbits for communication satellites are LEO, MEO, and GEO.
The respective altitude ranges are 500 km to 1,000 km for LEO; 5,000 km to 12,000
km for MEO; and 36,000 for GEO. Only one orbit per altitude is illustrated, even
though there is a requirement for multiple orbits for LEO and MEO satellites to provide
continuous service.
‘‘hang’’ over a given region on the Earth for a few hours. Transmission distance
and propagation delay are greater than for LEO but still significantly less than for
GEO. In the case of the latter, there are really two classes of orbits that have a
24-hour period. A geosynchronous orbit could be elliptical or inclined with respect
to the equator (or both). The special case of an equatorial 24-hour circular orbit,
in which the satellite appears to remain over a point on the ground (which is on
the equator at the same longitude where the satellite is maintained), is called GEO.
A 24-hour circular geosynchronous orbit that is inclined with respect to the equator
is not GEO because the satellite appears to move relative to the fixed point on the
Earth. A GEO satellite would not require ground antennas that track the satellite,
while an inclined geosynchronous orbit satellite might. Other non-GEO orbits have
been used at various times, such as the highly elliptical Earth orbit (HEO) to allow
coverage of northern latitudes.
1.4
Frequency Spectrum Allocations
Satellite communications employ electromagnetic waves to carry information
between ground and space. The frequency of an electromagnetic wave is the rate
of reversal of its polarity (not polarization) in cycles per second, defined to be units
of hertz (Hz). Alternating current in a copper wire also has that frequency property;
if the frequency is sufficiently high, the wire becomes an antenna, radiating electro-
magnetic energy at the same frequency. Recall that wavelength is inversely propor-
tional to frequency, with the proportionality constant being the speed of light
(approximately 300 million meters per second in a vacuum).
A particular range of frequencies is called a frequency band, while the full
extent of all frequencies for zero to infinity is called the electromagnetic spectrum.
In particular, the radio frequency (RF) part of the electromagnetic spectrum permits
the efficient generation of signal power, its radiation into free space, and reception
at a distant point. The most useful RF frequencies lie in the 300-MHz and
300,000-MHz range, although lower frequencies (longer wavelengths) are attractive
for certain applications. While frequencies are all expressed either in hertz or meters

---

1.4
Frequency Spectrum Allocations
23
of wavelength, they are not created equal. Some segments of the band can be
transmitted with greater ease (e.g., can propagate through the atmosphere and
physical media with less loss and temporary fading) than others. Also, differing
levels of natural and man-made noise interfere with the transfer. Figure 1.21
indicates the absorbtion by air at various frequencies. We see that above about
30 GHz, propagation grows in difficulty due to higher levels of atmospheric attenua-
tion effects. Not shown in the figure is that manmade noise becomes a significant
detriment below about 1 GHz. The absorption is measured in decibels and can be
adjusted for Earth elevation angle with the formula indicated in Figure 1.21.
The optimum piece of the spectrum for space-to-Earth applications lies between
about 1 and 4 GHz, which we call the
noise window
for microwave transmission.
Above about 12 GHz, there is a significant amount of signal absorption by the
atmosphere. There is a point of near total absorption at 66 GHz, due to resonance
by oxygen. Those frequencies cannot be used for Earth-to-space paths but can be
applied for intersatellite links.
The most detrimental atmospheric effect above 4 GHz is rain attenuation,
which is a decrease of signal level due to absorption of microwave energy by water
droplets in a rainstorm. Due to the relationship between the size of droplets relative
to the wavelength of the radio signal, microwave energy at higher frequencies is
absorbed more heavily than that at lower frequencies. (Sections 1.4.4 and 1.4.5
provide more background.) Rain attenuation is a serious problem in tropical regions
of the world with heavy thunderstorm activity, as those storms contain intense
rain cells.
An RF signal on one frequency is called a carrier, and the actual information
that it carries (voice, video, or data) is called modulation. The types of modula-
tion available are either analog or digital in nature. Our focus is on digital modula-