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Capitulo II
11
CAPITULO II
MARCO TEORICO
A. FUNDAMENTACION TEORICA
La investigación enmarca el area de la electronica, especificamente la
especialidad de telecomunicaciones, requiriendo de solidas bases teoricas
que aseguran el desarrollo de la misma, se procede a la recopilacion
bibliografica relacionada con las variables objeto de estudio las cuales
sonson: enlace de radio y degradaciones; estas variables están vinculadas
con los sistemas de transmisión, propagación de las ondas, acompañados de
una serie de recomendaciones y criterios de calidad, por lo que la
fundamentación teórica se estructuró en al forma de que el lector pueda
obtener una idea general del tema en cuestión.
Partiendo de la esencia, conceptos básicos, hasta las más complejas
teorias se espera cumplir con el primero de los objetivos planteados en el
estudio; lo que constituirá el pilar fundamental dentro del la investigación.
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1. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
1.1. DEFINICIÓN DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
Una onda electromagnética esta compuesta por un campo eléctrico y
uno magnético (cambiantes), que están relacionados entre sí produciendo
una propagación de energía a través de un medio.
Los campos magnéticos y eléctricos son transversales a la dirección
de propagación y son perpendiculares entre sí. Cuando los campos
eléctricos y magnéticos son constantes en magnitud y dirección en todos los
puntos situados en un plano se dice que la onda es plana. Las ecuaciones de
Maxwell describen las relaciones entre estos campos y sirven de base para
la formulación de las ecuaciones de propagación.
Las ondas electromagnéticas poseen parámetros característicos tales
como frecuencia y longitud de onda; es importante recordar la definición de
ellos. La frecuencia (f ) es el número de ciclos completos por unidad de
tiempo. El tiempo para completar un ciclo se denomina período (T ) y es el
inverso de la frecuencia; la longitud de onda (λ ) es la distancia recorrida por
la onda en un período y la velocidad con que lo hace es la velocidad de
propagación (v ). La relación entre dicha longitud de onda (λ ) y la frecuencia
( f ) queda expresada por:
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λ = fv
(1)
Dado que la velocidad depende de la característica del medio, la longitud
de onda no es la misma para los diferentes medios. En el espacio libre la
velocidad de la onda electromagnética es, c = 3.108 m/seg, por lo que la
longitud de onda queda expresada como: λ = c / f . En la práctica se
acostumbra a usar λ = 300/ f , donde la frecuencia esta en MHz, quedando
la longitud de onda expresada en metros.
1.2. ECUACIÓN GENERAL DE PROPAGACIÓN
Para obtener el campo eléctrico o magnético en un determinado punto
del espacio, proveniente de una fuente emisora, deben combinarse
apropiadamente las ecuaciones de Maxwell y de allí deducir la ecuación
general de propagación, esta es una ecuación diferencial y su solución
conlleva al campo deseado.
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Si se considera un medio homogéneo e isótropo, en el cual se propaga
una onda plana originada por una fuente emisora periódica (sinusoidal) la
ecuación de propagación para el campo eléctrico (E) toma la forma:
(2
2
dXEd
) ( )Ejσωµεµω −+ 2 = 0 (2)
en la cual ω = 2 π f , donde:
ω : velocidad angular (rad/seg)
f : frecuencia de la onda periódica (MHz)
ε : coeficiente de permitividad (F/m)
µ : coeficiente de permeabilidad (H/m)
σ : coeficiente de conductividad (S/m)
La solución de la ecuación anterior conduce a la suma de ondas. La
onda incidente y la reflejada, ambas se propagan en la misma dirección pero
en sentido opuesto. La onda de reflexión no se considera ya que se supone
que no se darán las condiciones para tal reflexión, en este caso sólo se
considera la onda incidente, cuya expresión es:
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( )xtjxeeEE βωα −−= 1 (3)
1E : condiciones iniciales de propagación
α : constante de atenuación del medio (Neper/m)
β : variación de fase (rad/m)
De la misma manera se obtiene una expresión para el campo magnético
(H):
( )xtjx eeHH βωα −−= 1 (4)
1.3. CLASIFICACIÓN DE LAS ONDAS SEGÚN SU MODO DE
PROPAGACIÓN
Según su frecuencia o longitud de onda las señales de radio se
comportan en forma diferente en cuanto a su propagación; clasificandose de
la siguiente manera:
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1.- Onda terrestre o superficial
2.- Onda directa
3.- Onda reflejada en tierra
4.- Onda difractada
5.- Onda de dispersión
6.- Onda ionosférica
La onda superficial se propaga directamente en las proximidades del
suelo, puesto que la superficie terrestre es en realidad un conductor, esta
sufre una atenuación a lo largo de su recorrido; dicha atenuación dependerá
directamente de las características del terreno sobre el cual pasa la onda.
Así por ejemplo, en el agua la atenuación es mínima, por lo que la onda
tendrá un rango de propagación mucho más amplio que cuando se
encuentra en terrenos con obstáculos.
La onda directa se propaga en línea recta a través del espacio, de la
antena emisora a la antena receptora, mientras que la onda reflejada se
propaga en el espacio entre las dos antenas pero no sigue una trayectoria
directa sino que se refleja desde la tierra hacia la antena receptora. El que
sean diferentes las trayectorias seguidas por las ondas directa y reflejada
hace que exista una diferencia de fase entre las mismas, lo cual influirá
directamente en la señal que llega a la antena receptora; la onda difractada,
además de la difracción en la superficie terrestre, en este caso en una colina,
sufre una refracción a lo largo de su trayectoria.
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La onda de dispersión se produce por una dispersión de la energía
electromagnética en las heterogeneidades de la troposfera, las cuales están
presentadas principalmente por pequeños volúmenes de aire que hacen que
exista una discontinuidad en el índice de refracción.
La onda ionosférica atraviesa la troposfera antes de incidir en las
capas ionosféricas donde se reflejan de nuevo a la tierra, de esta manera las
ondas de radio pueden llegar a un sitio más lejano obteniéndose un mayor
alcance. En este tipo de onda es costumbre hablar de una reflexión en la
ionosfera, pero en realidad lo que ocurre es un fenómeno de refracción
sucesivo en el interior de esta capa.
Es de hacerse notar que en todas estas ondas se produce el fenómeno
de refracción sucesivo, debido a la variación del índice de refracción de la
troposfera con la altura.
1.4. ESPECTRO DE FRECUENCIA
En la naturaleza existe un amplio espectro de ondas
electromagnéticas que se extienden desde las frecuencias muy bajas
(longitudes de ondas grandes) hasta las frecuencias extremadamente altas
(longitudes de ondas muy pequeñas) como son los rayos cósmicos. La
banda total de frecuencias y de longitudes de onda de las ondas
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electromagnéticas se denomina: espectro de frecuencias o espectro
electromagnético, tabla 1.
La parte del espectro correspondiente a las ondas de
radiocomunicaciones cubre el rango de 3 KHz a 300 GHz y se divide en
varias bandas, como lo indica la tabla 2 y en la tabla 3 se muestra la división
de las bandas SHF y EHF.
Tabla 2.1. Espectro de frecuencias.
nf 10*3= Hz p10=λ m
Fuente: Antenas y propagación. Zulima B. de Vielma (1996).
RAYOS I NFRARROJOS
ONDAS DE
R A D I
O C O M U N I C A C I
O N
O N D A S
C A L O R I C A S
RAYOS I NFRARROJ OS
LUZ VI SI BLE
U L T RR A Y V O I S O L E T A
R A Y O S X
R A Y O S
C O S M I C O S
R A Y O S
G A M M A
MI L I MET RI CAS
MI CROONDAS
P = 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 –14 -15 -16
n= 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
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El uso de estas frecuencias esta regulado por la Unión Internacional de
Telecomunicaciones (UIT) que es la organización civil internacional
encargada de proveer procedimientos normalizados de comunicaciones,
incluyendo la asignación de frecuencias, las reglamentaciones de radio
referentes a la forma como deben operar los sistemas de radio, el uso de
frecuencias para los diferentes servicios y los criterios técnicos que deben
ser observados. La UIT funciona mediante conferencias mundiales, algunas
de las cuales son para tratar temas específicos y otras son para hacer la
revisión completa de la tabla internacional de frecuencias y tratar aspectos
relacionados con el uso internacional del espectro. Dentro de la UIT existe el
Comité Consultivo Internacional de Radio (CCIR) que es el organismo
encargado de producir informes que mantienen al día a los países miembros
en relación a varios campos de las radiocomunicaciones y de las
recomendaciones para procedimientos a ser adaptados en problemas
técnicos específicos (UIT, 1968). En Venezuela la Dirección General
Sectorial de Comunicaciones del Ministerio de Transporte y Comunicaciones
es el organismo encargado de asignar frecuencias y velar por el
cumplimiento de las reglamentaciones internacionales.
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Tabla 2.2. Bandas de 3 KHz a 300 GHz.
Banda de Frecuencia
Denominación Longitud De Onda
Subdivisión Métrica
3 – 30 KHz Banda 4 Muy bajas
frecuencias (VLF)
100 – 10 Km Ondas Miriamétricas
30 – 300 KHz Banda 5 Bajas frecuencias
(LF)
10 – 1 Km Ondas Kilométricas
300 – 3000 KHz
Banda 6 Frecuencias medias (MF)
1 – 0.1 Km Ondas Hectométricas
3 – 30 MHz Banda 7 Altas frecuencias
(HF)
100 – 10 m Ondas Decamétricas
30 – 300 MHz Banda 8 Muy altas
frecuencias (VHF)
10 – 1 m Ondas Métricas
300 – 3000 MHz
Banda 9 Ultra altas
frecuencias (UHF)
1 – 0.1 m Ondas Decimétricas
3 – 30 GHz Banda 10 Super altas
frecuencias (SHF)
10 – 1 cm Ondas Centimétricas
30 – 300 GHz Banda 11 Frecuencias
extremadamente altas (EHF)
10 – 1 mm Ondas Milimétricas
Fuente: Antenas y propagación. Zulima B. de Vielma (1996)
Tabla 2.33. División especial del espectro para las bandas SHF y EHF.
Bandas Frecuencias (GHz)
S 1.5 – 5.26
X 5.2 – 10.96
K 10.9 – 36
Q 36 – 46
V 46 – 56
Fuente: Antenas y propagación. Zulima B. de Vielma (1996)
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1.5. LEYES DE SNELL
Cuando una onda electromagnética se propaga por un medio de gran
extensión y cuyas características eléctricas son constantes e iguales en
todos sus puntos, la trayectoria que caracteriza su propagación no sufre
alteraciones. Sin embargo, si ella incide sobre una superficie S que separa
este medio de otro con características diferentes, aparecen otras ondas
generadas por la primera. Al incidir la onda (onda incidente) sobre la
superficie, se originan oscilaciones que irradian un campo dirigido hacia el
medio en que se propagaba la onda original (campo reflejado), y un campo
dirigido hacia el otro medio (campo de refracción o transmitido).
Estas leyes indican el comportamiento de la onda cuando sufre
refracción y reflexión y es posible demostrarlas partiendo de sus enunciados,
que dicen:
a. Las direcciones de propagación de las ondas incidente, reflejada y
refractada se encuentran contenidas en el plano normal a la superficie limite
de los dos medios. A este plano se le denomina plano de incidencia.
b. El ángulo de incidencia iθ , es igual al ángulo de reflexión rθ , tal
como se muestra en la figura 1. A esta ley se le conoce como la Ley de
Reflexión.
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c. La razón entre los senos de los ángulos de incidencia y refracción
es la razón inversa entre las constantes de propagación. A esta otra ley se le
denomina Ley de Refracción.
Figura 1. Onda incidente, reflejada y refractada según la ley de Snell.
Fuente: Antenas y conceptos básicos de propagación. C.E.T. (1997).
1.6. ATENUACIÓN EN EL ESPACIO LIBRE
Es la pérdida de transmisión que tendría lugar entre dos antenas en el
espacio libre, lejos de la tierra e independientemente de los efectos de está.
La atenuación en el espacio libre a lo largo de un trayecto radioeléctrico es la
referencia con la cual se comparan todas las variaciones de la atenuación del
trayecto (desvanecimiento).
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El anexo 1 ilustra la atenuación en el espacio libre en función de la
frecuencia y la distancia.
El estudio se formaliza considerando a las antenas como isotrópicas,
emitiendo igual densidad de energía en todas las direcciones. Como existe la
imposibilidad manifiesta de captar toda la energía emitida se obtiene una
atenuación denominada atenuación de espacio libre, para una propagación
libre de obstáculos.
Las perdidas relativas al espacio libre son:
- Absorción ionosférica por gases atmosféricos o precipitaciones.
- Difracción que produce contribuciones destructivas en las zonas de
Fresnel.
- Dispersión con desfoque debido a la curvatura de la capa reflectante.
- Desacoplamiento de polarizaciones.
- Refracción que produce la elevación de los obstáculos.
Caminos múltiples entre antenas.
La expresión de la atenuación entre dos antenas cualesquiera en el
espacio libre esta dada por:
LP = 92.4 + 20 Log F(Ghz) + 20 Log D(Kmts) – Gt – Gr (5)
donde Gt y Gr son respectivamente, la ganancia de la antena
transmisora y receptora en db, D se expresa en Km y F en Ghz.
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1.7. INFLUENCIA DE LA ATMÓSFERA EN LA PROPAGACIÓN
La característica de propagación de las ondas de radio depende de
muchos factores, tales como la frecuencia de trabajo, la polarización de la
onda, las características eléctricas del terreno sobre el cual se propaga, la
longitud de la trayectoria, el estado de la troposfera y muchos otros.
En este punto se estudiará la influencia de uno de estos factores, la
atmósfera la cual no es un medio homogéneo ya que las características de
transmisión del aire cambian con la altura y con la hora del día estos efectos
son marcados en la troposfera, en la cual tiene lugar normalmente la mayor
parte de la propagación radioeléctrica.
1.8. ÍNDICE DE REFRACCIÓN
La troposfera se puede considerar como un medio dieléctrico puro, con
una permeabilidad magnética igual a la del espacio libre. Partiendo de esto
podemos expresar al índice de refracción como:
n = rr µε (6)
Esta cantidad es muy cercana a la unidad, por lo cual se acostumbra a
utilizar el coíndice de refracción, que está definido por:
( ) 610*1−= nN r (7)
Capitulo II 25
Por otro lado, el índice de refracción depende de muchos factores
meteorológicos, pero para los efectos de ondas radioeléctricas se puede
definir con bastante aproximación como:
rN = T
6.77(
Te
p 81.4+ ) (8)
en donde:
p : presión atmosférica (milibarios)
e : presión de vapor de agua (milibarios)
T : temperatura absoluta (°K)
rN : coíndice de refracción
El UITT ha definido una atmósfera estándar donde el coíndice varia
según la siguiente ecuación:
( ) hr ehN 136.0315 −= (9)
donde h es la altitud en Km.
1.9. EL FACTOR k Y LA CURVATURA DE LA TIERRA
El factor k se define por la dirección y el valor de la curvatura del haz
con respecto a la curvatura de la tierra y cualquier cambio de k equivaldría a
una variación de las condiciones de la atmósfera ya que el índice de
refracción es variable.
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Es conveniente referirse a una atmósfera estándar que es la que
existe durante la mayor parte del tiempo, tomando en cuenta esta
consideración, el valor del factor k sería 4/3, también se ha comprobado que
este valor ocurre más del 60% del tiempo.
Las variaciones de k = 4/3 hasta k =2/3 ocurren aproximadamente
durante 0.1% del tiempo, por lo que es conveniente efectuar las pruebas de
propagación durante el tiempo en que prevalecen las condiciones de
atmósfera estándar ( k =4/3), es decir, durante el día entre las 9:00 de la
mañana y las 5:00 de la tarde. La confiabilidad del sistema depende
enormemente de las variaciones dek , es decir, del terreno, el lugar y el
tiempo. El análisis de los resultados debe tomar en cuenta estas variaciones
y para obtener una buena confiabilidad del sistema se debe determinar la
altura de las torres basándose en variaciones de k hasta k = 2/3.
Ocasionalmente pueden ocurrir valores negativos de k . Corrigiendo la
curvatura de la tierra por k = 4/3 resulta que el radio terrestre será de 8493
km en vez de 6370 Km.
Los valores de k oscilan entre:
Climas árticos k : 4/3 y 6/5
Climas tropicales k : 4/3 y 2/3
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1. ANTENAS
2.1. PRINCIPIO DE RADIACIÓN DE LAS ANTENAS
Las antenas son dispositivos utilizados para la emisión o recepción de
ondas electromagnéticas. Todas las antenas funcionan de manera similar, al
conectar una fuente de corriente alterna en los terminales de la antena
aparece una distribución de tensión y corriente a lo largo de ella, las cuales
varían de acuerdo a las dimensiones y tipo de antena. Por ejemplo, la figura
2 muestra la distribución de corriente y tensión en una antena dipolo de
media onda, en donde se puede apreciar que los extremos de una antena
son puntos de máxima tensión y mínima
Figura 2. Distribución de corriente y tensión en una antena dipolo
de media onda.
Fuente: Antenas y propagación. Zulima B. de Vielma (1996).
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corriente. La diferencia de potencial entre los conductores de la antena crea
un campo eléctrico, el cual es ortogonal al campo magnético creado por la
corriente que circula por ella, figura 3.
Los campos eléctricos y magnéticos creados por la antena alcanzarán
valores máximos y mínimos, dependiendo de la magnitud de la corriente.
Figura 3. Campos eléctricos y magnéticos de una antena
dipolo de media onda.
Fuente: Antenas y propagación. Zulima B. de Vielma (1996).
2.2. PARÁMETROS DE LAS ANTENAS
2.2.1. POLARIZACIÓN
La orientación de los vectores campos viene descrita por la polarización.
En general, una onda electromagnética cuyo vector intensidad eléctrica
(campo eléctrico) permanece sobre un plano fijo, se denomina onda
polarizada según un plano, y el plano que contiene a ese vector se denomina
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plano de polarización. Si el plano es vertical la polarización es vertical, si el
plano es horizontal la polarización es horizontal, es decir, que una onda cuyo
vector eléctrico siempre permanece paralelo a una determinada dirección, se
dice que está polarizada linealmente según esa dirección. Esto se observa
superponiendo todas las ondas y observando como varia el campo eléctrico.
Si las componentes del vector campo eléctrico E de una onda
electromagnética tiene la misma magnitud, fase y frecuencia, de modo que el
vector resultante esté siempre en un mismo plano, y su extremo describa una
línea, se dice que la onda esta linealmente polarizada. Dependiendo de la
polarización del vector campo eléctrico con respecto al plano horizontal, la
polarización puede ser vertical u horizontal, figura 4.
Figura 4. Polarización lineal: a) Vertical; b) Horizontal.
(a) (b)
Fuente: Antenas y propagación. Zulima B. de Vielma (1996).
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Si al combinar las ondas resulta que tienen la misma frecuencia pero
diferente fase, magnitud y direcciones, la polarización es elíptica. Si por el
contrario al combinar las ondas la fase es de 90º y las magnitudes son
iguales, la polarización es circular, figura 5.
Figura 5. Polarización: a) Circular b) Elíptica.
(a) (b)
Fuente: Antenas y propagación. Zulima B. de Vielma (1996).
Como el diagrama de radiación de la antena es recíproco, la
polarización de la antena también lo es. En un sistema de comunicaciones
cuando se escoge la polarización de la antena transmisora o de la receptora
se debe tener en cuenta la polarización de la antena en el terminal opuesto
ya que una antena responde mejor a una onda incidente de intensidad dada
cuando la polarización de la onda incidente es idéntica a la de la antena
receptora.
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Si en una región debe operar más de un sistema de comunicaciones,
para evitar interferencia es conveniente utilizar polarización cruzada, la cual
consiste en utilizar polarización ortogonal, es decir que la polarización de un
sistema debe estar desfasada 90° con respecto al otro. Dependiendo del tipo
de antena, esta técnica se puede lograr con una sola antena. Por ejemplo,
con una antena de bocina se puede transmitir y recibir dos informaciones con
la misma frecuencia. Lo cual aumenta al doble la capacidad de transmisión
de información de un canal dado.
2.2.2. RESISTENCIA DE RADIACIÓN
Por su naturaleza, este parámetro esta vinculado con la potencia de
radiación de la antena ∑P es decir, con el valor medio del flujo de energía
electromagnética que pasa en la unidad de tiempo a través de la superficie
que envuelve a la antena. Cuantitativamente, la resistencia de radiación se
define como aquella resistencia pura en la que se libera una potencia
numérica igual a la potencia de radiación, para una corriente en la resistencia
igual a la corriente en la antena. La potencia de radiación es activa no
reactiva (no regresa a la antena transmisora ni al transmisor) y por ello se
puede expresar por medio de una resistencia pura, llamada resistencia de
radiación, donde:
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²IP
RΣ
Σ = (10)
En la que I es el valor eficaz de la corriente de la antena.
La resistencia de radiación, aun siendo pura, no provoca una
transformación de energía eléctrica en térmica. Caracteriza la capacidad de
la antena para la emisión de energía electromagnética.
2.2.3. RESISTENCIA DE PÉRDIDAS
Junto a la potencia útil ∑P hay cierta potencia que se pierde en el
calentamiento de los conductores, en los aisladores, en la tierra y en objetos
situados cerca de la antena. A esta potencia de pérdidas pP corresponde
una resistencia llamada resistencia de pérdidas.
=pR²
I
Pp (11)
2.2.4. RESISTENCIA ACTIVA TOTAL DE UNA ANTENA
La potencia suministrada a la antena por el transmisor AP se obtiene
con la suma de la potencia de radiación y la potencia de pérdidas.
( )PPA RRIPPP +=+= ΣΣ2 (12)
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La resistencia que corresponde a la potencia suministrada a la antena
recibe el nombre de resistencia activa total de la antena.
=ARP
A RRIP
+= ∑² (13)
Los parámetros de antena ∑R , pR y AR son indeterminados a menos que se
convenga a que sección de antena se refiere. Normalmente, las resistencias
∑R , pR y AR se refieren a la máxima amplitud de corriente de antena o a la
corriente en la base de la antena (en los terminales del generador).
2.2.5. IMPEDANCIA DE ENTRADA
La impedancia de entrada de una antena es la impedancia que esta
presenta en los terminales a los cuales se conectara el equipo transmisor o
receptor mediante una línea de transmisión o un circuito de acoplamiento,
figura 6.
La impedancia de una antena es de fundamental importancia, por
comportarse está como un transductor entre el medio de propagación y el
sistema con el cual opera; la eficiencia con la cual la antena efectúa la
transferencia de energía esta internamente ligada con su propia impedancia.
Capitulo II 34
Figura 6. Diagrama de conexión de una antena a una carga (ZL). a) Impedancia de entrada; b) Circuito equivalente.
Fuente: Antenas y propagación. Zulima B. de Vielma (1996).
La impedancia de entrada de una antena que se encuentra cerca de
otras antenas u objetos se ve afectada por ellos; por su estudio, la antena se
considera aislada, de modo que su impedancia de entrada es igual a la
impedancia propia de la antena. En la figura anterior se muestra el circuito
equivalente de la configuración donde la antena ha sido sustituida por una
impedancia AZ y el equipo transmisor o receptor por otra impedancia LZ . A
cierta frecuencia, la impedancia de entrada de una antena puede
representarse por una parte resistiva, la resistencia de entrada AR y por una
parte reactiva en serie, la reactancia AX . La componente reactiva viene
determinada por el hecho de que en la zona de inducción de la antena existe
un campo eléctrico y otro magnético desplazados en fase 90° y que son
portadores de energía reactiva. Para aumentar el rendimiento de una antena
TRANSMISOR O
RECEPTOR
ZL ZA Z linea
Z linea Z antena
Z equipo
Capitulo II 35
se ajusta para que resuene a la frecuencia del generador. Entonces, AX = 0,
y la antena representa para el generador una carga puramente activa.
2.2.6. RENDIMIENTO DE UNA ANTENA
Es la relación entre la potencia de radiación y la potencia suministrada
a la antena:
PAAA RR
R
RI
RIPP
+===
∑
∑∑∑2
2
η (14)
Se ve por la fórmula que para aumentar el rendimiento de una antena
es indispensable aumentar la resistencia de radiación y disminuir la
resistencia de pérdidas.
2.2.7. DIRECTIVIDAD
La directividad (D ) es el parámetro que describe la propiedad que
tienen las antenas transmisoras de concentrar más energía en una dirección
que en otras, o las antenas receptoras de absorber más potencia incidente
en determinada dirección.
Si una antena es direccional, la densidad del flujo de potencia de
radiación de tal antena es diferente en diversas direcciones. El radiador
Capitulo II 36
isotrópico puntual es el único que es absolutamente no direccional, pero
cualquier antena real resulta direccional por lo menos en cierta medida.
La característica de directividad de antena muestra la dependencia de la
intensidad de campo de radiación respecto de la dirección, con la condición
que este campo sea medido siempre a igual distancia de la antena.
La intensidad de campo queda plenamente caracterizada por la
amplitud, la fase, y la polarización. Debido a esto, puede hablarse de
características de directividad en amplitud, fase y en polarización. Se utiliza
sobre todo la característica de directividad en amplitud; de su nombre se
suprime normalmente la palabra “amplitud”. La función que expresa esta
característica se llama “función de directividad”. La función de directividad
expresada gráficamente se llama diagrama de directividad.
2.2.8. FACTOR DE DIRECTIVIDAD
Se llama factor de directividad D a la relación entre la densidad del
flujo de potencia emitido por la antena dada en una determinada dirección, y
la densidad del flujo de potencia que emitiría una antena absolutamente no
direccional en cualquier dirección, siendo iguales las potencias totales de
radiación de ambas antenas y el supuesto de que la medición se lleve a cabo
a igual distancia de cada una de ellas.
Capitulo II 37
( )ϕθ ,D =avP
P ),( ϕθ (15)
2.2.9. GANANCIA
Se llama ganancia de antena G , al producto del factor de directividad
por el rendimiento de la antena, es decir:
ADG η= (16)
La ganancia caracteriza más plenamente a una antena que el factor
de directividad, pues el factor D sólo tiene en cuenta la concentración de
energía en una determinada dirección, mientras que el factor Aη tiene en
cuenta, además, la disminución de la radiación a causa de pérdidas de
potencia en la antena. Es decir, que además de tomar en cuenta la
concentración de energía en determinada dirección tiene en cuenta las
pérdidas de potencia de la antena.
Los factores de directividad y de ganancia de una antena pueden ser
medidos en nepers y decibelios.
( ) GdBG log10= (17)
( ) DdBD log10= (18)
Capitulo II 38
2.2.10. POTENCIA EFECTIVA RADIADA ISOTRÓPICAMENTE
La potencia efectiva radiada isotrópicamente, EIRP ; es la potencia
suministrada a una antena transmisora multiplicada por la ganancia de la
antena en una dirección dada con relación a una antena isotrópica. Es decir,
tt GWEIRP = (19)
La potencia efectiva radiada isotrópicamente es un parámetro
frecuentemente utilizado en el diseño de sistemas de comunicaciones y en
las estaciones de radiodifusión. Algunas veces se representa como ERP ,
pero se presta a confusión porque también se usa para indicar la potencia
efectiva radiada relativa a un dipolo de media onda.
2.2.11. AREA EFECTIVA O AREA DE RECEPCIÓN
El área efectiva se acostumbra a definirla para recepción porque es
donde tiene especial significado pero se puede usar indiferentemente para
recepción y transmisión. En recepción, representa el área equivalente a
través de la cual se extrae la energía de las ondas electromagnéticas que
llegan a la antena. Se define como la relación entre la potencia absorbida por
Capitulo II 39
la carga disponible en los terminales de la antena, y la densidad de potencia
incidente sobre la misma.
i
re P
WA = m2 (20)
donde rW es la potencia absorbida por la carga y es igual a:
2IRW Lr = (21)
donde I es la corriente eficaz en los terminales de la antena.
2.2.12. TENSIÓN MAXÍMA
Es la mayor tensión en un dipolo al ser excitado por una corriente
modulada con un coeficiente de modulación dado. Si supera la magnitud
tolerable, el campo eléctrico que rodea a la antena provoca la ionización del
aire y descargas eléctricas. En las ondas largas y medias la descarga tiene el
aspecto de corona (de luminiscencia), y en las ondas cortas lo tiene de
antorcha (llama). La descarga gaseosa que tiene lugar en una antena
sobrecargada esta en relación con la continua pérdida de energía en la
ionización y recombinación (restauración) de las moléculas del aire. Como
Capitulo II 40
resultado de las descargas gaseosas aumentan las pérdidas de energía
electromagnética y disminuye el rendimiento de la antena; se presenta el
peligro de destrucción de la antena por recalentamiento de los conductores y
ruptura del aislador y aumentan las deformaciones de la señal transmitida
debido a la modulación complementaria de la señal por las aleatorias
corrientes de la ionización.
2.3. CLASIFICACION DE LAS ANTENAS
Los tipos de antenas existentes son muy numerosos y se pueden
agrupar de diferentes formas. En general, se agrupan de acuerdo a su
aplicación, geometría y bandas de frecuencia.
1. Clasificación de acuerdo a su aplicación. Dependiendo del tipo de
servicio en el cual se usa la antena, se clasifican en antenas para:
Radiodifusión, Comunicación punto a punto, Navegación, Radar,
Radioastronomía, Telemetría.
2. Clasificación de acuerdo a sus características de radiación y
polarización. Según la forma del diagrama de radiación y polarización
de la onda emitida, se clasifican en antenas: Isotrópica,
Omnidireccional, Unidireccional, Multidireccional, Linealmente
polarizada, Circularmente polarizada, Elípticamente polarizada.
Capitulo II 41
3. Clasificación de acuerdo a su geometría. Desde el punto de vista
de la estructura de la antena, se clasifican en: Monopolo, Dipolo
doblado, Reflector parabólico, Reflector de esquina, Antena ranurada,
Rómbica, Delta, Yagi, Log-periódica, Lazo, Helicoidal, Bocina, Lente,
Arreglos lineales, Arreglos planares, Antena de microcinta, etc.
4. Clasificación de acuerdo a las bandas de frecuencia. Según la
banda de frecuencia en que se utilice la antena, se clasifican en:
antena de LF, MF, HF, VHF, UHF, etc.
2.4. ANTENAS FRECUENTEMENTE UTILIZADAS PARA MICROONDAS
2.4.1. TIPO BOCINA
Son ampliamente usadas en microondas en frecuencias superiores a
1 GHz, y se caracterizan por:
♦ Su alta directividad
♦ Amplio ancho de banda
♦ Bajo peso
♦ Proporcionan ganancias elevadas
♦ Haz de radiación estrecho en uno o varios planos de
transmisión
Capitulo II 42
Se construye por expansión hacia afuera del extremo de una guía de
onda, en uno o ambos planos, dándole la forma de bocina. Se pueden formar
a partir de una guía de onda rectangular o circular, originándose así las
bocinas rectangulares y las circulares, siendo las rectangulares las más
usadas.
Si la guía de onda rectangular se abre en un solo plano constituye una
bocina sectorial (plano H o plano E), mientras que si se abre en ambos
planos forma una bocina piramidal.
En las antenas parabólicas, las antenas de bocina solucionan en gran
parte el problema de la orientación de la energía de radiofrecuencia que las
parábolas reflejaran al espacio libre o dirección de interés.
2.4.2. ANTENAS DE RADIACIÓN DIRECTA
Las más usadas son las de tipo parabólica, estas consisten en un arco
parabólico iluminado por un alimentador en su foco. Del iluminador sale una
onda esférica que al ser reflejada por el paraboloide se convierte en una
onda plana.
La forma más simple de las antenas parabólicas es solo con polarización
plana la cual puede ser vertical u horizontal. Otras tienen polarización dual,
con separación entre los conectores vertical y horizontal. La polarización dual
generalmente presenta una ganancia un poquito menor que las antenas de
Capitulo II 43
polarización simple.
La eficiencia de las ganancias de las antenas parabólicas
comercialmente disponibles están en el orden de los 55 a 65%.
2.4.2.1. TIPO PARÁBOLA
Una antena parabólica esta constituida básicamente por un reflector
parabólico (en forma de parábola) y un elemento radiador ubicado en su eje
también denominado eje focal, figura 7; las dimensiones de las superficies
reflectoras de gran parte de las antenas parabólicas son grandes
comparadas con la longitud de onda, de forma que pueden usarse para
estudiar algunos aspectos de estas antenas las leyes de la óptica geométrica
basadas en radios y frentes de ondas.
Figura 7. Antena parabólica.
Fuente: Antenas y propagación. Zulima B. de Vielma (1996).
Capitulo II 44
2.4.2.3. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
La parábola se define como el lugar geométrico de los puntos
equidistantes de un punto fijo llamado foco ubicado en una línea denominada
directriz. Si desde el foco se emiten ondas que inciden sobre el reflector
parabólico, estas al chocar con la superficie se reflejan por propiedades
ópticas en una sola dirección que es opuesta al sentido de emisión de la
fuente o radiador focal (foco). Estos rayos reflejados son paralelos entre sí; si
suponemos que el elemento radiador genera ondas esféricas como en el
caso de una antena de bocina piramidal, se consigue transformar las ondas
no direccionales o débilmente direccionadas en ondas altamente
direccionales emitidas al espacio, logrando de esta forma la máxima
directividad posible de la antena. Por esto tiene la ventaja de ser fácilmente
orientable.
2.4.2.4. FUENTES PRIMARIAS DE LAS ANTENAS PARABÓLICAS
Las fuentes o elementos activos a utilizar en las antenas parabólicas
pueden ser de diversos tipos, entre estos tenemos:
♦ Un dipolo con elemento reflector o una placa reflectora
♦ Una antena helicoidal
♦ Una bocina
Capitulo II 45
♦ Guías de onda
♦ Una ranura o un arreglo de ellas
Para el correcto funcionamiento de una antena parabólica la fuente
debe mantenerse ubicada en el foco, por lo que hay que prestar atención a la
forma de soportar la fuente, dependiendo del tipo de alimentación utilizado,
conductor axial o guías de onda y del tamaño y las formas indicadas en la
figura 9.
Figura 9. Algunas formas de alimentar las antenas parabólicas: a) Alimentación axial; b) y c) Alimentación lateral.
(a) (b) (c)
Fuente: Antenas y propagación. Zulima B. de Vielma (1996).
El tipo de fuente a utilizar en determinada antena depende de la banda
de frecuencia en que debe operar está, la polarización, el nivel de potencia a
transmitir y la distribución del campo eléctrico deseada en la abertura. La
fuente seleccionada debe cumplir con las siguientes características:
♦ No debe tener radiación inversa (en sentido contrario a la
parábola)
Capitulo II 46
♦ Su ubicación debe ser en el foco, para que el campo en la
abertura este en fase
♦ Su tamaño no debe ser muy grande para que la perdida por
bloqueo sea mínima al igual que su peso
♦ Debe funcionar adecuadamente en toda la banda de la antena
2.4.2.5. DIRECTIVIDAD Y GANANCIA
La ganancia de una antena parabólica es la medida de la eficiencia de
la misma, para radiar en una determinada dirección. Además, es la relación
de la potencia radiada por la antena a la potencia radiada en la misma
dirección que presentaría una antena referencia. En el caso más común, la
antena de referencia es un radiador isotrópico o un dipolo elemental de
media onda para el caso de frecuencias bajas, manteniendo ambas la misma
potencia de alimentación.
Las antenas parabólicas pueden alcanzar niveles de ganancia del
orden de los 45 dB cuando el diseño geométrico esta bien logrado.
La ganancia de una antena parabólica no solo depende de las
perdidas ohmicas producidas por irregularidades de la superficie del reflector,
sino también de otro aspecto como lo es el elemento excitador (elemento
primario) o fuente.
Capitulo II 47
2.5. FUNCIÓN DE LAS ANTENAS TRANSMISORAS Y RECEPTORAS
Las antenas son parte indispensable de cualquier dispositivo de radio
transmisión o radio receptor. El conjunto línea de alimentación – antena debe
estar calculado por la más económica conversión de la energía de las ondas
guiadas en energía de ondas libres (y viceversa), así como también para la
reproducción sin distorsión de la información transmitida.
En el proceso de su propagación, las ondas de radio se dispersan más
allá de las líneas de radio comunicación y son absorbidas por el medio
circundante. Si la dirección de la radio comunicación es conocida y limitada,
las pérdidas pueden reducirse concentrando las ondas emitidas en
direcciones definidas.
Así pues, la antena de transmisión esta destinada a la transformación
de la energía de un campo electromagnético estacionario (o de inducción)
producido por la señal de radio, en energía de un campo electromagnético de
radiación, añadiendo además que este último debe emitirse en unas
direcciones dadas.
La antena de recepción esta destinada a la transformación de la energía
de una radio señal consistente en ondas de un campo de radiación que
proceden de direcciones dadas, en energía de un campo estacionario de
ondas electromagnéticas.
Capitulo II 48
El carácter de los procesos que tienen lugar en la antena transmisora
y receptora atestigua su reciprocidad. La reciprocidad de las antenas
encuentra su expresión en la posibilidad de utilizar una misma antena en
calidad de transmisora y de receptora, y de conservar invariables los
parámetros principales de la antena al pasar del régimen de transmisión al
régimen de recepción y viceversa.
Este principio tiene gran importancia práctica. En particular, todas las
estaciones de radio localización por impulsos, así como todas las estaciones
de radio destinadas a las comunicaciones con aviones y otras
radioestaciones móviles tienen, por regla general una antena común para la
transmisión y la recepción.
2.6. CARACTERÍSTICAS DE EXPLOTACIÓN DE LAS ANTENAS
Una antena de transmisión debe satisfacer las siguientes condiciones de
explotación:
1. Una alta solidez y seguridad mecánica en su explotación. Esta
propiedad es especialmente importante en las antenas de aviación las
cuales, al igual que los demás aparatos de los aviones, funcionan en
condiciones de gran variación de temperatura, humedad y presión
atmosférica, así como también de fuertes vibraciones mecánicas.
Capitulo II 49
2. Tamaño y peso mínimo. Estas propiedades, como la anterior, son muy
importantes en las antenas de los aviones y de las estaciones de radio
terrestres y móviles.
3. Sencillez y eficacia en la adaptación de los elementos del sistema de
antena, condiciones indispensables para el rápido ajuste de los
dispositivos de antena.
4. Costo mínimo de fabricación y de instalación de los dispositivos de
antena.
5. Explotación exenta de peligro, especialmente en las potentes
estaciones de radio, en cuyas antenas se excitan corrientes de una
potencia que llega a varios centenares de kilovatios.
6. Tiempo mínimo para el despliegue de la antena. Esta condición se
refiere principalmente a los dispositivos de antenas de las estaciones de
radio terrestres y móviles.
3. ZONAS DE FRESNEL
En un punto suficientemente alejado de las antenas perteneciente al
trayecto entre la antena transmisora y receptora, el frente de onda puede
considerarse plano como se observa en la figura 10. De acuerdo con la
teoría de difracción de Fresnel (en honor de Agustín Juan Fresnel), dicho
Capitulo II 50
frente de onda queda dividido en zonas que se denominan primera, segunda,
etc., dependiendo de la diferencia de camino que recorra la onda.
Según la figura 11 podemos definir unas regiones en el espacio entre el
transmisor (T) y el receptor (R), esas regiones son elipsoides de revolución
cuyos focos estan situados precisamente en T y R, figura 11.
Figura 10. Frentes de onda plano.
Fuente: Introducción a los sistemas de radio digital. C. E. T. (1997).
Capitulo II 51
Figura 11. Elipsoides de Fresnel.
Fuente: Introducción a los sistemas de radio digital. C. E. T. (1997).
Las intersecciones del frente de onda con los elipsoides (de Fresnel) son
círculos; esta es la razón por la que las zonas de Fresnel tienen la forma
representada en la figura 12.
Los rayos que proceden de las distintas zonas de Fresnel llegan al
receptor R con distintas fases y las amplitudes decrecen lenta y regularmente
desde el circulo central hacia afuera.
Figura 12. Zonas de Fresnel.
Capitulo II 52
Fuente: Introducción a los sistemas de radio digital. C. E. T. (1997).
4. SISTEMA DE COMUNICACIÓN
4.1. DEFINICIÓN DE SISTEMA DE COMUNICACIÓN
Un sistema de comunicación se define como el proceso de transferir
información de una fuente desde un punto a otro. Los componentes de un
sistema de comunicación son los siguientes:
a) Fuente de información: La fuente de información produce un mensaje o
una sucesión de mensajes por transmitir al terminal receptor o destino.
existen muchos tipos de fuentes de información y, por tanto, los mensajes
asumen diversas formas por lo general es posible clasificar ampliamente
los mensajes en tres tipos:
- Señales analógicas (onda de forma continua), que puede modularse
como funciones de variables de tiempo continuo. Ejemplo de ellas: el habla,
la música, la televisión, etc.
Capitulo II 53
- Señales digitales, que consisten en símbolos discretos, como la
salida de una computadora digital, la voz digitalizada y la televisión
digitalizada.
- Señales pulsátiles, que consisten en una sucesión de pulsos
estrechos, tales como los empleados en las aplicaciones con radar y otras
formas de detección.
El mensaje (señal) producido por una fuente no necesariamente debe
estar en forma eléctrica, por lo que debe convertirse mediante un transductor
de entrada en una forma de onda eléctrica que se conoce como señal de
banda base o señal de mensaje.
b) Transmisor: El objetivo del transmisor es convertir el mensaje en una
forma adecuada para su transmisión en el canal. Para lograr una
transmisión eficiente y efectiva, se deben desarrollar varias operaciones
de procesamiento de la señal. La más común e importante de estas
operaciones es la modulación, un proceso que se distingue por el
acoplamiento de la señal transmitida a las propiedades del canal, por
medio de una onda portadora.
c) Canal de transmisión: El canal de transmisión o medio es el enlace
eléctrico entre el transmisor y el receptor, siendo el puente de unión entre
la fuente y el destino, puede ser un par de alambres, un cable coaxial,
Capitulo II 54
una onda de radio, un rayo láser. Pero sin importar el tipo, todos los
medios de transmisión eléctricos se caracterizan por la atenuación, la
disminución progresiva de la potencia de la señal, conforme aumenta la
distancia. La magnitud de la atenuación puede ser pequeña o muy grande
generalmente es grande y por lo tanto es un factor que debe ser
considerado.
d) Receptor: La función del receptor es extraer del canal la señal deseada y
entregarla al transductor de salida. Como las señales son frecuentemente
muy débiles, como resultado de la atenuación, el receptor debe tener
varias etapas de amplificación. En todo caso, la operación clave que
ejecuta el receptor es la demodulación (o detección), el caso inverso del
proceso de modulación del transmisor, con lo cual vuelve la señal a su
forma original.
4.2. TIPOS DE SISTEMAS DE COMUNICACIÓN
Los sistemas de comunicación comprenden entre otros tipos:
- Sistemas analógicos de radio, televisión y telefonía
- Sistemas de relevadores por satélite
- Sistemas de navegación
- Sistemas de conmutación de redes y paquetes
- Sistemas digitales de comunicación
Capitulo II 55
- Sistemas de codificación y corrección de errores
- Sistemas de cifrado (en clave) y descifrado
- Sistemas de modulación y demodulación
- Sistemas de procesamiento y acondicionamiento de señales, entre
otros
Los sistemas de comunicación se vinculan cada vez más con los
sistemas de computación (Teleinformática).
4.3. CONEXIÓN ENTRE EL MUNDO ANALÓGICO Y EL MUNDO DIGITAL
Los mensajes pueden ser digitales o analógicos, los mensajes digitales
se construyen con un número finito de símbolos. Por ejemplo, el lenguaje
impreso consta de 28 letras, 10 números, un espacio y varios signos de
puntuación de esta manera, un texto es un mensaje digital construido con
cerca de 50 símbolos. De manera similar, un mensaje telegráfico en código
Morse es un mensaje digital construido con un conjunto de sólo dos símbolos
raya y punto; es, por lo tanto un mensaje binario, que comprende solamente
dos símbolos. Un mensaje digital construido con M símbolos se llama M-ario.
Por otra parte, los mensajes analógicos se caracterizan por contener
datos cuyo valor varia en un rango continuo. Por ejemplo, la temperatura a la
presión atmosférica de cierta localidad pueden variar dentro de un rango
continuo y pueden tomar un número infinito de valores posibles.
Capitulo II 56
Los mensajes digitales se transmiten utilizando un conjunto finito de
formas de ondas eléctricas: por ejemplo, en el código Morse una raya puede
transmitirse mediante un pulso eléctrico de amplitud A/2, y un espacio puede
transmitirse mediante un pulso de amplitud -A/2. La tarea del receptor
consiste en extraer un mensaje de una señal distorsionada y afectada por
ruido a la salida del canal. La extracción del mensaje es en ocasiones más
fácil en las señales digitales que en las señales analógicas. Considere un
caso binario: se codifican dos símbolos como pulsos rectangulares de
amplitudes A/2 y -A/2. La única decisión en el receptor será la selección
entre dos pulsos recibidos posibles, no entre los detalles de la forma de
pulso; la decisión se toma rápidamente con razonable certidumbre, aun si los
pulsos se encuentran distorsionados y afectados por ruido. En consecuencia,
un sistema de comunicación digital puede transmitir mensajes con mayor
exactitud que un sistema analógico en presencia de distorsión y ruido.
En contraste con los mensajes digitales, la forma de onda de los
mensajes analógicos es importante, y aún una leve distorsión o interferencia
en la forma de onda ocasionará un error en la señal recibida.
Cabe señalar que existe una tendencia a reemplazar los sistemas
analógicos por sistemas digitales, ya que estos últimos han venido a ser más
económicos debido a la reducción de costos lograda en la fabricación de
circuitos integrados.
Capitulo II 57
5. MICROONDAS
5.1. DEFINICIÓN DE MICROONDAS
Las microondas son ondas electromagnéticas con frecuencias
comprendidas entre 1 GHz (109 Hz) y 30 GHz, que corresponden a
longitudes de onda de 30 cm a 1 cm, de aquí que también se les conozca
como ondas centimétricas. Algunas veces también a frecuencias más
elevadas (hasta 600 GHz) se les llama microondas.
5.2. CLASIFICACIÓN DE LAS MICROONDAS
De acuerdo al tipo de señal que transportan, a los sistemas de
microondas se les puede clasificar en:
• Microondas analógicas: Fueron las primeras que surgieron y los
equipos de radio utilizados consistían básicamente de un transmisor
donde la señal mensaje era montada (modulada) directamente sobre la
señal portadora. Aplicándose el efecto inverso en el receptor
(demodulación).
• Microondas digitales: Con el advenimiento de la transmisión de datos
surgió la necesidad de adecuar las microondas a la transmisión de
Capitulo II 58
señales digitales. Para ello se utilizaron métodos de modulación
adecuados para señales que solo tienen dos estados posibles (0 y 1).
5.3. CARACTERÍSTICAS
5.3.1. REGENERACIÓN DE LA SEÑAL DIGITAL
La regeneración de la señal posibilita mayor tolerancia al ruido y/o
interferencias, dado que en cada repetidora de microondas se regenera
nuevamente la señal digital y por ello no se propagan las sucesivas
adiciones de ruido y/o distorsión como ocurre en los sistemas analógicos, en
los cuales no es posible regenerar la señal sino solamente amplificarla.
La tendencia mundial en comunicaciones es la conformación de redes
digitales de servicios integrados por lo cual se deberá contar con enlaces de
microondas digitales.
5.3.2. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS MICROONDAS
Debido a la relativa proximidad de éstas con las ondas visibles o luz,
hace que ambas tengan propiedades similares, es decir, las microondas
gozan de ciertas características de la luz, como por ejemplo, el sentido de
propagación visual o de línea recta por lo que las señales tienen una
Capitulo II 59
elevadísima directividad, esa alta directividad también permite que se pueda
colocar una gran cantidad de antenas (para los enlaces) en una misma torre
sin que exista interferencia o solapamiento de frecuencia producida por
enlaces vecinos. También es posible alcanzar grandes distancias mediante
el empleo de estaciones repetidoras en línea o mediante enlaces por satélite,
ya que la elevada frecuencia permite a la onda atravesar la ionosfera y salir
al espacio sin problemas al igual que la luz. Esto se debe a que las
microondas, a diferencia de las frecuencias de radio más bajas, no se
reflejan en la ionosfera y prácticamente tampoco las absorbe.
Otra ventaja importante asociada con el uso de las microondas en
comunicaciones, es su ancho de banda extenso. Un ancho de banda de 10%
en 3 GHz implica un espectro disponible de 300 MHz, lo que significa que
todas las señales de radio, televisión y otras comunicaciones (audio, vídeo o
datos), que se transmiten, pueden acomodarse en el ancho de banda de
10% alrededor de 3 GHz (por ejemplo, desde 2850 a 3150 MHz), donde
aproximadamente 1500 canales de radio en FM o 50 de televisión pueden
radiarse dentro de este rango. En virtud de que la gama de frecuencias bajas
del espectro de radio están congestionadas, existe la tendencia a utilizar
cada vez más la región de microondas (y aún frecuencias mas elevadas)
para diversos servicios. Actualmente, las comunicaciones por microondas se
usan mucho en redes telefónicas, sistemas de radiodifusión, televisión y
enlaces por satélites.
Capitulo II 60
Por otro lado, el empleo de microondas, como contraparte a las
virtudes de su alta frecuencia, tiene sus desventajas. En cuanto a la
propagación la directividad puede ser problemática ya que el menor
obstáculo bien ubicado, puede alterar considerablemente el sentido del
mensaje (incluso para frecuencias muy altas, un gran problema lo constituye
el vapor de agua y el oxígeno). Aquella mencionada similitud ondulatoria con
la luz que le otorgaba a las microondas tanta directividad hace que estas
también sufran ciertas propiedades que puedan resultar molestas, tales
como: reflexión, refracción y difracción, lo que podría hacer que el mensaje
(la señal portadora modulada), al chocar con un objeto, sea devuelto al
emisor o alterado por difracción. Estos fenómenos son función de la
frecuencia y son inevitables.
Las pequeñas longitudes de onda (de 1 mm a 10 cm), trae
consecuencias en relación con las dimensiones de los componentes o
dispositivos que se emplean comúnmente. Como las longitudes de onda son
reducidas, la fase varia rápidamente con la distancia. Por otro lado la
diferencia de fase originada por la interconexión entre varios componentes o
varias partes de un componente ya no es despreciable.
5.3.3. DESVENTAJAS DE LAS MICROONDAS DIGITALES CON
RESPECTO A LAS MICROONDAS ANALÓGICAS
Capitulo II 61
• Menor capacidad de transmisión de canales de grado de voz
• Menor distancia entre las repetidoras
• Mayor sensibilidad a la distorsión por propagación de la señal por
caminos múltiples
• Mayor consumo de energía
6. GUÍAS DE ONDA
6.1. DEFINICIÓN DE GUÍAS DE ONDA
Las líneas de transmisión de cables paralelos, incluyendo los cables
coaxiales, no pueden propagar eficazmente la energía electromagnética
arriba de 1 GHz aproximadamente, y en frecuencias arriba de 15 GHz, son
inservibles para distancias mayores de unas cuantas pulgadas por lo cual se
deben utilizar guías de onda.
Una guía de onda es un tubo conductor hueco, por lo general rectangular
en sección transversal pero a veces circular o elíptico. Una guía de onda no
conduce corriente en el sentido real, sino que sirve como un limite que
confina la energía electromagnética. Las paredes de la guía de onda son
conductoras y por tanto reflejan energía electromagnética de la superficie. Si
la pared de la guía de onda es un buen conductor y muy delgado, fluye poca
corriente en las paredes interiores y, en consecuencia, se disipa muy poca
Capitulo II 62
potencia. En una guía de onda, la conducción de energía no ocurre en las
paredes de la guía de onda, sino a través del dieléctrico dentro de la guía de
onda, por lo general, es de aire deshidratado o gas inerte.
6.2. GUÍA DE ONDA RECTANGULAR
Las guías de ondas rectangulares son las formas más comunes de guías
de onda. Para entender como funciona una guía de onda rectangular, es
necesario comprender el comportamiento básico de las ondas que se reflejan
en una superficie conductora.
Para propagar con éxito una onda TEM a través de una guía de onda, la
onda debe propagarse a lo largo de la guía en forma zig zag, con el campo
eléctrico máximo en el centro de la guía y cero en la superficie de las
paredes.
En las líneas de transmisión, la velocidad de las ondas es
independiente de la frecuencia, y para dieléctricos de aire o vacío la
velocidad es igual a la velocidad en el espacio libre. Sin embargo, en guías
de onda la velocidad varia con la frecuencia. Además, es necesario distinguir
entre dos tipos distintos de velocidades: velocidad de fase y velocidad de
grupo. La velocidad de grupo es la velocidad a la que se propaga la onda, y
la velocidad de fase es la velocidad a la que la onda cambia de fase.
Capitulo II 63
6.3. GUÍA DE ONDA CIRCULAR
La guía de onda circular es por mucho la más común; sin embargo, la
guía de onda circular se utiliza en aplicaciones de radar y microondas,
cuando es necesario o ventajoso propagar tanto ondas polarizadas verticales
como horizontales en la misma guía de onda. La figura 13 muestra dos
partes de la guía de onda circular unidas por una junta de rotación.
Figura 13. Guía de onda circular con junta de rotación.
Junta de rotación
Sección estacionaria
Sección rotativa
Fuente: Sistemas de comunicaciones electrónicas. Wayne Tomasi (1996).
Capitulo II 64
El comportamiento de las ondas electromagnéticas en la guía de onda
circular es el mismo como en la guía de onda rectangular.
6.4. GUÍA DE ONDA ACANALADA
La guía de onda acanalada es más costosa de fabricar que la guía de
onda rectangular estándar; sin embargo, también permite la operación a
frecuencias más bajas para un tamaño determinado. Una guía de onda
acanalada tiene mas perdida por unidad de longitud que la guía de onda
rectangular. Esta característica combinada con el incremento en su costo
limita su uso a aplicaciones especializadas.
6.5. GUÍA DE ONDA FLEXIBLE
La guía de onda flexible consiste de listones envueltos en espiral de
latón o cobre. La parte exterior esta cubierta con una capa suave dieléctrica
(casi siempre de hule) para mantener la guía de onda hermética contra agua
y aire.
Las guías de ondas flexibles se utilizan extensamente para la
interconexión de transmisores y receptores a unidades complejas y equipos
para pruebas de microondas.
Capitulo II 65
6.6. VELOCIDAD DE FASE Y VELOCIDAD DE GRUPO
La velocidad de fase es la velocidad a la que una onda cambia de fase
en una dirección paralela a una superficie conductora, como las paredes de
una guía de onda. La velocidad de fase se determina midiendo la longitud de
onda de una onda de frecuencia en particular y luego sustituyéndola en la
siguiente formula:
λfv ph = (22)
donde:
phv = velocidad de fase (m/seg)
f = frecuencia (Hz)
λ = longitud de onda (m/seg)
La velocidad de grupo es la velocidad de un grupo de ondas (o sea, un
pulso), está es la velocidad en la que se propagan las señales de información
de cualquier tipo. También es la velocidad en que se propaga la energía.
La velocidad de fase es siempre mayor o igual que la velocidad de grupo
y su producto es igual al cuadrado de la velocidad de propagación de
espacio libre; por tanto:
2cvv phg = (23)
donde:
gv = velocidad de grupo (m/seg)
Capitulo II 66
phv = velocidad de fase (m/seg)
c = 3*10-8 (m/seg)
6.7. FRECUENCIA DE CORTE Y LONGITUD DE ONDA DE CORTE
La frecuencia de corte es una frecuencia limitante absoluta; las frecuencias
por abajo de la frecuencia de corte no serán propagadas por la guía de onda.
En forma contraria, las guías de onda tienen una longitud de onda mínima
que puede propagarse, y es llamada longitud de onda de corte; está se
define como la longitud de onda del espacio libre más pequeña incapaz de
propagarse en la guía de onda. En otras palabras, solamente las frecuencias
con longitudes de onda menores a la longitud de onda de corte pueden
propagarse a lo largo de la guía de onda. La frecuencia y la longitud de onda
de corte se determinan por las dimensiones de la sección transversal de la
guía de onda; la figura 14 muestra una vista en sección transversal de una
parte de la guía de onda rectangular con dimensiones de a y b
(normalmente a se le designa a la más ancha de las dimensiones). La
dimensión a determina la frecuencia de corte de la guía de onda de acuerdo
a la ecuación 24.
b
Capitulo II 67
Figura 14. Vista de la sección transversal de una guía de onda rectangular.
Fuente: Sistemas de comunicaciones electrónicas. Wayne Tomasi (1996).
ac
f c 2= (24)
donde:
cf = frecuencia de corte (Hz)
a = longitud en sección transversal (m)
o, en términos de longitud de onda:
ac 2=λ (25)
Figura 15. Propagación de la onda electromagnética en una
guía de onda rectangular.
Capitulo II 68
a
Vista superior
Frecuencia enormemente enexceso del punto de corte
a
Frecuencia moderadamente enexceso del punto de corte
a
Frecuencia justo arriba delpunto de corte
Frecuencia en elpunto de corte
(a)
(b)
(c)
(d)
θ
Fuente: Sistemas de comunicaciones electrónicas. Wayne Tomasi (1996).
La figura 15 muestra la vista superior de una sección de guía de onda
rectangular e ilustra como las ondas electromagnéticas se propagan a lo
largo de la guía. Para frecuencias arriba de la frecuencia de corte (figuras 15
a, b y c), las ondas se propagan a lo largo de la guía reflejándose de un lado
a otro de la pared en varios ángulos. La figura 15d muestra lo que sucede a
la onda electromagnética en la frecuencia de corte.
Capitulo II 69
6.8. MODOS DE PROPAGACIÓN
Las ondas electromagnéticas viajan a lo largo de la guía de onda en
diferentes configuraciones llamadas modos de propagación. En 1955, el
instituto de ingenieros de radio (IRE) publicó un conjunto de estándares.
Estos estándares designaban los modos para guía de onda rectangulares
como TEm,n para ondas eléctricas transversales y TMm,n para ondas
magnéticas transversales. TE significa que las líneas de campos eléctricos
son transversales en todos los puntos (o sea, perpendiculares a las paredes
de la guía), y TM significa que las líneas de los campos magnéticos son
transversales en todos los puntos. En ambos casos, m y n son enteros
designando el numero de medias longitudes de onda de intensidad
(eléctricas o magnéticas) que existen entre cada par de paredes. m se mide
a lo largo del eje X de la guía de onda (el mismo eje con el cual se mide la
dimensión a ), y n se mide a lo largo del eje Y ( lo mismo que la dimensión b
).
La figura 16 muestra el patrón de campo electromagnético para una
onda de modo TE1,0 . El modo TE1,0 a veces se llama el modo dominante
porque es el modo mas “natural”.. En las frecuencias por encima de la
frecuencia de corte, los modos de propagación TE de orden superior con
configuraciones de campo más complicadas son posibles. Sin embargo, no
es deseable operar una guía de onda a una frecuencia donde estos modos
Capitulo II 70
superiores puedan propagarse. El siguiente modo superior posible ocurre
cuando la longitud de onda del espacio libre es igual a la longitud a (o sea, al
doble de la frecuencia de corte) en consecuencia, una guía de onda
rectangular opera por lo general dentro del rango de frecuencias entre cf y
cf2 . Permitir que los modos superiores se propaguen no es deseable
porque no acoplan bien a la carga y por tanto hacen que ocurran reflexiones
y que se creen ondas estacionarias. El modo TE1,0 es deseable porque
permite la guía de onda del tamaño más pequeño posible para una
frecuencia determinada de operación.
6.9. IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA
La impedancia característica de una guía de onda es análoga a la
impedancia característica de las líneas de transmisión de cables paralelos y
Figura 16. Vectores de campos eléctricos y magnéticos en una guía de onda rectangular: a) Vista del extremo; b) Configuración del campo
magnético en una sección longitudinal.
Capitulo II 71
a
b
(a)
Parte superior
E
H
Dirección de lapropagación de
o n d a s
Parte superior
(b)
Fuente: Sistemas de comunicaciones electrónicas. Wayne Tomasi (1996).
relacionada cercanamente a la impedancia característica del espacio libre,
tiene el mismo significado que la impedancia característica de una línea de
transmisión, con relación al acoplamiento de la carga, reflexiones de la señal
y ondas estacionarias. Se expresa matemáticamente como:
Capitulo II 72
0Z = 2
1
377
−
ffc
= og
λλ
377 (26)
donde:
0Z = impedancia característica (ohm)
cf = frecuencia de corte (Hz)
f = frecuencia de operación (Hz)
0Z es por lo general mayor que 377 Ω. De hecho, en la frecuencia de corte,
0Z se vuelve infinito, y a una frecuencia igual al doble de la frecuencia de
corte ( cf2 ), 0Z = 435 Ω.
6.10. ACOPLAMIENTO DE IMPEDANCIA
En las guías de onda se pueden realizar acoplamientos de
impedancias exactamente como en las línea de transmisión de cables
paralelos. En estas se pueden utilizar talones (espolones) reactivos, estas
porciones consisten de placas metálicas delgadas colocadas en forma
perpendicular a las paredes de la guía de onda y unidas a ellas en las orillas,
con una abertura entre ellas, figura 17. Cuando la abertura es paralela a las
paredes angostas, las susceptancia es inductiva; cuando es paralela a las
Capitulo II 73
paredes anchas, es capacitiva. La magnitud de la susceptancia es
proporcional al tamaño de la abertura.
Figura 17. Acoplamiento de impedancia de la guía de onda: a) Porción inductiva; b) Porción capacitiva.
(a) (b)
Fuente: Sistemas de comunicaciones electrónicas. Wayne Tomasi (1996).
Un poste colocado a través de la dimensión más angosta de la guía de
onda, como se muestra en la figura 18a actúa como una susceptancia
inductiva cuyo valor depende de su diámetro y su posición transversal. Los
tornillos de sintonización se muestran en la figura 18b, se proyectan en parte
a lo largo de la dimensión de la guía angosta, actúan como una capacitancia,
y se pueden ajustar.
Figura 18. Acoplamiento de impedancia de la guía de onda: a) Poste; b)Tornillo de sintonización.
Capitulo II 74
Tornillo desintonizacionPoste
a
(a)
b
(b)
Fuente: Sistemas de comunicaciones electrónicas. Wayne Tomasi (1996).
6.11. ACOPLAMIENTO DE LA LINEA DE TRANSMISION A LA GUIA DE
ONDA
La figura 19 muestra varias formas donde una guía de onda y la línea
de transmisión se pueden unir. Los acopladores mostrados pueden utilizarse
como lanzadores de ondas en el extremo de la entrada de una guía de onda
o como receptores de ondas en el extremo de carga de la guía. Las
Capitulo II 75
dimensiones marcadas 40λ y 4gλ son aproximadas. En la práctica, se
ajustan experimentalmente para mejores resultados.
Figura 19. Acoplamiento de la línea de transmisión a la guía de onda: a) Acoplador de cuarto de onda; b) Acoplador de paso derecho;
c) Acoplador de barra transversal.
L í n e a c o a x i a l L í n e a c o a x i a l
G u í a d e o n d a G u í a d e o n d a
b b
( b )
( a )
λ ο / 4
λ g / 4λ ο / 4
λ g / 4
Fuente: Sistemas de comunicaciones electrónicas. Wayne Tomasi (1996).
7. SISTEMAS DE ENLACE DE RADIOS
7.1. DEFINICIÓN DE ENLACE DE RADIO
Un enlace de radio es la interconexión de dos sitios a través de un canal
de transmisión el cual es el espacio libre o atmósfera de la tierra. Es
Capitulo II 76
necesario que no existan obstáculos entre los dos sitios que impidan el pase
de la señal radial.
Un enlace de radio consta de: equipos transmisor/receptor, fuentes de
poder, antenas, cables coaxiales, guías de onda, baterías, torres y
accesorios menores. Hablamos de transmisión digital cuando se
transmiten pulsos digitales entre dos o más puntos de un sistema de
comunicación; por tanto cuando se habla de enlace de radios digitales se
refiere a la transmisión de portadoras analógicas moduladas en forma digital,
entre dos o más puntos de un sistema de comunicación a través del espacio
libre o la atmósfera de la tierra.
Los sistemas de microondas digital se diferencian de los analógicos por
el tipo de señal de banda base transmitida a lo moduladores y
demoduladores.
7.2. DESCRIPCIÓN DE UN ENLACE DE RADIO
Los sistemas de enlace de radios deben cumplir con los siguientes
requerimientos:
- La señal sigue una trayectoria en línea recta o línea de vista (LOS).
- La propagación de la señal es afectada por la precipitación y la
atenuación del espacio libre.
Capitulo II 77
- Uso de frecuencias mayores de 150 MHz, permitiendo con eso la
transmisión de más información por portadora de radiofrecuencia mediante el
uso de banda base de información más amplia.
- Uso de modulación en ángulo ( FM o PM ) o técnicas de división en
tiempo y espectro de amplitud.
Una valiosa característica de la transmisión LOS es que podemos
predecir el nivel de la señal que llega a un receptor distante con una
exactitud conocida.
7.3. EQUIPOS DE RADIO
Los sistemas multicanales telefónicos de microondas están compuestos
por estaciones multicanales telefónicas, estaciones terminales de radio y
estaciones repetidoras de radio.
En la estación terminal de radio se encuentra el transmisor inicial y el
receptor final, los equipos moduladores y demoduladores que toman la señal
del equipo de portadoras y la modulan a una frecuencia intermedia o
viceversa y el equipo auxiliar formado por equipos de conmutación y de
supervisión y control.
En el momento de seleccionar el equipo de radio para un sistema de
microondas se deben tomar en cuenta las siguientes consideraciones:
• Potencia de transmisión
Capitulo II 78
• Ancho de banda de entrada al transmisor
• Características y figuras de ruido
• Opciones de frecuencia de transmisión
• Estabilidad de frecuencia
• Disponibilidad de las funciones de supervisión (cableado, alarma
y control)
• Costo del equipo
• Consideraciones futuras
7.4. TRANSMISOR Y RECEPTOR
En los sistemas de microondas la señal luego de pasar por una red de
pre-énfasis, la cual mejora las características de ruido del enlace, es
amplificada y luego modulada en frecuencia sobre una portadora de 70 MHz
(frecuencia intermedia FI). La onda modulada es convertida posteriormente a
la frecuencia de salida y esta señal puede ser aplicada directamente a la
antena del sistema para la radiación o para una amplificación adicional en el
caso de que la señal sea llevada por medio de una guía de onda hacia el
enlace de radio.
En el receptor, la señal FM pasa a través de un mezclador o convertidor.
Esta unidad heterodina la señal recibida con la señal del oscilador local para
Capitulo II 79
producir una frecuencia intermedia (70 MHz en la mayoría de las
instalaciones estandarizadas). De la salida del mezclador la frecuencia
intermedia es alimentada a través de algunas etapas amplificadoras, y
también por medio de un igualador de fase para corregir la distorsión de
retardo introducida por los filtros de frecuencia intermedia ( FI ). De aquí se
alimenta un limitador-descriminador que es el detector FM o demodulador
para obtener la banda base compuesta, más algunas otras señales de
alarmas. Después de la demodulación la señal de banda base compuesta es
pasada a través de una malla pre-énfasis, amplificada y separada para
obtener la banda base de información que es dirigida hacia el equipo
demultiplexor.
7.5. TORRES
Las torres y sus problemas tienen un efecto significativo en la mayoría
de las trayectorias de microondas, ya que en el diseño de las mismas es
necesario tener
conocimientos de las limitaciones que imponen las características de las
torres, las antenas y guías de onda.
Por ejemplo el ingeniero debe tomar en cuenta cuan alta puede ser la
torre con respecto al costo que pueda tener ésta en el momento de
establecer la longitud de la ruta.
Capitulo II 80
Existen dos tipos genéricos de torres: venteadas y autosoportadas.
Para torres muy cortas no hay mucha diferencia de costos, pero a medida
que la altura se incrementa, el costo de las torres tipo autosoportadas se
incrementa más o menos exponencialmente mientras que el de las torres
venteadas, que tienen sección transversal constante, se incrementa mas o
menos en forma lineal. Así, donde se requieren altas torres se prefiere el uso
de las torres venteadas, si existe suficiente terreno como para permitirlas.
Donde las torres autosoportadas no pueden ser evitadas, un estudio
considerable es garantía en el sistema de microondas para tratar de
mantener las rutas de manera que no se requieran alturas excesivas en las
torres.
El Anexo 2 muestra el área de terreno requerida para varios tipos de
torres.
7.6. POTENCIA PROMEDIO DE RECEPCIÓN
Es la potencia con la cual llega la onda al receptor, cuando está viaja en
condiciones normales de propagación; se toma en cuenta para calcular esta
la pérdida en los filtros que es la suma de las atenuaciones que sufre la onda
al pasar por los filtros de radiofrecuencia tanto en el transmisor como en el
receptor. Esta atenuación que producen dichos filtros es un dato del
fabricante y viene expresado en dB.
Capitulo II 81
Después del filtro de radiofrecuencias del transmisor, la onda pasa por
el alimentador y llega a la antena sufriendo una atenuación similar a la que
ocurre cuando la onda pasa de la antena receptora al receptor propiamente
dicho a través del alimentador que los une. La atenuación total que sufre la
señal corresponde a la pérdida en ambos alimentadores.
La pérdida de un alimentador es un dato del fabricante y viene
expresada en dB por unidad de longitud, por lo tanto, depende del
alimentador seleccionado.
Para calcular las pérdidas en los alimentadores se debe conocer el
largo de cada alimentador, sumarse y multiplicarse por la atenuación dada
por el fabricante. El largo de un alimentador es igual a la altura de la antena
en la torre más el recorrido que hay de la torre al equipo de radio.
7.7. DESPEJE
Es la distancia que existe entre en el trayecto directo (rayo de
microondas) y el punto más critico del perfil del terreno, el despeje es
denominado por algunos autores como el “clearence” figura 20.
Capitulo II 82
Figura 20. Despeje.
Fuente: Introducción a los sistemas de radio digital. C. E. T. (1997).
En los sistemas de enlace de radios la teoría de difracción afirma que el
trayecto directo entre el transmisor y receptor debe estar libre de obstáculos
a partir de una distancia como mínimo al 60% del radio de la primera zona de
Fresnel y si se despeja por ejemplo al 100% del radio de la primera zona hay
una ganancia mayor. El decidir el despeje es tarea del diseñador y queda a
criterio de este.
7.8. REFLEXIÓN
La reflexión es el cambio de dirección que sufre el rayo de microondas
cuando incide en una superficie; parte de la energía transmitida (onda
directa) puede ser interceptada por tierra, la cual después de reflejar la señal
(onda reflejada) la envía en dirección al receptor, lo que se traduce a nivel de
Capitulo II 83
este en una atenuación y desviación de fase. Con el fin de evitar el
desvanecimiento severo en el receptor producido por fluctuaciones de las
señales debido al fenómeno de reflexión, el camino seguido por las ondas
de radio debe seleccionarse de modo que la onda reflejada se debilite lo más
posible.
Figura 21. Onda directa y onda reflejada.
Fuente: Introducción a los sistemas de radio digital. C. E. T. (1997).
Para examinar el efecto de reflexión de las ondas es esencial conocer
las condiciones geográficas en el punto de reflexión y si la onda reflejada
puede evitarse por medio de un obstáculo.
La magnitud del campo resultante en el receptor, es el producto de la
suma vectorial del campo directo (que viaja con la onda directa) y el campo
reflejado. La figura 21 muestra el rayo de la onda directa y la onda reflejada.
Capitulo II 84
7.9. COEFICIENTE DE REFLEXIÓN
El coeficiente de reflexión es una cantidad que representa la relación
entre la onda reflejada y la onda incidente; conociéndose las condiciones
geográficas donde se encuentra el punto de reflexión y entrando a la tabla 4
se determina el coeficiente de reflexión.
Tabla 2.4. Coeficientes de reflexión.
Superficie de Agua
Prado Campo Ciudad,bosque, montaña
Frec. del Sistema
coeficiente de reflexión
coeficiente de reflexión
coeficiente de reflexión
coeficiente de reflexión
2 GHZ 1 0.8 0.6 0.3
4 GHZ 1 0.8 0.5 0.2
6 GHZ 1 0.8 0.5 0.2
11 GHZ 1 0.8 0.4 0.16
Fuente: Introducción a los sistemas de radio digital. C. E. T. (1997).
Desde el punto de vista de la selección del lugar donde se produce la
reflexión, se procura que el coeficiente de reflexión sea menor que 0.2 es
decir, que se atenúe la onda reflejada en más de 14 dB con respecto a la
onda directa para disminuir los efectos nocivos que produce está al receptor.
Capitulo II 85
8. RUIDO EN UN ENLACE DE RADIO
8.1. DEFINICIÓN DE RUIDO EN UN ENLACE DE RADIO
En todos los enlace de radios está presente el ruido, entendiéndose por
este aquellas señales no deseables que producen perturbaciones en el
sistema. Este es uno de los parámetros más significativos con efectos fuertes
en muchas de las fases del sistema. Por esta razón, para que la
comunicación se lleve a cabo satisfactoriamente, es necesario que se
conozcan las causas del ruido que estará presente para poder aplicar las
correcciones debidas desde el diseño.
Existen varios tipos de ruido en un enlace de radio, dependiendo
algunos del nivel de la señal en el receptor, mientras que otros dependen de
la carga aplicada al sistema.
El ruido total en el sistema aumenta con la presencia de los
desvanecimientos, por lo que es de suma importancia el estudio de estos, ya
que la calidad de un enlace esta determinada por la cantidad de ruido
presente y por la confiabilidad del sistema.
8.2. RUIDO TÉRMICO
Capitulo II 86
El ruido térmico es causado por las variaciones aleatorias de la corriente
en cada porción del equipo electrónico y está presente donde esté aplicada
una señal. Una parte del ruido térmico, a menudo llamado ruido intrínseco,
es aquel que es generado en el transmisor y en las ultimas etapas del
receptor; el cual es independiente del nivel de entrada en el receptor.
La porción más importante del ruido térmico incluye el ruido generado
por la resistencia de la antena más el generado en los circuitos terminales
del receptor (incluyendo los alimentadores). El punto de partida para calcular
el ruido térmico en el receptor es el ruido térmico generado en la resistencia
de la antena; para sistemas de microondas terrestres el ruido de la antena
transferido al receptor se ha calculado como –174 dBm por ciclo de ancho de
banda, o –114 dBm por mega-ciclo de ancho de banda. En un receptor
perfecto esta sería la única fuente de ruido en el terminal, pero cualquier
receptor real contribuirá así mismo con ruido adicional, el cual incrementara
el ruido equivalente de entrada por el valor en dB del ruido del receptor. El
ruido total de entrada equivalente ( N ) en dBm se puede calcular como:
rMHz FBN ++−= )log(10144 (27)
donde MHzB es el ancho de banda en MHz y rF es la figura de ruido el cual
es un dato del fabricante.
Este ruido representa el umbral de detección, pero se debe entender
claramente que en un sistema de microondas FM este umbral no representa
un nivel de señal usable. El verdadero umbral de trabajo llamado umbral FM
Capitulo II 87
o punto de ruptura FM ocurre cuando la potencia de la señal es
aproximadamente 10 dB mayor que la potencia del ruido. En estos puntos los
picos de la señal comienzan a exceder los picos del ruido llegando a
silenciarse el receptor. El punto de silenciamiento del receptor, o umbral del
receptor, generalmente se ajusta de modo que sea igual al umbral FM para
mantener en lo posible una comunicación más o menos clara.
Si la señal de entrada cae por debajo del umbral FM, el ruido en el
canal se incrementa rápidamente a un nivel intolerable.
El umbral FM ( FMT ) puede calcularse como:
rMHzFM FBT ++−= )log(10104 (28)
La razón señal/ruido ( NS ) se calcula por medio de la expresión:
))30(10(Pr)( FKTBeLogdbmNS
++−= (29)
donde:
Pr= Potencia Recibida.
K= Constante de Boltzman(1.38*10-23)
T= Temperatura en grados Kelvin.
F= Figura del ruido en dB.
Be= Ancho de banda del sistema.
Capitulo II 88
En función de la relación señal/ruido, el ruido térmico viene expresado
por:
( )10
90
10N
S
N−
= (pw) (30)
8.3. RUIDO DE INTERFERENCIA
La interferencia en los sistemas de radio, que causa degradamiento en la
transmisión, puede ser introducida a través de las antenas, guías de onda,
cables, radiación o por las espureas producidas en el mismo equipo de radio.
Debido a que un sistema de radio depende del medio atmosférico para
la transmisión, está sujeto a la interferencia de sistemas que usen el mismo
medio. Esto incluye no solo el equipo de radio, radar y otros dispositivos, sino
también otras partes del mismo sistema.
En los casos más simples estas pueden ser productos de espureas o
combinaciones de productos, que llegan a la entrada del receptor,
produciendo un resultado neto de interferencia en la sección de frecuencia
intermedia del receptor.
8.4. INTERFERENCIAS DE RF
Capitulo II 89
Las interferencias consideradas en un diseño de red digital de
microondas son originadas principalmente por los arreglos de canales de RF
y por problemas de propagación; generalmente causan un prejuicio sobre la
calidad de la transmisión.
Desde la presencia de co-canales y/o canales de RF adyacentes en el
mismo tramo o en tramos cercanos, es de cualquier modo causa de
interferencia. El objetivo de la evaluación de las interferencias sobre cada
tramo será la definición del valor de los posibles efectos de degradación
sobre la portadora, considerada por una o más señales de interferencia.
Esto origina algunos criterios de diseño de redes que son parcialmente
diferentes de los usados hasta ahora por redes analógicas FDM/FM
completamente.
En particular, tres condiciones de interferencia deben ser
consideradas:
- DIGITAL-DIGITAL
- ANALÓGICO-DIGITAL
- DIGITAL-ANALÓGICO
Los sistemas digitales son altamente tolerantes a interferencias.
Un ejemplo concreto de estos rasgos es la aplicación común de la
transmisión de co-canales de dos bancos digitales (baja/mediana capacidad),
donde la operación correcta del sistema se basa en el desacople de la
polarización cruzada (XPD).
Capitulo II 90
De tal manera que la señal digital trabaja bien uniforme con un muy
bajo radio de portadora a interferencia (carrier to interference: IC = 15 - 40
dB de acuerdo al esquema de modulación).
Sobre las bases de este principio, esto es considerado frecuentemente
el mayor problema en una mezcla de red analógico/digital, es decir, por la
interferencia digital-analógico.
Sin embargo en una red compleja hay mucha interferencia,
configuraciones donde el banco digital puede mantener el valor IC mínimo
aceptable, incluso en condiciones de desvanecimiento.
La tolerancia de IC digital depende principalmente del sistema de
modulación.
En particular, el sistema de modulación que requiere un bajo nivel de
señal a ruido ( NS ) para el umbral BER (bit error ratio) es más tolerante a las
interferencias.
De tal manera que una modulación del tipo 4 PSK será por ejemplo
más resistente que una del tipo 16 QAM debido al umbral (threshold)
producido por un IC bajo.
8.5. RELACIÓN SEÑAL/RUIDO
Capitulo II 91
Para cuantificar el efecto del ruido sobre la inteligibilidad de un mensaje,
hay que definirlo en términos matemáticos. Pero como el ruido es una señal
aleatoria, no es posible establecer una expresión algebraica que defina
implícitamente una relación amplitud vs. tiempo para el ruido. Sin embargo,
hay una manera de cuantificar o caracterizar el efecto del ruido en los
sistemas de comunicación y esto se hace mediante el “criterio de la relación
señal/ruido, NS ”.
Una relación señal/ruido se puede definir en diferentes formas; esto
es, pueden ser relaciones entre valores eficaces, valores instantáneos,
valores picos o de potencia. Por eso, al hablar de relación señal/ruido hay
que especificar que tipo de valores se toma. La caracterización mas
empleada para la relación señal/ruido es aquella definida como “la razón
entre el valor promedio de la potencia de la señal útil con respecto al valor
promedio de la potencia de ruido”; para conveniencia, todas estas potencias
estarán normalizadas en base a una resistencia de 1 ohm.
El criterio de la relación NS así definido, es particularmente útil en el
diseño y comparación de sistemas analógicos. Por ejemplo, la relación NS
en un canal telefónico normal no debe bajar de 26 dB, mientras que para una
reproducción de alta fidelidad aceptable la relación la relación NS debe ser
de por lo menos 50 dB.
Capitulo II 92
La relación NS es entonces uno de los parámetros más importantes
en los sistemas de comunicación. El ingeniero de comunicaciones debe
conocer perfectamente la influencia que sobre ella ejercen otros parámetros
del sistema (ganancia, ancho de banda, etc.) para poder optimizar la relación
NS .
8.6. CONSIDERACIONES ACERCA DEL RUIDO EN LOS ENLACE DE
RADIOS
La confiabilidad de un sistema de microondas se expresa en base a las
condiciones del ruido a las cuales está sometido dicho sistema. El UITT ha
emitido consideraciones sobre las cuales debe estar el ruido máximo
causado por el enlace en función del tipo de señal que esta transmitiendo. Es
de hacer notar que cuando un sistema cumple las recomendaciones para
comunicaciones telefónicas también se cumple (salvo raras excepciones)
para las transmisiones de televisión y telegrafía.
Para cumplir con el UITT toda suma de ruidos del enlace tiene que
ser:
• Menor o igual que (3d + 200) pwp para d > 840 Km.
• Menor o igual que (3d + 400) pwp para 840 < d < 1670 Km.
• Menor o igual que (3d + 600) pwp para 1670 < d ≤ 2500 Km.
donde d es igual a la longitud total del enlace (Km).
Capitulo II 93
9. SISTEMAS DE TRANSMISIÓN DIGITAL
9.1. MODULACIÓN POR PULSOS CODIFICADOS (PCM)
El código de modulación por pulsos codificados es un método de
modulación en el cual una onda analógica es transmitida en una forma digital
equivalente. Uno de los fundamentos de este método de modulación es el
teorema de muestreo. Según este teorema si una señal de banda limitada es
muestreada a intervalos regulares de tiempo, y a una tasa igual o mayor que
el doble de la mayor frecuencia significativa de la señal, entonces el
muestreo contiene toda la información de la señal original. La señal original
puede ser reconstruida mediante el uso de un filtro pasabajo.
Para desarrollar una señal PCM de una o varias señales analógicas,
deben seguirse tres procesos: muestreo, cuantificación y codificación. El
resultado es una señal binaria en serie o un flujo de bits, la cual puede o no
ser aplicada a una línea de transmisión con un paso adicional de modulación.
Una de las principales ventajas de la transmisión digital es que las
señales pueden ser regeneradas en puntos intermedios del enlace. La
desventaja asociada a esto es un incremento en el ancho de banda
requerida para PCM. Los sistemas prácticos requieren un ancho de banda 16
veces mayor que sus contrapartes analógicos. La regeneración de la señal
digital es simplificada y particularmente efectiva cuando la señal transmitida
Capitulo II 94
es binaria las cuales toleran niveles de ruido considerablemente mayores a
los que soportan los sistemas analógicos.
9.1.1 CONSTRUCCIÓN DE UNA SEÑAL PCM
9.1.1.1. MUESTREO
El muestreo es la acción de tomar representaciones de una señal a
instantes de tiempos fijos para de esta manera obtener una replica discreta
de la señal original; este muestreo debe hacerse a una frecuencia no menor
del doble de la frecuencia máxima de la señal original.
Si se toma un canal de voz estándar de 300 - 3400 Hz, y se muestrea
con una tasa de 8000 muestras por segundo, se estaría cumpliendo con el
teorema del muestreo, y se puede esperar recuperar toda la información de
la señal original. De esta manera los muestreos para canales de voz se
hacen cada 125µseg.
9.1.1.2. ONDA PAM
Casi todos los sistemas prácticos de PCM involucran multiplexación
por división de tiempo (TDM). En este caso, el muestreo no se realiza sobre
Capitulo II 95
un canal de voz sino sobre varios, generalmente 24 ó 30. El resultado de
este muestreo múltiple es una onda modulada por amplitud de pulsos (PAM).
Si un canal de voz nominal de 4 KHz debe ser muestreado 8000 veces
por segundo y un grupo de 24 canales de voz deben ser muestreados
secuencialmente para interponerse entre ellos, formando una onda PAM
multiplexada, este proceso debe ser hecho mediante un suicheo digital.
Operando un suiche por un periodo de 5.2 µseg por cada canal de voz, son
muestreados sucesivamente los canales desde el 1 hasta el 24. Esta
secuencia debe ser hecha en un período de 125 µseg. Este periodo puede
ser llamado arreglo (frame).
9.1.1.3 CUANTIFICACIÓN
Las muestras de señales de voz u otras señales continuas tienen una
banda continua de amplitud y por lo tanto los niveles de amplitud de estas
señales son infinitos. Como los sentidos humanos son capaces de percibir
solo diferencias finitas de intensidad, es posible aproximar los niveles
continuos de intensidad por números finitos de niveles discretos. Si se
asignan niveles discretos de amplitud con un espaciamiento lo
suficientemente cercano, se puede hacer que la señal aproximada
prácticamente no se distinga de la señal continua original.
Capitulo II 96
La conversión de una muestra analógica (continua) de la señal a una
forma digital (discreta) se conoce como proceso de cuantificación.
La diferencia entre dos valores discretos se conoce como “cuanto” o
magnitud de escalón. El error de cuantificación consta de las diferencias de
entrada y salida del cuantificador, siendo el máximo valor de este error la
mitad de un paso de cuanto.
9.1.1.4. CODIFICACIÓN
Los sistemas prácticos de PCM usan códigos binarios de 7 y 8 niveles,
es decir:
27 = 128 niveles
28 = 256 niveles.
Existen métodos para el mejor aprovechamiento del número de
niveles, con el fin de lograr una fidelidad aceptable sin aumentar en exceso el
número de niveles.
Uno de los sistemas más usados, consiste en asignar mayor número
de niveles para las amplitudes más pequeñas de la señal.
Esta curva es usada por los sistemas europeos (CEPT) de 30+2
canales y se conoce como ley A. La curva se obtiene mediante la formula:
´log1 AAX
Y+
= 0≤ V≤ V/A (31)
Capitulo II 97
AAX
Ylog1
)log(1+
+= V/A ≤ V ≤ V (32)
donde A=87.6. La ley µ (utilizada en Japón y limitada a sistemas PCM de 24
canales) establece:
)1log()1log(
µµ
++
=X
Y 0 ≤ V ≤ V/ µ (33)
donde µ =255
9.1.1.5. MULTIPLEXACIÓN
Es la transmisión simultánea de dos o más señales a través de un
único canal utilizando división de tiempo o división de frecuencia. El proceso
de operación multicanal permite mediante la técnica de multiplexación,
combinar en el transmisor los mensajes de varias fuentes de información,
transmitirlos como un solo bloque y luego separarlos en el receptor. Como
solamente se necesita un transmisor y un receptor, aunque mucho más
complicados, una ventaja de la operación multicanal es la disminución de
equipo y, por su puesto, costo. La gama asignada a cada mensaje individual
se denomina comunmente “canal”.
Capitulo II 98
• MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN DE FRECUENCIA:
Es el proceso para la transmisión de dos o más señales en una vía
común, mediante la utilización de una banda de frecuencias distinta para
cada señal; se abrevia FDM.
• MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN DE TIEMPO:
Es el proceso para la transmisión de dos o más señales en una vía
común, mediante la utilización de intervalos sucesivos de tiempo para las
diferentes señales; se abrevia TDM.
En ambos sistemas FDM y TDM, las señales de canales individuales son
moduladas y multiplexadas por los equipos terminales de una manera más
eficiente para su transmisión. La diferencia es que en los sistemas FDM, para
discriminar las señales provenientes de diferentes canales, estos se
convierten a diferentes frecuencias; mientras que en TDM, las señales son
transmitidas en diferentes momentos.
9.2. EL CONCEPTO DE ARREGLO (FRAME)
El resultado final del proceso de muestreo, cuantificación y
codificación es una serie de pulsos, que requiere cierta indicación o
Capitulo II 99
identificación del comienzo de la secuencia de muestreo. Esta identificación
le indica al receptor cuando comienza y termina cada secuencia completa de
muestreo; a este ciclo completo se le llama arreglo (frame).
El sistema CEPT 30+2, es un sistema de 32 canales, de los cuales 30
se utilizan para la transmisión de voz o datos, y los otros dos canales se
utilizan para la transmisión de información de sincronización y señalización,
cada canal es alojado en una ranura de tiempo y se numeran desde 0 hasta
31 como se observa en la tabla 5.
Tabla 2.5. Información según el canal.
CANAL TIPO DE INFORMACION
0 SINCRONIZACION
1 - 15 VOZ O DATOS
16 SEÑALIZACION
17 - 31 VOZ O DATOS
Fuente: Sandrea y Valecillos (1996).
En el canal 0 un código de sincronización o palabra es transmitida
cada 2 arreglos, ocupando los dígitos del 2 al 8 como sigue:
0011011
Capitulo II 100
En los arreglos sin la palabra de sincronización, el segundo bit del
canal 0 es mantenido en 1 y los restantes bits del canal pueden ser usados
para la transmisión de señales de supervisión e información.
9.3. MODULACIÓN DIGITAL: ASK, FSK, Y PSK
Así como existe una multitud de técnicas de modulación para señales
analógicas, también la información digital se puede imprimir sobre una onda
portadora de muchas maneras.
Dado un mensaje digital, la técnica de modulación más sencilla es la
manipulación por corrimiento de amplitud (ASK), donde la amplitud de la
portadora se conmuta entre dos ó más valores, por lo general el puesto (on)
y el fuera (off) de las señales binarias. La onda modulada resultante consiste
entonces de pulsos de RF o marcas, que representan al binario 1, y
espacios, que representan al binario 0. De manera similar, se podría
manipular la frecuencia o fase dando la manipulación por corrimiento de
frecuencias (FSK) o la manipulación por corrimiento de fase (PSK). Estos
tipos de modulación corresponden a la AM, FM y PM respectivamente, con
una señal modulante de pulso rectangular.
Capitulo II 101
9.4. MODULACIÓN PARA EQUIPOS DE BAJA Y MEDIA CAPACIDAD
Casi la totalidad de los diseños para equipos de baja y media capacidad
recurren a la modulación PSK de 4 estados de fase (4PSK). Sin embargo
algunos diseñadores recurren a modulaciones derivadas de FSK o QAM
(como es la modulación TCM Trellis Code Modulation).
En FSK se define el índice de modulación d como el producto de la
separación entre las frecuencias emitidas en Hz y la duración del símbolo T
en seg. En equipos comerciales se usa CP-FSK (Continuos Phase FSK) y
MSK (Minimum Shift Keyed) para 2 y 8 Mb/s.
En CP-FSK no existen cambios abruptos de frecuencia y el índice
adoptado es de 0.7. Cuando d= 0.5 se obtiene MSK logrando una
performance igual a 2PSK con demodulación coherente y con menor ancho
de banda que MSK.
9.5. CRITERIO DE LA TASA DE ERROR DE BIT (BER)
La UITT en la recomendación 378-3 describe el desempeño de un
sistema digital en términos de dos BER y de tres objetivos basados acerca
de los aumentos repentinos de error. Los dos BER tienen un valor alto y un
valor bajo. El valor alto de BER y los aumentos repentinos de error pueden
en muchos sistemas ser los objetivos más significantes y para el caso de los
Capitulo II 102
sistemas LOS pueden determinar el espacio de las repetidoras. El valor bajo
de BER puede servir de control de desempeño para la mayor parte del
tiempo (sobre el 80%) cuando los efectos de desvanecimiento son
despreciables y cuando la interferencia intersimbolos y la interferencia
intercanal comienzan a ser significativa.
Tomando en cuenta el valor bajo de BER la UITT ha propuesto un
diseño de tasa de error de 1 en 1010 por kilómetro para sistemas de
transmisión en un enlace digital hipotético de 25000 km. Para un enlace de
radio repetidor digital de 2500 km esto da una tasa de error de 2,5.10-7 la
cual excluye contribuciones producidas por los equipos multiplexores. Para
cerca del 80% del tiempo un BER de 1.10-7 debería ser usado para una
frecuencia hipotética de un enlace digital de 2500 km.
La porción del tiempo durante el cual el valor alto de BER puede ser
excedido tiene una gran influencia en el diseño de un sistema. Es deseable
establecer el más alto criterio de tasa de error para un circuito de referencia
de 2500 km para el 0.01% del tiempo, pero esto puede representar una
carga monetaria impráctica para una compañía de telecomunicaciones o de
administración al construir semejante sistema. Ciertamente un sistema
diseñado en el cual el BER no exceda mas del 0.1% para cualquier mes del
año resultaría un sistema más económico. Por otro lado este sistema no
podría ser comparado favorablemente con sistemas de microondas FDM-FM
(analógicos) ya existentes. Así un criterio de tasa de error entre 0.01% y
Capitulo II 103
0.1% reduciría los costos y prestaría un servicio de calidad. El valor del BER
debería estar en cualquiera de los casos entre 1.10-3 y 1.10-6 para la más alta
tasa en un enlace de 2500 km.
En el cálculo de un enlace de radio, el valor del BER se relaciona
directamente con la expresión 0NEb , dependiendo del tipo de modulación.
Existen tablas que relacionan un valor determinado de BER con dicha
relación para distintos tipos de modulación (AM, FM, PM). Si se desea
obtener el valor de esta relación para un valor diferente del BER que
establece la tabla, puede calcularse aproximadamente agregando 1 dB por
cada potencia de 10. Por ejemplo, para la modulación en FM CP-FSK, la
relación 0NEb es igual a 10.7 dB para un BER de 1.10-4. Para usar un BER
de 1.10-6 la relación seria 12.7 dB.
10. DESVANECIMIENTO
10.1. DEFINICIÓN DE DESVANECIMIENTO
El desvanecimiento es una pérdida de potencia adicional en el receptor.
La onda llega al receptor con una potencia promedio, pero en ciertos
períodos de tiempo esta potencia sufre un desvanecimiento pudiendo incluso
silenciarse el receptor.
Capitulo II 104
Como el ruido térmico y el de interferencia dependen del nivel de la
señal de entrada, estos aumentan con el desvanecimiento.
El desvanecimiento es un fenómeno que se cuantiza con una pérdida
en el canal de transmisión y como su origen se encuentra en las variaciones
climatológicas producidas en la zona de estudio, su comportamiento es
aleatorio y por lo tanto su tratamiento estadístico.
10.2. MARGEN DE DESVANECIMIENTO
El margen de desvanecimiento es el nivel al cual puede caer la señal
desde un nivel recibido sin desvanecimiento, antes que el sistema deje de
operar correctamente. Este margen provee un intervalo de “seguridad” para
proteger el enlace contra efectos de desvanecimiento por multitrayectoria,
interferencia y atenuación por lluvia.
Como se mencionó antes existen varios tipos de desvanecimiento según
las causas que lo producen. En el caso de enlace de radios de microondas
digital resaltan tres tipos: plano, selectivo, y por interferencia. Los dos
primeros engloban el desvanecimiento por multitrayectoria.
A fin de considerar los efectos de estos tipos de desvanecimiento se
define el margen de desvanecimiento compuesto (Composite Fade
Margin, CFM ) ver la figura 22.
Capitulo II 105
Figura 22. Margen de desvanecimiento.
Fuente: Antenas y conceptos básicos de propagación. C.E.T. (1997).
10.3. CAUSAS DEL DESVANECIMIENTO
Durante pequeños porcentajes de tiempo un enlace puede experimentar
que el nivel de señal disminuye o se distorsiona. A esto se le conoce como
desvanecimiento de la señal. Este desvanecimiento se debe principalmente a
dos fenómenos llamados desvanecimiento por multitrayectoria y
desvanecimiento debido a precipitaciones (lluvia).
Las interrupciones debidas a multitrayectoria son normalmente de corta
duración, menos de 10 segundos. La suma de estas interrupciones nos da el
comportamiento del error de los sistemas de enlace de radios y deberían ser
Capitulo II 106
comparados con los objetivos de la UITR dados en su Rec. 634-1.
Por otro lado, las interrupciones debido a precipitaciones generalmente
son mayores a los 10 segundos, se denominan “indisponibilidad” y es
agregada a la indisponibilidad total del enlace. Esta indisponibilidad total
debería ser comparada con los objetivos establecidos por la UITR en su Rec.
557.
El desvanecimiento debido a las diferentes capas de la atmósfera es el
factor de degradación dominante de los enlace de radios de microondas, a
frecuencias menores a aproximadamente 10 GHz; a frecuencias mayores la
degradación del comportamiento está denominado por desvanecimientos por
lluvia.
Algunas condiciones meteorológicas en el espacio que separa el
transmisor del receptor, pueden causar un efecto atenuador en la señal
recibida. Los rayos que normalmente se deberían perder en la troposfera
pueden ser refractados a la antena receptora y ser sumados a la señal
deseada. La relación entre la fase y amplitud de estas señales recibidas
determina la salida definitiva en el receptor.
Lo mencionado anteriormente afecta la transmisión de las señales
digitales de dos formas, permitiendo clasificar el desvanecimiento por
multitrayectoria en: plano, también conocido como no-selectivo o térmico, el
cual afecta principalmente los sistemas de radios digitales de pequeña
capacidad (8 – 16 Mbits/s) y en que todas las componentes de la señal
Capitulo II 107
portadora son atenuadas uniformemente a lo largo de la banda; y el
selectivo, también conocido como dispersivo, el cual como su nombre lo
indica es selectivo en frecuencia, es decir, solo algunas componentes
espectrales son atenuadas causando la distorsión del espectro, y tiene
mayor importancia en sistemas de mediana y alta capacidad (34 – 155
Mbits/s). Estos tipos de desvanecimientos pueden ocurrir individualmente;
ver figura 23.
Figura 23. Comparación entre los tipos de desvanecimiento por multitrayectoria.
Fuente: Antenas y conceptos básicos de propagación. C.E.T. (1997).
La interrupción total será la suma de la interrupción debida a la
interrupción plana y la interrupción selectiva; estos dos efectos serán
tratados separadamente.
Capitulo II 108
Es importante considerar lo siguiente: diseñar un sistema de alta
capacidad con un margen de desvanecimiento basado en compensar solo el
efecto plano puede ser engañoso, dado que los efectos selectivos tienen
consecuencias significativas en la cantidad de interrupción que un enlace
sufrirá debido a distorsiones en amplitud y retardo a lo largo del ancho de
banda del canal. Estas distorsiones causan un exceso de intermodulación
intersimbólica en lugar de un incremento en el ruido térmico contenido en la
señal recibida. El BER se puede sobrepasar sin una indicación de que el
margen de desvanecimiento plano se ha excedido.
10.4. DESVANECIMIENTO PLANO
Se debe a la absorción y dispersión del haz de microondas por el agua,
el vapor de agua y la lluvia. Reviste importancia únicamente en frecuencias
de 10 GHz y superiores pero su efecto es notable en frecuencias tan baja
como 6 GHz.
Unicamente las lluvias muy intensas pueden provocar una interrupción
total de un enlace de microondas, pero cuando tal cosa ocurre afecta
igualmente a todos los canales del enlace. Afortunadamente, durante la lluvia
intensa no se produce desvanecimiento debido a la propagación por
trayectos múltiples.
Capitulo II 109
Además, la atenuación varia con el tamaño de las gotas de lluvia, y
hasta el presente no se dispone de índices que permitan establecer una
correlación entre los índices pluviométricos y el tamaño de las gotas. Los
resultados experimentales concuerdan estrechamente con los valores
previstos en 11 GHz, que es la banda más afectada.
Se debe notar que la tasa de lluviosidad a ser considerada no es la
total anual, sino la intensidad instantánea en el momento de la ocurrencia.
10.5. DESVANECIMIENTO SELECTIVO
El desvanecimiento selectivo tiene como causa principal la propagación
por múltiples trayectos.
La onda directa es recibida junto con la secundaria (o secundarias),
reflejada o refractada. Dependiendo de la relación de fase entre ellas, el
modulo de la resultante puede asumir diversos valores, desde la suma de los
módulos de la onda incidente (sí están en fase) hasta el desvanecimiento
total (sí están en contrafase). A su vez, la relación de fase entre las ondas
incidente depende de la frecuencia instantánea y de la frecuencia entre los
tiempos de propagación en los trayectos directo e indirecto.
El desvanecimiento selectivo puede ser causado por la reflexión
(desvanecimiento de la zona de Fresnel), se produce cuando el rayo
reflejado reduce al rayo directo, es decir, siempre que el margen sobre
Capitulo II 110
obstáculos del trayecto es igual o cercano al radio de una zona par. La señal
en el receptor puede resultar disminuida en varios dB según sea el
coeficiente de reflexión del trayecto. Esto ocurre sobre todo cuando, por
negligencia se ha escogido para el margen sobre obstáculos un valor
cercano al radio de una zona par en condiciones atmosféricas normales. Las
capas atmosféricas elevadas pueden también provocar reflejos imposibles de
predecir o evitar.
En numerosos trayectos resulta imposible evitar los reflejos en el suelo
o en el agua. En algunos trayectos radioeléctricos sobre llanuras
desprovistas de vegetación o campos sembrados se han registrado
coeficientes de reflexión de hasta 0.9 que corresponde a reducciones de la
señal superiores a 20 dB.
10.6. DESVANECIMIENTO DEBIDO A LOS OBSTÁCULOS
Los rayos se curvan hacia arriba (k <1) lo que causa el bloqueo del
rayo incidente en el receptor. Se denomina este efecto “protuberancia de la
tierra”, pues al disminuir k la tierra parece sobresalir e interponerse al
trayecto radioeléctrico. El desvanecimiento de este tipo se produce sólo
raramente en los trayectos que han sido trazados teniendo en cuenta el
margen sobre obstáculos recomendado, pero cuando se produce afecta
simultáneamente a todos los canales radioeléctricos.
Capitulo II 111
10.7. RECOMENDACIONES EN RELACION AL DESVANECIMIENTO
El CCIR ha dado tres recomendaciones respecto al desvanecimiento, que
todo enlace de radio debe satisfacer para que su confiabilidad se mantenga
dentro de los limites establecidos. Las recomendaciones son las siguientes:
• PRIMERA RECOMENDACIÓN
En un enlace de radio de longitud d tal que:
50 km ≤ d ≤ 840 km
la potencia de ruido promedio tomado en una hora, no debe exceder el valor
(3d + 200) pw.
Esta potencia de ruido promedio en una hora se debe al ruido térmico
(propio de los equipos) y al ruido de desvanecimiento.
• SEGUNDA RECOMENDACIÓN
En un enlace de radio de longitud d tal que:
50 km ≤ d ≤ 840 km
la potencia de ruido promedio tomado en un minuto, con muestras en más
del 20% del tiempo de un mes no debe exceder el valor (3 d + 200) pw.
Capitulo II 112
• TERCERA RECOMENDACIÓN
En un enlace de radio de longitud d < 280 km, la probabilidad de que el
valor medio de potencia de ruido no exceda 47500 pw, debe ser como
máximo:
%0112.0%1.02500280
==P
si el enlace de radio tiene una longitud d > 280 km, la probabilidad de que el
valor medio de potencia de ruido no exceda los 47500 pw, debe ser como
máximo:
%1.02500
dP = (33)
11. ESTUDIO DE COMPORTAMIENTO Y DISPONIBILIDAD
Los criterios de comportamiento, por ser generales, deben ser algo
abstractos y en general no medibles directamente. Pero, tanto para planificar
una red, como para fijar limites en su comportamiento se necesitan valores
numéricos, así surgen los llamados parámetros de comportamiento.
Estos estudios son objetivos que determinan el tipo y calidad de servicio
que se puede transportar, la elección de los equipos para proveer la red, y
por último el costo y rentabilidad del servicio.
Capitulo II 113
El parámetro más fácil de medir es la tasa de error. En términos
generales la tasa de error, se encuentra contando el número de unidades de
información recibidas conteniendo errores Ne , y dividiendo por el número de
unidades de información recibidas Nt , durante un intervalo de medición
especificado, por lo tanto:
BERNtNe
= (35)
Usualmente el número de unidades de información recibidas, es igual al
número de unidades de información transmitidas, pero existen sistemas
donde las unidades de información pueden perderse, o llegar a duplicarse;
en estos casos podrían ser contados como errores, o ser contabilizadas
aparte.
Si la información no está estructurada o su estructura no es conocida
con anterioridad, la información se mide a nivel de bit y surge la tasa de
errores en los bit (BER). Si en cambio esta está estructurada, ya sea en
octetos o bloque de mayor longitud (hasta miles de bits); el bloque pasa a ser
la unidad de información. En estos casos se evalúa la tasa de bloques
erróneos (BLER). En general se entiende que el bloque es erróneo cuando
éste tiene uno más bits en error.
Capitulo II 114
Existe la posibilidad de que un vinculo deba transportar información
estructurada, pero que no se conozca la estructura por venir de distintas
fuentes. En este caso se adopta una duración del bloque arbitraria por
ejemplo: 1 seg, 1 dseg, etc. Surge así la tasa de segundos libres de error.
Estas generalmente se expresan en porcentajes, es decir, % SLE, % DSLE.
Se define una ráfaga como el agrupamiento de uno o más bits, que
comenzando y terminando con un bit en error, están separados de las
ráfagas adyacentes por un espacio de al menos G bits. Los errores que
aparecen más cerca que G se agrupan en una ráfaga (BURST).
Dado que cada uno de los servicios que serán transportados tiende a
tener diferentes requisitos de comportamiento, cada tipo de sistema (óptico,
enlace de radio, satélite, etc) tiene su capacidad de comportamiento y cada
red tiene una diferente estructura, el proceso de establecer objetivos no es
sencillo. Además, las telecomunicaciones modernas frecuentemente
involucran interconexiones de redes de diferentes operadores, tanto a nivel
nacional como internacional, por lo que la estandarización es necesaria para
asegurar una adecuada calidad de transmisión global cuando se hagan estas
interconexiones.
La primera responsabilidad es de la Unión Internacional de
Telecomunicaciones UIT (International Telecommunication Union, ITU), una
agencia especializada de la Organización de las Naciones Unidas (ONU). La
UIT tiene dos cuerpos técnicos principales que son: el CCITT (International
Capitulo II 115
Telegraph and Telephone Consultative) y el CCIR (International Radio
Consultative Committee). Estos cuerpos fueron denominados UITT e UITR,
respectivamente, en marzo de 1993 durante la reestructuración de la UIT.
Los estándares de comportamiento son tratados por un número separado de
grupos de estudios dentro de la UITT y la UITR. Para el caso del diseño de
sistemas de microondas digitales, los grupos más importantes son el grupo
de estudio XVIII del UITT, el cual es responsable de determinar los objetivos
de comportamiento de las redes en general y el grupo de estudio IX del
UITR, el cual es responsable de determinar los objetivos para el diseño de
los sistemas de microondas digitales que sean consistentes con los
requisitos de estas redes. Estos objetivos son publicados en forma de
recomendaciones y reportes.
Entonces, hay dos criterios fundamentales para describir la calidad de
una transmisión digital, estos son el comportamiento y la indisponibilidad.
La indisponibilidad es definida por la Rec. G.821 de la UITT como sigue:
Un período de tiempo indisponible (unavailable time, UAT) comienza
cuando la señal es interrumpida o la relación de bits errados (BER) en cada
segundo es peor que 10-3 por un período de 10 segundos consecutivos.
Estos 10 segundos son considerados tiempo indisponible. El período de
tiempo indisponible termina cuando la señal es puesta en servicio o el BER
en cada segundo es mucho mejor que 10-3 por un período de 10 segundos
consecutivos. Estos 10 segundos son considerados tiempo disponible.
Capitulo II 116
Es posible que este criterio de 10 segundos sea reevaluado en el futuro
ya que experiencias prácticas han demostrado que algunos servicios (por
ejemplo datos a alta velocidad, usuarios de telefonía celular) son intolerantes
a interrupciones en el orden de 10 segundos o más. De hecho se usa un
BER igual a 10-9 para evaluar el comportamiento de enlaces usados
exclusivamente para transmisión de datos.
Es común el uso de un término llamado interrupción (outage) cuando se
refiere a cualquier período de tiempo en que el BER excede 10-3. La
interrupción, por lo tanto, afecta tanto el comportamiento del error como la
disponibilidad.
Las redes nacionales e internacionales a lo largo del mundo tienen
muchas configuraciones si se toma en cuenta el tamaño del país, terreno,
población, etc. Por la tanto, los modelos de redes de transmisión son
necesarios para describir de una manera general estas redes.
Se debe tener en cuenta que los sistemas estarán ocasionalmente
indisponibles para su uso, ya sea por fallas del equipo, o debido a
perturbaciones importantes en el canal. Durante estos períodos la
información recibida puede ser esencialmente aleatoria, y la tasa de error, si
se mide, seria muy alta; el comportamiento normal del sistema se vería
oscurecido si tales mediciones fueran incluidas en el calculo de los
parámetros de comportamientos.
Capitulo II 117
11.1. ESTUDIO DE OBJETIVOS DE COMPORTAMIENTO DE UN ENLACE
Los parámetros usados por la UITR e UITT para medir el
comportamiento del error son llamados: Segundos con muchos errores
(severely errored seconds, SES ), minutos degradados (degraded minutes,
DM ), segundos errados (errored seconds, ES ). Hay otro parámetro
denominado BER residual (residual BER, RBER) que mide el
comportamiento del enlace cuando está libre de errores.
A continuación se muestra la definición de cada uno de estos
parámetros:
• Minutos degradados (DM ): un minuto degradado es un período de 60
s durante el cual el BER promedio es mayor que 10-6. En este período no
se incluyen los segundos de UAT y SES . Un BER de 10-6 es el punto a
partir del cual las degradaciones comienzan a ser perceptibles para
telefonía.
• Segundos con muchos errores (SES ): son aquellos segundos en que el
BER es mayor que 10-3 pero en períodos más cortos que 10 s. Un BER
de 10-3 es el punto desde el que la degradación se vuelve inaceptable
para la mayoría de los servicios y muchos procesos en las redes de
transmisión comienzan a fallar (por ejemplo los multiplexores pierden la
alineación de trama).
• Segundos errados (ES ): período de un segundo con al menos un bit
Capitulo II 118
errado. Se especifica a 64 kbit/s.
• BER residual (RBER): caracteriza el comportamiento del error en
ausencia de desvanecimiento.
11.2. DISPONIBILIDAD DE UN ENLACE
La indisponibilidad es una medida de la cantidad de tiempo que un
sistema no está capacitado para prestar servicio. Por lo tanto, las
interrupciones con una duración relativamente larga tales como fallas de
equipos y las interrupciones de corta duración como las producidas por lluvia,
pueden contribuir a la indisponibilidad. Por convención, los objetivos de
disponibilidad son normalmente expresados como un porcentaje de un año o
mayor.
Las causas de la indisponibilidad son básicamente:
• Condiciones de propagación (multitrayectoria y lluvia)
• Fallas de equipos y mantenimiento
Todas estas causas se deben tomar en cuenta a la hora de calcular la
indisponibilidad total.
Adicionalmente, la disponibilidad se define como:
( )%100 lidadIndisonibiidadDisponibil −= (36)
Capitulo II 119
11.2.1. CAUSAS DE INDISPONIBILIDAD
11.2.1.1. CONDICIONES DE PROPAGACIÓN (MULTITRAYECTORIA)
Las condiciones de propagación que afectan la disponibilidad son
aquellas que son constantes y tardan en cambiar su condición, como la
atenuación por lluvia y la presencia de ductos. La indisponibilidad debido a
las condiciones de propagación usualmente son insignificantes en la mayoría
de los enlaces de larga distancia donde la frecuencia de operación
generalmente está por debajo de los 10 GHz, y el mayor problema es el
desvanecimiento por multitrayectoria, que generalmente tiene duraciones
menores a los 10 s. La indisponibilidad por lluvia, que se explicara más
adelante, se convierte en el problema realmente importante para frecuencias
mayores a los 10 GHz. De hecho, es uno de los factores que prácticamente
determina la longitud de los enlaces con frecuencias operando por encima de
los 15 GHz.
11.2.1.2. EQUIPOS
La confiabilidad de un equipo es usualmente expresada como el tiempo
promedio entre fallas (Mean Time Between Failures, MTBF ). Algunos
fabricantes de equipos de enlace de radios digitales dan MTBF en el orden
Capitulo II 120
de las 100.000 horas o más para un equipo de radio terminal sin protección.
El MTBF da una medida de la frecuencia y número de interrupciones
debidas a fallas en los equipos, pero la indisponibilidad también depende de
la duración de la falla.
La duración de la falla se describe normalmente como el tiempo
promedio de restauración (Mean Time To Restore, MTTR ) medido en horas.
En un sistema sin protección del MTTR depende de la eficiencia y
organización del mantenimiento, incluye el diagnóstico del sistema, la
organización del personal (número, localización, horas de trabajo, etc). Un
MTTR de unas pocas horas es típico en estaciones urbanas, es decir, que el
personal se encuentre en la estación o la misma sea de fácil acceso. En
estaciones de radio repetidoras, remotas y extraurbanas, es más difícil
restablecer el servicio rápidamente sin el uso de sistemas automáticos de
conmutación de protección (configuración Monitor Hot Stand-By, MHSB ).
11.2.1.3. LLUVIA
La transmisión de señales de microondas por encima de
aproximadamente 10 GHz es vulnerable a la precipitación. La lluvia, nieve,
ventisca, partículas de hielo y granizo pueden atenuar y dispersar las señales
de microondas, lo que resulta en una disponibilidad reducida desde el punto
de vista de calidad del sistema. La energía se atenúa debido a la radiación
Capitulo II 121
(dispersión) y la absorción (calentamiento).
La atenuación debido a la absorción es mayor que la atenuación debido
a la dispersión para longitudes de onda que son grandes comparadas con el
tamaño de la gota. Para longitudes de onda que son pequeñas comparadas
con el tamaño de la gota, la atenuación debido a dispersión es más grande
que la atenuación debido a la absorción.
B. REVICION DE LITERATURA.
En la actualidad existe una gran diversidad de información relacionada
con el tema en cuestión, y esta mencionada información podría tener como
fuentes manuales, trabajos de grado, proyectos, etc.
Entre los trabajos de grado que presentaron una perspectiva
interesante y muy relacionada con el tema, podríamos mencionar:
La investigación realizada en la empresa PEQUIVEN por el Bachiller
José Abdel Chacon Oliveros, Titulada Diseño de un Sistema Radio Móvil
Especializado Basado en Tecnología Troncalizada Caso: PEQUIVEN,
Complejo Zulia. (1997) Obtenido como resultado la prevención de un
congestionamiento del sistema de radio móvil convencional instalado
actualmente en el complejo Zulia.
Capitulo II 122
En esta misma linea de investigación son coincidente los estudios de
SANDREA Y VALECILLOS (1996) DISEÑO DE UN SISTEMA DE
COMUNICACIÓN VIA MICROONDAS DIGITAL ENTRE LAS
LOCALIDADES SABANETA DE PALMA / MARACAIBO. CANTV. REGION
NOROCCIDENTAL. Quienes con un profundo estudio teórico alcanzaron los
objetivos planteados en su investigación, proyectado así las características
de una plataforma de interconexión que le permitiría. a la CANTV abordar la
problemática planteada.
C. DEFINICION DE TERMINOS BASICOS.
Dado el lenguaje utilizado en la presente investigación, es
imprescindible la definición de la terminología utilizada en la misma. De un
resumen de varias fuentes bibliográficas consultadas por el autor ANTONIO
NAVA se obtuvieron los siguientes términos básicos:
ü Ancho de Banda: Rango de frecuencias asignadas a un canal.
ü Antena isotrópica: es una antena ideal con ganancia unitaria (0db). Esta
irradia igualmente en todas direcciones, es decir, es perfectamente
omnidireccional.
ü Atenuación: se conoce como la perdida de la potencia transmitida al ser
recibiàa.
Capitulo II 123
ü Asíncorna: Un método de transmisión que no requiere de un reloj común,
ya que separa los campos de los datos por bits de inicio y finalización.
ü Banda base: Es el lugar de la comunicación donde se introducen las
señales y ruidos a nivel de canales, de ese punto pasara a la fase de
modulación.
ü Baudio: Unidad de memoria que denota él numero de elementos de
señales (bits), que pueden ser transmitidos en un segundo.
ü BER (Bit Error Rate): Consiste en una variable que nos indica la tasa de
bit errados que es causada por una determinada transmisión, para así
determinar la calidad del sistema.
ü Canal de transmisión: Es el enlace eléctrico entre el transmisor y el
receptor, siendo el puente de unión entre la fuente y el destino.
ü Circuito de datos: Es el circuito entre la estación terminal de datos y una
central de comunicación de datos y/o concentrador. El circuito de datos
incluye el equipo terminal del circuito de datos en el lado terminal, y
también puede incluir un equipo similar a este en el lugar donde se
encuentra instalada la central de conmutación de datos o concentrador.
ü Decibel: Es la unidad utilizada para expresar las ganancias y/o
atenuaciones en forma logarítmicas.
ü Demultiplexación: Es el proceso de separar dos o más señales que,
fueran previamente conbinadas (Multiplexadas) por un multiplexor y
transmitidas sobre un canal simple.
Capitulo II 124
ü Demodulación: Se puede definir como el proceso inverso de la
modulación.
ü Distorsión: es la alteración de la señal debido a la respuesta imperfecta
del sistema a ella misma.
ü Enlace Multiplex: Es un enlace que habilita el equipo terminal de datos,
para tener acceso a varios canales de una red sobre un circuito simple.
ü Frecuencia: Cantidad de ciclos que completa una onda por unidad de
tiempo.
ü Frecuencia de portadora: Es la frecuencia de la inmodulada
fundamental puesta afuera de un radio transmisor.
ü Guía de Onda: Es el conductor utilizado para la conexión física entre el
transmisor y la antena, depende de la frecuencia de trabajo y del tramo a
recorrer.
ü Interferencia: es la contaminación por señales extrañas, generalmente
artificiales y de forma similar a las de la señal.
ü Interconexión: En hardware, se aplica el limite entre dos unidades, a
través del cual todas las señales que pasan son cuidadosamente
definidas. Dicha definición incluye niveles de señal, impedancia, tiempos,
secuencias de operaciones y el significado de las señales. En Software
hace referencia a las características de la forma empleada para
comunicar dos módulos que actúan dentro de un entorno relacionado.
Capitulo II 125
ü Interfaz: Interacción entre elemento de Hardware, Software y seres
humanos; las interfaces de hardware son trayectorias físicas que deben
conectar e intercambiar señales electrónicas en un orden preestablecido.
Las interfaces de Software están constituidas por los mensajes
específicos establecidos entre los programas. Las pantallas de las
terminales, los teclados y los mandos de bastón son ejemplos de
interfaces hombre/maquina.
ü Línea de abonados: Termino de uso general, para describir una “línea
telefónica” o un “circuito de datos”.
ü Medio homogéneo: Es el medio cuyo de refracción es la unidad.
ü Microondas: Onda electromagnética, con una frecuencia superior a 900
Mhz. Las señales son transmitidas por antenas especiales que deben
estar a la vista.
ü Módem: Son dispositivos destinados especialmente a la conversión de
señales digitales en analógicas y viceversa, su nombre proviene de la
contracción de modulación y demodulación.
ü Modulación: Es el proceso de modificación de algunas características de
la onda portadora de acuerdo con valores puntuales de la información a
ser transmitida.
ü Multipunto: Forma de conectar varios lugares para transmitir información
entre ellos.
Capitulo II 126
ü Nodo: Es la descripción topográfica de una red, un nodo es un punto de
unión de enlaces o de conmutación de las rutas que siguen los mensajes
de datos, desde el punto de vista del flujo de datos.
ü Polarización: se produce cuando los vectores correspondientes a los
campos eléctrico y magnético, relacionados con una onda
electromagnética viajan a ángulos rectos entre si y también a la dirección
de propagación de la onda.
ü Protocolo de comunicación: Norma de comunicaciones, un protocolo es
un conjunto de características del software, hardware y procedimientos
que permiten a un sistema (como terminal o computadora), intercambiar
mensajes con otro mediante una red de comunicaciones.
ü Receptor: es el elemento que extrae la señal del canal y la entrega al
transductor de salida.
ü Reflexión: es cuando una onda viaja en cierto medio y encuentra una
frontera que conduce a otro, donde parte de la onda incidente rebota en
el primer medio con el mismo ángulo de incidencia.
ü Refracción: consiste en la transmisión de una onda de un medio a otro.
ü Ruido: Son señales aleatorias e impredecibles de tipo eléctrico
originadas de forma natural dentro o fuera del sistema.
ü Transmisor: es el elemento encargado dentro de un sistema de
comunicación de pasar el mensaje al canal en forma de señal.
ü Transmisión analógica: son aquellos sistemas en los cuales las formas
Capitulo II 127
de onda que conducen la información se reproducen en el destino sin el
empleo de técnicas de codificación digital.
ü Transmisión digital: Es una secuencia ordenada de símbolos
obtenidos de un alfabeto de tamaño finito.
D. DEFINICION DE VARIABLES.
Las variables que se consideran en esta investigación son:
ü Degradaciones.
ü Enlace de radio.
DEFINICION CONCEPTUAL:
ü Degradaciones: Efecto de degradar o degradarse.(Fuente: Enciclopedia
Microsofft Encarta 97.
ü Enlace de Radio: Un enlace de radio es la interconexión de dos sitios a
través de un canal de transmisión el cual es el espacio libre o atmósfera
de la tierra. Es necesario que no existan obstáculos entre los dos sitios
que impidan el pase de la señal radial. (Fuente: Introducción a los
sistemas de radio digital. C. E. T.).
Capitulo II 128
DEFINICION OPERACIONAL.
ü Degradaciones: Es toda aquella alteración considerada como errores
en la transmisión, que producen una baja calidad en un enlace de
comunicación, pudiendo representarse como una tasa de B.E.R (Bit
Error Rate) con un índice relativamente alto.
ü Enlace de Radio: Es un medio de transmisión que utiliza el espacio
libre para el transporte de datos.
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