comunicaciones de radio hf
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CAPíTULO 9
CONTENIDO
CAMINO HACIA EL
FUTURO
1 3
APÉNDICE A
ESTÁNDARES
1 6
APÉNDICE B
GLOSARIO
1 9
lECTUR ADICIONAL
Nota: La terminología técnica los acronismos
representados en letra itálica en este libro se
definen en l Glosario del Apéndice B
INTRODUCCiÓN
Hubo
un
tiempo
en el
que la radiocomunicación era uno
de los pocos métodos de comunicaciones instantáneas a
distancia. Todos hemos visto películas
en
blanco y negro del
tiempo de guerra, cuando los radio operadores enviaban
código Morse utilizando voluminosos equipos. Después de la
Guerra Murídial, la industria de las comunicaciones dirigió
su atención a otras tecnologías, lo que llevó a un período de
bajo crecimiento en las comunicaciones de radio de alta
frecuencia HF) durante 1960 y 1970. Sin embargo,
HF,
también conocida como onda corta, está actualmente
experimentando un importante resurgimiento impulsado por
una infusión de nueva tecnología.
Génesis
La tecnología moderna de radio nació con la publicación
del Tratado de Electri cidad Magnet ismo de James Clerk
Maxwell en 1873, estableciendo la teoría básica de
propagación de las ondas elect romagnéticas.
Pero, las primeras ondas de radio fueron realmente
detectadas 15 años antes. En 1888, Heinrich Rudolph Hertz
el
científico con cuyo nombre se llama a la unidad de
frecuencia demostró que los disturbios generados por una
bobina de inducción tenían las características de las ondas
de radio de Maxwell. Su trabajo fue inspirado en los antiguos
experimentos de Guglielmo Marconi con
la
telegrafía
inalámbrica utilizando código Morse. Para 1896, Marconi
había enviado mensajes a distancias de unos pocos
kilómetros.
En algún momento se pensó que las ondas de radio
viajaban
en
la atmósfera
en
línea recta y que éllas, por
consiguiente, no podían ser de utilidad en la comunicaciones
transhorizonte. Esa opinión no desanimó a Marconi, sino
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que,
al
contrario, fu o 01prlmoro on domostrar la transmisión
de las ondas de radio on largas distancias. En 1901 en
Newfoundland, Canadá, él detectó una señal telegráfica
transmitida desde Cornwall, Inglaterra, distante 3.000
kilómetros. Como antena, utilizó
un
alambre de
12
metros
de largo, sostenido
en el
aire por una simple cometa.
El éxito de Marconi estimuló un esfuerzo intensivo para
explicar y explotar su descubrimiento. La pregunta sobre
cómo las ondas de radio podían ser recibidas alrededor de la
superficie de la tierra fue contestada eventualmente por
Edward Appleton. Fue este físico británico quien descubrió
que una capa de partículas cargadas eléctricamente o
ionizadas en la atmósfera de la tierra
la
ionósfera
,
era
capaz de reflejar las ondas de radio. Para
1920
los
científicos habían aplicado esta teoría y desarrollado modos
para medir y predecir las propiedades refractarias de la
ionósfera.
recimiento
Al pasar el tiempo, las características de propagación de
radio en HF fueron mejor entendidas. Los operadores
aprendieron, por ejemplo, que las frecuencias utilizables
variaban considerablemente según la hora del día y la
estación del año.
La tecnología de HF se desarrolló rápidamente. Para la
II
Guerra Mundial , el radio HF era el principal medio de
comunicaciones de larga distancia para los comandantes
militares, debido a que proporcionaba comunicaciones con
las fuerzas de tierra, mar y aire.
En manos de un operador experimentado, con años de
experiencia y entendido en los efectos de propagación de la
ionósfera, el radio HF proporcionaba rutlnariamente
confiabilidad y enlaces efectivos en varios miles de
2
kilómetros. En la actualidad, el radio HF juega
un
importante
papel permitiendo a las naciones en vías de desarrollo
establecer rápidamente un sistema nacional de
comunicaciones, a un precio razonable .
Recesión
La aparición de las comunicaciones de larga distancia vía
satélite en los años 6 inició un período de declinación del
interés en
el
radio HF Los satélites disponían de más canales
y podían manejar la transmisión de datos a mayores
velocidades. Adicionalmente, los enlaces satelitales
parecían eliminar la necesidad de operadores altamente
entrenados.
A medida que el tráfico de comunicaciones de larga
distancia migraba a sistemas satelitales , las comunicaciones
en HF fueron frecuentemente relegadas a
un
rol secundario.
El resultado fue que la preferencia del usuario por métodos
de comunicaciones de bandas más anchas, tales como las
satelitales, hizo que declinara la capacidad en HF así como el
número de operadores de radio .
Sin embargo, a través del tiempo se ha puesto de
manifiesto que las comunicaciones satelitales (con todas sus
ventajas) han tenido severas limitaciones. Los usuarios
militares han aumentado su preocupación en
lo
concerniente
a la vulnerabilidad de los satél ites al bloqueo y al daño físico y
han cuestionado si es un acierto depender exclusivamente
de éllos. Además, las comunicaciones satelitales y su
infraestructura de soporte son costosas de construír y
mantener.
Resurgimiento
En la última década, hemos asistido a un resurgimiento
del radio HF. La actividad de desarrollo e investigación se ha
intensificado y ha aparecido una nueva generación de equipo
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HF automatizado. Estos sistemas han permitido dramáticos
progresos en la confiabilidad de enlaces y conectividad,
mientras que se han eliminado los tediosos procedimientos
de operación manual requeridos para el uso de los equipos
de generaciones anteriores. Los radios HF adaptivos, en la
actualidad, son tan fáciles de usar como los teléfonos
inalámbricos.
A pesar de esto, continúa la percepción que el radio HF es
un medio inherentemente difícil y ésto solamente debido a
que algunos comunicadores recuerdan cómo las
comunicaciones en HF
solían
ser.
Confiamos que este libro despierte su interés, toda vez
que, está nuevamente siendo reconocida como un medio
robusto
y
altamente competitivo para las comunicaciones de
larga distancia ofreciendo innumerables capacidades. En
esta introducción a las comunicaciones en
HF
presentamos
información que le ayudará a comprender esta moderna
tecnología de radio. Cubriremos los principios de radio
HF
hablaremos sobre aplicaciones específicas y luego,
tomaremos en consideración el futuro de las
radiocomunicaciones en HF.
CAPíTULO 1 PRINCIPIOS DE LAS
RADIOCOMUNICACIONES
Para entender las radiocomunicaciones se comienza con
la comprensión de la radiación electromagnética básica.
Las ondas de radio pertenecen a la familia de la radiación
electromagnética, que incluye a los rayos x luz ultravioleta y
luz visible - formas de energía que utilizamos a diario. Así
como las delicadas ondas que se forman al arrojar una piedra
en un lago en calma, las señales de radio se irradian hacia
afuera, o se propagan, desde una antena de transmisión. Las
ondas de radio se propagan a la velocidad de la luz, no así las
ondas de agua en el lago.
Definimos a una onda de radio en términos de su
amplitud frecuencia
y
longitud de onda
Figura 1-1).
La amplitud de la onda de radio, o intensidad, puede ser
visualizada como su elevación - la distancia entre su pico y
su punto más bajo. La amplitud, que es medida en voltios, es
usualmente expresada por los ingenieros en términos de un
valor promedio llamado valor medio cuadrático, o RMS.
La frecuencia de una onda de radio es el número de
repeticiones o ciclos que completa en un período de tiempo.
La frecuencia se mide en hertzios Hz); un hertzio es igual a
un ciclo por segundo. Miles de hertzios se expresan como
kilohertzios KHz) y millones de hertzios como megahertzios
MHz). Usted podrá ver típicamente una frecuencia de
2,182,000 hertzios, por ejemplo, escrita como 2,182 KHz o
2.182 MHz.
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La longitud de la onda de radio es la distancia entre las
crestas de una onda.
El
producto de la longitud de onda por la
frecuencia es una constante que equivale a la velocidad de
propagación. Por
lo
tanto, mientras la frecuencia aumenta, la
longitud de onda disminuye y viceversa.
Ya
que las ondas de radio se propagan a la velocidad de la
luz 300 millones de metros por segundo) , usted puede
fácilmente determinar la longitud de la onda, en metros, para
cualquier frecuencia dividiendo 300 para la frecuencia, en
megahertzios. Así, la longitud de una onda de 10 MHz es de
30 metros, obtenidos por la división de 300 para 10.
El
Espectro de Radiofrecuencia
En el espectro de radiofrecuencia Figura 1-2), el rango de
frecuencia utilizable para ondas de radio se extiende desde
aproximadamente 20 KHz ligeramente sobre las ondas
sonoras) a 30.000 MHz. La longitud de onda de 20 KHz tiene
15 kilómetros de largo. En una de 30.000 MHz, la longitud de
onda es únicamente de 1 centímetro.
La banda de HF se define como el rango de frecuencias
de 3 a 30 MHz . En la práctica, la mayor parte de los radios HF
usan el espectro desde 1.6 a 30 MHz. La mayoría de las
comunicaciones de largo alcance en esta banda tienen lugar
entre 4 y 18 MHz. Frecuencias más altas 18 a 30 MHz)
pueden también estar disponibles de tiempo en tiempo,
dependiendo de las condiciones ionosféricas y de la hora del
día véase el Capítulo
2
.
En los inicios de la radio, a las frecuencias en HF se las
llamaba onda corta debido a que sus longitudes de onda 10 a
100 metros) eran más cortas que aquel/as de las estaciones
de radiodifusión comercial. El término aún se
lo
aplica a las
comunicaciones de radio de larga distancia.
signación
de Frecuencia
y
Modulación
Dentro del espectro de HF, se asignan grupos de
frecuencias para servicios específicos de radio - aviación,
marítimo, militar, gubernamental , radiodifusión , o
radioaficionados Figura 1-3). Más aún, las frecuencias son
reguladas de acuerdo con el tipo de transmisión :
emergencia, radiodifusión, voz, clave Morse, facsímil y
datos. Las asignaciones de frecuencia son regidas por
tratados internacionales y por autorización de instituciones
nacionales.
La asignación de una frecuencia es solamente el
comienzo de las radiocomunicaciones. Por si misma, una
onda de radio no transmite información. Es simplemente una
corriente rítmica de ondas continuas
CW).
Cuando modulamos las ondas de radio para transportar
información, nos referimos a él/as como portadoras. Para
llevar información, una portadora debe ser variada de tal
forma que sus propiedades - amplitud, frecuencia, o fase la
medida de
un
ciclo completo de onda) - sean cambiadas, o
moduladas,
por la señal de información .
El método más simple de modul r una portadora es
encendiéndola y apagándola mediante una clave telegráfica.
La
clave de encendido-apagado,
usando código Morse, fue
el único método de transmitir mensajes inalámbricos en los
inicios de la era de la radio.
Los métodos comunes actuales para las
radiocomunicaciones incluyen amplitud modulada
AM)
, que
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varía la intensidad de la portadora en proporción directa a los
cambios en la intensidad de una fuente tal como la voz
humana (Figura 1-4a) . En otras palabras, la información está
contenida en las variaciones de amplitud.
El proceso AM crea una portadora y un par de bandas
laterales duplicadas - las frecuencias cercanas sobre y
debajo de la portadora (Figura 1-4b). AM es una forma
relativamente ineficiente de modulación, ya que la portadora
debe generarse de forma continua. La mayor parte de la
potencia en una señal AM es consumida por la portadora, que
no lleva información; la potencia restante va a las bandas
laterales que transportan información.
En una técnica más eficiente, la banda lateral única
SSB) , la portadora y una de las bandas laterales son
suprimidas (Figura 1-4c). Solamente la banda lateral
restante, la superior (USB) o inferior (LSB), se transmite . Una
señal SSB necesita únicamente la mitad del
ancho de banda
de una señal AM y es producida sólo cuando una señal
modulada está presente. De esta manera, los sistemas SSB
son más eficientes, tanto en el uso del espectro que debe
ajustarse a varios usuarios, cuanto en la potencia de
transmisión. Toda la potencia transmitida va en la banda
lateral que lleva la información.
En este esquema, una variación usualmente utilizada por
comunicadores militares y comerciales es la amplitud
modulada equivalente AME), en la cual se transmite una
portadora a nivel reducido con la banda lateral. AME permite
usar un receptor relativamente simple para detectar la señal.
Otra variación importante es la banda lateral independiente
ISB), en
la que una banda lateral superior y una inferior, cada
una transportando información diferente, .son transmitidas.
De esta forma, por ejemplo, una banda lateral ·puede llevar
una señal de datos y la otra una señal de voz.
Frecuencia modulada
FM)
es una técnica en la cual la
frecuencia de la portadora varía
en
respuesta a los cambios
en la señal moduladora. Por un sinnúmero de razones
técnicas, FM convencional generalmente produce una señal
más limpia que AM, pero utiliza un ancho de banda mayor
que AM.
FM
de banda angosta es a veces usada en radio HF,
provee una mejora en la utilización del ancho de banda pero a
costa de la calidad de la señal.
Otros esquemas dan soporte a la transmisión de datos por
canales en
HF
incluyendo el desplazamiento de la frecuencia
o de la fase de la señal. Cubriremos estas técnicas en el
Capítulo 5.
Propagación de
l
nda de Radio
La propagación describe cómo las señales irradian desde
una fuente de transmisión hacia afuera. La acción es simple
de imaginarse cuando las ondas de radio viajan en línea recta
(recuerden esa piedra arrojada
al
lago
en
calma) . Sin
embargo, la trayectoria correcta que toman las ondas de
radio, es usualmente más compleja.
Existen dos modos básicos de propagación: ondas
terrestres y ondas espaciales. Como sus nombres lo indican,
las ondas terrestres viajan a lo largo de la superficie de la
tierra, mientras que las ondas espaciales se reflejan hacia la
tierra. La figura 1-5 ilustra las diferentes trayectorias de
propagación para las ondas de radio
HF.
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Las ondas terrestres tienen tres componentes: ondas de
superficie, ondas directas y ondas terrestres reflejadas.
Las ondas de superficie viajan a
lo
largo de la superficie de
la tierra, llegando más allá del horizonte. Eventualmente , la
energía de las ondas de superficie es absorbida por la tierra.
El alcance efectivo de las ondas de superficie es determinado
por la frecuencia y conductividad de la superficie sobre la que
viajan las ondas.
Las señales de radio transmitidas , que utilizan una
portadora que viaja como onda de superficie, dependen de la
potencia del transmisor, de la sensibilidad del receptor, de las
características de la antena y del tipo de trayectoria . Para un
equipo determinado, el alcance puede extenderse de 300 a
400 kilómetros (190 a 250 millas) sobre una trayectoria de
agua de mar conductiva. Sin embargo , sobre terreno árido,
rocoso, no conductivo,
el
alcance puede acortarse a menos
de 30 kilómetros (19 millas), aún con
el
mismo equipo.
Las ondas directas viajan
en
línea recta, debilitándose a
medida que aumenta la distancia. Pueden doblarse o
retractarse por la atmósfera, lo que extiende su rango útil
ligeramente, más allá del horizonte . Las antenas
transmisoras y receptoras deben tener la capacidad de
verse entre si para que tengan lugar las comunicaciones , de
tal forma que la altura ,de la antena es crítica
en
la
determinación del alcance. Debido a esto, a las ondas
directas se las conoce en ocasiones como ondas de línea de
vista
LOS).
10
Las ondas terrestres reflejadas constituyen la porción de
la onda propagada que se refleja desde la superficie de la
tierra entre el transmisor y el receptor.
Las ondas espaciales hacen posible las comunicaciones
más allá de la línea de vista BLOS). En ciertas frecuencias,
las ondas de radio son refractadas
o dobladas), regresando
a la tierra a cientos o miles de kilómetros de distancia.
Dependiendo de la frecuencia,de la hora del día y de las
condiciones atmosféricas, una señal puede rebotar varias
veces antes de llegar a un receptor.
El utilizar las ondas espaciales puede ser incierto ya que
la ionósfera cambia constantemente. En el siguiente capítulo
discutiremos las ondas espaciales con mayor detalle.
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E O N O ~
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FRECUENCIA
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NÚMERO DE CICLOS POR SEGUNDO (Hz)
Figura 1-1.
Propiedades de
una
Onda de Radio
LONGrTUD
1000 m 100m 10m
1 m
O.
3m
0.1 m
0. 1
m
DI
ONDA
R E C U E N C I 300
kHz
550
kHz 1
65
0 kHz 3 MHz
30 MHz 88 MH
z
108 MHz 300 MHz
1
GHz
3
GHz
30
GHz
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VHF
1
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Marítimo
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Aeronáutico
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14 18 22 26
30
Frecuencia en MHz
•
Figura 1-3. Distribuciones del Espectro de Radio HF
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AMPLITUD
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P O R T D O R ~
BANDA
LATERAL SUPERIOR
BANDA
LATERAL INFERIOR
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1 4b. Amplitud Modulada
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Figura
1-5.
Trayectorias
de Propagación
18
RESUMEN
• Lasseñalesderadiosepropaganatravésdel
espaciocomoondasdesdeunaantenatransmisora,
alavelocidaddelaluz
• Lafrecuenciaseexpresaen términosdehertzios
(ciclosporsegundo),kilohertzios(milesdeciclospor
segundo),omegahertz ios (millonesdeciclospor
segundo).
• Lafrecuenciadeterminalalongituddelaondade
radio ;lasfrecuenciasmásbajastienenmayor
longituddeondaylasfrecuenciasmásaltastienen
longitudesdeondamáscortas .
• Lascomunicacionesderadiodelargoalcancetienen
lugarenelrangodealtafrecuencia(HF)de 1,6a30
MHz.Diferentesporcionesdeestabandase
distribuyenparaserviciosespecíficosderadio ,bajo
acuerdosinternacionales.
• Modulacióneselprocesoporel cuallafase,
amplitud,ofrecuenciadelaportadoraesmodificada
parallevarinteligencia.
• LasondasderadioHFpuedenpropagarsecomo
ondasespaciales,lasquesonrefractadasdesdela
ionósferadelatierra,permitiendolas
comunicacionesatravésdelargasdistancias.
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CAPíTULO 2 - LA IONÓSFERA y LA
PROPAGACiÓN DE RADIO
N
HF
Para entender la propagación de las ondas espaciales, es
necesario considerar los efectos de la ionósfer y de la
actividad solar en la propagación de radio en
HF.
Además, se
debe estar familiarizado con las técnicas utilizadas para la
predicción de la propagación y seleccionar las mejores
frecuencias para un enlace particular en un determinado
tiempo. Comencemos con algunas definiciones.
La lonósfera Satélite de
la
Naturaleza
La ionósfera es una región de partículas cargadas con
electricidad o gases en la atmósfera terrestre, que se
extiende aproximadamente de 50 a 600 Km 30 a 375 millas)
sobre la superficie de la tierra. La ionización ,
el
proceso
en el
cual los electrones son despojados de los átomos
produciendo partículas cargadas con electricidad , proviene
de la radiación solar. Cuando la ionósfera se torna
densamente ionizada, los gases pueden volverse
luminiscentes y ser visibles. Este fenómeno es conocido
como Aurora Boreal y Aurora Austral.
Por qué es importante la ionósfera en
el
radio HF? Esta
capa de gases es como un satélite de la naturaleza y
realmente hace posible la mayor parte de las
comunicaciones de radio transhorizonte BLOS). Cuando las
ondas de radio golpean estas capas ionizadas, dependiendo
de la frecuencia, unas son absorbidas completamente, otras
son refractadas de modo que regresan a la tierra y otras
siguen su paso a través de la ionósfera,
al
espacio exterior. La
2
absorción tiende a ser mayor en las frecuencias más bajas y
se incrementa a medida que aumenta el grado de ionización.
El ángulo por
el
cual las ondas espaciales ingresan a la
ionósfera se lo conoce como
ángulo incidente
Figura 2-
1
.
Esto se determina por la longitud de onda y el tipo de antena
de transmisión. Así como una bola de billar rebota en
el
borde
de la mesa, una onda de radio se refleja desde la ionósfera en
el
mismo ángulo que la golpea. De esta manera,
el
ángulo
incidente es un factor importante para determinar
el
alcance
de las comunicaciones. Si necesita llegar a una estación que
esté relativamente distante de usted, desearía que el ángulo
incidente sea relativamente grande. Para comunicarse con
una estación más cercana,
el
ángulo incidente debería ser
relativamente pequeño.
El
ángulo incidente de una onda de radio es crítico,
y
que
si está casi vertical, pasará a través de la ionósfera sin ser
refractado hacia la tierra. Si el ángulo es demasiado grande,
las ondas serán absorbidas por las capas inferiores antes de
alcanzar las capas superiores con mayor densidad de
ionización. Entonces,
el
ángulo incidente debe ser suficiente
para permiti r el regreso de la onda de radio a la tierra y no tan
grande para que no sea absorbida.
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recombinen muy lentamente de forma que la capa retenga
sus propiedades de ionización aún después del ocaso.
En la jornada diaria la capa F se compone de dos capas
distintas la F
1
Y la F
2
.
La capa F
1,
que existe solamente
durante las horas diurnas y que es insignificante
en
invierno
no es importante para las comunicaciones HF. La capa F
2
alcanza su ionización máxima a medio día y permanece
cargada en la noche disminuye gradualmente hasta llegar a
su mínimo justo antes de la salida del sol.
Durante el día la reflexión de la onda espacial de la capa
F
2
requiere longitudes de onda lo suficientemente cortas para
penetrar las capas ionizadas D y E pero no tan cortas como
para atravesar la capa
F.
Generalmente las frecuencias de
10 a 20 M Hz lo harán pero las mismas frecuencias utilizadas
en la noche podrían penetrar la capa F y pasar al espacio
exterior. Las frecuencias más efectivas para comunicaciones
nocturnas de larga distancia son normalmente las que se
encuentran entre 3 y 8 MHz.
24
F
2
F
1
E D
F
2
155-375 MILLAS
F
1
90-155 MILLAS
Fjgura 2 2. Regiones e la lonósfera
25
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Factores que fectan la lonozación tmosférica
La intensidad de la radiación solar y consiguiente
ionización varía periódicamente. Por lo tanto, podemos
predecir la intensidad de la radiación solar basados en la hora
del día yen la estación, por ejemplo y efectuar ajustes en los
equipos para limitar u optimizar los efectos de la ionización.
La ionización es mayor durante primavera y verano
debido a que hay mayor número de horas de luz durante el
día. Las ondas espaciales se absorben o se debilitan
al
pasar
a través de las capas D y E densamente cargadas,
reduciendo, en efecto,
el
alcance de las comunicaciones de
la mayoría de bandas HF.
Debido a que hay pocas horas de luz en los días de otoño
e invierno, a las capas D y E llega menor radiación . Las
f r e u e n i ~ s más bajas pasan con facilidad a través de estas
capas débilmente ionizadas. Por ésto, las señales que llegan
a la capa F son más fuertes y se reflejan a través de
distancias más grandes.
Otra variación periódica de largo tiempo es el ciclo de 11
años de manchas solares Figura 2-3). Las manchas solares
generan ráfagas de radiación que causan niveles más altos
de ionización. Mientras más manchas solares, mayor es la
ionización . Durante los períodos de baja actividad de
manchas solares, las frecuencias sobre2 MHz tienden a ser
inutilizables porque las capas E y F están ionizadas muy
débilmente para reflejar las señales hacia la tierra. En el
punto máximo del ciclo de manchas solares, sin embargo, es
usual tener propagación mundial en frecuencias sobre los 30
MHz.
6
A más de estas variaciones regulares, existe una clase de
fenómenos impredecibles conocida como disturbios
ionosféricos repentinos SID) , que pueden afectar también a
las comunicaciones HF. Los SIDs, eventos aleatorios debido
a erupciones solares, pueden interrumpir la comunicación de
onda espacial por horas o por días. Las explosiones solares
producen intensa ionización de la capa D haciéndola que
absorba la mayor parte de las señales
H
por el lado de la
tierra que se encuentra con cara
al
sol.
Las tormentas magnéticas frecuentemente siguen a las
erupciones solares dentro de 20 a 40 horas. Las partículas
cargadas, producto de las tormentas, tienen un efecto de
difusión en la capa F neutralizando temporalmente sus
propiedades reflexivas.
7
-
8/18/2019 Comunicaciones de Radio HF
16/65
e e e e e e e e
ce .., e ce N ce ..,
N N N
saJelOS se40uew ap oJawl)N
28
'
. . . . JU)
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al
O
O
O
3
C?
C\I
as
:::l
C)
j i:
frecuencias MUF y LUF
La Frecuencia de Transmisión Optima FOT) es,
nominalmente, el 85 por ciento de la frecuencia MUF.
Generalmente, la frecuencia FOT es más baja
en
la noche y
más alta durante el día. Estas frecuencias se ilustran
en
la
Figura 2-4.
Adicionalmente a la frecuencia, la ruta en la que viaja la
señal de radio debe ser también considerada
en
la
optimización de las comunicaciones. Una señal recibida
puede estar formada de componentes que llegan por
diferentes rutas, incluyendo una o más trayectorias de onda
espacial y una trayectoria de onda terrestre. Los tiempos de
llegada de estos componentes difieren por las diferencias en
29
U)
1)
l;¡u.:
O:I:
U)
Q)
111
~
0 0
C o
IV IV
EtIl
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0
U)
-
Q
-
V
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_
U)
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O
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-
(1)
C
E
J
_
c=
el)
1115
0 . _
al
Optimización de
la
Frecuencia
y
de
la
Trayectoria
Debido a que las condiciones ionosféricas afectan la
propagación de las ondas de radio, las comunicaciones
deben determinar la mejor vía para optimizar las frecuencias
de radio
en
un tiempo determinado. La más alta frecuencia
posible que pueda utilizarse para transmitir en una
trayectoria
en
particular, bajo ciertas condiciones
ionosféricas, se llama la Frecuencia Máxima Utilizable
MUF). Las frecuencias más altas que MUF penetran la
ionósfera y continúan en
el
espacio. Las frecuencias más
bajas que MUF tienden a ser refractadas hacia la tierra.
A medida que se reduce la frecuencia, aumenta la
cantidad de absorción de la señal por la capa D
Eventualmente, la señal es absorbida completamente por la
ionósfera. La frecuencia
en
la que esto ocurre se llama la
Frecuencia Más Baja Utilizable LUF). Por consiguiente, la
ventana de frecuencias utilizables está entre las
-
8/18/2019 Comunicaciones de Radio HF
17/65
la longitud de la trayectoria;
el
rango de diferencias en tiempo
es la dispersión p r trayectoria múltiple. Los efectos de
dispersión por trayectoria múltiple pueden minimizarse
seleccionando una frecuencia
lo
más cercana posible a
la
frecuencia
MUF
Técnicas para redicción de la
ropagación
Debido a que muchas variables que afectan la
propagación siguen ciclos repetitivos y pueden
pronosticarse, se han desarrollado técnicas para determinar
efectivamente la frecuencia FOT.
Hay disponibles un buen número de programas de
computación para predicción de la propagación. Un
programa efectivo y ampliamente usado es
el
de Análisis y
Predicción de Comunicaciones lonosféricas
IONCAP) ,
que
predice el rendimiento del sistema en determinadas horas del
día como función de la frecuencia para una trayectoria
determinada de HF y
un
equipamiento específico.
Por supuesto, debido a que los métodos de predicción
computarizados se basan en datos históricos, no pueden
contabilizar las condiciones actuales que afectan a las
comunicaciones, como los cambios ionosféricos causados
por fenómenos aleatorios tales como interferencia y ruido
hablaremos sobre este tema más adelante) .
Un método más inmediato de predicción automatizada
utiliza el sondeo ionosférico. Un sistema, el denominado
Chirpsounder Emisor de Chirridos), utiliza estaciones
remotas para transmitir señales de prueba chirridos) que
barren todas las frecuencias de 2 a 30 MHz. El receptor
rastrea la señal , analiza su recepción en las frecuencias de
operación asignadas y exhibe los rangos de frecuencias para
propagación óptima.
Adicionalmente,
los
sistemas
modernos
de
comunicaciones HF están incrementando
el
uso de las
técnicas de Análisis de la Calidad del Enlace
LOA) .
En estos
sistemas, las estaciones transmisoras y receptoras cooperan
para evaluar automáticamente la calidad de los canales
disponibles. Cuando hay necesidad de comunicarse, la
informaci
ón
LOA es utilizada para seleccionar la mejor
frecuencia. En el Capítulo 6 conoceremos más de cerca esta
técnica.
30
31
-
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18/65
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: g ; i ~ ~
z l w z ~ o
w:::>W>ü
w(/)°OZ
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Q
f E ~ < ~
(/)ZZa:
-
8/18/2019 Comunicaciones de Radio HF
19/65
4
su salida. Un filtro pasabanda retira
el
ruido, las señales
5
solares incrementan la ionización, números menores
de manchas solares causan menor ionización.
• Las erupciones solares ocasionan disturbios
ionosféricos repentinos (8IDs), los que pueden
interrumpir las comunicaciones de
HF.
• Las técnicas de predicción de propagación, tales
como IONCAP, determinan
MUF
LUF y FOT para
una trayectoria de transmisión determinada y para la
hora del día. Otros métodos incluyen sondeo
ionosférico y Análisis de la Calidad del Enlace (LOA).
CAPíTULO 3 ELEMENTOS DE UN SISTEMA
E
RADIO HF
Ahora que ha obtenido una visión general sobre cómo se
propagan las ondas de radio, demos una mirada a cómo
éstas se generan. Los componentes principales de un
sistema de radio HF se clasifican en tres grupos:
transmisores, receptores y antenas. En muchos radios
modernos, el transmisor y el receptor están contenidos
en
una sola unidad llamada transceptor. En sistemas grandes y
fijos, las estaciones transmisoras y receptoras están
ubicadas
en
lugares separados, controladas frecuentemente
desde
un
tercer sitio remoto.
rupo
del
Transmisor
A pesar de que los transmisores pueden variar
considerablemente
en
su configuración, todos éllos
consisten de
un excitador
y de un
amplificador de potencia
La Figura
3-1
muestra un diagrama simplificado de un
transmisor típico de
HF.
El excitador sintetiza a una portadora, la cual tiene una de
las siguientes propiedades - amplitud, frecuencia o
f s -
modificada (modulada) por una señal de frecuencia más baja
derivada de una fuente de información como un micrófono.
La señal resultante es convertida en frecuencia que va a ser
transmitida.
El
amplificador de potencia eleva la potencia de
salida de la señal,
al
vatiaje deseado para transmisión, antes
. de ser enviada a través de un cable a la antena de
transmisión.
El transmisor puede también contener filtros para "limpiar"
-
8/18/2019 Comunicaciones de Radio HF
20/65
espúreas y las armónicas generadas en el excitador, o las
ILZ
W
armónicas de la frecuencia de salida provenientes del
~ a:
r--L--=-- W z
:
o
mplificador de potencia. Este proceso reduce la
g j
interferencia con los canales de comunicaciones
adyacentes.
W
I
~ z ....
I::;:¡ ::E
~ ~
Grupo
del
Receptor
'z o ---
IL
odos los sistemas HF de recepción modernos incluyen
a:
:: :
n
filtro de entrada/amplificador de
RF
una serie de
lL
:o
o z
:::t
ow
onvertidores de frecuencia y amplificadores de frecuencia
Q)
...
a
"C
IIIW
ntermedia (FI), un desmodulador y
un
oscilador local
~ a :
a:1L
O
intetizador de frecuencia (véase la Figura 3-2). Para
'w
o o o a :
.2
z
funcionar, el receptor selecciona una señal deseada, la t 3 w ~ o
E
:;:¡a:c{
t
_OWj-'
rn
"'WZa:
c
mplifica a
un
nivel adecuado y recupera la información a
Wa:WO
CQ
!zILCJQ.
través del proceso de
desmodulación en el
cual se recupera
w Iw
: =
1 I I ~
c::
a señal moduladora original desde una portadora modulada.
°
:;,
j
::;:¡
Q)
Con un equipo de radio contemporáneo, muchas de estas
r
o
°
1
....
"C
funciones se ejecutan de forma digital.
::E
o
"C
CQ
o
~
Con
el
fin de eliminar el ruido y las señales no deseadas, la
-a.
etapa de entrada de RF incorpora a veces un preselector
.§
ti
O
intonizable (un filtro pasabanda). La señal filtrada es luego
CQ
C
amplificada y convertida a otra frecuencia para
E
CQ
X
procesamiento posterior.
tn
CQ
W
e
.
,..
ero el proceso de filtrado no termina aquí. Típicamente,
a:
10
C?
j
a señal recibida se filtra y amplifica nuevamente en varias
CQ
z
W::;:¡
frecuencias intermedias diferentes. La amplificación
1110
:;,
tn
::E
roporcionada en estas etapas es una variable que depende
°
¡¡:
de la intensidad de la señal recibida.
36
37
a:
_
III::;:¡
°w
~ o
Q.
I
-
8/18/2019 Comunicaciones de Radio HF
21/65
Para extraer voz o datos por ejemplo el desmodulador
produce una señal de frecuencia de audio banda base) que
se interconecta con equipo adicional. Además debido a que
la intensidad de la señal de salida puede no ser constante la
etapa desmoduladora produce un voltaje proporcional
al
nivel de la señal de entrada de
RF.
Para compensar los
cambios en la señal el voltaje es realimentado a los
amplificadores de RF y FI para control automático de
ganancia GAG), con el objeto de mantener una entrada
constante al desmodulador.
Grupo de la ntena
La antena es uno de los elementos más críticos en
un
sistema de radio. Aquí observaremos tipos de antena típicos
y sus aplicaciones.
Características Parámetros e las ntenas
Algunos de los términos más comunes utilizados para
describir las antenas son
impedancia, ganancia, patrón de
radiación, ángulo de despegue y polarización.
Cada antena tiene una impedancia de entrada que
representa la carga a ser aplicada al transmisor. Esta
impedancia depende de varios factores tales como el diseño
de la antena frecuencia de operación y ubicación de la
antena con respecto a los objetos circundantes.
El reto básico en comunicaciones de radio es encontrar la
forma de obtener la mayor potencia posible en dónde y
cuándo se la requiera para generar y transmitir señales. La
mayoría de transmisores están diseñados para proveer la
máxima potencia de salida y eficiencia en una carga de 50
ohmios.
OHM
es la unidad de medición de resistencia. Su
símbolo es Q . Algunas antenas tales como la log periódica
pueden presentar al transmisor una carga de 50 ohmios en
un amplio rango de frecuencias. Estas antenas en la
generalidad de los casos pueden ser conectadas
directamente
al
transmisor. Otras antenas tales como las
dipolo látigo y unifilares tienen impedancias que varían en
un
amplio margen con la frecuencia
y
el medio ambiente que las
rodea. En estos casos se utiliza un sintonizador de antena o
acoplador. Este dispositivo se coloca entre
el
transmisor y la
antena para modificar las características de la carga que se
presenta al transmisor de manera que se transfiera la
máxima potencia desde el transmisor a la antena.
-
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22/65
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O
-
8/18/2019 Comunicaciones de Radio HF
23/65
para caracterizar completamente el patrón de radiación de
una antena.
Para determinar el alcance de las comunicaciones, es
importante tomar
en
consideración
el ángulo de despegue
que es el ángulo entre el lóbulo princ ipal de un patrón de
antena y el plano horizontal de la antena de transmisión. Los
ángulos de despegue bajos se utilizan generalmente para
comunicaciones de largo alcance; los ángulos de despegue
altos se utilizan para alcances más cortos.
La orientación de una antena con respecto a la tierra
determina su
polarización.
La mayoría de antenas HF son
polarizadas de forma vertical u horizontal. Una antena de
polarización vertical produce ángulos de despegue bajos
y
por consiguiente, es adecuada para enlaces de ondas
terrestres y ondas espaciales de larga
i s t a n c i ~
La limitación
principal de las antenas verticales es su sensibilidad a la
conductividad de la tierra y
al
ruido generado localmente. Es
necesario utilizar una malla de tierra para conseguir mejores
resultados.
Una antena de polarización horizontal irradia en ángulos
de despegue mayores y es adecuada para comunicaciones
de corto alcance, hasta 640 Km 400 millas). Ajustando la
altura de la antena sobre la tierra es posible incrementar la
ganancia a ángulos de despegue más bajos para
rendimiento de ondas espaciales de mayor alcance. Las
antenas de polarización horizontal son bastante
independientes de la conductividad de la tierra y menos
afectadas por
el
ruido local que las antenas verticales.
4
OESTE) 180°
NORTE)
SUR)
NOTA: El ejemplo muestra
una antena apuntando
hacia el Este.
PATRÓN DE ACIMUT
0°
NIVEL DE
L
TIERRA
O
\
\
\
\I
I
1
0
°
PATRÓN DE ELEVACiÓN
Figura
3-3.
Patrones de Radiación de la ntena
43
-
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24/65
Para obtener mejores resultados en la propagación de la
onda terrestre, las antenas de transmisión y recepción deben
tener igual polarización. Para la propagación de onda
espacial, la polarización de las antenas no necesita ser la
misma, ya que la polarización de la señal cambiará durante la
refracción ionosférica.
Tipos
de
ntenas
Existe una extensa variedad de antenas utilizadas en
comunicaciones HF. En este punto enfocaremos algunos de
los tipos más comunes.
La antena látigo vertical es usualmente adecuada para
comunicaciones por onda terrestre, debido a que es
omnidireccional tiene ángulos de despegue bajos y es de
polarización vertical. Un patrón típico de radiación de látigo
vertical se ilustra
en
la Figura 3-4. Un reflector, que consiste
de un segundo látigo vertical, puede añadir directividad
al
patrón de radiación de una antena látigo.
Uno de los tipos más versátiles de antenas HF es ladipolo
de media longitud de onda, que es básicamente, un alambre
cuya longitud equivale a la mitad de la longitud de onda de
transmisión.
El
dipolo puede ser orientado para proporcionar
polarización horizontal o vertical (alimentación central) . La
Figura 3-5 muestra una antena dipolo horizontal de
alimentación central.
El
patrón de radiación puede cambiar
dramáticamente como función de su distancia sobre el suelo.
La Figura 3-6 ilustra
el
patrón de radiación vertical de un
dipolo horizontal para diferentes valores de altura (en
. términos de longitud de onda de transmisión) sobre
el
suelo. \
44
ÁNGULO DE DESPEGUE
9
°
3 MHz
9 MHz
18
MHz
Figura 3-4. Patrón
de
Radiación
de Látigo
Vertical
45
-
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7
IJI!
Illp
ulo vortlcal puede con frecuencia utilizarse
Ul tlutlVtlrr lOllt o en barcos o vehículos. Una invertida a
vucos conocida con el nombre de "dipolo inclinado") produce
una combinación de radiación horizontal y vertical con
cobertura onmidireccional.
Véase
la Figura 3-7.
Las antenas
direccionales
varían desde simples
configuraciones unifilares como la
V
invertida hasta
elaborados arreglos multifilares, incluyendo sistemas
de
antena logarítmico periódicas horizontales y verticales;
véase la Figura 3-8. Las antenas direccionales son
frecuentemente utilizadas
en
enlaces punto a punto. En
sistemas que requieran comunicaciones punto a punto para
estaciones bastante dispersas, pueden utilizarse antenas
direccionales rotatorias.
Las comunicaciones de onda
espacial
entre estaciones
relativamente cercanas pueden requerir antenas diseñadas
especialmente para este propósito. Estas antenas de onda
espacial de incidencia casi vertical
NVIS)
tienen un muy alto
ángulo de despegue, irradiando energía de RF casi de forma
perpendicular. Las ondas de radio refractan hacia la tierra en
patrones circulares. Las antenas NVIS proporcionan
cobertura omnidireccional hasta 600 Km (375 millas).
a:
O
w::
tU
z
~ ~
-
tV
t:
-
I
J
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o
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-
I
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c s
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::l
C)
¡¡:
46
-
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DIPOLO DE 0 251.
SOBRE LA TIERRA
ANTENA V INVERTIDA
DIPOLO DE 0 51.
SOBRE LA TIERRA
DIPOLO DE 0 75
1.
SOBRE LA TIERRA
DIPOLO DE 1 2151.
SOBRE LA TIERRA
A Símbolo dolongllud
d
onda.
Figura 3-6. Antena Dipolo Horizontal Patronas de
Radiación Vertical
48
MHz
9MHz
8MHz
A
Símbolo
d longitud
d.
onda.
ÁNGULO DE DESPEGUE
90°
Figura 3-7. Antena V Invertida
49
-
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27/65
RESUMEN
• Unsistemaderadioconsistedeungrupode
transmisores,receptoresyantenas.
• Elgrupotransmisorconsistede
un
excitadoryun
amplificadordepotencia.Elexcitadorincluyeun
modulador,ungeneradordeportadorayun
convertidordefrecuencia.
• Elgruporeceptorconsistede
un
filtro/amplificadorde
entradade
RF
convertidoresde
frecuencia/amplificadoresdeFI,demoduladory
osciladorlocal.
• Laseleccióndelaantenaescríiticaparaobtener
comunicacionesHFexitosas.Lostiposdeantena
incluyenlátigovertical,dipoloydireccional.
• Unacopladordeantenaigualalaimpedanciadela
antenaconladeltransmisor,transfiriendolamáxima
potenciaalaantena.
• Lagananciadeunaantenaesunadelasmedidasde
sudirectividad- sucapacidaddeconcentrarla
energíaqueirradia
en
unadirección
en
particular.
4MHz
2MHz
30MHz
ÁNGULODEDESPEGUE
9
Figura 3 8. Antena Log Periódica Horizontal
5
(
• Lospatronesderadiacióndeantenasecaracterizan
porpuntosnulos(áreasdedébilradiación)y por
lóbulos(áreasdefuerteradiación).
• Losángulosdedespeguebajossongeneralmente
usadosparacomunicacionesdelargadistancia;los
ángulosdedespeguealtossonusadospara
comunicacionesdemáscortoalcance.
51
-
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CAPiTULO 4 RUIDO E INTERFERENCIA
MlpnlrnH n6clIcha la radio durante una tormenta
ntlllClftMr e , Qsté seguro de haber notado interrupciones o
ostátl co en algún momento. Quizás oyó la voz fugaz de un
piloto comunicándose con la torre de control mientras usted
escuchaba su estación FM favorita. Este es un ejemplo de
interferencia que afecta
el
rendimiento de un receptor.
Tan
desconcertante como esto puede ser,
al
tratar de escuchar
música, el ruido y la interferencia pueden ser peligrosos en el
mundo de las comunicaciones HF, en donde el éxito o fracaso
de una misión depende de oír y entender el mensaje
transmitido.
El ruido del receptor y la interferencia provienen de
fuentes externas e internas. Los niveles de ruido externo
exceden grandemente a los ruidos internos del receptor
sobre la banda HF. La calidad de la señal está indicada por la
relación de señal/ruido SNR) , medida en decibeles dB).
Mientras más alta sea SNR, mejor será la calidad de la señal.
La interferencia puede ser inadvertida, como en el caso de la
llamada del piloto a la torre de control. Por otro lado, éste
puede ser un intento deliberado, por parte de un adversario ,
para anular la destreza de un operador para comunicarse .
Los ingenieros utilizan varias técnicas para combatir el
ruido y la interferencia, entre las que se encuentran : 1) la
mplificación de la potencia efectiva i rradiada, 2) la provisión
de un medio para optimizar la frecuencia de operación, 3) la
selección de un esquema de modulación adecuado, 4) la
selección del sistema de antena apropiado y
5)
el diseño de
receptores capaces de rechazar las señales de interferencia.
Observemos algunas de las causas más comunes de ruido e
interferencia.
Fuentes
Naturales
de
Ruido
Los rayos son la principal fuente natural) atmosférica de
ruido.
El ruido atmosférico
es más alto durante el verano y
mayor durante la noche , especialmente en el rango de 1 a 5
MHz. Los valores promedio de ruido atmosférico, en función
de la hora del día y de la estación del año, han sido
determinados por regiones alrededor del mundo y se los
utiliza para la predicción del rendimiento de los sistemas de
radio
HF.
Otra fuente natural de ruido es
el
denominado ruido
galáctico o cósmico , generado en
el
espacio. Éste se
distribuye uniformemente por todo el espectro HF, pero no
afecta
el
rendimiento bajo los 20 MHz.
Ruido
Ocasionado
por
el Hombre
Las líneas de transmisión de energía , elequipo de
computación y la maquinaria industrial y de oficina producen
ruido ocasionado por el hombre ,
el
que puede llegar a un
receptor por radiación o por conducción a través de los cables
de energía. Este tipo de ruido fabricado por el hombre se
llama interferencia electromagnética IEM) y es mayor en las
áreas urbanas. La puesta a tierra y el blindaje de los equipos
de radio, así como
el
filtrado de las líneas de entrada de
energía CA son técnicas que util izan los ingenieros para
suprimir la IEM.
Inteñerencia
No
Intencional
En un momento dado, miles de transmisores HF compiten
por espacio en
el
espectro de radio en un rango de
frecuencias relativamente angosto, ocasionando
interferencia del uno al otro. La interferencia es más severa
5
53
-
8/18/2019 Comunicaciones de Radio HF
29/65
en la noche en las bandas
más
bajas para las frecuencias
cercanas a MUF. El espectro de radio
H
es especialmente
congestionado en Europa debido a la densidad de población.
Una causa mayor de interferencia no intencional es la
colocalización
de los transmisores, receptores y antenas.
Este es un problema, por ejemplo, a bordo de barcos en
donde las limitaciones de espacio hacen que varios sistemas
de radio se ubiquen juntos.
Por
más de 30 años, Harris RF
Communications
ha
diseñado, construido e instalado
sistemas integrados de comunicaciones de alta calidad para
barcos, que eliminan los problemas ocasionados por la
colocalización. Los medios para reducir la interferencia por
colocalización incluyen antenas cuidadosamente orientadas,
la utilización de receptores que no se sobrecargan en
presencia de señales fuertes y no deseadas y el uso de
transmisores diseñados para minimizar la intermodulación.
nterferencia ntencional
La interferencia deliberada, o bloqueo proviene de la
transmisión en frecuencias de operación con la intención de
dislocar las comunicaciones. El bloqueo puede ser dirigido a
un canal único o ser de banda ancha. Puede ser continuo
transmisión constante) o a intervalos de comprobación
transmisión solamente cuando está presente la señal a se r
bloqueada). Los sistemas de radios militares modernos usan
técnicas de
espectro extendido
para vencer el bloqueo y \
reducir la probabilidad de detección o intercepción . Las
técnicas
de
espectro extendido son técnicas en las que la
información modulada es transmitida en un ancho de banda
considerablemente más grande que la frecuencia contenida
en la información original. Enfocaremos estas técnicas en el
Capítulo 7
Las señales provenientes de un transmisor llegan al
receptor por múltiples trayectorias Figura 4-1). Esto
ocasiona el desvanecimiento una variación en el nivel
promedio de señal debido a que estas señales pueden
sumarse o restarse entre ellas de forma aleatoria.
55
4
-
8/18/2019 Comunicaciones de Radio HF
30/65
1
.
:
R SUM N
• Lasfuentesnaturales(atmosféricas)ylascreadas
.... \ \
por
el
hombrecausanruidoeinterferencia.Losrayos
son la causaprincipalderuidoatmosférico;laslíneas
\ .......
,
detransmisión,terminalesdecomputaciónyla
/ \ I "
\
-
aquinariaindustrialsonlacausaprincipaldelruido
" f
, I
creadoporelhombre.
.... I \
• LacongestióndelostransmisoresdeHFque
compitenporun limitadoespectroderadioenun
rangodefrecuenciasrelativamenteangosto,
ocasionainterferencia.Esgeneralmentepeordurante
lanocheen lasbandasdefrecuenciamásbajas.
• Lostransmisorescolocalizadosinterfierenentresi ,
oC
a:
asícomotambiénconlosreceptorescercanos.
a:
Ul
¡:::
• Elbloqueoointerferenciadeliberadaeselresultado
delatransmisiónen lasfrecuenciasdeoperación,
conlaintencióndecortarlascomunicaciones.
• Lainterferenciaportrayectoriamúltipleocasiona
el
desvanecimientodelaseñal.
I
al
Q.
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56
57
I
-
8/18/2019 Comunicaciones de Radio HF
31/65
CAPíTULO 5 COMUNICACiÓN DE DATOS
POR RADIO HF
Desde su inicio, el radio HF utilizó el código Morse para la
comunicación de datos. A través del tiempo, se desarrollaron
técnicas mejoradas para la transmisión de datos tomando en
consideración la variabilidad del medio HF y
el
gran
incremento de la velocidad a la cual ocurre la transmisión de
datos en
un
enlace de radio. Adicionalmente, la aplicación de
las técnicas de códigos de corrección de errores y la solicitud
de repetición automática ARO) que ofrecen transferencia de
datos libres de error, permiten el uso del radio HF en sistemas
de comunicaciones de computador a computador.
Para comprender los principios de la comunicación de
datos en HF definiremos alguna terminología común de
datos, explicando la importancia del modem. Resaltaremos
también algunos problemas y soluciones asociados con la
comunicación de datos en
HF.
Datos Binarios
Como una actividad, las comunicaciones implican la
transferencia de información de un transmisor a
un
receptor
sobre
un
canal adecuado. Por ejemplo, este libro. Utiliza
símbolos
el
alfabeto) para codificar información en un
conjunto de grupos de códigos palabras) para transmisión
en
un
canal la página impresa) hacia
un
receptor el lector).
Aplicando este principio a los datos información), \
comenzamos utilizando una especie de taquigrafía para
transformar los datos en palabras en código
dígitos binarios,
o bitios) para transmisión sobre un canal radio HF) hacia un
receptor
el
lector).
8
Los bitios son parte de un sistema de números que tiene la
base 2 que ut iliza únicamente los símbolos O y
1.
De esta
forma,
un
bitio es cualquier variable que asume dos estados
distintos. Por ejemplo,
un
conmutador está abierto o cerrado,
un
voltaje es positivo o negativo, y así por el estilo.
Una manera simple de comunicar datos binarios es
conmutar
un
circuito para apagarlo o encenderlo, en
patrones que son interpretados en
el
otro extremo del enlace.
Esto es esencialmente
lo
que se hizo en los inicios de la
telegrafía. Esquemas posteriores utilizaron
un
bitio para
seleccionar uno de dos posibles estados de las propiedades
que caracterizan a una portadora onda de radio modulada)
- sea en frecuencia o amplitud. Adelantos más sofisticados
permiten a la portadora asumir más de dos estados y por
consiguiente representar bitios múltiples.
Velocidad en Baudios
La velocidad de transmisión de datos es comúnmente
medida en bitios por segundo bps). En ocasiones la palabra
baudio es usada como sinónimo de bps, aún cuando los dos
términos realmente tienen significados diferentes. Baudio es
una unidad de velocidad de señalización y es una medida de
símbolos por segundo que están siendo enviados. Un
símbolo puede representar más de un bitio.
La velocidad máxima en baudios que puede soportar un
canal de radio e p ~ e de su ancho de banda - mientras
más grande es
el
ancho de banda, mayor es la velocidad en
baudios. La velocidad a la cual se transmite la información, la
velocidad en bitios, depende de cuántos bitios hay por
símbolo.
9
-
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Datos sincrónicos y Sincrónicos
DEModulador, integrados conjuntamente), que permiten a
La transmisión de datos sucede de un modo asincrónico o
los radios operar sea con entradas de voz o de datos.
sincrónico, como se define más adelante.
Los modems HF se clasifican dentro de tres categorías
En transmisión de datos asincrónica, cada caracter tiene
básicas: 1) modems con desplazamiento codificado de
un
bitio de arranque y otro de parada Figura 5-1).
El
bitio de frecuencias
FSK)
de baja velocidad;
2)
modems de tono
arranque prepara
al
receptor de datos para aceptar
el
paralelo de alta velocidad y 3) modems
detono
serial único)
caracter. El bitio de parada coloca
al
receptor de datos en un
de alta velocidad.
estado de espera.
Los modems más sencillos emplean FSK para codificar
La transmisión de datos sincrónica elimina los bitios de
datos binarios
Os
y 1s) véase la Figura 5-2). La entrada
al
arranque y parada. Este tipo de sistema utiliza típicamente un
modulador es una señal digital que toma uno de dos posibles
preámbulo
una secuencia conocida de bitios, enviada
al
niveles de voltaje. La salida del modulador es una señal de
inicio de un mensaje, que el receptor la utiliza para
audio que es uno de los dos tonos posibles. Los sistemas
sincronizar con su reloj interno) para alertar
al
receptor de FSK en HF están limitados a velocidades de datos menores a
datos que
el
mensaje está en camino.
75 bps debido a los efectos de la propagación por trayectoria
múltiple. Es posible obtener velocidades mayores con tono
Los sistemas asincrónicos eliminan la necesidad de
múltiple FSK
MFSK)
, que utiliza un mayor número de
complejos circuitos de sincronización, pero a un costo mayor
frecuencias.
que los sistemas sincrónicos. Los bitios de parada y arranque
incrementan la duración de un caracter en un 25 por ciento,
La tecnología de modems HF de alta velocidad, que utiliza
de 8 a 1O bitios.
las formas de onda de tono paralelo y serial para alcanzar
transmisión hasta 4800 bps fue iniciada por Harris a
Modems
H
principios de la década de 1980.
El
modem de tono serial
Un radio de voz convencional no puede transmitir datos lleva información en
un
tono único de audio. Ésto proporciona
directamente. Los niveles de voltaje de los datos digitales un vasto mejoramiento en las comunicaciones de datos en
1eben ser convertidos a audio, usando un dispositivo lamado
canales HF, incluyendo mayor robustez, reducida
modulador,
el
que aplica el audio
al
transmisor. De manera sensibilidad a interferencias y más alta velocidad de datos
opuesta, en
el
receptor, un
desmodulador
convierte
el
audio
con una potente corrección anticipada de errores FEC) , que
nuevamente a niveles digitales de voltaje. Los radios se describen en la siguiente sección. Al momento, Harris
equipados con
incorporados de alta velocidad el MOdulador y
el
cuenta con
60
velocidad en
el
mercado.
RF-5000 de Harris están modems su cuarta generación de modems de alta
6
-
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ontrol de Errores
Los ingenieros de Harris RF Communications usan
diferentes métodos para evitar problemas en la transmisión
de datos.
La codificación FEC añade datos redundantes al flujo de
datos, permitiendo al receptor detectar y corregir errores. Un
aspecto importante de este concepto es que esta técnica no
requiere un canal de retorno para la confirmación . Si un
receptor de datos detecta un error, simplemente lo corrige y lo
reproduce exactamente a los datos originales, sin notificar al
remitente que hubo un problema.
La técnica de codificación FEC es más efectiva si los
errores ocurren de forma aleatoria en el flu jo de datos. El
medio HF, sin embargo, típicamente introduce errores que
ocurren en ráfagas; esto es, los intervalos con una alta tasa
de errores BER) en el canal son diseminados con intervalos
de una baja tasa de errores. Para obtener total ventaja de la
técnica de codificación FEC, es mejor intercalar de forma
aleatoria los errores que ocurren en
el
canal mediante un
proceso llamado intercalación (Figura 5-3).
En el modulador, por ejemplo,
el
flujo de datos ingresa a
una matriz de 9 filas por 10 columnas. Los bloques se
ingresan por filas y se descargan por columnas. Cuando el
flujo de datos sale de la matriz para transmisión , la secuencia
de los bitios de salida será 1, 11,21 Y así por el estilo .
En el desmodulador, el proceso es a la inversa mediante
desintercalación. Los datos se ingresan por columnas en una
matriz idéntica a la del transmisor. Se los lee en filas,
recuperando la secuencia de datos a su estado original. Así,
6
si una ráfaga ocasionara 9 bitios consecutivos errados, no
más de 3 de éllos caerían en cualquier secuencia de 30 bitios
después de la desintercalación. Luego, si se utilizara una
técnica de codificación FEC, los errores serían corregidos .
La decodificación de decisión transitoria mejora aún más
el poder de la codificación de corrección de errores. En este
proceso, un grupo de símbolos detectados que retienen sus
características analógicas son comparados contra el
conjunto de palabras en clave posibles de ser transmitidas.
El
sistema recuerda
el
voltaje del detector y aplica
un
factor
ponderado a cada símbolo en la palabra clave, antes de
tomar una decisión sobre cuál palabra clave fue transmitida.
Las técnicas de comunicaciones de datos se utilizan
también para encriptar llamadas de voz mediante
un
dispositivo llamado vocoder (abreviación de
codificador-decodificador de voz). El vocoder convierte el
sonido en
un
flujo de datos para transmisión por
un
canal HF
Del lado de recepción,
un
vocoder reconstruye los datos en
sonido de calidad telefónica.
A más de las técnicas de corrección de errores, los
modems seriales de alta velocidad pueden incluir dos
esquemas de procesamiento de señal que mejora las
transmisiones de datos. Un ecualízador automático de canal
compensa las variaciones en las características del canal
mientras se reciben los datos. Un filtro adaptivo de excisión
rastrea y suprime la interferencia de banda angosta a la
entrada del desmodulator, reduciendo los efectos de
interferencia de canal compartido, esto es, interferencia en el
mismo canal que está siendo utilizado. Harris ha patentado
varias técnicas para ejecutar estas funciones.
63
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TJ
CARACTER ASCII DE 7 BITIOS
SITIO DE
1
1SITIO DE I SITIO DE
ARRANQUE 1
1
RSITIO
7
MO
SITIO
I
PARIDAD
I
PARADA
SITIO
4
TO
SITIO
I
1
1
, STO
SITIO
STO
SITIO ,
, 3
R
: ITIO
,
1
O
1
O
i
O
1
O
I
1 1
I
EN
TRANSMISiÓN
DE
DATOS ASINCRÓNICOS,
UN
BITIO DE
PARADA,
UN
BITIO
DE
PARIDAD Y
UN
BITIO
DE
ARRANQUE
SE AUMENTAN A
CADA
CARACTER.
Figura
5-1.
Sistema
de
Dato
Asincrónicos
(
-
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o
N
o
M
1_
. ...
I
1
-
M
M
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00
00
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VI
o¡¡:
:¡¡
VI
Z
-
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CAPíTULO 6 TECNOLOGíA ADAPTIVA DE
RADIO
Las propiedades constantemente cambiantes de la
ionósfera, así como
el
ruido aleatorio y la interferencia,
ocasionan interrupciones en las comunicaciones HF. En el
pasado, se requería de un experimentado operador de radio
para establecer comunicaciones
y
ajustar continuamente los
parámetros de operación. En la actualidad, esta función es
completamente automática. Como pionera en esta técnica
desde el inicio de la década de los 80, Harris RF
Communications provee sistemas
adaptivos
de radio que
pueden reaccionar rápidamente a las condiciones
cambiantes de propagación
y
utilizan la realimentación de las
técnicas de Evaluación de Canal en TIempo Real
RTeE)
para seleccionar las frecuencias, ajustar las velocidades de
datos, o cambiar los esquemas de modulación. Dos de los
varios procesos adaptivos son
el
Establecimiento
Automático de Enlace ALE) y el Análisis de la Calidad del
Enlace LOA). Debido a la experiencia de Harris en la
tecnología adaptiva de radio, la compañía fue solicitada ser
miembro del Comité de Estándares Militares de los Estados
Unidos para desarrollar
el
estándar ALE.
Establecimiento Automático e Enlace
ALE es una técnica que permite a las estaciones de radio
HF llamar y enlazarse automáticamente en el mejor canal HF,
sin la ayuda del operador. Harris inició la fabricación de
equipos de comunicaciones adaptivas con AUTOLlNK.
Además, Harris es un líder en el desarrollo de las avanzadas
técnicas de ALE que cumplen con
el
Estándar Militar
68
MIL-STD-188-141 A Y el Estándar Federal FED-STD-1 045A.
(Véase
el
Apéndice
A
Estándares.)
Los sistemas ALE, típicamente hacen uso de las
características de canal de radio recientemente medidas
(datos LOA) almacenadas en una matriz de memoria . Los
sistemas trabajan de forma parecida a un teléfono en
el
cual a
cada radio de una red se le asigna una dirección (ID) . Cuando
no está en uso, cada receptor de radio rastrea
constantemente a través de sus frecuencias asignadas,
escuchando llamadas que le hayan sido direccionadas.
Para llegar a una estación específica, el remitente
simplemente ingresa una identificación (ID) como si marcaría
un número telefónico. El radio consulta a su matriz LOA y
selecciona la mejor frecuencia asignada disponible. (En los
párrafos a continuación se explica más ampliamente sobre la
matriz LOA). Luego envía un breve mensaje conteniendo la
ID de destino. Cuando la estación receptora escucha su
dirección , detiene la exploración y
permanece en esa
frecuencia. Las dos estaciones automáticamente realizan
una sincronización inicial para confirmar que se ha
establecido
un
enlace y que están listas para comunicarse
(Figura 6-1). La estación receptora, que estaba
completamente en silencio, típicamente emitirá un sonido de
timbre para alertar sobre una llamada entranteal operador de
recepción. Al terminar la llamada, una de las estaciones
cuelga , una señal de desconexión es enviada a la otra
estación y cada una regresa al modo de exploración .
9
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nálisis de
la
Calidad del Enlace
Un sistema de comunicaciones
HF
tiene
un
número de
canales asignados. Un sistema con la capacidad LOA
incorporada selecciona el mejor canal. Así es como trabaja
un
sistema adaptivo.
Una estación en red intentará enlazarse, a intervalos
preestablecidos, en cada una de sus frecuencias asignadas
medirá la calidad de la señal de cada frecuencia enlazada.
Estos puntajes de calidad son almacenados en una matriz. Al
iniciarse una llamada, el radio comprueba su memoria con
el fin de determinar la frecuencia de mejor calidad para llamar
a la estación deseada. Luego intenta enlazarse en esa
frecuencia. Si
el
enlace no puede establecerse, tratará
nuevamente con la siguiente mejor frecuencia así por el
estilo, hasta establecer el enlace.
La Figura 6-2 muestra una matriz LOA simplificada para la
estación BASE01. Los números de canal representan
frecuencias programadas los números en la matriz son las
referencias más recientes de la calidad del canal. Así, si un
operador desea efectuar una llamada desde la BASE01 a
MOBILE03,
el
radio intentará llamar por
el
canal 18, que es el
que tiene la referencia LOA más alta.
Al efectuar llamadas a estaciones múltiples, el radio
selecciona el canal con el mejor porcentaje de ref,erencia. De
esta manera, para una llamada de estación múltiple a todas
las direcciones en la matriz, se seleccionará el canal 14.
70
Mejoras daptivas
La tecnología adaptiva de radio ha sido mejorada aún más
mediante el uso de controladores computarizados, que
permiten la selección de la velocidad de datos del modem,
basada en las condiciones del canal, selección óptima de la
antena, ajuste automático del nivel de potencia transmitida,
puesta a cero automático y eliminación de señales de
interferencia, selección de la modulación del modem
esquemas de codificación. l beneficio es que estos
esquemas adaptivos son totalmente automáticos mejoran
las comunicaciones sin la intervención del operador. De esta
forma, los requerimientos de un operador con conocimientos
altamente técnicos se han reducido significativamente.
7
-
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RESUMEN
• La tecnología adaptiva permite a los sistemas
modernos de radio HF ajustarse automáticamente a
las condiciones cambiantes de propagación.
• El Establecimiento Automático de Enlace ALE) hace
posible que los radios HF se conecten sin ayuda del
operador.
•
El
Análisis de la Calidad del Enlace LOA)
es
un
método de evaluación de la calidad del canal, con el·
objeto de que las conexiones se efectúen en el mejor
canal/frecuencia.
• Se encuentran disponibles otras técnicas adaptivas
automáticas.
A MÓVlL3
IBASE01 ~ MÓVlL3
AQUlBASEo1
ABASE01
I
BASE01
Li
MÓVlL3
AQUI MOVlL3
A MÓVlL3
I
BASE01
Li
MÓVlL3
AQU BASE01
SISTEM S ENl Z DOS
Figura
6-1.
Enlace Inicial del Sistema ALE
CANALES
DIRECCiÓN
BASE04
MÓVIL2
MÓVIL3
GBB122
1
60
10
21
02
33
00
04
12
8
29
00
14
81
86
52
5
Figura 6-2. Matriz
de
LQA para BASE
1
18
23
21
63
73
2
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39/65
CAPíTULO 7 - COMUNICACIONES CON
SEGURIDAD
Hemos llegado a la era en la que los avances de la
tecnología de radio hacen que las comunicaciones sean
fáciles, extensas y confiables . Ahora, la seguridad en lás
comunicaciones se ha vuelto tan importante como las
comunicaciones mismas. En este capítulo discutiremos la
seguridad
en
las comunicaciones (COMSEC) , esto es los
métodos que mantienen con seguridad a las comunicaciones
importantes. Hablaremos también acerca de la seguridad
en
transmisión (TRANSEC) - esquemas que hacen difícil que
alguien intercepte o interfiera sus comunicaciones.
COMSEC
COMSEC utiliza las técnicas de mezclado o criptográficas
con el fin de hacer ininteligible la información, a personas que
no tienen la necesidad de conocerla o a quienes no deben
conocerla. Aquí diferenciaremos las técnicas criptográficas o
de cifrado aplicadas a las señales digitales y las técnicas de
mezclado aplicadas a las señales analógicas.
Criptografía
es el proceso de
encriptar
traducir) la
información en
un
mensaje aparentemente aleatorio en el
transmisor y luego descifrar el mensaje aleatorio
descriptándolo en el receptor.
Históricamente, la información delicada ha sido protegida
mediante la utilización de códigos. El remitente podía
codificar manualmente el mensaje antes de transmitirlo y el
receptor lo descodificaba manualmente al recibirlo. En la
actualidad, las técnicas electrónicas permiten que el proceso
de codificar/descodificar sea automático.
7
El proceso se basa en el uso de
un
algoritmo matemático
acoplado con una
clave,
para traducir la información de
estado claro a estado encriptado. Si la información delicada
es transmitida sin protección criptográfica y es interceptada,
se requerirá de un pequeño esfuerzo o recurso para entender
lo transmitido. El Gobierno de los Estados Unidos ha
establecido estándares para el grado de protección
requerido en los diferentes niveles de confidencialidad e
información delicada.
En los sistemas de comunicaciones de voz que no
requieren de seguridad extremadamente alta, se puede
proteger contra escuchas casuales mediante el
mezclado.
El
mezclado, como una técnica analógica de COMSEC, utiliza
la separación de la señal de voz
en
un número de subbandas
de audio, desplazando cada una hacia un rango diferente de
frecuencia de audio
y
combinando las subbandas resultantes
en una salida de audio compuesto que modula al transmisor.
Un patrón aleatorio controla el desplazamiento de la
frecuencia. La técnica de mezclado del patrón es similar al
envío de un mensaje con un anillo de descodificación, como
los que a veces se encuentran en las cajas de cereal para
niños. Usted puede, por ejemplo, designar que la letra
g
sea
cifrada como a como
o
como y o como t de modo que
cuando reciba el mensaje
105t
usted
lo
decodifique como
gato. La reversión de la mezcla sucede en el receptor
invirtiendo el proceso. La Seguridad de Voz Analógica AVS)
de Harris permite acceder fácilmente a la red de
comunicaciones debido a que no requiere sincronizarse con
otras estaciones.
7
-
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En la encripción digital los datos, que puede ser voz
digitalizada (como se describe
en
el Capítulo 5), se reduce a
un flujo de datos binarios.
El
motor criptográfico crea
un
flujo
numérico binario no repetitivo, extremadamente largo y
basado
en
una clave de encripción de tráfico
TEK).
El flujo de
datos es añadido
al
flujo criptográfico, creando los datos
encriptados, o el texto cifrado. El flujo binario creado
en
esta
modalidad es inherentemente impredecible; además, provee
un
método muy seguro para proteger la información. Por otro
lado, todas las señales analógicas son más predecibles y por
consiguiente menos seguras.
La fortaleza de la encripción de datos, que es el grado de
dificultad para determinar el contenido del mensaje, es una
función de la complejidad del algoritmo matemático acoplado
con la clave. La clave es una variable que cambia la
resincronización del algoritmo matemático. La protección de
la clave es vital. Aún si una organización no autorizada
consigue ingresar a la información encriptada y tiene el
algoritmo, continúa siendo imposible descriptar la
información sin la clave. El Gobierno de los Estados Unidos
ha desarrollado procedimientos rigurosos
en
el manejo de
claves para proteger, distribuir, almacenar y desechar las
claves.
En el pasado, las claves eran cargadas manualmente
en
un
dispositivo criptográfico utilizando una cinta reperforada,
un medio magnético o un dispositivo enchufable de
transferencia. La creación y la entrega segura de las claves a
cada usuario constituyeron problemas significativos tanto
en
el mantenimiento logístico como en los registros .
7
Uno de los sistemas para manejo de claves utilizado
en
el
sector comercial es la
criptografía de cla
v
pública.
Bajo este
estándar, cada usuario genera dos claves. Una es la clave
pública Y y otra la clave privada X . El valor de Y se deriva
del valor de
X
La fortaleza de tal sistema radica
en
la
dificultad de despejar X de
Y; lo
que es encriptado con la clave
Y puede únicamente ser descriptado con la clave X.
Diseminando abiertamente la clave pública Y del usuario y
manteniendo
el
acceso único a la clave privada X, cualquiera
puede enviarle
un
mensaje seguro encriptándolo con
su
clave pública Y Usted es el único, sin embargo, quien puede
descriptar
el
mensaje, ya que únicamente usted tiene la clave
privada
X
En una red que utilice este sistema de clave pública, son
posibles las comunicaciones con seguridad
en
doble vía
entre todos los usuarios de la red. Esto se llama sistema de
claves asimétricas.
La alternativa es
un sistema de clave
simétrica, en el
cual la misma clave encripta y descripta los
datos. Debido a que tanto el originador como todos los
receptores deben tener las mismas claves , este sistema
ofrece los más altos niveles de seguridad.
Harris ha liderado el camino
en
el desarrollo de los medios
electrónicos de avanzada tecnología para asegurar y
distribuir material crítico para estos sistemas de
comunicaciones basados
en
claves simétricas. Un reciente
desarrollo aplicable a las redes de radio emplea la técnica de
Reconmutación a Través del Aire
OTAR).
Esta técnica casi
elimina la necesidad de cargar manualmente las claves,
resultando
en
un manejo seguro.
77
-
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La técnica OTAR se basa sobre un sistema benigno de
distribución de claves. Incluye una llave de clave de
encripción KEK) utilizada para encriptar la clave de
encripción de tráfico (TEK) y cualquier otra clave operacional
COMSEC o TRANSEC. Este proceso se conoce como
envoltura , para diferenciar lo de la encripción de tráfico. KEK
es la única clave que debe se