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Contenido INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................................ iv TEMA I. INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DE TELECOMUNICACIONES .................................................... 1 COMUNICACIÓN POR MICROONDAS .............................................................................................................................. 1 SISTEMAS DE MICROONDAS POR LDV ........................................................................................................................... 1 REQUERIMIENTOS DE TRANSMISIÓN ............................................................................................................................. 3 MULTICANALIZACIÓN Y TÉCNICAS DE MODULACIÓN...................................................................................................... 3 PROPIEDADES ÓPTICAS DE LAS ONDAS DE RADIO .......................................................................................................... 4 Refracción ............................................................................................................................................................. 4 Reflexión ............................................................................................................................................................... 6 Difracción ............................................................................................................................................................. 8 Interferencia........................................................................................................................................................ 11 TEMA II. INTRODUCCION A LA RADIO PROPAGACION ................................................................................. 13 INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................................................... 13 CARACTERÍSTICAS DE PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS DE RADIO .................................................................................... 13 Ondas de Tierra .................................................................................................................................................. 13 Ondas Espaciales ................................................................................................................................................ 14 Ondas de Cielo.................................................................................................................................................... 14 CARACTERÍSTICAS DE PROPAGACIÓN DE ACUERDO A LA BANDA UTILIZADA .................................................................. 14 HORIZONTE ÓPTICO Y HORIZONTE DE RADIO .............................................................................................................. 16 TEMA III. COMUNICACIONES POR MICROONDAS........................................................................................... 18 INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................................................... 18 COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA .............................................................................................................................. 18 EL FENÓMENO DE DISPERSIÓN TROPOSFÉRICA ........................................................................................................... 20 Teoría de dispersión por turbulencias ................................................................................................................ 21 Teoría de reflexión en capas ............................................................................................................................... 22 COMPARACIÓN DEL SISTEMA DE DISPERSIÓN TROPOSFÉRICA CON EL SISTEMA DE MICROONDAS POR LDV ................... 23 EL ÍNDICE DE REFRACCIÓN DE LA ATMÓSFERA............................................................................................................ 23 ESTRATIFICACIONES DE LA ATMÓSFERA...................................................................................................................... 25 Análisis en el caso de estratificación plana. ....................................................................................................... 25 Análisis en el caso de estratificación esférica..................................................................................................... 26 ECUACIÓN DE TRAYECTORIA PARA ESTRATIFICACIÓN ESFÉRICA ................................................................................... 27 RADIO DE CURVATURA DE LAS TRAYECTORIAS ............................................................................................................. 28 RADIO EQUIVALENTE DE LA TIERRA ............................................................................................................................ 30

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  • Contenido

    INTRODUCCIN........................................................................................................................................................ iv

    TEMA I. INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DE TELECOMUNICACIONES.................................................... 1

    COMUNICACIN POR MICROONDAS .............................................................................................................................. 1

    SISTEMAS DE MICROONDAS POR LDV........................................................................................................................... 1

    REQUERIMIENTOS DE TRANSMISIN ............................................................................................................................. 3

    MULTICANALIZACIN Y TCNICAS DE MODULACIN...................................................................................................... 3

    PROPIEDADES PTICAS DE LAS ONDAS DE RADIO .......................................................................................................... 4

    Refraccin ............................................................................................................................................................. 4

    Reflexin ............................................................................................................................................................... 6

    Difraccin ............................................................................................................................................................. 8

    Interferencia........................................................................................................................................................ 11

    TEMA II. INTRODUCCION A LA RADIO PROPAGACION ................................................................................. 13

    INTRODUCCIN ......................................................................................................................................................... 13

    CARACTERSTICAS DE PROPAGACIN DE LAS ONDAS DE RADIO .................................................................................... 13

    Ondas de Tierra .................................................................................................................................................. 13

    Ondas Espaciales................................................................................................................................................ 14

    Ondas de Cielo.................................................................................................................................................... 14

    CARACTERSTICAS DE PROPAGACIN DE ACUERDO A LA BANDA UTILIZADA .................................................................. 14

    HORIZONTE PTICO Y HORIZONTE DE RADIO .............................................................................................................. 16

    TEMA III. COMUNICACIONES POR MICROONDAS........................................................................................... 18

    INTRODUCCIN ......................................................................................................................................................... 18

    COMPOSICIN DE LA ATMSFERA .............................................................................................................................. 18

    EL FENMENO DE DISPERSIN TROPOSFRICA ........................................................................................................... 20

    Teora de dispersin por turbulencias ................................................................................................................ 21

    Teora de reflexin en capas ............................................................................................................................... 22

    COMPARACIN DEL SISTEMA DE DISPERSIN TROPOSFRICA CON EL SISTEMA DE MICROONDAS POR LDV ................... 23

    EL NDICE DE REFRACCIN DE LA ATMSFERA............................................................................................................ 23

    ESTRATIFICACIONES DE LA ATMSFERA...................................................................................................................... 25

    Anlisis en el caso de estratificacin plana. ....................................................................................................... 25

    Anlisis en el caso de estratificacin esfrica..................................................................................................... 26

    ECUACIN DE TRAYECTORIA PARA ESTRATIFICACIN ESFRICA................................................................................... 27

    RADIO DE CURVATURA DE LAS TRAYECTORIAS............................................................................................................. 28

    RADIO EQUIVALENTE DE LA TIERRA ............................................................................................................................ 30

  • ii

    TEMA IV. Estaciones terminales y estaciones repetidoras para sistemas de comunicaciones por LDV .................... 32

    INTRODUCCIN ......................................................................................................................................................... 32

    ESTACIONES TERMINALES .......................................................................................................................................... 32

    Multicanalizador (Mux)-Demulticanalizador (Demux) ...................................................................................... 32

    Seccin de banda base ........................................................................................................................................ 32

    Seccin de modulacin/demodulacin ................................................................................................................ 33

    Seccin de IF....................................................................................................................................................... 34

    Seccin de RF ..................................................................................................................................................... 35En el transmisor y el receptor............................................................................................................................................ 35

    Red de combinacin de canales ........................................................................................................................................ 35

    Antena y red de alimentacin.............................................................................................................................. 36Antenas parablicas .......................................................................................................................................................... 36

    Antena Cassegrain ............................................................................................................................................................ 37

    Otros tipos de antenas ....................................................................................................................................................... 37

    ESTACIONES REPETIDORAS ........................................................................................................................................ 38

    Repetidor directo ................................................................................................................................................ 38

    Repetidor heterodino .......................................................................................................................................... 38

    Repetidor terminal o de BB................................................................................................................................. 39

    Comparacin entre los tipos de repetidores ....................................................................................................... 40

    SISTEMAS ALTO-BAJO (HIGH-LOW SYSTEMS) ............................................................................................................. 43

    TEMA V. RADIOENLACES ANALOGICOS.......................................................................................................... 45

    ZONAS DE FRESNEL ................................................................................................................................................... 45

    DEDUCCIN DEL RADIO DE LAS ZONAS DE FRESNEL. .................................................................................................. 49

    EL DESPEJE .............................................................................................................................................................. 50

    REFLEXIONES EN EL TERRENO.................................................................................................................................... 54

    CLCULO DE LA UBICACIN DEL PUNTO DE REFLEXIN ............................................................................................ 55

    TIPOS DE RUIDO EN UN SISTEMA DE COMUNICACIONES POR MICROONDAS. .................................................................. 58

    Ruido fijo............................................................................................................................................................. 58

    Ruido esperado ................................................................................................................................................... 58Desvanecimiento lento ...................................................................................................................................................... 58

    Desvanecimiento rpido ................................................................................................................................................... 59

    TCNICAS DE DIVERSIDAD ......................................................................................................................................... 59

    a.1) Diversidad de espacio.................................................................................................................................. 59

    b.1) Diversidad de frecuencia ............................................................................................................................ 60

    c.1) Diversidad de tiempo .................................................................................................................................. 60

    d.1) Diversidad de polarizacin......................................................................................................................... 60

    a.2) Diversidad por seleccin ............................................................................................................................ 60

    b.2) Diversidad por realimentacin................................................................................................................... 61

  • iii

    c.2) Combinacin de razn mxima................................................................................................................... 61

    d.2) Combinacin de ganancia constante .......................................................................................................... 62

    SEPARACIN MNIMA ENTRE LAS ANTENAS EN LA DIVERSIDAD DE ESPACIO ................................................................... 62

    SEPARACIN ENTRE LAS PORTADORAS EN LA DIVERSIDAD EN FRECUENCIA................................................................... 63

    SEPARACIN ENTRE LAS PORTADORAS Y LAS ANTENAS EN UN SISTEMA MIXTO DE DIVERSIDAD DE ESPACIO Y FRECUENCIA

    ................................................................................................................................................................................. 64

    TIPO DE MEDICIONES EN UN SISTEMA DE COMUNICACIONES POR MICROONDAS ........................................................... 65

    DISEO DE UN RADIOENLACE .................................................................................................................................... 68

    Pasos para disear un radio enlace.................................................................................................................... 68

    Recomendaciones del CCITT-CCIR frente al ruido............................................................................................ 74

    Anlisis de los estndares de desempeo del CCIR............................................................................................ 74

    Resumen del procedimiento para evaluar el enlace respecto a las recomendaciones del CCIR-CCITT............ 80Primera recomendacin.................................................................................................................................................... 80

    Segunda recomendacin ................................................................................................................................................... 80

    Tercera recomendacin ..................................................................................................................................................... 81

    Ejemplo de diseo de un radioenlace........................................................................................................................... 82

    REFERENCIAS........................................................................................................................................................... 99

  • iv

    INTRODUCCIN

    El propsito de este trabajo es proporcionar al lector a los fundamentos tericos indispensables para la

    comprensin del funcionamiento, el anlisis y el diseo de radioenlaces. Est dirigido principalmente a

    lectores con conocimiento de electrnica, de propagacin, de antenas y de los principios bsicos de los

    sistemas de comunicaciones, tales como multicanalizacin, modulacin y lneas de transmisin; es adems

    conveniente poseer cierto dominio de la geometra, de la trigonometra, del clculo diferencial y de series;

    sin embargo, el dominio de estos tpicos no es limitativo, ya que los temas estudiados se han discutido

    abundantemente a lo largo del texto, haciendo hincapi en el significado fsico de los fenmenos y

    modelos matemticos y enfatizando las aplicaciones de los conceptos en situaciones prcticas, por lo que

    este material puede ser til tanto a personas que deseen introducirse en el estudio formal de los

    fenmenos, equipos y mtodos de diseo de los sistemas de comunicaciones como para las personas

    interesadas en mejorar su comprensin de temas estudiados previamente.

    En el tema uno se da una breve introduccin a los sistemas de telecomunicaciones y a las propiedades

    pticas de las ondas de radio de alta frecuencia, que sern utilizadas a lo largo del texto. En el tema dos se

    introducen las caractersticas de propagacin de las ondas de radio clasificadas de acuerdo al medio por

    donde se transmiten, ya sea en la troposfera, la ionosfera o la superficie terrestre. De igual forma se

    describen las propiedades de las ondas de radio de acuerdo a la banda utilizada, comparndolas entre ellas.

    En el tema tres se mencionan las caractersticas de las diferentes capas que componen la atmsfera

    terrestre, se discuten las teoras que justifican la propagacin por dispersin troposfrica y se comparan los

    sistemas de dispersin troposfrica con los sistemas por lnea de vista (LDV). Mas adelante se estudia el

    comportamiento del ndice de refraccin para distintos tipos de atmsfera definidas por la Unin

    Internacional de Telecomunicaciones (ITU) y se modela la atmsfera mediante estratificaciones planas y

    esfricas del ndice de refraccin, modelos que servirn luego para encontrar las ecuaciones de trayectoria

    del haz principal de la seal transmitida, y para el caso de estratificacin esfrica, para deducir la

    expresin del radio de la curvatura de las trayectorias y del radio equivalente de la tierra. Por ltimo se

    discute el significado fsico del concepto de radio equivalente de la tierra y su uso en el diseo de sistemas

    de comunicaciones punto a punto por LDV.

    El tema cuatro trata sobre la estructura de las estaciones terminales y repetidoras de los sistemas de

    comunicaciones por microondas, detallando la constitucin de los diferentes bloques que las componen y

    describe el funcionamiento de los distintos tipos de repetidores. Por ltimo se introducen los conceptos de

    sistema alto-bajo y de plan de frecuencia. En el tema cinco, el cual es el ms extenso, se presenta el

    concepto de zonas de Fresnel, se le justifica utilizando el espiral Cornu y se consideran sus aplicaciones en

    el diseo de sistemas de comunicaciones por LDV. A continuacin se introduce el concepto de despeje, se

    deduce su expresin para vanos sobre terrenos lisos o sobre el agua y terrenos irregulares y se describe un

  • vprocedimiento prctico para hallar el punto de reflexin del rayo reflejado en tierra. Mas adelante se tratan

    los tipos de ruido ms comunes en un sistema de comunicaciones por microondas, y se describen

    brevemente algunos sistemas de diversidad, clasificndolos tanto de acuerdo a la forma como se logra la

    decorrelacin entre las seales enviadas como de acuerdo al uso que se les da a estas en el receptor. Luego

    se estudian con mayor detalle los sistemas de diversidad de espacio y frecuencia, deduciendo la expresin

    de la diferencia de altura de la antenas y entre portadoras respectivamente, y se describen tres

    procedimientos bsicos para medir distintos tipos de ruido en sistemas de comunicaciones por

    microondas.

    Para finalizar el tema cinco se describen detalladamente los pasos para disear radioenlaces, ya sea que

    se no se conecten a redes nacionales o internacionales, para lo que se usa el mtodo de Barnett-Vignant, o

    que se conecten a redes nacionales o internacionales, para lo que se utilizan las recomendaciones del ITU-

    R respecto al ruido (recomendacin 395-1).

    Como ltimo tema, se proporciona un ejemplo de diseo de un radioenlace ficticio de tres vanos de alta

    calidad en la banda de los 6 GHz, mediante la recomendacin 395-1 del ITU-R. Este ejemplo se presenta

    detalladamente, usandose lneas de transmisin y antenas disponibles en el mercado e incluindose un

    plan de frecuencias y un sistema de diversidad de espacio.

    Agradezco a mis padres, Hernn y Margarita, a mis hermanos Ricardo y Andrena. A Angela Dabon

    por sus valiosas correcciones, a Jorge Aguero y Roberto Uzctegui, por su incondicional amistad, a

    Eduardo Alvarez, por la colaboracin en el ejemplo del radioenlace, y a los estudiantes de

    Comunicaciones II, que con sus sugerencias me han ayudado a depurar estos apuntes.

  • Introduccin a los Sistemas de Telecomunicaciones 1

    TEMA I. INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DE TELECOMUNICACIONES

    Se denomina comunicacin electrnica a la transmisin, recepcin y procesamiento de informacin

    usando circuitos y dispositivos electrnicos.

    COMUNICACIN POR MICROONDAS

    Se considera como frecuencia de microondas las que estn por encima de 1 GHz. La mayor parte de

    los sistemas de radio por microondas estn comprendidos dentro de tres categoras principales: Sistemas

    de Lnea de Vista (LDV), sistemas sobre el horizonte y sistemas satelitales.

    La posibilidad de usar enlaces de radio en las bandas de VHF y UHF fue puesta a prueba inicialmente

    en experimentos previos a la segunda guerra mundial. La calidad y disponibilidad de esos enlaces pudo

    hacerse comparable a la de enlaces con cable coaxial.

    Como la necesidad de mayores anchos de banda se increment en aos subsiguientes, las frecuencias

    en UHF y SHF fueron usadas para trafico telefnico y transmisin de TV; los enlaces de microondas son

    diseados para transmitir a distancias de varios miles de kilmetros con anchos de banda de 10 MHz y

    altos estndares de calidad y confiabilidad, requerimientos esenciales para comunicaciones de largo

    alcance (nacionales o internacionales). En estos apuntes describiremos el principio de funcionamiento y

    las caractersticas de los sistemas sobre el horizonte y estudiaremos con detalle el principio de

    funcionamiento, las caractersticas y el diseo de sistemas de LDV, escapando los sistemas satelitales de

    los presentes objetivos.

    SISTEMAS DE MICROONDAS POR LDV

    Tericamente, un sistema LDV (lnea de vista) puede extenderse, sobre terrenos favorables sin grandes

    barreras naturales, hasta los 7000 kms (4000 millas), usando varios enlaces. La distancia cubierta por cada

    enlace, sin embargo, est limitada a distancias cortas que oscilan entre 50 y 80 km. (30 a 50 millas). Para

    distancias mayores, se usan modos de propagacin sobre el horizonte, por difraccin o por dispersin

    troposfrica.

    La mayor ventaja de los sistemas de dispersin troposfrica respecto a los de LDV, es que estos

    permiten comunicaciones a distancias de varios miles de kilmetros sin repetidores, lo que es de gran

    valor cuando se propaga sobre un terreno de difcil acceso. Sin embargo, este tipo de sistema ha sido

    desplazado por las comunicaciones satelitales.

    transmisor receptorMedio de transmisin

    Informacin

    Fig. 1.1. Estructura bsica de un sistema de comunicaciones

  • Introduccin a los Sistemas de Telecomunicaciones 2

    Los sistemas LDV proveen un amplio rango de aplicaciones, por ejemplo, desde sistemas con un

    pequeo numero de canales telefnicos de corto alcance hasta sistemas con varios cientos de canales

    telefnicos o varios canales de TV con altos estndares de calidad y confiabilidad, exigidos para formar

    los circuitos troncales nacionales e internacionales, con alcance de varios miles de kilmetros.

    La mayor parte del desarrollo de sistemas de propagacin de comunicaciones de radio multicanal tuvo

    lugar durante la II guerra mundial en la banda de VHF. La popularidad en el uso de LDV puede atribuirse

    a las siguientes ventajas:

    Alta y flexible capacidad de canales (desde unos pocos canales de voz hasta varios canales de TV).

    Capacidad de expansin

    Corto tiempo de instalacin

    Excelente adaptacin a dificultades de terrenos y barreras naturales.

    Las principales aplicaciones de los sistemas LDV son:

    Sistemas fijos integrados para telefona multicanal o televisin, formando parte de redes nacionales e

    internacionales

    Sistemas fijos no integrados para telefona o televisin, no interconectados a las redes nacionales o

    internacionales

    Sistemas mviles, conectados o no a las redes nacionales e internacionales.

    Los elementos bsicos de un sistema de radio multi-seccin usando LDV se muestran en la figura 1.2.

    Este sistema incluye dos estaciones terminales y dos o ms estaciones repetidoras espaciadas a

    intervalos de entre 30 y 80 kms. En las estaciones terminales se genera una portadora de microondas, que

    es modulada por la seal de telefona multicanal o televisin, se amplifica (a unos pocos vatios) y con ella

    se alimenta una antena direccional para que se rade a la primera estacin repetidora. En la estacin

    Fig. 1.2. Elementos de un sistema de radio

    Transmisor Transreceptor

    (estacinrepetidora) Bandabase

    Bandabase

    Receptor

    Receptor Transmisor

    Estacin terminal Estacin terminal f1

    f2

    f3 (f2)

    f4 (f1)

  • Introduccin a los Sistemas de Telecomunicaciones 3

    repetidora, la seal de microondas se recibe, se amplifica, se traslada en frecuencia para evitar

    interferencia entre las seales entrantes y salientes y se retransmite a la segunda estacin repetidora. La

    seal de microondas en la estacin terminal distante es, luego de amplificarse, demodulada, y de esta

    manera se recupera la seal de banda base.

    En el sistema de la figura 1.2 se utilizan cuatro frecuencias, f1, f2, f3 y f4, para evitar interferencia

    proveniente de los transmisores adyacentes. Con antenas de directividad adecuada, sin embargo, es

    posible reducir el nmero de frecuencias requeridas a dos, o sea f1 y f2, como se muestra entre parntesis.

    REQUERIMIENTOS DE TRANSMISIN

    En general, los canales telefnicos o de TV transmitidos por sistemas de microondas integrados pueden

    formar parte de conexiones internacionales de varios miles de kilmetros de longitud, por lo que las

    caractersticas de transmisin con respecto al ruido, estabilidad de ganancia, ancho de banda, linealidad de

    amplitud y distorsin de forma de onda, deben permitir lograr comunicaciones satisfactorias a grandes

    distancias.

    Anteriormente dos organismos internacionales que hoy forman parte de la Unin Internacional de

    Telecomunicaciones (ITU), eran responsables de la preparacin de recomendaciones que faciliten el

    funcionamiento de circuitos internacionales de larga distancia. Estas organizaciones fueron el Comit

    Consultivo Internacional de Radio (CCIR) y el Comit Consultivo Internacional de Telegrafa y Telefona

    (CCITT). El CCIR era responsable de la preparacin de recomendaciones relacionadas con sistemas de

    microondas y el CCITT de la reglamentacin para la introduccin de dichos sistemas en la red general de

    telecomunicaciones. El CCIR y el CCITT estaban entonces relacionadas con la formulacin de

    requerimientos de transmisin en sistemas internacionales de microondas. Actualmente, el CCITT y el

    CCIR han sido reestructurados dentro de la ITU como ITU-R e ITU-T.

    En un sistema de microondas, las especificaciones de ruido son de particular importancia, ya que estas

    determinan la potencia de transmisin, el tamao de la antena y otros parmetros del sistema. Adems del

    ruido trmico inherente a los equipos, pueden introducirse ruidos adicionales, entre otros, producto de la

    intermodulacin de seales de diferentes canales. Este ruido es mximo cuando todos los canales estn

    activos, o sea, en las horas pico.

    Los niveles permitidos de ruido estn definidos internacionalmente en trminos de circuitos de

    referencia hipotticos de 2500 kms de largo con un numero especifico de estaciones de modulacin y

    demodulacin.

    MULTICANALIZACIN Y TCNICAS DE MODULACIN

    La practica general en sistemas integrados de microondas es usar FDM cuando se transmiten canales

    telefnicos sobre la misma portadora. Tambin se usa TDM en sistemas que van de los 24 a los 48

  • Introduccin a los Sistemas de Telecomunicaciones 4

    canales. Las principales ventajas de TDM son el bajo costo y el reducido tamao de los equipos

    terminales, la inmunidad a las no linealidades de amplitud del enlace y que los canales telefnicos

    individuales pueden ser insertados y extrados. Sin embargo, los sistemas TDM no se pueden interconectar

    a los FDM de similar capacidad y no permiten la transmisin de grandes grupos de canales telefnicos,

    pues se necesitaran pulsos muy estrechos y un amplio ancho de banda.

    La modulacin en frecuencia o frecuencia modulada (FM) se usa generalmente para FDM para

    transmitir de 12 a 800 o ms canales telefnicos y para transmisin de TV. Las razones de preferir FM

    frente a amplitud modulada (AM) son:

    La transmisin de multicanalizacin telefnica con FDM requiere una relacin altamente lineal entre

    las amplitudes de entrada y salida de las seales de banda base para prevenir la diafonia, lo que es

    factible de alcanzar con FM.

    Usando FM con razones de desviacin mayores que la unidad se obtienen mejoras sustanciales de la

    relacin seal a ruido. Sin embargo, el uso de FM impone restricciones en cuanto a la uniformidad del

    retardo de grupo y las caractersticas de frecuencia de la seccin de frecuencia intermedia (IF) y los

    componentes de microondas del sistema para evitar la diafonia. Adems, los niveles de eco

    provenientes de los desacoplamiento de seales en los alimentadores o en el trayecto no deben ser

    excesivos.

    PROPIEDADES PTICAS DE LAS ONDAS DE RADIO

    En la atmsfera de la tierra, la propagacin del frente de onda puede alterarse por efectos pticos como

    la refraccin, reflexin e interferencia.

    Refraccin

    Es el cambio de direccin de un rayo conforme pasa oblicuamente de un medio a otro, con diferentes

    velocidades de propagacin. La velocidad a la cual una onda electromagntica se propaga es inversamente

    proporcional a la densidad del medio en el cual se est propagando. Por lo tanto, la refraccin ocurre

    siempre que una onda de radio pasa de un medio a otro de diferente densidad. Cuando una onda pasa de

    un medio menos denso a uno ms denso, la velocidad de propagacin disminuye y se inclina hacia abajo

    (se dobla hacia la normal). El ngulo de incidencia es el ngulo formado entre la onda incidente y la

    normal, y el ngulo de refraccin es el ngulo formado entre la onda refractada y la normal. Estando un

    frente de ondas compuesto por mltiples haces, es el frente de onda el que cambia de direccin, como se

    ilustra en la figura 1.3.

    El ngulo de inclinacin o refraccin depende el ndice de refraccin de los dos materiales, definido

    como la relacin de la velocidad de propagacin de un rayo de luz en el espacio libre a la velocidad de

    propagacin en un material dado.

  • Introduccin a los Sistemas de Telecomunicaciones 5

    cn = (1.1)

    en donde n = ndice de refraccin (adimensional)

    c = velocidad de la luz en el espacio libre (3x108 m/s)

    v = velocidad de la luz en un material dado (m/s)

    La ley de Snell para refraccin establece que

    2211 sensen nn = (1.2)

    en donde n1 = ndice de refraccin del material 1

    n2 = ndice de refraccin del material 2

    1 = ngulo de incidencia (grados)

    2 = ngulo de refraccin (grados)

    Adems, rn = , por lo tanto (1.3)

    2211 sensen rr = (1.4)

    Aplicacin:

    El fenmeno de refraccin permite que se enven ondas electromagnticas hacia el espacio y regresen a

    tierra sin sobrepasar la atmsfera terrestre. Cuando las ondas electromagnticas atraviesan la ionosfera,

    que es la capa ms externa de la atmsfera terrestre y que est estratificada con distintas densidades,

    Fig. 1.3. Fenmeno de refraccin

    Frente de ondaoriginal

    Frente de ondarefractado

    Medio menos denso

    Medio ms denso

  • Introduccin a los Sistemas de Telecomunicaciones 6

    parecen reflejarse sobre ella, pero lo que ocurre no es realmente reflexin, sino refraccin a travs de los

    distintos estratos de la ionosfera. Este tipo de propagacin, llamada onda de cielo, permite alcanzar

    distancias de miles de kilmetros.

    El fenmeno de refraccin tambin ocasiona que las ondas se curven cuando viajan por la troposfera,

    por lo que la trayectoria de las ondas no es rectilnea en ella, factor que se debe considerar al disear un

    radioenlace. Este fenmeno se toma en consideracin mediante un parmetro llamado factor de correccin

    de radio equivalente de la tierra, a ser estudiado en el tema III de estos apuntes.

    Reflexin

    La reflexin electromagntica ocurre cuando una onda incidente choca con una barrera existente entre

    dos medios y parte de la potencia incidente no penetra el segundo material. Las ondas que no penetran al

    segundo medio se reflejan. Debido a que todas las ondas reflejadas permanecen en el mismo medio que

    las ondas incidentes, sus velocidades son iguales, y por lo tanto el ngulo de reflexin es igual al ngulo

    de incidencia. Sin embargo, la intensidad del campo de voltaje reflejado es menor que la del campo

    incidente. La relacin de las intensidades de voltaje reflejado a incidente se llama coeficiente de reflexin

    .

    )( ri

    rj

    i

    rj

    i

    jr e

    EE

    eEeE

    == (1.5)

    Para los conductores imperfectos, es funcin del ngulo de incidencia, de la polarizacin de campo

    elctrico, y de las constantes dielctricas de los dos materiales. Si el medio 2 no es un conductor perfecto,

    algunas de las ondas incidentes lo penetran y son absorbidas, produciendo corrientes en la superficie del

    material y convirtiendo la energa en calor. La fraccin de potencia que penetra al medio 2 se llama

    coeficiente de absorcin.

    La reflexin tambin ocurre cuando la superficie reflejante es irregular o spera. Sin embargo, una

    superficie as puede destruir la forma del frente de onda. Cuando el frente de onda incidente golpea una

    superficie irregular, se dispersa aleatoriamente en muchas direcciones, como se muestra en la figura 1.4.

    Este tipo de condicin se llama reflexin difusa, mientras que la reflexin de una superficie perfectamente

    lisa se llama reflexin especular. Las superficies que estn entre lisas e irregulares se llaman superficies

    semisperas, las cuales causan una combinacin de reflexin difusa y especular. Una superficie

    semispera no destruir por completo la forma del frente de onda, pero reduce la potencia transmitida.

    Al presentar el medio reflectante cierta conductividad, como la que se encuentra en la superficie

    terrestre, sea mar o no, las variaciones del coeficiente de reflexin son como se muestran en la figura 1.5.

  • Introduccin a los Sistemas de Telecomunicaciones 7

    Puede observarse que en el caso de polarizacin vertical, la magnitud pasa por un mnimo, el cual tiende a

    cero a medida que disminuye la conductividad o a medida que aumenta la frecuencia.

    Cuando la superficie reflejante no es plana, la curvatura de la onda reflejada es diferente a la de la onda

    incidente. Cuando el frente de onda incidente es curvo y la superficie plana, la curvatura del frente de

    onda reflejada es igual a la del frente de onda incidente. La figura 1.6 muestra dos secciones rectas del

    cono de energa que se refleja en una superficie plano (A1) o sobre una superficie esfrica (A2). El rea A2es mayor que A1, y como la potencia emitida inicialmente es la misma en ambos casos, la densidad de

    potencia en A2 ser menor que en A1, por lo que el campo reflejado por la superficie esfrica es menor que

    el reflejado por la superficie plana. Debe observarse que cuando el ngulo de reflexin es pequeo, lo cual

    es corriente en los enlaces en la prctica, el modulo del coeficiente de reflexin es igual o muy cercano a

    uno tanto en polarizacin vertical como horizontal.

    Frente de ondaincidente

    Frente de onda reflejada(especularmente)

    Fig. 1.4. Fenmeno de reflexin

    ()10 20 30 40 50 60 70 80 90

    0.5

    1 |Rv|

    |Rh|

    Fig. 1.5. Variacin del coeficiente de reflexin respecto al ngulo de incidencia

  • Introduccin a los Sistemas de Telecomunicaciones 8

    En caso que la superficie reflectora sea un conductor perfecto, la magnitud y fase del coeficiente de

    reflexin dependen poco del ngulo de incidencia, siendo su modulo igual a 1, su fase cero para

    polarizacin vertical y 180 para polarizacin horizontal. La variacin del coeficiente de reflexin en

    polarizacin horizontal est muy correlacionado con el ngulo de incidencia, pudiendo en algunos casos

    llegar a anularse (ngulo de Brewster), pero debido a que nuestro control sobre el ngulo de incidencia es

    limitado, esta correlacin generalmente no es significativa para el diseo de radioenlaces

    Los fenmenos de reflexin estudiados suponen irregularidades del terreno muy pequeas respecto a la

    longitud de onda, de modo que la superficie reflejante se pueda considerar lisa; la reflexin en estas

    condiciones se denomina reflexin especular. Cuando no es este el caso, sino que la superficie en que se

    refleja la onda incidente presenta irregularidades de tamao considerable, la energa es redistribuida en

    otras direcciones y el concepto clsico de coeficiente de reflexin no es aplicable. En este caso se dice que

    la reflexin es difusa.

    Aplicacin:

    En un enlace de microondas existir en general un rayo directo y al menos un rayo reflejado. Al disear

    el enlace, se seleccionan inicialmente las alturas de las antenas, y a partir de ellas se determina, entre otras

    cosas, el punto de reflexin, de tal manera que podamos seleccionar un punto de reflexin adecuado a

    nuestras necesidades. Ms adelante veremos que la onda reflejada generalmente degrada el rendimiento

    del sistema, por lo que nos interesa bloquear la onda reflejada o escoger un punto de produzca reflexin

    difusa.

    Difraccin

    Se define como la modulacin o redistribucin de energa de un frente de onda cuando este pasa cerca

    del extremo de un objeto opaco. La difraccin es el fenmeno que permite que las ondas de luz o de radio

    se propaguen a la vuelta de las esquinas. Las explicaciones anteriores sobre la refraccin y la reflexin

    A1, reflexin sobresuperficie plana

    A2, reflexin sobresuperficie esfrica

    Fig. 1.6. Impacto del tipo de superficie reflectante sobre el frente de ondas

  • Introduccin a los Sistemas de Telecomunicaciones 9

    suponan que las dimensiones de las superficies de refraccin y reflexin eran grandes con respecto a la

    longitud de onda de la seal. Sin embargo, cuando un frente de onda pasa cerca de un obstculo de

    dimensiones comparables en tamao a una longitud de onda, no se puede utilizar el simple anlisis

    geomtrico para explicar los resultados y el principio de Huygens (que se deduce de las ecuaciones de

    Maxwell) es necesario.

    El principio de Huygens indica que cada punto de un frente de onda se puede considerar como una

    fuente secundaria de ondas electromagnticas, desde donde se irradian hacia fuera otras ondas

    secundarias. Estos radiadores diferenciales, tambin llamados ondaletas, irradian energa en todas

    direcciones pero no en forma isotrpica, sino concentrando la energa en la direccin de propagacin. La

    energa en un punto determinado la podemos calcular como la sumatoria vectorial de las contibuciones de

    las ondaletas, o sea, debemos sumar en magnitud y fase la energa radiada por cada una; sin embargo, las

    contribuciones no longitudinales (las que tienen direccin distinta a la de propagacin) de las ondaletas

    vecinas se cancelan, mientas las componentes transversales (las que estn en la direccin de propagacin)

    se refuerzan, manteniendo la forma y direccin del frente de onda.

    Consideremos la figura 1.7a, donde se muestra un frente de onda que se propaga en direccin normal a

    un plano infinito (o sea, el frente de ondas es plano). La magnitud del campo en el punto A est dado por

    la sumatoria los componentes provenientes de cada ondaleta; se puede observar que la componente

    longtidinal proveniente de la ondaleta O2 se cancelan con la componente longitudinal proveniente de la

    ondaleta O3, la componente longitudinal de O4 se cancelan con la proveniente de O5, y as sucesivamente.

    De esta forma, las unicas contribuciones distintas de cero son las producidas por las componentes

    transversales, o sea, las que tienen la misma direccin de propagacin del frente de onda. De esta forma, el

    frente de onda contina con su forma y en su direccin original.

    Cuando se considera un frente de onda plano y finito, la cancelacin en direcciones aleatorias es

    incompleta. En consecuencia, el frente de onda se extiende hacia fuera o se dispersa. Este efecto de

    dispersin de la energa se llama difraccin. La difraccin ocurre en el extremo del obstculo, que permite

    que ondas secundarias sean recibidas tras el obstculo, a lo que se llama zona de sombra. Consideremos la

    figura 1.7b, en donde se ilustra lo que ocurre cuando un frente de onda plano incide sobre un cuerpo

    opaco. Las ondas que inciden sobre el obstculo se reflejan. En los puntos ubicados bajo el obstculo, la

    contribucin de las componentes longitudinales se cancelan parcialmente, por ejemplo, en el punto B la

    componente longitudinal producida por O6 se cancela con la contribucin de O7, pero la contribucin de

    O8 no se cancela, ya que la componente que la cancelara est bloqueada por el obstculo. Por lo tanto,

    podemos deducir que bajo el obstculo el frente de onda cambia de forma y direccin. Veamos lo que

    sucede detrs del obstculo; en el punto C vemos que no se cancelan algunas de las componentes de las

    ondaletas bajo el obstculo, y que a pesar que la energa radiada frente al obstculo se refleja, existe

  • Introduccin a los Sistemas de Telecomunicaciones 10

    campo tras el obstculo producido por las ondaletas bajo l. Tambin podemos apreciar que el campo en

    el punto D es menor que en el punto C, ya que las ondaletas que lo producen estn ms alejadas y en una

    ubicacin tal que la energa que rada hacia C es menor que la radiada hacia B. Apreciamos tambin que la

    direccin del campo (obtenida por la suma vectorial de todas las contribuciones que llegan a C) tiene una

    direccin distinta al campo en B. En conclusin, existe campo tras el obstculo (la llamada zona de

    sombra) siendo mayor su magnitud cuanto ms cercano se est del extremo de este, y el frente de onda se

    ve alterado tanto bajo como tras el obstculo. Tambin podemos concluir que existe una zona de silencio,

    o sea, una zona donde la magnitud del campo es cercana a cero, que se encuentra tambin tras el obstculo

    pero muy cercana a este.

    Los casos ms importantes de difraccin en el estudio de los fenmenos de propagacin se ilustran en

    la figura 1.8, y son la difraccin causada por la curvatura de la superficie terrestre (figura 1.8a), la cual

    dirige las ondas de radio a la zona de sombra debajo de la lnea visual, y la difraccin filo de cuchillo

    (figura 1.8b), la cual orienta la onda de radio a la zona de sombra detrs de una montaa aguda, y ocurre

    cuando existe una obstruccin en la trayectoria de un enlace de comunicaciones.

    Aplicacin:

    El fenmeno de difraccin es un modo de propagacin importante en enlaces de microondas, fijos o

    mviles. En ciertos casos, en los enlaces fijos no es necesario que exista lnea de vista (aunque al enlace se

    le denomine por Lnea de vista - LDV) para que la seal recibida sea aceptable, y para enlaces mviles,

    Fig. 1.7. Principio de Huygens

    Frente de ondaresultante

    A

    O2

    O3

    O4

    O5

    Frente de ondaincidente

    a)

    Rayosreflejados

    Ondasdifractadas

    B

    C

    D

    Cuerpo opaco

    b)

    O6

    O7

    O8

  • Introduccin a los Sistemas de Telecomunicaciones 11

    este fenmeno permite la comunicacin en ciudades rodeadas de edificios o localidades obstruidas por

    cuerpos naturales o artificiales, fijos o en movimiento.

    Interferencia

    La interferencia de ondas de radio ocurre cuando dos o ms ondas electromagnticas se combinan de

    tal forma que el funcionamiento del sistema se degrada. La interferencia se apoya en el principio de

    superposicin lineal de ondas electromagnticas y ocurre cada vez que dos o ms ondas ocupan,

    simultneamente, el mismo punto en el espacio. A pesar que ciertos tipos de medios de propagacin

    tienen propiedades no lineales, la atmsfera terrestre se puede tomar como lineal.

    La figura 1.9a muestra la suma lineal de dos vectores de voltaje instantneos, cuyos ngulos de fase

    difieren por un ngulo . Puede observarse que el voltaje total no es simplemente la suma de lasmagnitudes de los dos vectores, sino su suma vectorial (en magnitud y fase). Con la propagacin en

    espacio libre, puede existir una diferencia de fase producto de la diferencia de camino entre dos rayos a la

    reflexin en diferentes medios; dependiendo de esta, puede cancelarse o reforzarse la seal recibida.

    La figura 1.9b muestra la interferencia entre dos ondas electromagnticas que estn en el espacio libre.

    Puede verse que en el punto X los rayos se encuentran, pero la onda B ha viajado una trayectoria distinta a

    la de la onda A y sus ngulos de fase pueden ser diferentes. Si la diferencia de distancia viajada es

    E1

    E2

    Et

    Onda B

    Onda AFuente X

    Fig. 1.9. Fenmeno de interferenciaa)

    b)

    Fig. 1.8. Tipos de difraccin a) Por filo de cuchillo b) por la curvatura de la superficie terrestre

    a)

    Zona de sombra

    Zona de silencio

    b)

    Zona de sombra

    Zona de silencio

  • Introduccin a los Sistemas de Telecomunicaciones 12

    mltiplo de un entero impar de la mitad de longitud de onda, se lleva a cabo el refuerzo, si es mltiplo de

    un entero par, ocurre la cancelacin; generalmente en la prctica ocurre una cancelacin parcial.

    Aplicacin:

    El fenmeno de interferencia establece una limitacin en el uso de comunicaciones inalmbricas, al

    tener que compartir los usuarios un espectro radioelctrico limitado. Al disear un enlace, cualquiera que

    sea su naturaleza, debe tenerse en cuenta inicialmente la interferencia que podran producir enlaces

    cercanos, as como la interferencia del propio sistema, llamada sobre-enlace. Estos tpicos sern tratados

    en temas posteriores, pero se debe tener en cuenta que el estudio de interferencias representa un tema

    extenso por s mismo, y un rea de trabajo probable para el ingeniero en telecomunicaciones. La

    interferencia no se limita a los sistemas inalmbricos, presentndose en los sistemas cableados telefnicos

    como diafonia.

  • Introduccin a la Radio Propagacin 13

    TEMA II. INTRODUCCION A LA RADIO PROPAGACION

    INTRODUCCIN

    En este tema estudiaremos la transmisin de ondas electromagnticas usando el espacio como medio.

    ! El espacio como medio de transmisin: Existen diferentes formas en que las ondas pueden propagarse

    en el espacio. Aunque las ondas electromagnticas viajan en lnea recta, su trayectoria rectilnea puede ser

    alterada por la tierra y la atmsfera. Existen tres formas de propagacin de las ondas electromagnticas en

    el espacio: ondas de tierra, ondas de espacio y ondas de cielo, como se muestra en la figura 2.1.

    CARACTERSTICAS DE PROPAGACIN DE LAS ONDAS DE RADIO

    Ondas de Tierra

    Son ondas electromagnticas que viajan a lo largo de la superficie de la tierra. Deben tener polarizacin

    vertical, ya que la tierra es un medio conductor, que desvanece la componente tangencial del campo.

    Producen flujos de corrientes muy similares a las producidas en las lneas de transmisin. Las prdidas

    producidas por la tierra aumentan rpidamente con la frecuencia, lo que limita a este tipo de propagacin a

    frecuencias por debajo de los 2 MHz (desde los 15 KHz).

    Las ondas de tierra se usan normalmente para comunicacin barco a barco o barco a costa, para radio

    navegacin y para comunicaciones martimas mviles.

    Desventajas

    1. Requieren potencias de transmisin relativamente altas

    Onda de espacio (directa)

    Onda de espacio (reflejada)

    Onda de cielo

    Superficie terrestre

    Onda de tierra

    Fig. 2.1. Tipo de ondas segn el medio en que se propagan

    Ionosfera

    Estratosfera

    TroposferaOnda de espacio (reflejada)

  • Introduccin a la Radio Propagacin 14

    2. Estn limitadas a LF, VLF y necesita antenas grandes

    3. Las prdidas varan considerablemente con el material en que se propaga.

    Ventajas

    1. Se pueden usar para comunicar dos puntos cualquiera en el mundo (con suficiente potencia).

    2. Dependen poco de las condiciones atmosfricas.

    Ondas Espaciales

    Las ondas espaciales concentran la energa radiada a pocos kilmetros de la superficie terrestre. Tipos:

    1. Onda directa (LDV): Viajan en lnea recta de la antena transmisora a la receptora.

    2. Ondas Reflejadas: Generalmente degradan el rendimiento del sistema pues difiere en fase de la onda

    directa (debido a la diferencia de trayectoria)

    Ya que debe haber visibilidad entre el transmisor y el receptor, la propagacin por ondas espaciales

    estn limitadas por la curvatura de la tierra. Sin embargo, la comunicacin se puede lograr usando ondas

    espaciales sin tener lnea de vista, por medio de los fenmenos de difraccin o dispersin, como veremos

    ms adelante.

    Ondas de Cielo

    Son ondas dirigidas sobre el nivel del horizonte. Generalmente se radan con ngulos grandes respecto

    a la tierra, reflejndose o refractndose en la ionosfera. La ionosfera es la regin del espacio localizada

    aproximadamente entre los 50 y 400 kms sobre la superficie terrestre, y constituye la porcin superior de

    la atmsfera.

    Las ondas espaciales sern objeto de un estudio ms detallado en los temas IV y V de este curso.

    CARACTERSTICAS DE PROPAGACIN DE ACUERDO A LA BANDA UTILIZADA

    La tabla 2.1 contiene la clasificacin en bandas, aceptada como estndar

    Banda Significado FrecuenciaELF Frecuencias Extremadamente Bajas 0-3 KHzVLF Frecuencias Muy Bajas 3-30 KHzLF Frecuencias Bajas 30-300 KHzMF Frecuencias Medias 300-3000 KHzHF Frecuencias Altas 3-30 MHzVHF Frecuencias Muy Altas 30-300 MHzUHF Frecuencias Ultra Altas 300-3000 GHzSHF Frecuencias Super Altas 3-30 GHzEHF Frecuencias Extremadamente Altas 30-300 GHz

    Tabla 2.1. Clasificacin en bandas de frecuencia.

  • Introduccin a la Radio Propagacin 15

    ELF, VLF, LF y MF: 0-3 MHz

    ! Las ondas siguen la curvatura de la tierra.

    ! Poseen baja capacidad de informacin.

    ! La atenuacin depende de la conductividad del medio. Es alta para la tierra, lo que obliga a utilizar

    altos niveles de potencia, siendo ms baja en el mar.

    ! Antenas grandes y en contacto con la superficie terrestre.

    ! Independencia de condiciones climatolgicas.

    ! Reflexin nocturna en la ionosfera (para MF), lo que permite alcanzar grandes distancias. De da (a

    causa de la luz solar) se forma una capa en la parte inferior de la ionosfera (80 a 100 km.) que

    absorbe las MF.

    HF: 3 - 30MHz.

    ! Propagacin por onda superficial altamente atenuada.

    ! Propagacin por reflexin en la ionosfera. Los gases en la ionosfera estn expuestos a la radiacin

    ultravioleta del sol, y sus molculas liberan electrones que se convierten en iones positivos, y cuya

    densidad aumenta con la altura. Para determinada concentracin de electrones por metro cbico

    existe una frecuencia mxima que puede reflejarse en ella; ondas de radio con frecuencias

    superiores se reflejarn en capas con mayor concentracin, y si no las hay, pasarn a travs de la

    ionosfera sin retorno a la tierra. Este medio se us ampliamente en los enlaces internacionales para

    las comunicaciones punto a punto, antes de la aparicin de los sistemas satelitales.

    VHF, UHF, SHF y EHF: 30 300GHz.

    ! Las ondas no son reflejadas por la ionosfera

    ! La propagacin superficial es despreciable

    ! Las ondas se refractan en la troposfera. La troposfera es aquella capa de la atmsfera que est

    inmediatamente sobre la superficie terrestre, su altura es del orden de 10 km. Desde el punto de

    vista macroscpico su ndice de refraccin no es constante y presenta una variacin con la altura,

    lo que introduce un fenmeno de refraccin sucesivo que modifica la propagacin de las ondas.

    ! En la figura 2.2 se ilustran los diferentes caminos y fenmenos por los que se pueden propagar las

    ondas en esta banda. En R1, llegar una radiacin directa y una reflejada por la superficie terrestre.

    La combinacin vectorial de ambos campos, constituir el campo total recibido.

    ! En R2, el campo recibido corresponde al de una difraccin de energa emitida en el perfil terrestre

    sobre un obstculo agudo, mientras que en R3 corresponde al de difraccin sobre un obstculo

    esfrico.

  • Introduccin a la Radio Propagacin 16

    ! Es posible (en partes altas de VHF y toda la banda de UHF, SHF y EHF), que se reciba un nivel

    apreciable de campo en R4 producto una dispersin de energa en las irregularidades de la

    troposfera; de igual forma, el campo recibido en R2 y R3 puede producirse tanto por difraccin

    como por dispersin. Estos dos fenmenos coexisten, dominando la difraccin para frecuencias

    bajas y distancias cortas (p.e. 100 MHz y 100 km.), mientras que para frecuencias altas y distancias

    grandes el fenmeno preponderante es la dispersin. No existe lmite preciso para separar un

    fenmeno de otro.

    ! En el rango de la microondas (a partir de 1GHz), es posible discriminar entre la onda directa y las

    reflejadas usando antenas altamente direccionales; sin embargo, con superficies terrestres lisas y

    con los cambios de refraccin en la troposfera, pueden haber fluctuaciones de seal y distorsin.

    La pesantez de la atmsfera, especialmente en perodos de calma atmosfrica, tiende a formar

    capas de pequeo espesor que, debido a la discontinuidad del ndice de refraccin, actan como

    superficies reflectoras. Como las caractersticas de la atmsfera varan en forma aleatoria, la

    radiacin reflejada interferir con la radiacin directa en forma tambin aleatoria.

    HORIZONTE PTICO Y HORIZONTE DE RADIO

    En los sistemas LDV las ondas de radio viajan en lnea recta en el vaco y se limitan en el horizonte a

    causa de la curvatura de la tierra. Sin embargo, cuando viajan por la troposfera, las ondas de radio se

    curvan o difractan ms all del horizonte ptico, distancia llamada horizonte de radio, que es de

    aproximadamente cuatro tercios del horizonte ptico. La refraccin es causada por la troposfera, debido a

    cambios en su densidad, temperatura, contenido de vapor de agua y conductividad relativa. El horizonte

    Ondas transhorizonte

    (difracccin)

    Onda directa

    Onda reflejada

    R1

    R3 R4

    Fig. 2.2 Formas de propagacin por onda espacial

    Troposfera

    Ondas transhorizonte

    (dispersin)R2

  • Introduccin a la Radio Propagacin 17

    hrht

    dt drd

    Antena transmisora Antena receptora

    Fig. 2.5. Aumento del horizonte de ptico y de radio con el tamao de las antenas.

    de radio depende de la altura de las antenas, y puede extenderse elevndolas. La figura 2.4 muestra

    grficamente el concepto de horizonte ptico y de radio.

    El horizonte de radio para una antena es

    hd 2= (2.1)

    donde d = horizonte de radio (km.)

    h = altura de la antena (m)

    Para determinadas antenas receptora y transmisora, el horizonte de radio es

    rtrt hhddd 22 +=+= (2.2)

    donde: d = distancia total (km.),

    dt,r = horizonte de radio por la antena transmisora (receptora) (km.),

    ht,r = altura de la antena transmisora (receptora) (m).

    De donde se puede deducir que tanto el horizonte ptico como el horizonte de radio se puede ampliar

    simplemente aumentando el tamao de las antenas (ver figura 2.5).

    horizonte ptico

    horizonte de radio

    Fig. 2.4. Horizonte ptico y horizonte de radio

  • 18

    TEMA III. COMUNICACIONES POR MICROONDAS

    INTRODUCCIN

    En este tema estudiaremos la composicin de la atmsfera terrestre, medio por el cual transmitimos la

    informacin en los enlaces de radio. Las caractersticas de la atmsfera permiten la comunicacin por

    diferentes sistemas, que clasificamos de acuerdo a sus caractersticas de propagacin. Finalmente, una vez

    comprendido el(los) principio(s) mediante el(los) cual(es) es posible la propagacin en cada sistema,

    estudiamos la influencia de la variacin del ndice de refraccin de la atmsfera en las comunicaciones por

    LDV.

    Los diferentes modos de transmisin de ondas electromagnticas en la atmsfera terrestre son:

    1. Propagacin en el espacio libre

    2. Propagacin por trayectorias curvas debido a la refraccin en la atmsfera

    3. Propagacin sobre el horizonte por difraccin en la tierra

    4. Propagacin sobre el horizonte por reflexin ionosfrica

    5. Propagacin sobre el horizonte usando las irregularidades de la troposfera

    A pesar que en este tema describiremos todos los sistemas mencionados, haremos incapi a lo largo

    del texto en los correspondientes a los puntos 1, 2 y 3, asociados con las comunicaciones por LDV.

    COMPOSICIN DE LA ATMSFERA

    1. Ionosfera: Regin superior de la atmsfera

    1

    2

    3

    4

    5

    Ionosfera

    Estratosfera

    Troposfera

    Fig. 3.1. Diferentes tipos de propagacin en la atmsfera terrestre

  • 19

    Sus caractersticas varan con la hora, da, estacin y ao.

    Su altura oscila entre los 50 y los 400 km.

    Es permeable para frecuencias mayores a 30 MHz.

    Absorbe grandes cantidades de energa solar, lo que ioniza las molculas de aire, creando electrones

    libres, que forman estratos de ndice de refraccin variable. Cuando una onda de radio pasa por la

    ionosfera, el campo elctrico produce una fuerza sobre los electrones libres, que los hace vibrar,

    variando as el ndice de refraccin.

    A frecuencias superiores a cierto valor crtico, las ondas atraviesan la ionosfera.

    Para cada frecuencia crtica, existe un ngulo crtico (respecto a la normal) por encima del cual laenerga pasa la ionosfera.

    La ionizacin depende de la radiacin solar.

    Est estratificada y dividida en las siguientes capas:

    ! Capa D: Capa ms baja (50 < h < 100 km.). Hay poca ionizacin. Desaparece de noche.

    Tiene poco efecto en la desviacin de las ondas, pero absorbe mucha energa.

    ! Capa E: (100 < h

  • 20

    turbulencias, similares a remolinos, que actan como discontinuidades en el gradiente del ndice de

    refraccin. Las turbulencias son ms intensas cerca de la superficie de la tierra y disminuyen gradualmente

    con la altura.

    Para frecuencias bajo los 30 MHz, la longitud de onda es grande comparada con el tamao de las

    turbulencias, y por lo tanto estas tienen poco efecto en la propagacin de las seales. Sin embargo, a

    medida que se incrementa la frecuencia, las variaciones locales toman importancia. Esto hace que dentro

    de una cierta gama de frecuencias, la dispersin troposfrica, fenmeno que estudiaremos con mayor

    detalle ms adelante, pueda ser estudiada como un fenmeno de dispersin de ondas por un medio

    turbulento.

    La estratificacin de la troposfera y las turbulencias hacen posible la propagacin de ondas muy cortas

    a largas distancias con mucha menos atenuacin que en propagacin por ondas de tierra. Las longitudes de

    onda capaces de viajar grandes distancias por medio de la propagacin troposfrica van desde los pocos

    metros (alrededor de 50 MHz) hasta los pocos centmetros (decenas de GHz).

    EL FENMENO DE DISPERSIN TROPOSFRICA

    Cuando la banda de VHF y frecuencias superiores comenzaron a usarse en sistemas de comunicaciones

    por LDV, se crea que la propagacin sobre el horizonte estaba gobernada esencialmente por las leyes de

    difraccin sobre tierra lisa esfrica, sobre la cual exista una atmsfera estable y homognea. La teora de

    tierra lisa predeca una cada exponencial de la seal a partir del horizonte de radio. Se crey que la

    utilidad de ese rango de frecuencias estaba limitado a distancias no mucho mayores que las de los enlaces

    por LDV.

    Sin embargo, se acumulaba experiencia experimental acerca de la propagacin de microondas mucho

    ms all del horizonte, observndose interferencia por sistemas con transmisores distanciados en ms de

    300 km. Al principio, esas seales anmalas sobre el horizonte se atribuyeron a la influencia de

    situaciones espordicas producidas por fenmenos meteorolgicos en la troposfera y la influencia de la

    ionosfera, pero los resultados indicaban que los efectos de transmisin eran mucho ms persistentes que lo

    que esas causas permitan. Luego de la segunda guerra mundial se inici una investigacin experimental y

    terica para determinar las caractersticas de estos campos y explorar su utilidad al usarse para enlaces de

    comunicaciones de largas distancias.

    A pesar de no existir an una concordancia completa entre los diferentes modelos tericos y los

    resultados, una de las teoras ms aceptada es la teora de dispersin troposfrica, la cual permite hacer

    predicciones cuantitativas de muchas de las principales caractersticas de la propagacin. Adicionalmente,

    se dispone de una cantidad substancial de datos empricos que sirven de base para la ingeniera de

    sistemas por dispersin troposferica. Los ingenieros de comunicacin dependen de los clculos de las

  • 21

    prdidas de propagacin usando frmulas semi-empricas que relacionan la frecuencia de operacin, las

    dimensiones de las antenas, la geometra del enlace y las condiciones meteorolgicas.

    Los enlaces por difraccin troposfrica proveen una solucin al problema de comunicar sobre el agua

    terrenos inaccesibles. El rango de frecuencias de operacin va de 200 MHz hasta 10 GHz. Los sistemas se

    caracterizan por el uso de potencias de transmisin sobre los 50 kW, antenas de ondas planas con

    ganancias de 40 a 45 dB y recepcin de cudruple diversidad en espacio.

    Las dos teoras principales que explican los fenmenos que producen la dispersin troposfrica son:

    Teora de dispersin por turbulencias

    El rpido y amplio desvanecimiento presente en los enlaces por propagacin troposferica indica que las

    turbulencias atmosfricas producen el fenmeno de dispersin. Las propiedades fsicas del aire no vara en

    forma suave y continua; existen variaciones irregulares del ndice de refraccin de la atmsfera, por lo que

    la atmsfera puede considerarse como constituida por burbujas de constantes dielctricas diferentes,

    distribuidas aleatoriamente. Cuando una onda de radio de longitud de onda suficientemente corta

    comparada con el tamao de la discontinuidad pasa por la atmsfera, la mayor parte de la energa de la

    onda contina en la direccin original, pero otra parte es difractada en diferentes direcciones.

    El ngulo entre la direccin del rayo original y el difractado se llama ngulo de dispersin, y mientras

    es menor ms intensa es la seal difractada. La figura 3.2 ilustra la forma como se logra la propagacin en

    un circuito tpico de dispersin troposfrica, con el transmisor y el receptor con antenas de haz estrecho

    dirigidos tan bajo como es posible, de tal manera que el ngulo de dispersin sea pequeo (usualmente no

    mayor de 3 grados). Donde se interceptan los haces de las antenas transmisora y receptora, existe una zona

    de la troposfera que acta como volumen de dispersin; diferentes partes del volumen de dispersin

    TR

    Nivel del mar300 km.

    1.5 km

    Volumen de dispersin

    Fig. 3.2 Diagrama de propagacin por dispersin troposfrica. Teora de difraccin por turbulencias

    Angulo de difraccin

  • 22

    contribuyen a la onda difractada, de tal manera que la energa recibida consiste en muchos componentes

    que viajan distancias ligeramente distintas, por lo que la seal no es de intensidad constante, sino que varia

    de la misma forma que lo hacen las seales HF cuando pasan por algunas capas de la ionosfera. La teora

    de dispersin asume la existencia variaciones temporales y espaciales del ndice de refraccin dentro de un

    volumen de dispersin definido por el volumen (ngulo slido) que interceptan los patrones de las antenas

    transmisora y receptora.

    Teora de reflexin en capas

    Esta teora se basa en la suposicin que la propagacin ms all del horizonte se debe a reflexiones

    debidas a un gran nmero de capas dispuestas aleatoriamente en el volumen de la atmsfera donde se

    interceptan los haces de las antenas transmisora y receptora. Las capas reflectoras se forman por saltos del

    gradiente de la constante dielctrica de la atmsfera. En la atmsfera existe una estratificacin de ndices

    de refraccin por al menos la mitad del tiempo en muchas localizaciones, y algunas mediciones muestran

    que parte de la intensidad de campo recibido se debe a estas capas. La teora de dispersin por

    turbulencias se ha modificado para predecir la potencia esperada que es difractada sobre el horizonte por

    las turbulencias que se creen asociadas a estas capas. (ver figura 3.3)

    Los tipo de sistema de comunicaciones para frecuencias mayores a 30MHz son:

    Sistemas por LDV

    Sistemas por dispersin troposfrica

    Sistemas satelitales

    Ondas interferentes reflejadas encapas troposfricas

    Onda reflejadaen tierra

    Fig. 3.3 Teora de reflexin por capas

    Discontinuidades delndice de refraccin

  • 23

    COMPARACIN DEL SISTEMA DE DISPERSIN TROPOSFRICA CON EL SISTEMA DE

    MICROONDAS POR LDV

    Similitudes

    Absorcin por oxgeno y vapor de agua

    Recepcin multitrayectoria

    Uso de repetidores de alta sensibilidad

    Uso de diversidad en el espacio

    Rango de frecuencias (f > 30MHz)

    Diferencias: en la tabla 3.1 se muestran las diferencias entre los enlaces por LDV y por dispersin

    troposfrica

    LDV Dispersin Troposfrica

    Requiere LDV No requiere LDV

    Distancias hasta 80 km. Distancias hasta 650 km.

    Baja potencia de Tx Alta potencia de Tx

    Fenmeno por el que se produce:

    Refraccin

    Difraccin

    Reflexin

    Fenmeno por el que se produce:

    Dispersin

    Reflexin

    Alta dependecia de las condiciones atmosfricas Muy alta dependecia de las condiciones atmosfricas

    Alta calidad Baja calidad

    Alta confiabilidad Baja confiabilidad

    Sistemas en desarrollo Sistemas en desuso

    EL NDICE DE REFRACCIN DE LA ATMSFERA

    La troposfera se caracteriza porque su constante dielctrica () es funcin de la presin atmosfrica, la

    temperatura y la humedad, las cuales varan con la altitud y dependen del clima y del estado del tiempo.

    La variacin de produce la variacin del ndice de refraccin (n) con la altitud.

    Las seales de microondas deben propagarse a travs de la troposfera. El comportamiento de una onda

    que se propaga por la troposfera est determinado por el ndice de refraccin en ella, el cual se define

    como la relacin entre la velocidad de la luz en el vaco y la velocidad de la luz en el medio

    n = c/ci (3.1)

    Tabla 3.1. Comparacin entre los sistemas por LDV y por dispersin troposfrica

  • 24

    roroic

    1

    = , entonces (3.2)

    Para medios no magnticos, rrr =n (3.3)

    donde o : permeabilidad en el espacio libre

    r : permeabilidad relativa del medio

    o : permitividad en el espacio libre

    r : permeabilidad relativa del medio

    El ndice de refraccin tiene valores muy prximos a la unidad (p.e. 1,00038), por lo que habitualmente

    se trabaja con el condice de refraccin, refractrividad o ndice refractivo N610)1( = nN . (3.4)

    Comnmente

    251073.36.7748106.77

    Tep

    TTep

    TN +=

    += (3.5)

    donde:

    p = presin atmosfrica total (mb)

    e = presin del vapor de agua (mb)

    T = temperatura absoluta (K)

    La variacin horizontal de n es despreciable respecto a su variacin vertical, y esta ltima es mayor en

    climas tropicales que en climas fros. El ndice de refraccin depende del clima, localizacin y estacin

    del ao. Tanto p, e y T decrecen exponencialmente con la altura, por lo que n en general decrece con h y

    tiende a la unidad (N 0). De esta manera

    HhseNhN /)( = (3.6)

    donde Ns es el condice de refraccin en la superficie terrestre (adimensional), h la altura (km) y H es una

    escala de altura que generalmente es igual a 7.32 km, por lo que

    hseNhN 136.0)( = . (3.7)

    Una atmsfera que cumpla con la ecuacin 3.6 sigue el modelo exponencial aproximado, el que se

    caracteriza porque cerca de la superficie terrestre (dentro de los tres primeros kilmetros) y N decrecen

    linealmente con la altura.

  • 25

    Desde el punto de vista macroscpico, como tendencia estadstica media, ocurre una disminucin

    exponencial de n con la altura. El CCIR ha definido una atmsfera de referencia, cuya variacin

    exponencial es

    hehN 136.0289)( = (3.8)con h en kms.

    En las capas bajas de la troposfera (p.e. hasta los tres kilmetros), la variacin puede considerarse

    lineal, y el gradiente sera constante e igual al valor de la ecuacin anterior con h = 0

    1-0

    km 39==hdh

    dN . (3.9)

    si este gradiente fuera constante respecto a h, N = 289-39h, y tendramos una atmsfera normal o estndar.

    La atmsfera de referencia puede considerarse como una atmsfera con una variacin estadstica

    media, vlida en climas templados, en un perodo de tiempo ms o menos largo (p.e. 1 ao). Si

    consideramos las capas bajas de la atmsfera, se observan variaciones en el tiempo, pudindose encontrar

    variaciones de gradiente entre 80 y 20 km-1, pudiendo llegar el gradiente a ser positivo.

    La atmsfera superestandar es la que tiene un gradiente negativo menor a 39 km-1, y provee

    condiciones adecuadas para la propagacin. La atmsfera subestandar dificulta la propagacin, y se da

    cuando g>-39, y puede llegar a ser positivo al producirse una inversin de la variacin de la temperatura

    con la altura.

    ESTRATIFICACIONES DE LA ATMSFERA

    Anlisis en el caso de estratificacin plana.

    Segn la ley de Snell para refraccin y de acuerdo a la figura 3.4,

    Cinininin oo ==== 332211 sensensensen (3.10)

    jjkk inin sensen = (3.11)

    expresando esta ecuacin en funcin de los ngulos complementarios ()

    )90sen()90sen( = nn oo (3.12)

    pero )=)= cos(sen()90cos()cos()90sen()90sen( i (3.13)luego, Cnn oo == )cos()cos( . (3.14)

    Sabemos que ghnn o += (3.15)

    para una atmsfera estndar, donde:

    no es el ndice de refraccin referido al nivel del mar

  • 26

    h es la altura de la superficie respecto al nivel del mar

    g es el gradiente del ndice de refraccin de la troposfera

    luego )cos()()cos()cos( ghnnn ooo +== (3.16)

    o

    o

    ngh

    += 1)cos()cos(

    (3.17)

    ecuacin que en adelante llamaremos de trayectoria del rayo para estratificacin plana.

    Anlisis en el caso de estratificacin esfrica.

    Segn la ley de Snell para refraccin

    )cos()'''cos( 2211 nn = (3.18)

    io

    i1 i1

    i2

    i3

    o1

    no

    n1

    n2

    n3

    Fig. 3.4. Atmsfera con estratificacin plana

    O

    1

    1

    2 2

    3

    N0

    N1

    N2

    N3

    r1

    R2 R3

    0Fig. 3.5. Atmsfera con estratificacin esfrica

    1

    122

    P

    2

    1

    1

    2

  • 27

    Fig. 3.6 Trayectoria de una onda en una atmsferacon estratificacin esfrica

    o

    Ro Ro

    h

    Comentario: Si proyectamos la trayectoria 1 hasta P, podemos demostrar geomtricamente que 2 =1 y que 1 = 1. Analticamente, 2 + 90 + (90 1) = 180 2 = 1 y 1 + 90 + (90 1) = 180 1 = 1.

    Sin embargo )'''cos()cos()'''cos(;)cos( 12112

    11

    1 rrrOP

    rOP

    === (3.19)

    sustituyendo (3.18) en (3.19)

    )cos()cos()cos()cos( 2221112212

    11 rnrnnr

    rn == , (3.20)

    y en general Crn kkk =)cos( (3.21)esta ecuacin representa la ley modificada de Snell.

    Comentario: La ley de Snell y la ley modificada de Snell relacionan los ngulos de refraccin entre capas,

    slo que para estratificacin plana )(''' 1111 == .

    ECUACIN DE TRAYECTORIA PARA ESTRATIFICACIN ESFRICA

    Sabemos que ghnn o += (para la atmsfera estndar hxnn o 91039 = ).

    Adems, segn la ley modificada de Snell y de acuerdo a la figura 3.6

    coscos nrRn oo = (3.22)donde Ro es el radio de la tierra.

    Pero ghnn o += y, segn la fig. 3.6, hRr o += , por lo tanto

    cos))((cos hRghnRn oooo ++= (3.23)

    ooooo

    o

    o

    o

    Rngh

    Rh

    ngh

    RhR

    nghn 2

    1)()(

    coscos

    +++=++

    = (3.24)

    pero

    9-6

    292

    4-6

    59

    10 deorden del es 104.6

    1039

    10 deorden del es 104.6

    10 deorden del es1039

    xhx

    Rngh

    xh

    Rh

    hxngh

    oo

    o

    o

    =

  • 28

    por lo que despreciamos el trmino cuadrtico y

    ++oR

    gh 11coscos

    , (3.25)

    ecuacin que llamaremos de trayectoria para una atmsfera esfricamente estratificada.

    RADIO DE CURVATURA DE LAS TRAYECTORIAS

    A continuacin se deduce la expresin matemtica que permite calcular el radio de la curvaturas de las

    ondas en la troposfera en funcin del gradiente del ndice de refraccin. Para un instante dt (ver figura 3.7)

    dtdvvAAvdtAA )('y ' 2211 +== (3.26)

    Asimismo d

    SASA

    S AdSA += =+=1

    212 y (3.27)

    Por otra parte, en los tringulos A2 A2S y A1 A1S

    'AA'AA

    SASA

    SA'AA

    SA'AA

    11

    22

    1

    2

    1

    11

    2

    22tg === (3.28)

    entonces vdvv

    vdtdtdvv +=

    + )(, (3.29)

    A2

    A`2

    Centro de la tierra

    S

    N+N

    A1

    d

    A1

    Fig. 3.7. Determinacin del radio de curvatura de las trayectorias

  • 29

    0=dhdN

    0dhdN

    Fig. 3.8. Trayectoria del rayo de acuerdo al gradiente del condice de refraccin

    luego vdvd

    vdvd

    vdvvd

    =+=++

    =

    +

    11 (3.30)

    pero ndnddn

    ncdv

    ncv ===

    2 . (3.31)

    Por otra parte, en el tringulo de lados dr y d

    ==

    ndn

    drd

    drddr

    coscos (3.32)

    1cos

    =

    drdn

    n (3.33)

    o 1

    cos

    =

    drdn

    n (3.34)

    ntese que dhdn

    drdn

    = (3.35)

    en la prctica, los ngulos considerados son pequeos y podemos decir que

    1cos

    =

    11

    dhdn

    n . (3.36)

    La ecuacin 3.33 expresa el radio de la curvatura de la trayectoria en funcin de n.

    ya que dhdN

    dhdnx

    dhdn

    dhdNxnN 666 101010)1( === (3.37)

    luego 1

    610

    =

    dhdN (3.38)

    ecuacin que expresa el radio de la curvatura de la trayectoria en funcin de N.

  • 30

    Si el gradiente del ndice de refraccin es constante (como en la atmsfera estndar) la forma de la

    trayectoria es un arco de circunferencia con radio menor a medida que aumenta el gradiente del ndice de

    refraccin. En la figura 3.8 se muestran diferentes trayectorias para los posibles casos del gradiente del

    condice de refraccin.

    Aplicacin: El radio de la curvatura de un onda electromagntica que viaja a travs de una atmsfera

    estndar es igual a oRx

    >>==

    Km 256411039

    103

    6 , lo que significa que las ondas se alejan de la

    tierra.

    RADIO EQUIVALENTE DE LA TIERRA

    A pesar que la energa de las ondas electromagnticas tiende a viajar en lnea recta, normalmente se

    curva hacia abajo debido a la refraccin atmosfrica. La magnitud del radio de esta curvatura vara con las

    condiciones atmosfricas. El grado y la direccin de la curvatura se puede definir convenientemente por

    un factor de radio equivalente de la tierra (k). Este factor, multiplicado por el radio real de la tierra (Ro), es

    llamado radio ficticio de la curvatura de la tierra. La curva resultante es igual a la curvatura relativa del

    haz de microondas respecto a la curvatura de la tierra, o sea, es equivalente a la curvatura real de la tierra

    menos la curvatura del haz. Con fines ilustrativos, se podra pensar que es el radio que tendra la tierra si

    la trayectoria fuera recta, siendo k el factor por el que se debe modificar el radio de la tierra para

    enderezar la curvatura de la onda electromagntica.

    La ecuacin de trayectoria para estratificacin esfrica es

    ++=

    oRgh 11

    coscos

    , (3.39)

    si la atmsfera fuese homognea (n=constante) se producira una propagacin rectilnea que estara

    definida por

    eRh

    +=1coscos

    . (3.40)

    Comparando (3.39) y (3.40), vemos que si el gradiente del ndice de refraccin es constante, podemos

    transformar la propagacin real (curva) en una propagacin recta reemplazando el radio real Ro por un

    radio ficticio o equivalente.

    oo

    oeq

    oeqkR

    gRRR

    Rg

    R=

    +=+=

    111 (3.41)

    Para una atmsfera estndar o normal

    m1 1039 9== x

    dhdng y m 1037.6 6xRo = (3.42)

  • 31

    k=-3

    k=

    k=4/3

    k=1

    k=2/3

    Fig. 3.10. Relacin entre la trayectoria de los rayos sobre la tierray el factor de correccin del radio de la tierra

    34

    1037.6103911

    69

    = xxx

    k y Km.85003

    4= oeq

    xRR (3.43)

    La figura 3.9 ilustra el significado fsico del factor de correccin de radio de la tierra.

    En la figura 3.10 se muestran diferentes trayectorias correspondientes a distintos valores de k.

    Aplicacin: Una vez determinado el radio equivalente de la tierra en la regin donde se desea establecer el

    enlace, la altura del perfil del terreno en cada punto deben modificarse segn:

    k

    ddh

    74.1221

    = (3.44)

    donde:

    h = Variacin de la altura del perfil en cada punto, en metros,

    d1 , d2 = Distancias desde el punto al transmisor y receptor, respectivamente en kilmetros y

    k = Factor de radio equivalente de la tierra.

    Fig. 3.9. Representacin grfica del radio equivalente de la tierra

    Ro= 6370 Km Re=(4/3)Ro 8500 Km

    Ro

  • 32

    TEMA IV. ESTACIONES TERMINALES Y ESTACIONES REPETIDORAS PARA SISTEMAS

    DE COMUNICACIONES POR LDV

    INTRODUCCIN

    En este tema se describen las caractersticas, el funcionamiento y los componentes de las estaciones

    terminales y los diferentes tipos de repetidores usados en enlaces por LDV. Se hace especial nfasis en la

    comprensin del funcionamiento y la consideracin de caractersticas claves en el diseo de sistemas por

    LDV.

    ESTACIONES TERMINALES

    A continuacin describiremos las estaciones terminales utilizadas en los sistemas de comunicaciones

    por microondas, y a partir del entendimiento de sus componentes y funciones, analizaremos las estaciones

    repetidoras, que podran considerarse un subsistema del sistema compuesto por la combinacin transmisor

    receptor (figura 4.1).

    Multicanalizador (Mux)-Demulticanalizador (Demux)

    Aunque este bloque, en general, puede corresponder a cualquier sistema de multicanalizacin

    conocido, para enlaces analgicos tipo FDM-FM corresponde a Multicanalizacin por divisin de

    frecuencia (FDM). Para los lectores no familiarizados con la jerarqua FDM, se recomienda la revisin de

    la bibliografa correspondiente a este tema.

    Seccin de banda base

    a) En el transmisor: Est compuesta por:

    Preamplificador de banda base

    Red de Prenfasis: Para explicar el funcionamiento de esta red, es necesario conocer las caractersticas

    de la modulacin FM frente al ruido.

    Fig. 4.1. Modelo por secciones de un a) Transmisor de microondas b) Receptor de

    Transmisor:

    Seccin de

    banda base

    Seccin demodulacin

    Seccin deIF

    Mux Seccin deRF

    a)

    Red de sep.de CHS

    Receptor:

    b)

    Seccin debanda base

    Seccin deIF Demux

    Seccin deRF

    Red de sep.de CHS

    Seccin dedemodulacin

  • 33

    Ruido y FM: Cuando se aade ruido blanco con densidad espectral constante a una seal FM, este

    produce una desviacin indeseada en la frecuencia portadora. La magnitud de la modulacin indeseada

    depende de la amplitud relativa del ruido respecto a la portadora. Cuanto esta desviacin indeseada es

    demodulada, se convierte en ruido si tiene componentes de frecuencia dentro del espectro de la seal

    modulante. El voltaje de ruido a la salida del demodulador FM se incrementa linealmente con la

    frecuencia, lo que se conoce como tringulo de ruido1, mostrado en la figura 4.2.

    Si asumimos que la amplitud de la seal modulante es igual en todo su espectro de la banda base, se

    obtiene una relacin seal a ruido no uniforme, donde las frecuencias ms altas sufren una mayor

    degradacin, como se muestra en la figura 4.3a.

    El prenfasis es una distorsin artificial de amplitud, que amplifica las componentes de frecuencias

    altas de la seal modulante antes de la modulacin. El desnfasis es simplemente la accin opuesta y se

    realiza en el receptor antes de la demodulacin, para restaurar el voltaje en el espectro de la seal

    modulante.

    La red de prenfasis provee amplificacin en amplitud a las frecuencias ms altas de la banda

    base,resultando una seal con un espectro como el de la figura 4.3b, lo que proporciona una relacin seal

    a ruido (S/N) uniforme sobre todo el espectro de la banda base. El prenfasis se puede utilizar para

    compensar las no linealidades de los circuitos (o seccin ecualizadora).

    b) En el receptor: Compuesta por

    Amplificador de banda base

    Amplificador controlado por ganancia (AGC): Se utiliza un detector de voltaje piloto que controla las

    prdidas de un atenuador.

    Red de desnfasis: Restaura la seal de banda base a sus caractersticas originales de amplitud contra

    frecuencia.

    Seccin de modulacin/demodulacin

    a) En el transmisor: La seccin de modulacin est compuesta por:

    Preamplificador de entrada de banda base (BB)

    1 Se usan ndices bajos de modulacin (0 < m < 1) para disminuir el ancho de banda

    Fc-Fm Fc+FmFc

    m = 5

    Ruido rectangular

    Fig. 4.2. Tringulo de ruido en FM

    Indice de modulacin (m) = 1

  • 34

    ! Modulador FM: Provee la modulacin sobre una portadora de IF. Tpicamente la portadoras de IF

    estn entre 60 y 80 MHz, siendo 70 MHz la ms comn (segn recomendacin de CCIR).

    ! Circuito de control automtico de frecuencia (AFC): Se considera necesario un cristal con precisin de

    0.001 % de la frecuencia central.

    b) En el receptor: La seccin de demodulacin est compuesta por:

    Limitador-discriminador

    Preamplificador de BB

    Amplificador de canal de servicio

    Seccin de IF

    a) En el transmisor:

    Filtro pasabanda de IF: Se usa para proporcionar un ancho de banda limitado. Este filtro cambia

    dependiendo del ancho de banda utilizado, de tal forma que se limite el ruido introducido al sistema,

    principalmente el ruido trmico. Para controlar el ruido de intermodulacin, se deben usar filtros con

    respuesta gausiana, que tienen fase mximamente lineal (o tiempo de retardo mximamente plano).

    Amplificador de IF

    b) En el receptor:

    Filtro pasabanda de IF

    Fig. 4.3. Relacin seal a ruido sobre el espectro de BB en un sistema

    a) Sin usar prenfasis b) Usando prenfasis

    Fc-Fm Fc+FmFc

    Ruido nouniforme

    S/N

    S/N

    Seal uniforme

    a) Fc-Fm Fc+FmFc

    S/N

    Fc-Fm Fc+FmFc

    Ruido nouniforme

    S/N uniforme

    Seal no uniforme

    b)Fc-Fm Fc+FmFc

    S/N

  • 35

    Ecualizador de retardo (o fase): Como el sistema de banda limitada tendr, en general, retardo de grupo

    parablico, se usa un ecualizador de retardo con caracterstica parablica inversa, para lograr tiempo

    de retardo plano y menor ruido de intermodulacin.

    Amplificador de IF con control AGC: Las caractersticas del AGC se basa en caractersticas de

    desvanecimiento y debe proporcionar un rango de al menos +10 dB a 20 dB respecto a la intensidad

    media recibida.

    Seccin de RF

    En el transmisor y el receptor

    En la figura 4.4 se muestra un diagrama de bloques de la seccin de radio frecuencia (RF), que

    contiene los siguientes componentes:

    Limitadores: Se usan para evitar que el nivel de la seal est dentro del rango de operacin no lineal de

    los equipos.

    Filtros ecualizadores: compensan las no linealidades de la seccin de RF

    Oscilador de RF (oscilador local): Es necesario para obtener estabilidad en alta frecuencia (del orden

    del 0.001 %). Se usan osciladores de cristal en VHF con multiplicadores de frecuencia en serie.

    Control automtico de ganancia (AGC) y control automtico de fase o retardo (APC)

    Mezclador: La seal de IF se traslada a la regin de microondas por medio de un mezclador de AM, y

    un oscilador de microondas (que generalmente es un tubo de onda viajera (TWT) o un Klystron). Se

    mezcla y no multiplica para trasladar la seal de IF a RF manteniendo invariable el ndice de

    modulacin (m). Si se multiplica la portadora de IF se multiplicara tambin la desviacin de

    frecuencia y el ndice de modulacin, aumentando el ancho de banda.

    Amplificador de RF: Provee alta potencia de salida y asla al oscilador de reflexiones (aislador).

    Filtro pasa banda: Su selectividad debe ser tal que cualquier frecuencia fuera de la banda pasante est

    al menos 20 dB por debajo del nivel del oscilador local en el mezclador

    Red de combinacin de canales

    a) En el transmisor y el receptor: La red de combinacin de canales permite conectar ms de un

    transmisor de microondas a una misma lnea de transmisin. La seal viaja generalmente a travs de

    una gua de onda a una misma antena.

    AGC

    APC FPB

    EcualizadorLimitador Osciladorde RF

    Mezclador Amplificadorde RF

    Fig. 4.4. Seccin de RF para el transimisor y el receptor

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    Generalmente se hace uso de la misma antena para transmitir simultneamente diferentes

    (independientes) canales de RF. Los filtros de distribucin se usan para separar los canales de RF sin

    introducir prdidas significativas.

    Antena y red de alimentacin

    Como la energa de seal va a ser transmitida por el espacio (la tropsfera) debemos utilizar antenas

    adecuadas a nuestra frecuencia de operacin, as como una red de alimentacin que lleve la seal del

    transmisin o receptor a la antena. Los requerimientos que debe cumpl