mejoramiento de las comunicaciones analógicas y digitales vía el

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0 Tema de tesis: MEJORAMIENTO DE LAS COMUNICACIONES ANALÓGICAS Y DIGITALES VÍA EL ELECTROCHORRO ECUATORIAL EMPLEANDO DIVERSIDAD Autor: NADIA PATRICIA YOZA MITSUISHI Especialidad: INGENIERIA DE LAS TELECOMUNICACIONES Universidad: PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ Asesores: Ing. DAVID CHÁVEZ MUÑOZ Dr. JORGE CHAU CHONG-SHING Fecha de sustentación: 10 de julio de 2009

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Tema de tesis:

MEJORAMIENTO DE LAS COMUNICACIONES ANALÓGICAS Y DIGITALES VÍA EL ELECTROCHORRO ECUATORIAL EMPLEANDO

DIVERSIDAD

Autor:

NADIA PATRICIA YOZA MITSUISHI

Especialidad:

INGENIERIA DE LAS TELECOMUNICACIONES

Universidad:

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ

Asesores:

Ing. DAVID CHÁVEZ MUÑOZ

Dr. JORGE CHAU CHONG-SHING

Fecha de sustentación:

10 de julio de 2009

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Resumen

1. Propósito de la investigación e hipótesis planteada

Las telecomunicaciones desempeñan un rol fundamental en la sociedad actual. Sin embargo, en nuestro país los servicios básicos de telecomunicaciones en muchas zonas rurales y de difícil acceso aún no han sido cubiertos. Debido a la accidentada geografía del territorio peruano, muchas veces no es posible establecer comunicaciones a través de enlaces microondas, los cuales requieren de línea de vista, y, además, puede resultar poco viable económicamente implementar enlaces satelitales o basados en fibra óptica.

En estos casos se opta por establecer comunicaciones vía radio en la banda de HF (3 a 30 MHz) empleando la propagación por reflexión y refracción ionosférica debido a que permite alcanzar distancias de hasta miles de kilómetros a bajo costo. Sin embargo, la calidad de este tipo de comunicaciones se caracteriza por ser ruidosa e incierta, producto de la distorsión provocada por la ionósfera y las condiciones cambiantes de ésta. Las comunicaciones por onda de espacio en la banda de VHF (30 a 300 MHz) ofrecen mayor calidad que las anteriores, pero requieren de línea de vista, por lo que las distancias cubiertas son mucho menores. Otros mecanismos alternativos de comunicaciones en VHF son por propagación troposférica y propagación ionosférica por dispersión en irregularidades en el medio, como en el caso del Electrochorro Ecuatorial, el cual se abordará en el presente trabajo de tesis.

El Electrochorro Ecuatorial (EEJ por sus siglas en inglés, Equatorial ElectroJet) se presenta como un medio alternativo y confiable de comunicaciones para atender a zonas de difícil acceso utilizando la banda de VHF. Consiste en una corriente horizontal de electrones que fluye a lo largo del ecuador magnético, entre los 95 y los 110 km de altura (capa E de la ionósfera) y comprende un ancho de 600 km en la dirección norte-sur centrado en el ecuador magnético, lo que equivale a ± 3° de latitud magnética [1, 2]. Geográficamente, como se observa en la Figura 1.1, atraviesa el territorio central del Perú y el de otros pocos países por los que pasa el ecuador magnético (línea roja), el cual no coincide con el ecuador geográfico (línea verde).

Este fenómeno ionosférico, descubierto en el Perú y ampliamente estudiado en el Radio Observatorio de Jicamarca, puede ser empleado exitosamente como medio alternativo de comunicaciones, tal como lo demuestran los distintos experimentos realizados en nuestro país desde la década de 1950. Dichos experimentos confirman su potencial como canal de comunicaciones en la banda de VHF (normalmente, las comunicaciones por propagación ionosférica típica son posibles en la banda de HF) e impulsan la investigación de este canal y el desarrollo de nueva tecnología aplicable, con el objetivo de lograr su uso práctico para el establecimiento de comunicaciones de voz y datos en el país.

El propósito de esta investigación radica en estudiar las características del EEJ como canal de comunicaciones y mejorar la calidad de las comunicaciones analógicas y digitales transmitidas a través de éste. De esta manera, se busca promover el empleo de este recurso natural como un medio de comunicaciones alternativo en el Perú. Para

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ello, se analizará la influencia de la variación de los parámetros del EEJ en la calidad de la voz y datos transmitidos y se buscará mejorarla usando nuevas técnicas de transmisión.

Figura 1.1. Geometría global del EEJ [2]

La hipótesis de este trabajo consiste en probar la efectividad de la técnica de diversidad para contrarrestar los desvanecimientos producidos en las comunicaciones de voz y datos vía el EEJ, la cual permitirá mejorar dichas comunicaciones de manera cualitativa y cuantitativa. Esta hipótesis se explicará a continuación.

Las comunicaciones vía el EEJ se producen debido a la dispersión frontal de las ondas de radio en las irregularidades del EEJ, mediante la cual dichas ondas pasan de un medio no ionizado a una capa ionizada en la que se dispersa y sigue su trayectoria hacia adelante, como se grafica en la Figura 1.2. La energía transmitida provoca el movimiento turbulento de las irregularidades del EEJ, por lo cual las distintas componentes dispersadas de la señal podrán sumarse de manera constructiva o destructiva. Ello provoca desvanecimientos en la señal, los cuales consisten en la reducción de la potencia que sufre una señal a través del medio [3]. Dichos desvanecimientos, típicos en las comunicaciones vía el EEJ, se caracterizan por su profundidad y su corta duración y su aparición se origina a una razón de 20 a 100 Hz [4-5], por lo cual degrada la calidad de las comunicaciones. Una forma de combatir los efectos de los desvanecimientos consiste en sobredimensionar el enlace, lo cual se logra a través de las siguientes opciones: empleando antenas de mayor ganancia, usando receptores de mayor sensibilidad, disponiendo de mayor potencia de transmisión, entre otras formas. Debido a que dichos desvanecimientos se producen de manera aleatoria, una forma alternativa y sumamente efectiva para mitigar sus efectos consiste en emplear técnicas de diversidad. Éstas consisten en la transmisión de la misma información a través de dos o más canales radioeléctricos distintos. Cada uno de éstos se ve afectado de forma independiente por los desvanecimientos, por lo que se busca proporcionar al receptor versiones no correlacionadas de la misma señal

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transmitida, las cuales serán procesadas finalmente para conseguir una señal de mayor calidad que las originales. Entre los tipos de diversidad se encuentran diversidad en frecuencia, espacio, polarización y tiempo. En el caso de diversidad en frecuencia, la cual se empleará en las pruebas de campo, se transmite la misma información usando dos frecuencias distintas.

Figura 2. Dispersión frontal de las ondas de radio [6]

2. Metodología empleada en la investigación

La investigación se desarrolló en el Radio Observatorio de Jicamarca (ROJ), perteneciente al Instituto Geofísico del Perú, bajo la asesoría experta del Dr. Jorge Chau, director de dicha institución.

Como se mencionó anteriormente, la hipótesis planteada consistió en probar que la técnica de diversidad permite mejorar cualitativa y cuantitativamente la calidad de las comunicaciones de voz y datos vía el EEJ. Para probar dicha hipótesis, se establecieron tres objetivos específicos realizados de manera secuencial, los cuales se detallan a continuación:

a) Desarrollar un programa que simule la transmisión de voz y datos vía el EEJ, de modo que sea posible emplear distintos tipos de modulación y simular el uso de diversidad sin necesidad de implementar físicamente el enlace.

b) Emplear el simulador desarrollado para evaluar estadísticamente la calidad de la voz y datos transmitidos vía el EEJ para diferentes valores de los parámetros del canal y del sistema de comunicaciones. Con ello, podrá estudiarse las características del canal y evaluar la conveniencia del uso de la técnica de diversidad para mejorar la calidad de la voz y datos recibidos.

c) Realizar pruebas de laboratorio del sistema a emplear y, posteriormente, realizar pruebas de campo en un enlace establecido entre Jicamarca y Paracas con el objetivo de validar el simulador y comprobar la mejora cualitativa y cuantitativa de la voz y los datos recibidos usando la técnica de diversidad.

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Las dos primeras tareas se realizaron íntegramente en la computadora, para lo cual se empleó el lenguaje de programación IDL (Interactive Data Language) debido a que cuenta con muchas rutinas ya implementadas y optimizadas para realizar el procesamiento requerido para el desarrollo del simulador, como funciones matemáticas y filtros digitales.

Una vez que se obtuvo los resultados de las simulaciones, se procedió a realizar las pruebas de laboratorio con los sistemas de transmisión y recepción que se emplearían en las pruebas de campo. Para ello se probaron los casos de comunicaciones de voz y datos con diversidad y sin el uso de esta técnica. Para realizar el procesamiento de los datos recibidos en las pruebas de campo se desarrolló un nuevo programa en IDL, el cual fue también probado exitosamente en el laboratorio. Además, se preparó el sistema para que sea capaz de cuantificar la calidad de las comunicaciones recibidas. En el caso de voz, el parámetro usado fue el índice de correlación entre la voz transmitida y la recibida. Un índice de correlación de ‘1’ indica que ambas señales son idénticas, mientras que un valor de ‘0’ indica correlación nula. Para el cálculo de este parámetro se desarrolló un programa en MATLAB, el cual permite también obtener gráficos de la señal y del espectrograma de la voz para identificar la presencia de los desvanecimientos. En el caso de datos, se usó como parámetro de cuantificación la tasa de caracteres errados recibidos, cuyo valor puede hallarse entre 0%, en caso todos los caracteres hayan sido recibidos de manera correcta, y 100%, en caso todos los caracteres hayan llegado errados. Para el cálculo de este parámetro se empleó un programa de radioaficionados que se encarga de modular y demodular digitalmente los mensajes transmitidos dentro del ancho de banda del canal de voz.

A continuación, se realizaron las pruebas de campo de comunicaciones de voz y datos en el enlace punto a punto establecido entre Jicamarca y Paracas. Se realizaron pruebas con distintos parámetros del EEJ y del sistema de comunicaciones, tanto con el uso de diversidad en frecuencia como sin el uso de esta técnica. Los audios y datos recibidos fueron almacenados y cuantificados con la finalidad de comparar los resultados obtenidos en diferentes condiciones del sistema y comprobar la mejora de la calidad de las comunicaciones con el uso de diversidad.

Los resultados obtenidos fueron satisfactorios y se logró comprobar que el uso de diversidad permite mejorar la calidad de las comunicaciones, lo cual se verificó en las simulaciones y en las pruebas de campo. Además, dichas pruebas permitieron validar el simulador, por lo cual podrá ser empleado para probar nuevos tipos de modulación y esquemas de transmisión de manera confiable para luego ser implementados.

De este modo, se logró el propósito planteado y se comprobó la hipótesis de la tesis. Finalmente, ésta fue sustentada fue de manera exitosa y recibió el calificativo de sobresaliente.

3. Trabajos y/o experiencias realizadas

En esta sección se describen primero las características y antecedentes de las comunicaciones vía el EEJ y luego se detallan las características del simulador y la geometría y configuración usada en las pruebas de campo realizadas.

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3.1. Comunicaciones vía el EEJ

Como se mencionó en la sección 1, el EEJ presenta irregularidades que se encuentran en constante movimiento, las cuales son causadas por la acción de las turbulencias y la variación de la densidad electrónica en la ionósfera. El promedio de los desplazamientos de estas irregularidades provoca un movimiento de todo el EEJ, que genera un campo eléctrico que se desplaza en dirección este en el día y hacia el oeste durante la noche.

En la Figura 3.1 se muestran las gráficas del espectrograma (velocidad radial vs. rango) y el perfil de potencia de los ecos del EEJ en función de la altura de la capa de éste. Del primer gráfico se observa que la velocidad radial del EEJ aumenta con la altura y puede alcanzar la velocidad del sonido (360 m/s). Además, se aprecia que la altura del EEJ abarca aproximadamente 15 km. En la segunda gráfica se observa además que los ecos de EEJ son más intensos a mayor altura.

Figura 3.1. Espectrograma (izquierda) y perfil de potencia (derecha) del EEJ en función de la altura

A partir de los datos de las mediciones de los ecos del EEJ y de los experimentos realizados, se determina que el EEJ es más intenso durante el día, entre las 8 am y 4 pm, aproximadamente, y disminuye considerablemente en las noches. La intensidad de los ecos del EEJ está determinada por la conductividad del EEJ, la cual es proporcional al campo eléctrico y al campo magnético de éste [7].

Para la propagación de ondas de radio a través del EEJ se requiere además que exista línea de vista entre cada una de las dos estaciones que se desean comunicar y el EEJ, además de que se cumpla la condición de Bragg, la cual establece que la diferencia de los vectores unitarios incidente y dispersado sea perpendicular al campo magnético, el cual está alineado con el plano que contiene las irregularidades del EEJ. Por este motivo, la geometría del enlace establece una separación máxima de 2000 km entre las dos estaciones, la cual se ve limitada por la curvatura de la Tierra y la altura del EEJ [2].

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3.2. Antecedentes de las comunicaciones vía EEJ

El Electrochorro Ecuatorial fue descubierto en el observatorio de Huancayo a partir de los primeros registros de la variación diaria de la componente horizontal del campo magnético (H) realizados desde 1922, los cuales revelaban que su magnitud era superior en latitudes cercanas al ecuador magnético. No fue sino hasta 1957, durante el año Geofísico Internacional, que Cohen y Bowles [8], en condiciones solares máximas, lograron establecer las primeras comunicaciones en VHF usando onda continua (CW) a través de la dispersión frontal en el EEJ. A partir de ese momento, se realizaron distintos experimentos, los cuales estaban orientados a estudiar las condiciones de propagación y transmisión más adecuadas para la comunicación a través de este fenómeno de la ionósfera ecuatorial.

En 1966, Romero, Giesecke y Pérez [9] hicieron nuevas pruebas de comunicaciones empleando CW entre las ciudades de Lima y Juliaca, pero en condiciones solares mínimas, tras lo cual determinaron que la intensidad de la señal recibida es máxima en horas diurnas y mínima en la noche. Sin embargo, la calidad se ve afectada por desvanecimientos en la señal, los cuales son mínimos durante el día y máximos para las horas de mínima intensidad de la señal. Posteriormente, Romero realizó experimentos utilizando un equipo comercial de Banda Lateral Única (SSB), con lo cual obtuvo una señal “llorosa” de baja calidad debido a los desvanecimientos producidos. En 1971, Heraud realizó comunicaciones entre Iquitos y Arequipa empleando la modulación FM de banda angosta, con la cual se obtuvo una mayor inteligibilidad de la voz [10], pero afectada por los desvanecimientos.

En 2005, Chocos [2] estableció un enlace de comunicaciones vía EEJ entre Jicamarca y Paracas usando equipos de radioaficionados. Se transmitió voz con distintos tipos de modulación analógica: AM, SSB y FM, con lo cual se comprobó que, a pesar de los desvanecimientos, con FM es posible alcanzar una mayor calidad debido a que la información se transmite en la frecuencia de la señal, la cual no se ve afectada por el EEJ. Además, se transmitió datos con el modo PSK31, con el que se obtuvo una buena inteligibilidad de los comunicados aun en condiciones de bajo SNR. Finalmente, se comprobó de manera experimental que un buen indicador de la intensidad del EEJ y, por lo tanto, de la calidad de las comunicaciones, lo constituye la diferencia de la componente horizontal del campo magnético medida entre dos estaciones, una dentro del área cubierta por el EEJ y otra fuera de ésta, lo cual se denota como ∆H [11]. A mayor ∆H, más intensos serán los ecos del EEJ y, por lo tanto, las comunicaciones presentarán una mayor calidad. 3.3. Simulador de comunicaciones vía el EEJ

3.3.1. Antecedentes del modelo

En 1975, Valladares y Woodman [5], desarrollaron una técnica de simulación analógica-digital de comunicaciones de voz vía EEJ basada en un modelo matemático del canal y del sistema de comunicaciones. Dicha técnica empleaba componentes analógicos, tales como amplificadores, integradores, filtros, micrófonos, grabadores y reproductores de cinta magnética, además de incorporar partes hechas digitalmente, como la simulación

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del canal de comunicaciones y el procesamiento de la voz por computadora [5]. Las simulaciones efectuadas permitieron analizar la inteligibilidad de las comunicaciones de voz, las cuales se caracterizaron por presentar desvanecimientos, de manera similar a lo observado en los experimentos de comunicaciones anteriores.

3.3.2. Modelo de la simulación

En el presente trabajo se desarrolla un programa de simulación totalmente digital basado en el modelo de Valladares y Woodman [5], para el cual la totalidad del procesamiento se realiza en el computador.

En la Figura 3.2 se muestra el diagrama de bloques simplificado del modelo, sobre el cual se basan las simulaciones de comunicaciones analógicas y digitales a través del EEJ. Se realiza la modulación analógica de la señal de entrada y se la modula a través del EEJ. Luego, se le añade ruido aditivo blanco gaussiano y, finalmente, se realiza la demodulación analógica de la señal.

Figura 3.2. Diagrama de bloques general del simulador

3.3.3. Generación del canal de comunicaciones

Para la generación del canal de comunicaciones se modela el EEJ como un proceso aleatorio gaussiano con espectro gaussiano [12], cuyas gráficas en los dominios del tiempo y de la frecuencia se presentan en las Figuras 3.3 y 3.4, respectivamente.

En este modelo de simulación del canal se consideran además tres parámetros del EEJ:

a) Amplitud del EEJ.- Indica la intensidad de los ecos del EEJ. Cuanto mayor sea la intensidad de estos ecos, mejor será la calidad de la señal recibida.

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b) Ancho espectral del EEJ.- Está asociado al movimiento de las irregularidades que producen el eco, lo cual origina variaciones en el desplazamiento Doppler de la señal transmitida. La varianza de estos desplazamientos en frecuencia determina el ancho espectral de los ecos del EEJ. Dicho ancho espectral se encuentra en el rango de 20 a 100 Hz [5]. El incremento del ancho espectral provoca una mayor frecuencia de los desvanecimientos de la señal, pero éstos durarán menos tiempo.

c) Desplazamiento Doppler.- Está asociado al movimiento del EEJ. Su magnitud es despreciable debido a que la velocidad radial promedio del EEJ es pequeña (aproximadamente 30 Hz).

Figura 3.3. Función del canal EEJ en el dominio del tiempo considerando sus partes a)

real y b) imaginaria para un ancho espectral de 20 Hz

Figura 3.4. Espectro de frecuencia del canal de comunicaciones EEJ (azul), modelado como un proceso aleatorio gaussiano con espectro gaussiano, y su espectro esperado

(rojo) para un ancho espectral de 20 Hz

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3.3.4. Simulación del espesor de la capa del EEJ

El programa simula el espesor en altura de la capa del EEJ, la cual es de aproximadamente 15 km. Este espesor se simula mediante la generación de múltiples capas de EEJ con distintos parámetros para cada una, las cuales representan las diferentes alturas que éste abarca.

Las simulaciones permiten calcular el ancho de banda del canal EEJ a partir de la dispersión del retardo del canal (

mT ), cuya inversa es el ancho de banda de coherencia

del canal (c

B ), el cual indica la mínima separación en frecuencia para que dos señales no estén correlacionadas [13-16]. La dispersión del retardo se calcula a partir de la diferencia entre los retardos mínimo ( 1τ ) y máximo (

nτ ), producidos por la dispersión de

la señal en la capa más baja y más alta del EEJ, respectivamente. La distancia total recorrida para alcanzar la capa más alta excede a la recorrida para la capa más baja en 15 km para la ida y 15 km para el regreso, es decir, el doble del espesor de la capa del EEJ. La inversa de la dispersión del retardo determina el ancho de banda de coherencia del canal, el cual determina a su vez el ancho de banda del canal de comunicaciones EEJ. El cálculo de estos parámetros se presenta en la ecuación 1 mostrada a continuación:

( ) KHzT

uscdT

m

nm

10100us)(B

100300000km

seg 1km) 15*2(*

11

c

1

===

=

=∆=−=

−−

ττ …1

De los cálculos anteriores se observa que la dispersión del retardo del canal EEJ es de ~100 us y, por lo tanto, su ancho de banda de coherencia es de ~10 kHz. Este último parámetro indica el ancho de banda del canal de comunicaciones.

En el caso de comunicaciones digitales, con la finalidad de evitar la interferencia intersímbolos, el tiempo de símbolo transmitido (

sT ) debe ser mayor o igual a la

dispersión del retardo, con lo cual se logra disminuir la tasa de error de bits (BER). La inversa del tiempo de símbolo mínimo determina la tasa de símbolos teórica máxima que se puede transmitir a través del canal EEJ, cuyo cálculo se muestra en la ecuación 2. Aquí se indica que esta tasa se encuentra limitada por el espesor de la altura del canal a 10 kbaudios para un buen nivel de SNR.

KbaudTC

símbolousTT

TT

s

ms

ms

10/1

/100

min

min

==

==

…2

3.3.5. Simulación de comunicaciones de voz y datos

La simulación de comunicaciones de voz se realiza de manera similar al diagrama de bloques mostrado en la Figura 3.2. Los tipos de modulación analógica que se implementan en el simulador son los siguientes: AM (Modulación en amplitud), DSB

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(Doble banda lateral), SSB-USB (Banda lateral única - Banda lateral superior), SSB-LSB (Banda lateral única - Banda lateral inferior) y FM (Modulación en frecuencia).

En el caso de las comunicaciones de datos, éstas pueden hacerse de dos formas: modulando los datos a través de un software de radioaficionados o directamente en el simulador.

En el caso de las comunicaciones de datos empleando el software de radioaficionados, se ingresan los datos por teclado para ser luego modulados digitalmente dentro del ancho de banda del canal de voz para el cual están diseñadas las radios. El audio así generado es grabado en la PC y luego ingresado al simulador, donde se realiza un procedimiento similar al empleado para la simulación de transmisión de voz. El audio resultante del simulador es reproducido en la computadora con el software de radioaficionados instalado, en el cual se muestran los caracteres obtenidos después de la demodulación digital. Estos caracteres son finalmente comparados con los caracteres transmitidos, con lo que es posible obtener estadísticas del porcentaje de caracteres errados. La ventaja de emplear este tipo de transmisión es que permite experimentar con diversos modos ya implementados en el software de modulación digital de radioaficionados. Sin embargo, en la práctica, la tasa de transmisión de datos se ve limitada por el ancho de banda del canal de voz.

En el caso de las comunicaciones de datos realizadas directamente en el simulador, se considera el diagrama mostrado en la Figura 3.5. Se genera una secuencia de bits, a partir de los cuales se conforman pulsos gaussianos debido a que éstos permiten mejorar la eficiencia espectral y la eficiencia de potencia de la señal, de modo que resulta más robusta frente al ruido. Los pulsos conformados son luego modulados para su transmisión a través del canal, para lo cual se implementan tres tipos de modulación digital: ASK (Modulación por desplazamiento de amplitud), PSK (Modulación por desplazamiento de fase) y FSK (Modulación por desplazamiento de frecuencia). Posteriormente, se modula la señal a través del EEJ, se le añade ruido y se la demodula. Finalmente, se implementa un detector de bits, el cual está conformado por un filtro adaptado a la forma del pulso con el objetivo de disminuir el ruido y un algoritmo que detecta los bits recibidos en base a un nivel umbral en la señal.

3.3.6. Simulación del empleo de diversidad

Para la simulación de diversidad se considera dos o más transmisiones independientes de la misma señal, lo cual, para efectos prácticos, equivale a modular la señal a través de dos o más EEJ distintos, como se muestra en la Figura 3.6. De este modo, se aprovecha la naturaleza aleatoria del EEJ para simular transmisiones independientes entre sí, por lo que puede aplicarse este modelo para la simulación de los distintos tipos de diversidad (diversidad en tiempo, espacio, frecuencia, polarización, etc.) [17]. Para el procesamiento de la señal resultante se emplea la técnica basada en el combinador de tasa máxima o MRC (Maximum Ratio Combining), el cual pondera las señales demoduladas en función de la potencia de la señal recibida en cada canal [18]. De esta forma, para cada instante de tiempo se le otorga mayor peso a la señal con mayor potencia, con lo cual se logra contrarrestar los desvanecimientos de manera efectiva.

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Figura 3.5. Diagrama de bloques de la simulación de comunicaciones de datos de modo directo

1P

2P

1S

2S

)/( 2111 PPPW +=

)/( 2122 PPPW +=

1W

2W

2211 WSWSS +=

Figura 3.6. Diagrama de bloques de la simulación de diversidad empleando el combinador de tasa máxima

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3.4. Pruebas de campo en el enlace Jicamarca-Paracas

3.4.1. Geometría del enlace

Con el objetivo de demostrar las mejoras en las comunicaciones utilizando diversidad y validar los resultados del simulador, se realizaron pruebas de campo empleando el enlace entre Jicamarca y Paracas para comunicaciones vía EEJ diseñado y establecido por Chocos [2], el cual se basa en el sistema del radar biestático entre dichas estaciones que opera a una frecuencia de 42.92 MHz.

A partir de las coordenadas de las estaciones se calculó el locus de perpendicularidad [2], conformado por el lugar geométrico de todos los puntos que cumplan la condición de Bragg, lo cual se grafica en la Figura 3.7. El plano de elevación del enlace se aprecia en la Figura 3.8.

3.4.2. Configuración del sistema

Para estas pruebas se optó por el empleo de la técnica de diversidad en frecuencia debido a la disponibilidad de los equipos y a la simplicidad de la configuración y procesamiento respecto de otros tipos de diversidad.

La transmisión se realiza en Jicamarca a una potencia de 80W y centrada a una frecuencia de operación de 50 MHz. La recepción se realiza en Paracas. En la Figura 3.9 se muestra el diagrama de la configuración del enlace y en la Tabla 3.1 se consignan los parámetros básicos de este sistema.

Tabla 3.1. Parámetros básicos del sistema de comunicaciones

PARÁMETRO CARACTERÍSTICA

FRECUENCIAS DE OPERACIÓN 49.75 MHz y 50.25 MHz

POTENCIA DE TRANSMISIÓN 80 W

ANCHO DE BANDA DE TRANSMISIÓN 25 kHz

ANCHO DE BANDA DE CADA CANAL DE RECEPCIÓN 250 kHz

ANTENAS

Arreglo de 16 antenas Yagi de 4 elementos y 18 dBi de ganancia en cada estación.

Frecuencia de operación: 50 MHz Ancho de banda: 1 MHz

Polarización cruzada – dipolo doblado.

En la Figura 3.10 se muestra la disposición de los equipos empleados para la transmisión. En primer lugar, se reproduce un audio en la computadora, el cual puede contener voz o datos modulados en el ancho de banda del canal de voz. Luego, a la salida de la tarjeta de sonido, se divide la potencia de la señal en dos partes iguales con

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la finalidad de obtener dos señales idénticas que serán transmitidas a cada uno de los radio transceptores operando a frecuencias distintas (uno a 49.75 MHz y el otro a 50.25 MHz). Antes de que estas señales ingresen a las radios, se coloca una interfaz de aislamiento cuya función es proteger tanto la radio como la tarjeta de sonido y, a la vez, controlar la radio a través del puerto serial de la computadora. Las señales son moduladas en las radios empleando la modulación FM por ser aquella con la que se logra la mejor calidad de las comunicaciones [2]. Finalmente, ambas señales son combinadas y enviadas para su transmisión a través del mismo arreglo de antenas que transmite con dos polarizaciones.

Figura 3.7. Ecuador magnético (línea roja) y locus de perpendicularidad (línea verde) para comunicaciones vía EEJ entre las estaciones de Jicamarca y Paracas [2]

Figura 3.8. Plano de elevación del enlace Jicamarca-Paracas [2]

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Figura 3.9. Diagrama de bloques de la configuración para las pruebas de campo en el enlace Jicamarca-Paracas

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En la Figura 3.11 se muestra el sistema empleado para la parte de recepción. Para ello, se empleó un sistema de adquisición basado en receptores digitales integrados en una tarjeta comercial de la serie Echotek GC-214 [19], la cual es colocada en una computadora destinada a la adquisición de datos a través de la interfaz PCI. Se configuró la tarjeta para que adquiera cuatro canales de datos: dos por cada frecuencia (49.75 MHz y 50.25 MHz), cada una de las cuales se recibe con dos polarizaciones. Los datos de los voltajes de cada uno de los canales son almacenados para su posterior procesamiento. Para ello se desarrolla un programa que permite demodular cada uno de los canales y, a partir de ellos, realizar el procesamiento de las señales obtenidas usando el combinador de tasa máxima descrito en la sección 3.3.6 con la finalidad de sacar provecho de la técnica de diversidad.

Figura 3.10. Disposición de los equipos para la transmisión empleando diversidad en frecuencia

Figura 3.11. Disposición de los equipos para la recepción en Paracas. a) Computadora de adquisición para las pruebas, b) Desacopladores de DC de los pre-amplificadores de campo, c) Pre-amplificadores, d) Computadora de adquisición empleada en el sistema

del radar biestático, e) UPS, f) Visualización en tiempo real de la señal recibida.

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4. Análisis de los resultados

Los resultados de las simulaciones y de las pruebas de campo realizadas se detallan a continuación.

4.1. Simulaciones

Los resultados de las simulaciones permiten observar la presencia de los desvanecimientos en las señales recibidas y realizar estadísticas de la variación de la calidad de las comunicaciones de voz y datos en función de los parámetros del EEJ, además de estudiar el efecto del uso de la técnica de diversidad.

4.1.1. Simulación de comunicaciones de voz

En el caso de la simulación de transmisión de voz, ésta fue simulada exitosamente empleando distintos esquemas de modulación. Para cuantificar la calidad de la voz recibida se empleó como parámetro el índice de correlación con la voz transmitida, como se indicó en la sección 2.

Las comunicaciones vía EEJ se ven afectadas por desvanecimientos, provocados por la caída de la potencia de la señal debajo del nivel de ruido. Durante los breves instantes de tiempo en los que éstos ocurren, se produce una irrupción impulsiva de ruido en el sistema. En la Figura 4.1 se muestra una gráfica de la voz transmitida (mensaje ‘Buenos días. Good morning’, de dos segundos de duración, seguido por un segundo de silencio y un segundo de tono) y su espectrograma correspondiente. En la Figura 4.2 se observa que la señal recibida a la salida del simulador (Figura 4.2 a) presenta desvanecimientos (encerrados en una circunferencia), los cuales pueden ser observados con mayor claridad en el espectrograma correspondiente (Figura 4.2 b).

Las simulaciones permitieron también realizar gráficas estadísticas de la variación de la calidad de la señal recibida en función de los parámetros del sistema y del empleo de diversidad. En la Figura 4.3 se muestra una gráfica de la variación de la calidad de la voz en función del SNR considerando la variación del ancho espectral. Se observa que el índice de correlación aumenta a medida que se incrementa el SNR. Respecto al ancho espectral se aprecia que, a medida que éste aumenta, se producirá un mayor número de desvanecimientos, pero éstos durarán menos tiempo originándose un efecto compensatorio que provoca que la calidad de la señal no se vea afectada cuantitativamente por la variación de este parámetro.

En la Figura 4.4 se observa que el uso de diversidad permite obtener una mejor calidad de la voz recibida. Se aprecia de manera cuantitativa que el uso de dos realizaciones del canal (diversidad 1) incrementa considerablemente el valor del índice de correlación respecto al caso de transmisión con solo una realización (diversidad 0). Se observa también que con dos realizaciones es posible obtener la misma calidad de voz

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transmitiendo con aproximadamente 6 dB menos respecto al caso sin diversidad. Para más de dos realizaciones del canal, esta mejora es solo incremental.

Figura 4.1. (a) Audio transmitido y (b) su espectrograma

Figura 4.2. Desvanecimientos observados en las gráficas obtenidas de las

simulaciones. Se muestran a) el audio recibido y b) su espectrograma

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Figura 4.3. Gráfico estadístico de la variación del índice de correlación en función del

SNR y del ancho espectral

Figura 4.4. Gráfico estadístico de la variación del índice de correlación en función del

SNR y del uso de diversidad

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4.1.2. Simulación de comunicaciones de datos 4.1.2.1. Simulación de comunicaciones de datos de modo directo De manera similar a lo realizado en el caso de comunicaciones de voz, es posible obtener gráficas estadísticas de la variación de la calidad de los datos recibidos en función de los distintos parámetros del sistema y del uso de diversidad. En este caso se emplea como parámetro de cuantificación de la calidad la tasa de error de bits (BER). Como se mencionó en la sección 3.3.5, se implementaron en el simulador varios tipos de modulación digital, como ASK, FSK y PSK. Entre ellas, se obtuvo el menor BER con FSK, por lo que fue la modulación seleccionada en las estadísticas realizadas. Esto se debe a que la información se transporta en la variación de la frecuencia de la señal, la cual no se ve afectada por el EEJ. Las Figuras 4.5, 4.6 y 4.7 muestran estadísticas de la calidad de las comunicaciones de datos en función de la variación del SNR considerando la variación del ancho espectral, la tasa de bits y el uso de diversidad, respectivamente. En la Figura 4.5 se observa que el BER disminuye a medida que aumenta el SNR, pero el valor de este parámetro no varía para los distintos valores de ancho espectral considerados, de manera similar a lo obtenido en el caso de voz.

Figura 4.5. Variación del BER en función del SNR y del ancho espectral para una tasa

de bits de 2000 bps En la Figura 4.6 se muestra que, a medida que la tasa de bits se incrementa, la información se verá más afectada por los desvanecimientos. Esto se debe a que, para

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20

el tipo de modulación empleado (en el que cada símbolo transporta un bit), a medida que se incrementa la tasa de bits, disminuye el tiempo de duración de cada símbolo, por lo cual el mensaje se verá más afectado por los desvanecimientos. Si se empleara una modulación M-aria, en el que cada símbolo transporta una mayor cantidad de bits, la señal se vería aun más afectada. La Figura 4.7 muestra que el empleo de diversidad permite mejorar la calidad de los datos recibidos. De esta forma, con el uso de dos realizaciones del canal (diversidad 1), es posible transmitir la misma señal con 4 dB menos respecto al caso con una sola realización (diversidad 0). En el caso de más de dos realizaciones, esta mejora es solo incremental, como se observó en el caso de las simulaciones de comunicaciones de voz. La calidad de las comunicaciones de datos también se ve afectada por el espesor en altura del EEJ, el cual determina la máxima tasa de símbolos que pueden ser transmitidos. Como se observa en la Figura 4.8, a mayor espesor, mayor será la dispersión del retardo que sufrirá la señal al pasar por el canal, lo que ocasionará que la máxima tasa de símbolos se vea limitada a un valor de 10 kbaudios, como se calculó la sección 3.3.4. Debido a que en las simulaciones se empleó la modulación FSK, en la cual cada símbolo representa un bit, teóricamente la tasa de bits transmitidos correctamente será como máximo 10 kbps. En la gráfica se observa que, para un EEJ con espesor de 15 km y para el tipo de modulación empleado bajo buenas condiciones de SNR, puede alcanzarse tasas de hasta 7 kbps con un BER de 0.1%. Esta tasa puede incrementarse con el empleo de nuevos esquemas de modulación.

Figura 4.6. Variación del BER en función del SNR y de la tasa de bits

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Figura 4.7. Variación del BER en función del SNR y del uso de diversidad para un SNR

de 30 dB

Figura 4.8. Variación del BER en función de la tasa de bits y del ancho de la capa del

EEJ para un SNR de 30 dB

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4.1.2.2. Simulación de comunicaciones de datos de modo indirecto Como se mencionó en la sección 3.3.5, para la simulación de datos de modo indirecto se empleó un software de radioaficionados, el cual modula los caracteres ingresados dentro del ancho de banda del canal de voz. Este software ofrece distintos tipos de modulación, entre los cuales se seleccionaron los modos PSK (Modulación por desplazamiento de fase), QPSK (Modulación por desplazamiento de fase en cuadratura) y MFSK (Modulación por desplazamiento de frecuencias múltiples) con distintas tasas de símbolos, según se listan en la Tabla 4.1.

Tabla 4.1. Modos digitales empleados en las simulaciones y pruebas de campo

Modo Tipo de

modulación Tasa de símbolos

(baudios) Corrección de

errores Palabras por minuto (wpm)

PSK31 PSK 31.25 No 50

PSK250 PSK 250 No 400

QPSK31 QPSK 31.25 Sí 50

QPSK250 QPSK 250 Sí 400

MFSK32 16-FSK 31.25 Sí 120

MFSK64 16-FSK 62.5 Sí 240 Para cuantificar la calidad de estas comunicaciones se empleó como parámetro la tasa de caracteres errados recibidos. En las Tablas 4.2 a) y b) se presentan estadísticas de la tasa de caracteres errados para estos tipos de modulación a diferentes tasas de símbolo, considerando varios niveles de SNR, tanto en el caso de transmisión con diversidad como sin uso de esta técnica. Se concluye que la tasa de caracteres errados disminuye a medida que se incrementa el SNR. Se observa además que el incremento de la tasa de símbolos provoca un aumento de la tasa de caracteres errados para niveles medio y bajo de SNR, lo cual se comprueba en ambas tablas para los distintos tipos de modulación. Finalmente, los resultados de las tablas muestran también que el uso de diversidad permite reducir considerablemente la tasa de caracteres errados, con lo que se logra una mejora significativa de la calidad del mensaje recibido.

Tabla 4.2. Tasa de caracteres errados obtenidos de las simulaciones de comunicaciones de datos de modo indirecto a) sin diversidad y b) con diversidad

SNR (dB)

a) SIN DIVERSIDAD PSK QPSK MFSK

PSK31 PSK250 QPSK31 QPSK250 MFSK32 MFSK64 4 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 8 47.60% 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 12 6.38% 80.00% 31.21% 100.00% 0.00% 87.66% 16 0.00% 25.00% 0.00% 33.15% 0.00% 0.00% 20 0.00% 3.49% 0.00% 2.04% 0.00% 0.00% 24 0.00% 0.76% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 28 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00%

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SNR (dB)

b) CON DIVERSIDAD PSK QPSK MFSK

PSK31 PSK250 QPSK31 QPSK250 MFSK32 MFSK64 4 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 8 8.51% 98.86% 70.00% 100.00% 19.15% 100.00% 12 0.00% 32.50% 0.00% 91.86% 0.00% 0.00% 16 0.00% 1.52% 0.00% 1.71% 0.00% 0.00% 20 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 24 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 28 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00%

4.2. Pruebas de campo

Las pruebas de campo permitieron determinar la calidad de las comunicaciones a través del EEJ, tanto de manera cualitativa como cuantitativa, así como validar los resultados obtenidos en el simulador. Estas pruebas se realizaron durante una campaña que se extendió del 13 al 16 de octubre del 2008. Durante el experimento se monitoreó constantemente la intensidad del campo magnético. A mayor magnitud del parámetro ∆H, mayor fue la intensidad del EEJ y, por consiguiente, se recibió una mejor calidad de comunicaciones, lo cual ocurrió aproximadamente entre las 8 am y las 4 pm. 4.2.1. Resultados de las pruebas de campo de comunicaciones de voz En las pruebas de campo se logró transmitir con éxito la voz a través del EEJ. El audio empleado fue el mismo que el que fue usado en las simulaciones. El parámetro usado para la cuantificación de la calidad de la señal fue el índice de correlación de la señal recibida en las pruebas respecto a la señal recibida en condiciones de línea de vista. Se realizaron pruebas de comunicaciones de voz en diferentes condiciones de SNR y considerando el empleo de diversidad en frecuencia. La Tabla 4.3 presenta un resumen de los resultados obtenidos en dichas pruebas. Tabla 4.3. Índices de correlación obtenidos de las comunicaciones de voz realizadas en

las pruebas de campo a) sin diversidad y b) con diversidad SNR (dB) a) Sin diversidad b) Con diversidad

11 0.27 0.44

17 0.58 0.78

21 0.7 0.82 En primer lugar, se demuestra que la calidad de las comunicaciones de voz mejora a medida que se incrementa el nivel de SNR. A mayor potencia de transmisión e intensidad del EEJ, la potencia de la señal caerá menos veces debajo del nivel de ruido. De esta manera, ocurrirán menos desvanecimientos y se mejorará la inteligibilidad de la voz, lo cual se percibe claramente en la calidad de los audios recibidos y en el aumento del valor del índice de correlación.

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En segundo lugar, se comprueba que el uso de diversidad en frecuencia permite una mejora significativa de la calidad de los audios, tanto de manera cualitativa como cuantitativa, lo cual está de acuerdo con los resultados de las simulaciones. En la Figura 4.9 mostrada a continuación se observa el audio recibido y su espectrograma para un SNR de 21 dB, tanto para el caso sin diversidad (lado izquierdo) como con el uso de esta técnica (lado derecho). De la comparación de ambas gráficas se comprueba que la técnica de diversidad permite contrarrestar el efecto de los desvanecimientos, los cuales se manifiestan como ruido impulsivo en el dominio del tiempo, mientras que en el espectrograma se aprecian como breves instantes de tiempo en los que la potencia se distribuye en todo el ancho del espectro. Esta mejora puede ser comprobada de manera cuantitativa a través del índice de correlación. Por ejemplo, en la Tabla 4.3 se aprecia que con el uso de diversidad en frecuencia el índice de correlación mejora de 0.70 a 0.82 para este valor de SNR, lo cual corrobora los resultados estadísticos de las simulaciones.

Figura 4.9. Audios recibidos y sus espectrogramas para niveles de SNR de 21 dB sin diversidad (izquierda) y con diversidad (derecha)

4.2.2. Resultados de las pruebas de campo de comunicaciones de datos En las pruebas de campo se emplearon radio transceptores para la transmisión, por lo cual se realizó la transmisión de datos modulados en tonos audibles. Como se mencionó en la sección 3.3.5, la ventaja de emplear este tipo de transmisión es que permite experimentar con diversos modos ya implementados en el software de modulación digital de radioaficionados. Sin embargo, en la práctica, la tasa de transmisión de datos se ve limitada por el ancho de banda del canal de voz. Los tipos de modulación empleados en las pruebas fueron los mismos que en el caso de las simulaciones. Los resultados de estas pruebas pueden resumirse en las Tablas

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4.4 y 4.5, las cuales indican la tasa de caracteres errados obtenidos para distintos parámetros del sistema.

Tabla 4.4. Tasa de caracteres errados obtenidos en las pruebas de comunicaciones de datos sin el uso de diversidad

SNR (dB)

SIN DIVERSIDAD

PSK QPSK MFSK

PSK31 PSK250 QPSK31 QPSK250 MFSK32 MFSK64

10 7.79% 100.00% 17.86% 100.00% 0.00% 64.94%

14 0.00% 38.96% 0.00% 81.17% 0.00% 0.00%

17 0.00% 9.47% 0.00% 10.23% 0.00% 0.00%

21 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00%

Tabla 4.5. Tasa de caracteres errados obtenidos en las pruebas de comunicaciones de datos con el uso de diversidad

SNR (dB)

CON DIVERSIDAD

PSK QPSK MFSK

PSK31 PSK250 QPSK31 QPSK250 MFSK32 MFSK64

10 0.00% 87.66% 0.38% 100.00% 0.00% 5.52%

14 0.00% 3.57% 0.00% 11.36% 0.00% 0.00%

17 0.00% 0.38% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00%

21 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% Del análisis de los resultados mostrados en estas tablas se concluye lo siguiente: a) El aumento del nivel de SNR permite obtener comunicaciones de datos con una menor tasa de caracteres errados. Por ejemplo, para el caso de modulación QPSK250, con un SNR de 14 dB se obtiene un mensaje poco inteligible, con una tasa de caracteres errados de 81.17 %. Para un valor de SNR de 17 dB, esta tasa disminuye a 10.23 %. Esta diferencia de 3 dB equivale a duplicar la potencia de transmisión, con lo cual se logra mejorar significativamente la calidad de las comunicaciones. b) Para cada uno de los tipos de modulación, la tasa de error de bits es mayor en los modos digitales con tasas de símbolo más altas, como se anticipó en los resultados de las simulaciones. Por ejemplo, bajo condiciones de SNR de 14 dB y sin diversidad, con el modo QPSK31 (a 31 baudios) la totalidad de caracteres se recibió correctamente. El modo QPSK250 (a 250 baudios) permite transmitir el mismo mensaje en menor tiempo, pero se ve más afectado por los desvanecimientos en condiciones de bajo SNR. Por este motivo, se observa que, para el mismo nivel de SNR, la tasa de caracteres errados obtenidos a esta tasa de símbolos es más alta (81.17%). c) El uso de diversidad permite mejorar significativamente la calidad de las comunicaciones de datos. Por ejemplo, de la comparación de las Tablas 4.4 y 4.5 se observa que, para un nivel de SNR de 10 dB, con el modo PSK31 se obtiene una tasa

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de caracteres errados de 7.79%. Con el uso de diversidad, este valor se reduce a cero, lo cual confirma el gran potencial del uso de diversidad en las comunicaciones vía EEJ. Los resultados de estas pruebas mostraron también que, para las mismas condiciones de SNR, las transmisiones de datos fueron más inteligibles que las de voz, especialmente para velocidades de transmisión bajas. Se observó además que, en condiciones de bajo SNR y cuando la voz ya era poco inteligible, las comunicaciones de datos a bajas tasas de transmisión podían aún ser comprendidas a pesar de que se perdían algunos caracteres en la recepción. 5. Conclusiones Entre las conclusiones más significativas de este trabajo destacan las siguientes: 1. Se logró cumplir con los objetivos de este trabajo de tesis: a) Se desarrolló un simulador de comunicaciones de voz y datos a través del EEJ b) Se estudió el canal de comunicaciones EEJ y los parámetros que lo caracterizan c) Se comprobó la mejora en la calidad de la voz y datos recibidos empleando

diversidad, tanto en las simulaciones como en las pruebas de campo en el enlace Jicamarca-Paracas

2. El programa de simulación desarrollado se basa en un modelo matemático del canal EEJ para simular comunicaciones analógicas y digitales a través de éste sin necesidad de implementar físicamente el enlace. En el simulador se consideran distintos tipos de modulación analógica (AM, Doble Banda Lateral, Banda Lateral Única y FM) y modulación digital (ASK, FSK y PSK). Además, permite definir las condiciones de SNR, caracterizar los parámetros del canal de comunicaciones EEJ, como su ancho espectral y el espesor de la capa del EEJ y simular la técnica de diversidad. De esta manera, este simulador podrá ser utilizado en el estudio de otros tipos de modulación y esquemas de transmisión. 3. El simulador permite estudiar los parámetros del canal de comunicaciones EEJ. Uno de estos parámetros es el ancho de banda de coherencia del canal, determinado por el espesor en altura de 15 km del EEJ. Debido a esta altura, el ancho de banda del canal se limita a 10 kHz, mientras que la tasa de símbolos teórica máxima es de 10 kbaudios. Para el tipo de modulación FSK empleado en las simulaciones, fue posible alcanzar una tasa de 7 kbps con un BER de 0.1%. 4. La calidad de las comunicaciones de voz y datos mejora a medida que se incrementa el SNR. A medida que el SNR disminuye, el nivel de la señal permanecerá más tiempo debajo del nivel del ruido, por lo que se verá más afectada por los desvanecimientos, lo cual provoca que la inteligibilidad de la voz disminuya y la tasa de error de bits aumente. 5. De los resultados de las simulaciones se dedujo que la variación del ancho espectral no influye en la calidad de las comunicaciones en el rango de frecuencias del canal de comunicaciones EEJ (de 20 a 100 Hz). Esto se debe a que, si bien la

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frecuencia de los desvanecimientos es mayor, éstos tienen una mayor duración, por lo que en promedio la calidad de la voz y datos recibidos no se ve afectada. 6. En el caso de comunicaciones digitales, el aumento de la velocidad de transmisión provoca que la señal se vea más afectada por los desvanecimientos. Esto se debe a que, al aumentar la tasa de símbolos para un determinado tipo de modulación, la duración de dichos símbolos disminuye, por lo cual son más vulnerables a los desvanecimientos. 7. A través de las simulaciones y las pruebas de campo se comprobó que el empleo de diversidad mejora la calidad de las comunicaciones de voz y datos debido a la aleatoriedad de los desvanecimientos producidos por el canal EEJ. Para el caso de voz, se empleó el índice de correlación como parámetro de cuantificación de la calidad, mientras que para datos se usó la tasa de error de bits y la tasa de caracteres errados. De los resultados de las simulaciones se dedujo que el uso de dos realizaciones para la transmisión incrementa de manera significativa la calidad de la voz y datos, tanto de manera cualitativa como cuantitativa. En las comunicaciones de voz se observó que con dos realizaciones es posible transmitir audios hasta con 6 dB menos respecto del caso de transmisión sin diversidad y, para datos, es posible transmitir hasta con 4 dB menos. El uso de más de dos realizaciones para la transmisión produce solo una mejora incremental de la calidad de la voz y datos recibidos. Para ambos casos, esta mejora es de solo 1 dB, aproximadamente. 8. En las pruebas de campo entre Jicamarca y Paracas se empleó la técnica de diversidad en frecuencia por ser la más sencilla de implementar debido a la disponibilidad de los equipos y configuración del sistema. Los resultados de dichas pruebas permiten validar los resultados del simulador, tanto para el caso de voz como de datos. Se comprueba así que el empleo de diversidad mejora de manera cualitativa y cuantitativa la calidad de las comunicaciones de voz. Para el caso de datos, se observó que esta mejora es aun más significativa, ya que se logró recuperar una mayor cantidad de caracteres y decodificar mejor el mensaje transmitido. 6. Aplicaciones realizadas o posibilidades de aplicación Los avances y resultados de este trabajo de investigación han sido expuestos en diferentes congresos nacionales:

- Conferencia URSI - Perú 2008, realizado en las instalaciones de la PUCP - Intercon 2009, realizado en la Universidad Nacional de San Agustín, en la ciudad

de Arequipa - VI Jornada Interuniversitaria de Investigación sobre Tecnologías de la

Información y Comunicaciones (JIITIC), realizada el año 2009 en la Universidad de Lima, en donde ocupé el primer puesto en la categoría de egresados

- XVII Encuentro Científico Internacional de Verano (ECI), realizado el año 2010 Como Ingeniera de Telecomunicaciones, al culminar la tesis continué trabajando en esta investigación debido a mi motivación e interés personal y del Radio Observatorio de Jicamarca en que finalmente el EEJ, recurso natural presente en nuestro territorio y

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estudiado durante tanto tiempo, sea aprovechado finalmente como medio alternativo de comunicaciones en el Perú. Con este objetivo, al culminar mi tesis realicé en primer lugar una interfaz gráfica de usuario (GUI) para la simulación de comunicaciones de voz y datos vía el EEJ considerando la variación de distintos parámetros del EEJ y el uso de diversidad, de modo que el uso del simulador implementado resulte amigable y fácil de usar. Este GUI fue realizado empleando el lenguaje IDL. A continuación, se dio inicio a un nuevo proyecto basado en uno de los principales trabajos futuros propuestos en la tesis. Éste se refiere al uso de la tecnología Software-Defined Radio (SDR), la cual permite implementar mediante software componentes que típicamente estaban implementadas en hardware, como filtros, mezcladores, moduladores/demoduladores, etc. [20] Este tipo de sistemas se basa en el empleo de dispositivos digitales programables, como FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), DSPs (Digital Signal Processors) y GPPs (General Purpose Processors), para realizar el procesamiento de las señales en banda base. De esta forma, los sistemas basados en esta tecnología pueden ser reconfigurados vía software, sin necesidad de hardware adicional, por lo que ofrecen la ventaja de ser flexibles y escalables. Por este motivo, esta tecnología es usada en sistemas celulares, aplicaciones militares, sistemas de radar, así como por radioaficionados y en el ambiente académico. Este nuevo proyecto fue también desarrollado en el Radio Observatorio de Jicamarca y en él participaron además otros científicos e ingenieros peruanos [21]. El objetivo fue desarrollar un nuevo sistema de comunicaciones de voz y datos vía el EEJ basado en la tecnología SDR para ser implementado en un nuevo enlace punto a punto entre las ciudades de Lima y Huancayo. De esta manera fue posible estudiar mejor el canal de comunicaciones EEJ y aplicar nuevas técnicas de modulación y esquemas de transmisión, como la técnica de diversidad. El hardware se basó en la tarjeta USRP (Universal Software Radio Peripheral) en su versión 1 [22-23], la cual consta básicamente de una tarjeta madre con un FPGA Altera Cyclone EP1C12, 4 ADCs (conversores análogo-digitales), 4 DACs (conversores digital-analógicos). La USRP se conecta con la PC a través de un puerto USB 2.0. Con la finalidad de controlar y programar la tarjeta USRP se emplea el software GNU Radio [24], el cual constituye una herramienta de desarrollo basada en software libre que implementa una serie de librerías para la modulación, filtrado y demás procesamiento de las señales. Estas librerías contienen bloques implementados en C++, los cuales son conectados usando python como lenguaje de programación de alto nivel [21]. Se desarrollaron así dos programas, uno para comunicaciones de voz y otro para comunicaciones de datos. Para comunicaciones de voz se desarrolló un GUI que permite ingresar voz vía micrófono o a través de un audio pregrabado. La modulación empleada fue también FM de acuerdo a los resultados de los experimentos previos. Para contrarrestar los desvanecimientos se implementó la técnica de diversidad en frecuencia íntegramente en el programa, sin necesidad de hardware adicional. La frecuencia de separación entre ambos canales fue de 30 kHz, de modo que sea superior al ancho de banda de

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coherencia del canal (10 kHz) para que los desvanecimientos producidos no se encuentren correlacionados y los canales sean independientes entre sí. La calidad de los audios recibidos fue cuantificada usando como parámetro el índice de correlación. Para comunicaciones de datos se desarrolló también un GUI a través del cual se ingresan mensajes a modo de chat. La tasa de transmisión fue de 1250 bps y la modulación seleccionada fue GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying), la cual es una forma de modulación por desplazamiento de frecuencia en la que los pulsos son conformados usando un filtro gaussiano. Se simuló la transmisión de datos modulados en GMSK usando el simulador de EEJ implementado y se obtuvo una buena calidad de los mensajes recibidos debido a que la información se transmite en la frecuencia, la cual no se ve afectada por el EEJ. Para contrarrestar los desvanecimientos se implementó la técnica de diversidad en tiempo, mediante el cual se envió 5 veces el mismo mensaje. El parámetro usado para cuantificar la calidad de los mensajes recibidos fue el porcentaje de caracteres correctos. Con la finalidad de probar el sistema, en los meses de julio y agosto del 2011 se realizaron pruebas preliminares entre las estaciones de Ancón y Carapongo, las cuales se encuentran separadas una distancia de 42 km y no cuentan con línea de vista entre ellas. A diferencia de las pruebas anteriores, en las que se establecieron enlaces a frecuencias cercanas a 50 MHz, la frecuencia empleada fue de 29.5 MHz con la finalidad de probar el comportamiento del canal a frecuencias menores en la banda de VHF. La potencia empleada fue mayor y se usó 720 W en el caso de voz y 930 W en el caso de datos. La ganancia en las antenas fue menor debido a que en cada estación se contó solo con un arreglo de dos antenas Yagi de 3 elementos, con las cuales fue posible obtener una ganancia de 10 dBi por arreglo. Las comunicaciones de voz y datos obtenidas fueron de buena calidad y los mensajes fueron inteligibles en condiciones de media y alta intensidad del EEJ. En el caso de voz, se verificó que el uso de diversidad en frecuencia permite mejorar de manera cualitativa y cualitativa la calidad de las comunicaciones. En el caso de datos se comprobó que el uso de diversidad en tiempo posibilita el aumento del porcentaje de caracteres correctos, los cuales superaron el 97% en condiciones de buen SNR [21]. Los resultados de este proyecto han sido expuestos en el XXX URSI General Assembly and Scientific Symposium, realizado en Estambul, Turquía, en agosto de 2011. Este congreso, el cual se realiza solo cada 3 años, es uno de los más importantes congresos internacionales de Radiociencia a nivel mundial y agrupa a todos los representantes de la Unión Internacional de Radiociencia (URSI, por sus siglas en francés) y a la comunidad científica vinculada a las áreas de Electromagnetismo, Electrónica, Radiocomunicaciones, Procesamiento de señales, Electrónica, Ionósfera, Plasma, Radioastronomía y Biomedicina. Mi asistencia y participación en el congreso fue posible gracias a un financiamiento como Young Scientist otorgado por URSI. Esto me permitió dar a conocer el proyecto desarrollado y sus posibilidades de aplicación [25] y, a la vez, conocer el trabajo de otros científicos e investigadores de diferentes países, algunos de los cuales se encuentran trabajando en áreas afines a las relacionadas a este proyecto, sobre todo en lo concerniente a Software-Defined Radio.

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Recientemente, en febrero del 2012, se realizaron nuevas pruebas de comunicaciones en un nuevo enlace punto a punto establecido entre las estaciones de Ancón y Huancayo, las cuales se hallan separadas una distancia de 205 km. Con estas pruebas de campo se concluyó esta etapa del proyecto y se cumplieron los objetivos de éste. El sistema empleado fue el mismo que en las pruebas anteriores y los resultados obtenidos fueron exitosos, tanto en el caso de comunicaciones de voz como de datos, las cuales fueron inteligibles en condiciones de media y alta intensidad del EEJ. La siguiente etapa del proyecto, iniciada recientemente, consiste en la integración de los programas de comunicaciones de voz y datos con el simulador de EEJ desarrollado en la tesis. De esta forma, gracias al uso de SDR será posible implementar por software nuevas técnicas de modulación y técnicas de transmisión con la finalidad de mejorar la calidad de las comunicaciones y probarlas en tiempo real en el simulador sin necesidad de implementar físicamente el enlace. En el caso de voz, se continuarán con las pruebas de comunicaciones moduladas en FM, pero reduciendo la desviación en frecuencia con el objetivo de disminuir el ancho de banda empleado para optimizar el uso de la potencia empleada. En el caso de datos se realizarán una serie de mejoras al programa con la finalidad de contrarrestar el efecto de los desvanecimientos y maximizar la velocidad de transmisión posible a través del canal EEJ. Por ejemplo, se implementará OFDM, el cual es una técnica de modulación digital que consiste en la transmisión de datos divididos en múltiples canales, cada uno de los cuales está modulado por una subportadora. Estas subportadoras son ortogonales entre sí y son moduladas digitalmente a una tasa de símbolos menor (por lo cual resulta robusta frente a los desvanecimientos), manteniendo así la tasa de transmisión total obtenida en los esquemas con una sola portadora. Se propone también implementar la técnica de multichannel, la cual consiste en el incremento práctico del bitrate mediante el empleo de múltiples canales para la transmisión de información digital. De esta manera, en el caso del EEJ se podría enviar mayor información repartida en varios canales separados como mínimo 10 kHz, el cual equivale al ancho de banda de coherencia del canal, de modo que las señales no estén correlacionadas y se logre así enviar una mayor cantidad de bits al mismo tiempo. Se implementarán además técnicas de corrección de errores para identificar y corregir los bits errados en el receptor. Adicionalmente, se plantea mejorar el sistema de modo que el programa adapte la técnica de modulación de acuerdo a las condiciones de SNR y, de esta forma, se optimice el bitrate que se puede obtener. Posteriormente, una vez realizadas las simulaciones tanto en el caso de voz como de datos, se implementará el sistema que presente la mejor calidad de comunicaciones para diferentes condiciones de SNR. Para ello se realizarán pruebas de campo nuevamente en el enlace Ancón-Huancayo y se obtendrán estadísticas de la calidad de las comunicaciones para distintas condiciones del EEJ, así como diversos esquemas y parámetros de transmisión/recepción. Finalmente, se implementará el sistema óptimo para que opere de manera continua y pueda luego establecerse nuevos enlaces en el Perú, de modo que el EEJ constituya finalmente un medio alternativo de comunicaciones en nuestro país.

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