microondas, comunicacion satelital y television digital

7/23/2019 Microondas, comunicacion satelital y television digital

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INSTITUTO TECNOLOGICO DE

MORELIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRONICA

Sistemas de Telecomunicaciones

(Microondas, Satelites yTelevision)

Modulacion de FM

Roman Concha Juan Jesus NC 11121319

Grupo B

30 de Noviembre de 2015

Maestro:

M.C. Edgar Pinon Flores



Indice

1. Introduccion 1

2. Microondas 22.1. Conceptos de microondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.1.1. Ventajas de las Radiocomunicaciones por Microondas 32.1.2. Radiotransmicion de Microondas de FM . . . . . . . . 32.1.3. Radiorreceptor de Microondas de FM . . . . . . . . . 42.1.4. Diversidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.5. Caracterısticas de la trayectoria . . . . . . . . . . . . . 82.1.6. Desvanecimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.7. Ganancia del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.8. Umbral del receptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.9. Factor de ruido e ındice de ruido . . . . . . . . . . . . 122.1.10. Relacion portadora a ruido . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2. Guıas de ondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2.1. Modos y frecuencias de corte . . . . . . . . . . . . . . 162.2.2. Velocidad y grupo de fase . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2.3. Velocidad de fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.4. Longitud de onda en Guıas de Onda . . . . . . . . . . 182.2.5. Impedancias en Guıas de Onda . . . . . . . . . . . . . 18

2.3. Amplificadores y Osciladores de Microondas . . . . . . . . . . 18

2.3.1. Diodo con valvulas de vacıo (bulbo) . . . . . . . . . . 182.3.2. Triodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.3.3. Pentodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.3.4. Tubos de Microondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.4. Semiconductores para microondas . . . . . . . . . . . . . . . 232.4.1. Diodo Tunel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.4.2. Diodo de punta de contacto . . . . . . . . . . . . . . 242.4.3. Diodo varactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.4.4. Diodo Gunn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.4.5. Diodo Schottky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3. Satelites 253.1. Orbitas satelitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2. Sistemas de comunicacion por satelite . . . . . . . . . . . . . 263.3. Aplicaciones de los Satelites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.4. Sistemas de Posicionamiento Global (GPS) . . . . . . . . . . 29

4. Television 304.1. La senal de TV NTSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.2. Receptor de television analogico . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.3. Television por cable y por satelite . . . . . . . . . . . . . . . . 32

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4.3.1. Television por cable (CATV y HFC) . . . . . . . . . . 32

4.3.2. Television satelite (DBS) . . . . . . . . . . . . . . . . 344.4. Television de alta definicion (HDTV) . . . . . . . . . . . . . . 344.5. Television Digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Indice de figuras

1. Asignaciones de radiofrecuencia de microondas. . . . . . . . 22. Diagrama simplificado de bloques de un sistema de radio FM

de microondas: a) transmisor; b) receptor. . . . . . . . . . . . 43. Sistema de microondas con diversidad de frecuencia: a) trans-

misor; b) receptor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

4. Sistema de microondas con diversidad espacial: a) transmisor;b) receptor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

5. Trayectorias de propagacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96. Ganancias y perdidas en un sistema. . . . . . . . . . . . . . . 117. ındice total de ruido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138. Guıas de onda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159. Propagacion multimodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1610. Bulbo; la barra superior es el anodo(+). . . . . . . . . . . . . 1911. Partes de un triodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2012. Pentodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2113. KLYSTRON REFLEX. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

14. Magnetron. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2315. Caracterıstica diodo Tunel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2316. Diodo de punta de contacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2417. Sımbolos diodo varactor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2418. Diodo Gunn caracterıstica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2519. Orbitas alrededor de la tierra. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2620. Enlace vıa satelite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2921. GPS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2922. Generacion de una senal de video compuesto en blanco y ne-

gro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3123. Receptor de TV a color. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3124. Convertidor de CATV para seleccionar los canales en el re-

ceptor de TV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3325. Diagrama a bloques general de un Transmisor de DTV . . . 3526. Transmisor de HDTV, que utiliza modulacion de Banda La-

teral Residual de 8 niveles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3527. Receptor de HDTV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

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1. Introduccion

Durante los ultimos anos las telecomunicaciones han evolucionado enorme-mente, dejando los viejos sistemas analogicos obsoletos, para dar paso auna era digital; los sistemas de microondas y satelitales nos han permitidotener una comunicacion mas eficiente a enormes distancias, enlazando deforma completa el mundo, pues actualmente sobre la superficie de la tierray sobre su orbita no hay punto al que no se pueda transmitir, con base enestos sistemas se han desarrollado protocolos y servicios nuevos tales como elsistema de posicionamiento global (GPS), la television digital y de alta defi-nicion, telefonıa mas eficiente y economica, etc. Durante el presente trabajose expone de forma superficial las caracterısticas generales de los sistemas

de microondas, satelite y television.

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2. Microondas

2.1. Conceptos de microondas

Se suelen describir las microondas como ondas electromagneticas cuyas fre-cuencias van desde unos 500 MHz hasta 300 GHz o mas. Las senales demicroondas, a causa de sus altas frecuencias inherentes, tienen longitudesde onda relativamente cortas, de ahı el nombre “micro” ondas. Las longitu-des de las frecuencias de microondas van de 1 a 60 cm, un poco mayores quela energıa infrarroja. La Figura 1 es una lista de algunas de las bandas deradiofrecuencia en microondas disponibles en Estados Unidos. Para la ope-racion duplex que se requiere en general en los sistemas de comunicacionespor microondas, cada banda de frecuencias se divide a la mitad y la mitad

inferior se llama banda baja y la superior es la banda alta . Los transmi-sores funcionan normalmente en la banda baja o en la alta, mientras que losreceptores funcionan en la otra.

Figura 1: Asignaciones de radiofrecuencia de microondas.

Los sistemas de microondas de servicio intraestatal o alimentador seconsideran de corto alcance porque se usan para llevar informacion a dis-tancias relativamente cortas, por ejemplo, entre ciudades de un mismo es-tado. Los sistemas de microondas de largo alcance son los que se usanpara llevar informacion a distancias relativamente largas, por ejemplo, enaplicaciones de ruta interestatal y de red primaria . Las capacidades de lossistemas de radio de microondas van desde menos de 12 canales de bandade voz hasta mas de 22, 000.

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2.1.1. Ventajas de las Radiocomunicaciones por Microondas

Entre las ventajas del radio de microondas estan las siguientes

1. Los sistemas de radio no necesitan adquisiciones de derecho de vıaentre estaciones.

2. Cada estacion requiere la compra o alquiler de solo una pequena es-tension de terreno.

3. Por sus grandes frecuencias de operacion, los sistemas de radio demicroondas pueden llevar grandes cantidades de informacion.

4. Las frecuencias altas equivalen a longitudes cortas de onda, que re-

quieren antenas relativamente pequenas.

5. Las senales de radio se propagan con mas facilidad en torno a obstacu-los fısicos, por ejemplo, a traves del agua o las montanas altas.

6. Para la amplificacion se requieren menos repetidoras.

7. Las distancias entre los centros de conmutacion son menores.

8. Se reducen al mınimo las instalaciones subterraneas.

9. Se introducen tiempos mınimos de retardo.

10. Entre los canales de voz existe un mınimo de diafonıa.

11. Son factores importantes la mayor fiabilidad y menor mantenimiento.

2.1.2. Radiotransmicion de Microondas de FM

En el transmisor de microondas de FM (Figura 2 a)), una red de preenfasis

antecede al desviador de FM. Esta red de preenfasis produce un refuerzo ar-tificial a la amplitud de las frecuencias de la banda base superior. Lo anteriorpermite que las frecuencias de la banda base inferior modulen la frecuenciade la portadora de FI, y que las frecuencias de la banda base superior mo-dulen la fase de esa portadora. Con este esquema se asegura una relaci onde senal a ruido mas uniforme en todo el espectro de banda base. Un des-viador de FM proporciona la modulacion de la portadora de FI que al finalse transforma en la principal portadora de microondas. En el caso normal,las frecuencias tıpicas intermedias estan entre 60 y 80 MHz, y 70 MHz eslo mas comun. En el desviador FM se usa una modulacion en frecuencia debajo ındice . Normalmente los ındices de modulacion se mantienen entre 0,5y 1. De esta forma se produce una senal FM de banda angosta en la salidadel desviador. En consecuencia, el ancho de banda de la FI se asemeja a laAM convencional y, mas o menos, es igual al doble de la frecuencia m axima

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de la banda base.

La FI y sus bandas laterales asociadas se convierten a las mayores frecuenciasde la region de microondas, mediante el mezclador, el oscilador de microon-das y el filtro pasabandas. Para trasladar las FI a las RF se usa mezclado, yno multiplicacion, porque el ındice de modulacion no cambia por el procesode heterodinado. Tambien, al multiplicar la portadora de FI se multipli-carıan la desviacion de frecuencia y el ındice de modulacion, aumentandoası el ancho de banda. Los generadores de microondas consisten en un os-cilador de cristal seguido por una serie de multiplicadores de frecuencia. Lared combinadora de canales proporciona un medio de conectar mas de untransmisor de microondas a una sola lınea de transmision que alimente a laantena.

Figura 2: Diagrama simplificado de bloques de un sistema de radio FM demicroondas: a) transmisor; b) receptor.

2.1.3. Radiorreceptor de Microondas de FM

En el radiorreceptor de microondas de FM (Figura 2 b)), la red separadorade canales proporciona el aislamiento y el filtrado necesarios para separarcanales de microondas individuales, y dirigirlos hacia sus respectivos recep-tores. El filtro pasabandas, el mezclador AM y el oscilador de microondasbajan las frecuencias desde las RF de microondas hasta las FI, y las pasan aldesmodulador FM. Este desmodulador es un discriminador o un desmodu-lador PLL. A la salida del detector de FM, una red de deenfasis restaura la

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senal de banda base a sus caracterısticas originales de amplitud en funcion

de la frecuencia.

2.1.4. Diversidad

Los sistemas de microondas usan transmision en lınea de vista , y en con-secuencia debe existir una trayectoria directa de senal entre las antenas detransmision y de recepcion. Si esa trayectoria de senal sufre un gran deterio-ro, se interrumpira el servicio. Las perdidas en la trayectoria de radio varıancon las condiciones atmosfericas, ya que pueden causar una reduccion co-rrespondiente en la intensidad de senal recibida de 20,30 o 40 dB o mas. Estareduccion de intensidad de senal es temporal, y se llama desvanecimiento

de radio; puede durar desde unos milisegundos (corto plazo) o varias horaso hasta dıas (largo plazo). Los circuitos de control automatico de ganancia,incorporados en los radiorreceptores, pueden compensar desvanecimientosde 25 a 40 dB, dependiendo del diseno del sistema; sin embargo los desva-necimientos mayores de 40 dB pueden causar una perdida total de la senalrecibida, cuando esto sucede se pierde la continuidad del servicio.Diversidad sugiere que hay mas de una ruta de transmision, o metodo detransmision disponibles entre un transmisor y un receptor. En un sistemade microondas, el objetivo de usar diverisad es aumentar la confiabilidad delsistema, aumentando su disponibilidad. Cuando hay mas de una trayectoriao metodo de transmision disponible, el sistema puede seleccionar la ruta o

metodo que produzca la maxima calidad en la senal recibida. En general,la maxima calidad se determina evaluando la relacion de portadora a ruidoen la entrada del receptor, o tan solo midiendo la potencia de la portadorarecibida. Hay muchas formas de obtener diversidad, los mas comunes son defrecuencia, espacial, polarizacion, hıbrido o cuadruple.

Diversidad de frecuencia: solo consiste en modular dos RF de porta-dora con la misma informacion de FI, y transmitir entonces ambassenales de RF a un destino dado. En el destino, se demodulan ambasportadoras y la que produzca la senal FI de mejor calidad es la quese selecciona. En la Figura 3 a), la senal de entrada de FI se alimenta

a un divisor de potencia, que la dirige a los transmisores A y B demicroondas. Las salidas de RF de los dos transmisores se combinan enla red combinadora de canales y se alimentan a la antena de transmi-sion. En el lado receptor (Figura 3 b)), el separador de canales dirigelas portadoras A y B de RF a sus receptores respectivos de microon-das, donde se bajan a FI. El circuito detector de calidad determinacual canal, el A o el B, es el de mejor calidad, y se dirige ese canalpor el conmutador de FI para seguirlo demodulando hasta la bandabase. Muchas de las condiciones atmosfericas adversas que degradanuna senal de RF son de frecuencia selectiva; pueden degradar mas una

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frecuencia que otra. Los arreglos de diversidad de frecuencia constitu-

yen una redundancia de equipo, completa y sencilla, y tienen ventajaadicional de proporcionar dos trayectorias electricas del transmisor alreceptor. Su desventaja obvia es que duplica el espectro de frecuenciasy el equipo necesarios.

Figura 3: Sistema de microondas con diversidad de frecuencia: a) transmisor;

b) receptor.

Diversidad espacial: En la diversidad espacial, la salida de un trans-misor se alimenta a dos o mas antenas, f ısicamente separadas por unacantidad apreciable de longitudes de onda. De igual manera, en elreceptor, puede haber mas de una antena que proporcione la senalde entrada al receptor. Si se usan varias antenas receptoras, tambiendeben estar separadas por una cantidad apreciable de longitudes deonda. La Figura 4 muestra un sistema de microondas de un solo canal,con diversidad espacial. Cuando se usa diversidad espacial, la distanciaelectrica de un transmisor a cada una de sus antenas, y de un recep-tor a cada una de sus antenas, sea un multiplo igual de longitudesde onda, en longitud. Esto es para asegurar que cuando lleguen dos omes senales de la misma frecuencia a la entrada de un receptor, estenen fase y sean aditivas. Con frecuencia, las condiciones atmosfericasadversas se aıslan en una area geografica muy pequena. En la diversi-dad espacial hay mas de una ruta de transmision entre un transmisory un receptor. Cuando existen condiciones atmosfericas adversas enuna de las rutas, es improbable que la ruta alterna tenga el mismo

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degradamiento. En consecuencia, la probabilidad de recibir una senal

aceptable es mayor cuando se usa diversidad espacial que cuando nose usa. Los arreglos de diversidad espacial proporcionan redundanciade ruta, pero no redundancia de equipo. La diversidad espacial es mascostosa que la diversidad de frecuencia, por las antenas y las guıasde onda adicionales. Sin embargo, la diversidad espacial proporcionaun uso eficiente del espectro de frecuencias y una proteccion bastantemayor que la diversidad de frecuencia.

Figura 4: Sistema de microondas con diversidad espacial: a) transmisor; b)receptor.

Diversidad de polarizacion: En la diversidad de polarizaci´ on , una solaportadora de RF se propaga con dos polarizaciones electromagneticasdiferentes, vertical y horizontal. Las ondas electromagneticas de dis-tintas polarizaciones no necesariamente estan sometidas a las mismasdegradaciones de transmision. La diversidad de polarizacion se usa engeneral junto con la diversidad espacial. Un par de antenas de trans-mision y recepcion se polariza en sentido vertical, y el otro en sentidohorizontal. Tambien es posible usar en forma simultanea la diversidadde frecuencia, espacial y de polarizacion.

Diversidad Hıbrida: La diversidad hıbrida es una forma algo especia-lizada de diversidad, que consiste en una trayectoria normal de diver-sidad de frecuencia, en la que los dos pares de transmisor y receptoren un extremo de la trayectoria estan separados entre sı y conecta-

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dos a distintas antenas, separadas verticalmente como en la diversidad

espacial. El arreglo proporciona un efecto de diversidad espacial enambas direcciones; en una porque los receptores estan separados ver-ticalmente, y en la otra porque estan separados horizontalmente. Estearreglo combina las ventajas operativas de la diversidad de frecuenciacon la mejor proteccion de la diversidad espacial. Sin embargo, la di-versidad hıbrida tiene la desventaja de requerir dos radiofrecuenciaspara obtener un canal en funcionamiento.

Diversidad cuadruple: La diversidad cuadruple es otra forma de di-versidad hıbrida, e indudablemente proporciona la transmision masconfiable; sin embargo, tambien es la mas costosa. El concepto basico

de diversidad cuadruple es bastante sencillo: es una combinacion dediversidad de frecuencia, espacial, de polarizacion y de recepcion enun solo sistema. Su desventaja obvia es que necesita equipo electr oni-co, frecuencias, antenas y guıas de onda redundantes, que son cargaseconomicas.

2.1.5. Caracterısticas de la trayectoria

Las trayectorias de propagacion normales entre dos antenas de radioen un sistema de microondas se ven en la Figura 5. La trayectoria enespacio libre es la trayectoria de lınea de vista, directamente entre lasantenas transmisora y receptora (tambien se llama la trayectoria de lınea de

vista). La onda reflejada en tierra es la porcion de la senal transmitidaque se refleja en la superficie terrestre y la captura la antena receptora. Laonda superficial consiste en los campos electrico y magnetico asociados conlas corrientes inducidas en la superficie terrestre. La magnitud de la ondasuperficial depende de las caracteroisticas de la superficie terrestre y de lapolarizacion electromagnetica de la onda. La suma de esas tres trayectorias,tomando en cuenta su amplitud y su fase, se llama onda terrestre. Laonda reflejada u onda celeste es la parte de la senal transmitida queregresa (se refleja) hacia la superficie terrestre, debido a las capas ionizadasde la atmosfera terrestre.Todas las trayectorias de la Figura 5 existen encualquier sistema de radio de microondas, pero algunas son despreciables en

ciertos intervalos de frecuencia. En frecuencias menores que 1,5 MHz, la ondasuperficial proporciona la cobertura primaria, y la onda celeste contribuye aaumentar esta cobertura por las noches, cuando es mınima la absorcion dela ionosfera. En frecuencias mayores que unos 30 a 50 MHz, por lo generallas trayectorias de importancia son las de espacio libre y de reflejo en tierra.A esas frecuencias tambien se puede despreciar la onda superficial, siemprey cuando las alturas de las antenas no sean muy pequenas. La onda reflejadaes solo una fuente de interferencia ocasional de larga distancia, y no es unasenal confiable para fines de comunicaciones por microondas.

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Figura 5: Trayectorias de propagacion.

2.1.6. Desvanecimiento

Desvanecimiento es un termino general que se aplica a la reduccion deintensidad de senal en la entrada a un receptor. Este termino se aplica avariables de propagacion en la trayectoria fısica de la radiacion, que afectana los cambios de trayectoria entre el transmisor en una estacion, y su recep-tor normal en otra estacion. Los cambios de trayectoria se asocian tanto a

condiciones atmosfericas, como a la posicion relativa de la antena con res-pecto al suelo y a otro terreno que la rodee. Se pueden minimizar los efectosde desvanecimiento por multiples trayectorias recurriendo a la diversidadespacial o de frecuencia.

2.1.7. Ganancia del sistema

En su forma mas sencilla, la ganancia del sistema es la diferencia entrela potencia nominal de salida de un transmisor, y la potencia de entradamınima requerida por un receptor.Debe ser mayor o igual a la suma detodas las ganancias y perdidas incurridas por una senal al propagarse deun transmisor a un receptor. En esencia, representa la perdida neta de un

sistema de radio. se usa para calcular la confiabilidad de un sistema paradeterminados parametros del mismo. La ecuacion de la ganancia del sistemaes:

Gs = P t − C min

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Donde

Gs = ganancia del sistema(dB)

P t = potencia de salida del transmisor(dBm)

C min = potencia mınima de entrada al receptor para determinado objetivo de calidad(dBm)

y dondeP t − C min ≥ perdidas − ganancias

Ganancias:

At = ganancia de la antena de transmision(dB)en relacion con un radiador isotropico.

Ar = ganancia de la antena de recepcion(dB)en relacion con un radiador isotropico.

Perdidas:

L p = perdidaa en trayectoria por espacio libre entr las antenas(dB)

Lf = perdida en alimentador de guıa de onda(dB)

Lb = perdida total por acoplamiento o por ramificacion(dB)

F m = margen de desvanecimineto para determinado objetivo de confiabilidad.

La descripcion matematica de la ganancia del sistema es

Gs = P t − C min ≥ F m + L p + Lf + Lb − At − Ar

en donde todos los valores se expresan en dB o dBm. Como la gananciadel sistema es indicativa de una perdida neta, las perdidas se representancon valores positivos de dB, y las ganancias con valores negativos de dB.La Figura 6 muestra un diagrama general de un sistema de microondas, eindica donde suceden las respectivas perdidas y ganancias.

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Figura 6: Ganancias y perdidas en un sistema.

2.1.8. Umbral del receptor

La relacion de portadora a ruido (C/N, de carrier-to-noise) es, probable-mente, el parametro mas importante que se considera al evaluar el funcio-namiento de un sistema de comunicaciones por microondas. La potencia

mınima de portadora de banda ancha (C min) a la entrada de un receptorque produzca una salida util de banda base se llama umbral del receptor,o a veces sensibilidad del receptor. Este umbral del receptor depende dela potencia del ruido de banda ancha presente en la entrada de un receptor,el ruido introducido dentro del receptor y de la sensibilidad del detector debanda base al ruido. Antes de poder calcular C min, se debe determinar lapotencia de ruido en la entrada. Esa potencia es

N = KT B (1)

en donde

N = potencia del ruido(watts)

K = constante de Boltzmann(1,38 × 10−23J/K )

T = temperatura equivalente al ruido del receptor (kelvins)

B = ancho de banda del ruido (hertz)

Expresada en dBm

N (dBm) = 10 log K T B

0,001 = 10log

KT

0,001 + 10 log B

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Para un ancho de banda de 1 Hz a temperatura ambiente

N = 10log (1,38 × 10−23(290))

0,001 + 10log1 = −174dB

por lo anteriorN (dBm) = −174dBm + 10 log B

2.1.9. Factor de ruido e ındice de ruido

El factor de ruido (F) y el ındice de ruido (NF, de noise figure ) soncifras de merito (de calidad)para indicar cuanto se deteriora la relacion desenal a ruido cuando una senal pasa por un circuito o una serie de circuitos.

Es una relacion de relaciones,que se expresa como sigue

F = relacion de senal a ruido en la entrada

relacion de senal a ruido en la salida (relacion adimencional)

El ındice de ruido es solo el factor de ruido expresado en dB, y es un parame-tro de uso frecuente para indicar la calidad de un receptor. La ecuacion dedefinicion del ındice de ruido es

N F = 10 log relacion de senal a ruido en la entrada

relacion de senal a ruido en la salida (dB)

o

N F = 10 log F

En esencia, el ındice de ruido indica cuanto se deteriora la relacion de senal aruido al propagarse una onda desde la entrada hasta la salida de un circuito.Por ejemplo, un amplificador con ındice de ruido de 6 dB quiere decir quela relacion de senal a ruido en su salida es 6 dB menor que la que era en suentrada. Cuando se conectan en cascada dos o mas amplificadores, como seve en la Figura 7, el factor total de ruido es la acumulacion de los factoresindividuales. Para calcular el factor de ruido total de varios amplificadoresse usa la formula de Friiss, que es la siguiente

F T = F 1 +

F 2 − 1

A1 +

F 3 − 1

A1A2 +

F n − 1

A1A2A3 (2)

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donde

F T = factor total de ruido paranamplificadores en cascada

F 1 = factor de ruido amplificador 1



F n = factor de ruido amplificador n

A1 = ganancia de potencia, amplificador 1



Notese que para usar la formula de Friiss, se deben convertir los ındices deruido a factores de ruido. El ındice total de ruido es

N F T (dB) = 10 log F T

Se puede ver que el factor de ruido del primer amplificador (F 1) contribuyemas al ındice general de ruido. El ruido que se introduce en la primera etapase amplifica en cada uno de los amplificadores siguientes. En consecuencia,cuando se compara con el ruido introducido en la primera etapa, el quese agrega con cada amplificador siguiente se reduce en un factor igual alproducto de las ganancias de potencia de los amplificadores.

Figura 7: ındice total de ruido.

2.1.10. Relacion portadora a ruido

La potencia de la senal recibida se calcula para determinar si es satisfactorio

el desempeno con respecto al ruido del sistema. Para los sistemas de micro-ondas analogicos. el desempeno satisfactorio normalmente se define cornouna relacion portadora a ruido que excede un determinado numero de deci-beles; es simplemente la relacion senal a ruido medida antes de desmodularla senal.A fin de determinar la relacion portadora a ruido, se necesita la potencia dela seAnal y la potencia del ruido. La potencia de la senal se determina pormedio de la ecuacion:

P RP T

(dB) = GT (dBi) + GR(dBi) − (32,44 + 20 log d + 20 log f

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donde

P R/P T (dB) = razon de potencia recibida a transmitida, expresada en decibeles

GT (dBi) = ganancia de la antena transmisora con respecto a un radiador isotropico

GR(dBi) = ganancia de la antena receptora con respecto a un radiador isotropico

d = distancia entre el transmisor y el receptor en kilometros

f = frecuencia en megahertz

El ruido consiste sobre todo de ruido termico recibido por la antena o ge-nerado en la antena, lınea de transmision o receptor. La forma mas facil decombinar estas fuentes es encontrar la temperatura de ruido correspondientepara cada una, referidas a la entrada del receptor sumar estas temperatu-ras de ruido y, luego, encontrar la potencia de ruido a partir de la ecuaci on 1.

Examinemos primero la antena. Esta recibe ruido ionosferico y quiza tam-bien de la tierra, dependiendo de si el haz de la antena incluye la tierra.La temperatura de ruido ioAnosferico depende del angulo de elevacion de laantena, la frecuencia y las condiciones atmosfericas.Las perdidas resistivasen la antena y su lınea de alimentacion tambien deben tomarse en cuentapara obtener una temperatura de ruido equivalente a la entrada del receptor.Suponiendo que la lınea de alimentacion esta a la temperatura de referen-cia de 290 K (17C), la temperatura de ruido equivalente a la entrada delreceptor esta dada por:

T a = (L − 1)290 + T ionos

L (3)

donde

T a = temperatura de ruido efectiva de la antena y la lınea de alimentacion (K)

L = perdida en la lınea de alimentacion y la antena

T ionos = temperatura efectiva ionosferica en grados kelvin

Una vez que se calculo la temperatura de ruido equivalente a la entradadel receptor, solo es necesario sumar la temperatura de ruido del receptor.A veces se especifica la temperatura de ruido del receptor, pero a menudoel desempeno con respecto al ruido de un receptor se da como una cifra deruido. Es facil convertira la cifra de ruido a temperatura de ruido, por mediode la siguiente ecuacion:

T eq = 290(N F − 1) (4)

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donde:

T eq = temperatura de ruido equivalente(K)

N F = cifra de ruido como una razon (no en dB)

Una vez que se determinan las temperaturas de ruido de la combinacionantena lınea de alimentacion y el receptor, se suman para hallar la tempera-tura de ruido del sistema. A partir de esa informacion y el ancho de bandadel sistema, es facil determinar la potencia de ruido.

2.2. Guıas de ondas

Las guıas de ondas proveen una alternativa para las frecuencias de micro-ondas. Una guıa de ondas es en esencia un tubo o conducto por el que viajauna onda electromagnetica. Conforme viaja a lo largo de la guıa, se reflejadesde las paredes. En la Figura 8 se muestra la idea general de las guıas deondas y la propagacion en ellas. Las guıas de ondas rectangulares de latono aluminio, en ocasiones recubiertas en el interior con plata, son muy co-munes, pero tambien se utilizan secciones transversales elıpticas y circulares.

Figura 8: Guıas de onda.

Cuando los campos electrico y magnetico estan contenidos en la guıa, lasguıas de onda no tienen perdida de radiacion. Las perdidas dielectricas sonmuy pequenas, ya que generalmente el dielectrico es aire. Hay algunas perdi-das en las paredes conductivas de la guıa de ondas, pero debido a la granarea de superficie de las paredes, estas perdidas son mucho mas pequenasque las perdidas en la lınea coaxial o de cable desnudo.

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2.2.1. Modos y frecuencias de corte

Hay varias formas (llamadas modos) en las que la energıa electrica se pro-paga a lo largo de una guıa de ondas. Todos estos nodos deben satisfacerciertas condiciones de frontera. Podrıa ayudar a entender los modos si sepiensa en una onda que se mueve por la guıa como si fuera un rayo de luz(Figura 9). Para cada modo diferente, el rayo choca con las paredes de laguıa a un angulo distinto. Cuando el angulo que un rayo forma con la paredde la guıa se hace mas grande, la distancia que debe viajar el rayo para llegaral extremo opuesto de la guıa se hace mas grande. Aunque la propagacionen la guıa es a la velocidad de la luz, la mayor distancia recorrida causa quese reduzca la velocidad efectiva a lo largo de la guıa. Es deseable tener soloun modo de propagacion en una guıa de ondas.

Figura 9: Propagacion multimodo.

Cada modo tiene una frecuencia de corte debajo de la cual no habra propa-gacion. La propagacion de modo simple se logra usando solo el modo con lafrecuencia de corte mınima. A este modo se le conoce como dominante.Los modos se designan como electrico transversal (Transversal Electric,TE)o magnetico transversal (transversal magnetic, TM) segun el patron decampos electrico y magnetico dentro de la guıa de ondas.Las ondas elec-tromagneticas en el espacio libre se conocen como ondas electromagneticastransversales(Transversal Electro Magnetic, TEM). Cuando estas ondas via-

jan en diagonal a lo largo de una guıa de ondas, reflejandose de pared a pa-red, solo un componente, ya sea el campo electrico o magnetico, permanecetransversal a la direccion del recorrido. El termino TE significa que no haycomponente del campo electrico a lo largo de la longitud de la guıa.

2.2.2. Velocidad y grupo de fase

La Onda Electromagnentica dentro de la guıa de onda viaja a la velocidad dela luz en el vacıo (3x108m/s), sin embargo el recorrido no es rectilıneo, sinoque la Onda Electromagnentica viaja mediante reflexiones en las paredesinternas de la guıa de onda. Esto hace suponer que la velocidad real depropagacion no sea la de la luz en el vacıo viajando en forma rectilınea.La velocidad real de la Onda Electromagnentica dentro de la guıa se llama

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Velocidad de Grupo, siendo mucho menor a la de la luz. En una guıa de

onda rectangular, la velocidad de grupo es

vg = c ∗

1 −

λ

2a

2

(5)

donde:

vg = velocidad de grupo

λ = longitud de onda en el espacio libre

a = dimension mas grande de la seccion transversal interior

c = velocidad de la luz

Una variante de la ecuacion anterior, en base a la frecuencia de corte,f co, y a la frecuencia de operacion, f , es:

vg = c ∗

1 −

f cf

2

(6)

donde:

f co = frecuencia de corte

f = frecuencia de operacion

En la ecuacion anterior se observa claramente que si la frecuencia de ope-racion es igual a la frecuencia de corte, la velocidad de grupo se hace cero.Tambien se observa que no puede haber una frecuencia de operacion menora la frecuencia de corte, ya que la Onda Electromagnentica no se propagabajo estas condiciones. Cuando se tienen varias senales propagandose por laguıa de onda, la de mayor frecuencia tendra una mayor velocidad de propa-gacion, llegando antes que la de menor frecuencia. Lo cual debera tomarse encuenta para senales multicanalizadas en frecuencia o con bandas laterales.

2.2.3. Velocidad de fase

Como en cualquier lınea de transmision, la fase viene siendo un factor muyimportante en la propagacion de la senal.Es evidente que la fase tambienvarıa al propagarse en la guıa de onda, generando un factor de variacion dela fase con respecto a la distancia recorrida por la senal. Esta variaciın seconoce como Velocidad de Fase V p

V p = c2

vg

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sustituyendo vg

V p = c 1 −

f cf

2(7)

y

V p = c 1 −

f cf

2(8)

2.2.4. Longitud de onda en Guıas de Onda

La longitud de onda de la senal que se propaga en un guıa de onda es dife-

rente a la longitud de onda en el espacio libre, por lo que se debera calcularen base a la velocidad de fase, v p, de acuerdo a la siguiente relacion

vg = v p/f

2.2.5. Impedancias en Guıas de Onda

La impedancia de la guıa de onda es una funcion de la frecuencia y sabiendoque la impedancia caracterıstica del espacio libre es Z o = 377Ω se tiene:

Z o = 377

1 − (λ/2a)2Ω =

377

1 − (f co/f )2Ω

2.3. Amplificadores y Osciladores de Microondas

2.3.1. Diodo con valvulas de vacıo (bulb o)

El catodo se calienta (directa o indirectamente mediante un filamento ca-lefactor) con la finalidad de desprender electrones, creando una “nube deelectrones” llamada emisi´ on termoi´ onica (Figura 10). El anodo, pola-rizado positivamente mediante un alto voltaje proveniente de una fuente devoltaje directo, atrae a los electrones. Entonces se forma una “corriente” deelectrones entre el catodo y el anodo, que es controlada solo por la polariza-

cion del anodo. La aplicacion del diodo es como un rectificador, ya que solohabra corriente en un solo sentido, como es de esperarse en un diodo.

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Figura 10: Bulbo; la barra superior es el anodo(+).

2.3.2. Triodo

El triodo posee, ademas del anodo y del catodo del diodo, un elemento extra

llamada reja o rejilla de control. La funcion de este elemento es la de controlarel paso de electrones del catodo hacia el anodo (tal y como lo hace la baseen un transistor). Si la reja de control es muy positiva, atraera todos loselectrones y no llegaran al anodo, la corriente sera 0. Si la reja de control esmuy positiva, todos los electrones se desviaran hacia ella, dandose tambienuna corriente 0 en el anodo. Por lo tanto la reja de control debera polarizarsemas o menos positiva (o negativa) con la finalidad de controlar el paso deelectrones a traves de ella y ası controlar la corriente generada en el anodo.La carga se conecta al anodo ya que sera quien consuma la potencia generadapor el triodo. La senal que sera amplificada se introduce a traves de la rejade control.

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Figura 11: Partes de un triodo.

2.3.3. Pentodo

Para mejorar las caracterısticas y aumentar la ganancia y manejo de po-tencia del triodo, se agregaron otros elementos para dar origen al Tetrodoy finalmente al Pentodo. Como el tetrodo (4 elementos) presenta algunasdeficiencias en su funcionamiento en la practica no se utiliza. El Pentodo (5elementos) posee dos rejas o rejillas mas que el triodo: la reja pantalla y lareja supresora. La reja pantalla acelera a los electrones que perdieron algode su energıa cinetica en la reja de control, con la finalidad de aumentar sueficiencia. La reja supresora, se polariza negativamente (ligeramente) pararegresar (rechazandolos) a los electrones que llegaron con excesiva energıacinetica al anodo. La ganancia aumenta considerablemente, ası como la ca-pacidad de manejo de muy altas potencias.

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Figura 12: Pentodo.

2.3.4. Tubos de Microondas

Son dispositivos, que al igual que los transistores, se utilizan para controlarsenales grandes mediante senales mas pequenas con el fin de producir am-plificacion, oscilacion, conmutacion, etc. Actualmente los tubos de vacıo ogas, bulbos, se utilizan para frecuencias muy altas, microondas y para po-tencias muy elevadas. Actualmente existen semiconductores que operan afrecuencias de microondas, pero la potencia de salida maxima es del ordende las decenas o algunos cientos de Watts. Hay aplicaciones donde se re-quieren potencias de salida mas elevadas. Estos tubos especiales se utilizanen estaciones terrenas satelitales y de television, equipos militares, radar, etc.

A continuacion se presenta un breve resumen de los tres mas empleados enel mercado.

KLYSTRON Es un tubo al vacıo que utiliza cavidades resonantes paraproducir Modulacion de velocidad de un haz de electrones y ası obteneramplificacion. El filamento calienta al Catodo, este emite electrones (emisiontermoionica) los cuales son atraıdos por un anodo o placa polarizado positi-vamente. Se establece un flujo de electrones entre al catodo y el anodo. Loselementos de enfoque conducen el haz de electrones hacia el anodo mediantecampos electrostaticos (con placas) y electromagneticos (con bobinas).En

una de las cavidades resonantes se hace incidir una senal de microonda quese va a amplificar, proveniente tal vez de un oscilador de microondas median-te dispositivos semiconductores de baja potencia. Se utiliza una sonda enforma de aro para ingresar la senal al tubo.Esta senal provoca que el haz deelectrones se acelere o desacelere, conocida como Modulacion de velocidad.El haz de electrones, modulado en velocidad, entra en la segunda cavidadllamada receptora, la cual empieza a resonar a su frecuencia de resonancia.Elhaz de electrones, inicialmente de CD, se conviertes en un haz de microondasamplificado en potencia. La senal de microondas de salida se toma mediante

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una sonda en forma de aro. Se pueden utilizar varias cavidades para generar

mayor amplificacion.

KLYSTRON REFLEX Es un Klystron especial de una sola cavidad quese utiliza como oscilador de microondas. Opera de manera muy similar alKlystron amplificador, el haz de electrones es modulado en velocidad por lacavidad resonante. La senal de salida se toma mediante una sonda en formade aro en la unica cavidad. Generan senales de microondas de baja potencia,de 100 mW hasta varios watts de potencia.

Figura 13: KLYSTRON REFLEX.

Magnetron Es un oscilador de microondas de forma circular con variascavidades resonantes con un iman muy potente alrededor de ellas. El diame-tro de cada cavidad es de media longitud de onda de la frecuencia de reso-nancia. El anodo se conecta a una fuente de alto voltaje de CD, el c atodoemite electrones que son acelerados por el campo magnetico del iman y alentrar a las cavidades se produce una senal de microondas que sale a travesde la sonda en forma de aro.

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Figura 14: Magnetron.

2.4. Semiconductores para microondas

2.4.1. Diodo Tunel

Es un diodo cuyo funcionamiento se explica mediante la teorıa cuanticadel efecto tunel, la cual establece que el comportamiento anomalo de lascaracterısticas de este diodo, conocida como resistencia negativa, lo hacenoscilar a frecuencias de microondas.

Figura 15: Caracterıstica diodo Tunel

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2.4.2. Diodo de punta de contacto

Es una pequena pieza de material semiconductor, Ge o Si tipo P (anodo), yun alambre muy fino de tungsteno (catodo) que hace contacto con el materialsemiconductor, produciendo una capacitancia de contacto extremadamen-te pequena. La corriente fluye del catodo al anodo con mucha facilidad ycon tiempos de transito muy pequenos. Se utilizan para generar senales demicroonda con potencias muy bajas y son muy delicados.

Figura 16: Diodo de punta de contacto

2.4.3. Diodo varactor

Es un dispositivo semiconductor que opera en base al efecto VVC (capacitorcontrolado por voltaje), donde el voltaje inverso aplicado a las terminales deldiodo determina la capacitancia. Se fabrican de GaAs (Arseniuro de Galio)y se utilizan principalmente como mezcladores o como multiplicadores defrecuencia. Se obtienen senales de microonda de baja potencia a frecuenciasde hasta 100 GHz.

Figura 17: Sımbolos diodo varactor.

2.4.4. Diodo Gunn

Es una delgada pieza semiconductora de GaAs o de InP (fosfuro de indio)tipo N, el cual presenta el efecto de resistencia negativa en donde el dispo-sitivo se vuelve inestable y por lo tanto comienza a oscilar a frecuencias de

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microondas. Se utiliza principalmente como oscilador de mmicroondas de

muy baja potencia. Se generan frecuencias de hasta 50 GHz del orden demiliwatts y a frecuencias menores la potencia puede ser de algunos cuantoswatts.

Figura 18: Diodo Gunn caracterıstica.

2.4.5. Diodo Schottky

Se forma de un material semiconductor, Ge o Si tipo N (catodo), con una

delgada capa de metal depositada (anodo) sobre el semiconductor. El metalpuede ser nıquel, cromo, aluminio, oro, etc. El area efectiva del dispositivoes muy pequena, lo cual produce capacitancias de union extremadamentepequenas, pero esto limita la potencia de salida a miliwatts o a algunoswatts.

3. Satelites

3.1. Orbitas satelitales

Los Satelites Artificiales de Comunicaciones son equipos electronicos de co-

municaciones que se utilizan como repetidores se senales enviadas desde latierra y que permiten recibir dichas senles en diferentes lugares geograficos.Estan colocados en el espacio exterior girando alrededor de la tierra sujetosa diferentes perturbaciones tanto de la tierra como de los objetos del espacio.Estan colocados en una orbita elıptica llamada geoestacionaria , alrededorde la tierra a una distancia de aproximadamente 36, 000 Km. Esta distanciaes la que permite un equilibrio entre las fuerzas de atracci on de la tierra ylas fuerzas de atraccion de la luna y el sol, manteniendo al satelite mas omenos estable dentro de esta orbita. Teoricamente con 3 satelites se cubrirıala totalidad de la superficie terrestre.

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La orbita Geoestacionaria esta ocupada casi exclusivamente por satelites

de comunicaciones y se les conoce como satelites de Orbita TerrestreGeoestacionaria-GEOS (Geostationary Earth Orbit). Hay otras orbi-tas mas bajas para satelites de aplicaciones especiales:

Militares

Metereologicos.

De investigacion.

Telefonıa Satelital.

Se tienen dos tipos de orbitas para este tipo de satelites:

LEOS (Low Earth Orbit): Orbita terrestre baja.

MEOS (Medium Earth Orbit): Orbita terrestre media..

Figura 19: Orbitas alrededor de la tierra.

3.2. Sistemas de comunicacion por satelite

Los satelites estan sujetos a perturbaciones que los hacen desviarse de laorbita geoestacionaria, con el peligro de que el enlace de comunicaciones sepierda o incluso de que el satelite se salga totalmente de orbita y se pierdaen el espacio o caiga a la tierra destruyendose.Es necesario que se hagan correcciones de la orbita mediante el rastreo oseguimiento desde una estacion de control terrena. Factores que afectan alos satelites:

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Radiacion solar

Temperatura.

Radiacion Ultravioleta.

Radiacion Infrarroja.

Viento solar.

Partıculas cosmicas.

Meteoritos.

Gravedad solar, tierra y luna.Envejecimiento de las celdas solares (25 a 30 anos de vida util).

Calor generado internamente.

Subsistemas de satelite Los satelites de comunicaciones poseen 4 sub-sistemas basicos que se encargan de distintas funciones para mantenerlo enoperacion:

1. Subsistema de Comunicaciones (incluye el de antenas).

2. Subsistema de Alimentacion.

3. Subsistema de Telemetrıa (incluye el de control de actitud) y Rastreo.

4. Subsistema de Propulsion.

Subsistema de Comunicaciones Tiene la funcion de recibir las senalesde informacion enviadas desde la estacion terrena, amplificarlas y trasla-darlas en frecuencia para reenviarlas hacia la tierra. Posee varios canalesde comunicacion multiplexados en frecuencia, llamados transponder , loscuales a su vez estan multicanalizados en tiempo y/o en codigo.

3.3. Aplicaciones de los Satelites

Los satelites se utilizan en diversos sistemas como:

1. Telecomunicaciones (Repetidores de senal).

2. Television directa al hogar (DBS).

3. Radio satelital.

4. Telefonıa satelital (voz y datos).

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5. Telefonıa celular satelital.

6. Meteorologıa.

7. Investigacion.

8. Militar.

ejemplos de sistemas satelitales:

INMARSAT: Sistema satelital para proveer servicios de voz (telefonıa)y datos (internet, etc.) a barcos en altamar, y que con el tiempo seha ampliado a otras areas como comunicacion movil terrestre y ae-ronautica. Utiliza varios satelites en orbita GEO.

MSAT (satelite movil): similar al INMARSAT, pero solo restringidoa america del norte (EAU y Canada) y con mucho mayor potencia, locual permite receptores y antenas mas pequenos. Solo usa un sateliteen orbita GEO.

IRIDIUM: se usan 66 satelites de orbita baja (LEO), llamada conste-lacion, para telefonıa satelital usando modulacion digital y multicana-lizacion FDMA y TDMA.

GLOBASTAR: utiliza una constelacion de 48 satelites LEO a unaaltitud de 1414 km. Se utiliza para telefonıa satelital usando CDMA

y para datos de baja velocidad.

TELEDESIC: utiliza 288 satelites en orbita LEO a una altitud de 1375km y que se utiliza para voz y datos de alta velocidad.

ORBCOMM: inicio en 1998 con 35 satelites de orbita LEO, que sehan ido incrementando hasta llegar a 48. Se considera un sistema “pe-queno” comparado con los sistemas anteriores y que se utiliza paratransmision de mensajes, e-mail, rastreo de vehıculos, etc; usa fre-cuencias mas bajas VHF para comunicarse con las estaciones terrenas.

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Figura 20: Enlace vıa satelite.

3.4. Sistemas de Posicionamiento Global (GPS)

Se utilizan varios satelites con la finalidad de localizar o determinar la po-sicion de un objeto en la tierra. El sistema se compone de 24 satelites, sinembargo para localizar la posicion se requieren 3 o 4 de ellos, dependiendode la disponibilidad y la zona.Los satelites envıan senles con frecuencias de1,57542 GHz o de 1,2276 GHz, que son recibidas por un aparato GPS que las

utiliza para, mediante calculos realizados por un microprocesador, localizarla posicion del receptor entregando la informacion de Latitud, Longitud yAltitud. Como se mide el tiempo de las senales desde los satelites, estos po-seen bases de tiempo extremadamente precisas mediante Relojes Atomicosde Cesio, que son osciladores muy precisos y exactos que operan mediantela oscilacion del atomo de Cesio 133.

Figura 21: GPS.

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4. Television

4.1. La senal de TV NTSC

El sistema de TV consiste en convertir una imagen de 2 dimensiones gene-rada por una camara de video en una senal electrica que sera transmitidaa distancia por medio de ondas de radio (o bien por cable coaxial o fibraoptica) y que sera recibida por un receptor de TV que se encargara de repro-ducir dicha imagen de 2 dimensiones en una pantalla o monitor. El sistemaconsiste en hacer un barrido electronico horizontal y vertical de tal maneraque cada lınea horizontal captara un nivel de luminosidad proporcional a laimagen correspondiente del objeto. En la TV blanco y negro se capturan ni-veles de luminosidad desde el blanco hasta el negro pasando por una serie de

niveles de o intensidades de gris, llamada escala de grises. En color, se cap-turan tambien diferentes niveles de luminosidad, pero de forma individualcon los tres colores basicos del espectro visible : rojo, verde y azul (RGB).En la figura anterior se observa un diagrama a bloques de un sistema decamara de TV, donde el sensor de imagen que es un CCD, que captura losniveles de luminosidad mediante un barrido electronico horizontal y vertical.Anteriormente las camaras de TV usaban dispositivos de vacıo (bulbos)como el VIDICON, NEWVIDICON, ORTICON, etc. Actualmente se usansensores de imagen semiconductores llamados CCD. Tambien se observa queel barrido horizontal y el vertical se hace de manera sincronizada mediantesenales de sincronıa vertical y de sincronıa horizontal. Esto genera unasenal compuesta de TV que incluye :

Senal de video.

Senal de sincronı vertical.

Senal de sincronıa horizontal.

Senal de audio.

En la TV comercial se puede enviar el audio modulado en frecuencia y opcio-nalmente en estereo. Un barrido completo de una pantalla completa se llamacampo (impar) y al intercalar otro barrido entre cada lınea horizontal segenera otro campo (par); dos campos forman un cuadro (FRAME). Paraproducir un efecto de movimiento continuo se deben producir 30 cuadros porsegundo o bien 60 campos por segundo, siendo este el est andar americanollamado NTSC, para TV a color y el EIA para blanco y negro.

4.2. Receptor de television analogico

En la Figura 22 se observa un diagrama a bloques de un receptor de TVblanco y negro que es de tipo superheterodino, ya que deber a ser capaz derecibir varias frecuencias de portadora, correspondientes a los canales de los

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trasmisores de TV. Como la modulacion es de AM, se utiliza un detector de

envolvente para demodular la senal de BLR y ası quitar la portadora de RF.Los filtros se encargan de separar las senales de video, sincronıa vertical,sincronıa horizontal y de audio.

Figura 22: Generacion de una senal de video compuesto en blanco y negro.

En la Figura 23 se observa un diagrama a bloques de un receptor de TVa color. El funcionamiento basico es el mismo al de blanco y negro. Poseeun detector de envolvente para quitar la portadora de RF y separadores desenal de audio y las de sincronıa. La senal de video es procesada para separar

las senales de luminancia y de croma o color, obteniendose nuevamente los 3colores basicos (RGB) que seran mezclados despues para formar la imagena color.

Figura 23: Receptor de TV a color.

En el tubo de rayos catodicos (TRC o CRT) se encuentra un ca˜ n´ on de elec-

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trones que es un catodo que emite electrones gracias al calentamiento del

filamento. La reja o rejilla de control es una malla metalica que se polarizacon un voltaje mas o menos positivo para dejar pasar mas o menos electroneshacia la pantalla, que esta recubierta de un material fosforescente. El voltajede la senal de video es el que se aplica a esta reja de control, por lo tanto elhaz de electrones que incide sobre la pantalla sera proporcional a esta senal,es decir es controlado por la senal de video. Las senales de sincronıa verticaly horizontal se aplican a electrodos de control, en forma de embobinados(bobinas de deflexien llamadas yugo) o placas de deflexien que controlan eldesplazamiento vertical y horizontal del haz de electrones hacia la pantalla.La pantalla fosforescente, recibe los electrones a tal velocidad que estos pro-vocan la emision de fotones (luz) del otro lado de la pantalla. Esta emision

de fotones es la imagen que se observa en la pantalla. Se requieren voltajesmuy elevados (miles de volts) para lograr la deflexi on del haz de electrones.En el caso del tubo de rayos catodicos para color, la tecnologıa es muchomas compleja, pero el principio de funcionamiento es muy similar al deblanco y negro. En este caso se tienen 3 canones electronicos, es decir, 3catodos que emiten electrones, pero cada catodo emite en la longitud deonda correspondiente a los tres colores basicos :rojo, azul y verde (RGB).Igualmente se tienen 3 rejas de control, una para cada haz emitidos por loscanones electronicos, que controlan el paso de electrones hacia la pantalla.Esta igualmente esta recubierta de material fosforescente, solo que ahorase divide en 3 partes, cada una de ellas recibe un haz correspondiente a un

color basico. La pantalla emite fotones como consecuencia de la combinacionde la incidencia de los tres haces de electrones sobre un area de la pantalla,generandose ası la imagen a color que originalmente fue captada por lacamara.

4.3. Television por cable y por satelite

4.3.1. Television por cable (CATV y HFC)

Es un sistema que permite distribuir la senal de Television (que generalmen-te se propaga por medio de ondas electromagneticas hacia los receptores ysin costo) por medio de un cable coaxial (CATV) hacia una serie de sus-

criptores que pagan una cuota por recibir cierto numero de canales de TV.Actualmente los sistemas son complementados por cables de Fibra Optica(HFC). Una companıa de TV por cable reune las senales disponibles, tantolocalmente como vıa satelite, las multiplexa en frecuencia en un solo sistemade cable (que puede ser solamente coaxial o un sistema hıbrido de cablecoaxial y fibra optica) y las envıa a los suscriptores. Actualmente las com-panıas de cable no solo envıan senales de TV sino tambien otras senales comoaudio, datos digitales, incluyendo Internet. Donde se genera senal de CATVse llama alimentador o cabeza de red, el cual multiplexa en frecuencia

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las senales de TV, provenientes de antena aerea de las companıas de TV

locales y de los satelites que distribuyen las senales de TV provenientes deotras ciudades o paıses. El cable de salida del alimentador se llama cabletroncal que en los sistemas mas antiguos es un cable coaxial grueso de bajaperdida y en los sistemas modernos se utiliza fibra optica. El cable troncalllega a unos distribuidores activos que contienen amplificadores y de estossalen otros cables mas pequenos hacia otros distribuidores pasivos de don-de salen cables coaxiales hacia los suscriptores. Este ultimo cable coaxial esdel tipo RG − 59/U de 75 Ω. La calidad de la senal de CATV es superior ala recibida por la antena aerea vıa radiofrecuencia, ya que no esta sujeta ainterferencias directas del exterior.

Figura 24: Convertidor de CATV para seleccionar los canales en el receptorde TV.

La Figura 24 muestra un diagrama a bloques de un convertidor de CATV,el cual se utilizaba anteriormente para ingresar la senal al receptor de TVdel suscriptor. Este convertidor se utilizaba en sistemas de CATV donde lacompanıa de cable entregaba al suscriptor este convertidor, muy similar aun decodificador de TV por satelite, para que pudiera seleccionar el canaldeseado. Con los sistemas analogicos actuales, ya no se utiliza este conver-

tidor, ya que las senales que ingresan al receptor de TV son seleccionadasdirectamente por el receptor superheterodino del aparato de TV del suscrip-tor.En un futuro, cuando los sistemas de CATV sean totalmente digitales ypor medio de fibra optica, se requerira un dispositivo similar para decodifi-car la senal y convertir de senal optica a electrica. Y cuando los receptoresde TV tambien sean totalmente digitales y con entrada optica, de nuevoya no se requeriran estos convertidores, sino que el mismo receptor de TVconvertira la senal optica en electrica y decodificara la senal digital para queel suscriptor la pueda ver.

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4.3.2. Television satelite (DBS)

Una alternativa al sistema CATV es la TV directa al hogar, conocida co-mo DBS (sistema de radiodifusion directa por satelite, por sus siglas eningles).Este sistema se compone de varios satelites que reciben diversassenales de TV y las distribuyen a zonas especıficas de cobertura en la su-perficie de la tierra donde los suscriptores poseen antenas de recepci on demicroondas y decodificadores que entregan las senales hacia el receptor deTV del suscriptor.

4.4. Television de alta definicion (HDTV)

La nueva tecnologıa digital aplicada a la TV a dado origen a sistemas digita-

les de TV, donde la transmision de la senal se hace en formato digital, con lasventajas que esto trae. Este sistema ha dado origen al HDTV, television digi-tal de alta definicion, por sus siglas en ingles, mejorando considerablementela calidad de la imagen y el sonido. El sistema HDTV posee una relaci onde pantalla de 16 a 9, en lugar del actual de 4 a 3 de la TV est andar. Laexploracion entrelazada o interlineal es la misma que se utiliza con la TVestandar, es decir, que primero se presenta un campo y luego el otro a unafrecuencia de 60 Hz cada campo (30 Hz para el cuadro completo). La ex-ploracion progresiva es aquella donde la imagen, digitalizada, se explora elprimer campo y se guarda en memoria, al terminar de explorar el segundocampo, este se une con el primero y se presenta el cuadro completo , es decir

los dos campos, par e impar, de manera simultanea. La frecuencia puede sermayor a 60 Hz en estos sistemas.

4.5. Television Digital

En la Figura 25 se muestra el diagrama a bloques de un transmisor deHDTV digital. Las senales de video y de audio se digitalizan, codifican ycomprimen por separado. Se multiplexan con otras senales auxiliares, comosincronıa, control, etc. Luego a esta senal multiplexada se le aplican variosmecanismos de Procesamiento Digital de Senales (DSP) para su transmision,sea por radio frecuencia o por cable.

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Figura 25: Diagrama a bloques general de un Transmisor de DTV .

En la Figura 26 se muestra el diagrama a bloques de un transmisor de HDTVdigital. La senal de video a color, compuesta por las senales de luminancia ycolor (croma o crominancia) se digitalizan con un convertidor A/D, con fre-cuencias de muestreo de 14,3 MHz y 7,15 MHz, respectivamente. Las senalesresultantes se convierten a serial y se les aplica la tecnica de compresion di-gital MPEG2, para reducir el ancho de banda de la informacion de videotransmitida.

Figura 26: Transmisor de HDTV, que utiliza modulacion de Banda LateralResidual de 8 niveles.

Esta tecnica de compresion solo envıa las diferencias entre los cuadros suce-sivos de la imagen de video, utilizando una menor cantidad de bits para larepresentacion de la imagen. La senal de video, ya comprimida, se pasa poruna serie de bloques digitales de codificacion, deteccion y correccion de erro-res y empaquetador que le dara forma al tren de bits que seran transmitidos.La parte de audio tambien recibe un tratamiento similar, en cuanto a que

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se digitaliza y se comprime, ademas de que se le pueden agregar otras fuen-

tes de audio, como musica de fondo, canales digitales de audio, un segundoidioma de audio (SAP), etc.Posteriormente las senales digitales de video y audio se multiplexan jun-to con otras senales de sincronizacion para formar la senal combinada quesera transmitida. Esta senal se envıa al modulador de Banda Lateral Re-sidual de 8 niveles (8-VSB) suprimiendo la portadora. El mezclador final,

junto con el oscilador local, suben la frecuencia de la portadora a una fre-cuencia a la que sera transmitida toda la senal combinada, ya sea hacia elaire para ser captada por los receptores de HDTV, o bien hacia una frecuen-cia de microondas para transmitir directamente al satelite.Los datos digitales que salen del formateador de cuadro se convierten a 8

niveles de amplitud discretos por medio del Convertidor Digital a Analogi-co , CAD, y esta senal modula mediante un modulador balanceado unasubportadora, lo cual genera doble banda lateral con portadora suprimida;esta senal es filtrada mediante un filtro pasa banda que selecciona una delas bandas y un residuo de la otra, para pasar a un mezclador que sube lafrecuencia al valor necesario de transmision.En la Figura 27 se muestra el receptor de HDTV el cual puede recibir la se nalaerea o de microondas del satelite. El receptor sintoniza la frecuencia de laportadora para demodularla y posteriormente, gracias a las senales de sin-cronıa enviadas desde el transmisor poder recuperar la senal digital de audioy video. Estas senales se separan mediante un demultiplexor (DEMUX) y se

procesan por separado. La de video es descomprimida, convertida anal ogicay mediante separadores se extraen las senales de sincronıa vertical, horizon-tal, luminancia y croma. La senal de audio, igualmente es descomprimida,separada mediante un demultiplexor (DEMUX), convertida a analogica yamplificada.

Figura 27: Receptor de HDTV

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Referencias

[1] Tomasi Wayne Sistemas de Comunicaciones Electr´ onicas Cuarta edi-

ci´ on DF., Mexico: Pearson, 2003, ch. 17,18 y 19.

[2] Blake Roy Sistemas Electr´ onicos de Comunicaciones Segunda edi-

ci´ on DF., Mexico: Thomson, 2003, ch. 17,18,19 y 20.

microondas, comunicacion satelital y television digital

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