Capitulo II

11

CAPITULO II

MARCO TEORICO

A. FUNDAMENTACION TEORICA

La investigación enmarca el area de la electronica, especificamente la

especialidad de telecomunicaciones, requiriendo de solidas bases teoricas

que aseguran el desarrollo de la misma, se procede a la recopilacion

bibliografica relacionada con las variables objeto de estudio las cuales

sonson: enlace de radio y degradaciones; estas variables están vinculadas

con los sistemas de transmisión, propagación de las ondas, acompañados de

una serie de recomendaciones y criterios de calidad, por lo que la

fundamentación teórica se estructuró en al forma de que el lector pueda

obtener una idea general del tema en cuestión.

Partiendo de la esencia, conceptos básicos, hasta las más complejas

teorias se espera cumplir con el primero de los objetivos planteados en el

estudio; lo que constituirá el pilar fundamental dentro del la investigación.

Capitulo II 12

1. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

1.1. DEFINICIÓN DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Una onda electromagnética esta compuesta por un campo eléctrico y

uno magnético (cambiantes), que están relacionados entre sí produciendo

una propagación de energía a través de un medio.

Los campos magnéticos y eléctricos son transversales a la dirección

de propagación y son perpendiculares entre sí. Cuando los campos

eléctricos y magnéticos son constantes en magnitud y dirección en todos los

puntos situados en un plano se dice que la onda es plana. Las ecuaciones de

Maxwell describen las relaciones entre estos campos y sirven de base para

la formulación de las ecuaciones de propagación.

Las ondas electromagnéticas poseen parámetros característicos tales

como frecuencia y longitud de onda; es importante recordar la definición de

ellos. La frecuencia (f ) es el número de ciclos completos por unidad de

tiempo. El tiempo para completar un ciclo se denomina período (T ) y es el

inverso de la frecuencia; la longitud de onda (λ ) es la distancia recorrida por

la onda en un período y la velocidad con que lo hace es la velocidad de

propagación (v ). La relación entre dicha longitud de onda (λ ) y la frecuencia

( f ) queda expresada por:

Capitulo II 13

λ = fv

(1)

Dado que la velocidad depende de la característica del medio, la longitud

de onda no es la misma para los diferentes medios. En el espacio libre la

velocidad de la onda electromagnética es, c = 3.108 m/seg, por lo que la

longitud de onda queda expresada como: λ = c / f . En la práctica se

acostumbra a usar λ = 300/ f , donde la frecuencia esta en MHz, quedando

la longitud de onda expresada en metros.

1.2. ECUACIÓN GENERAL DE PROPAGACIÓN

Para obtener el campo eléctrico o magnético en un determinado punto

del espacio, proveniente de una fuente emisora, deben combinarse

apropiadamente las ecuaciones de Maxwell y de allí deducir la ecuación

general de propagación, esta es una ecuación diferencial y su solución

conlleva al campo deseado.

Capitulo II 14

Si se considera un medio homogéneo e isótropo, en el cual se propaga

una onda plana originada por una fuente emisora periódica (sinusoidal) la

ecuación de propagación para el campo eléctrico (E) toma la forma:

(2

2

dXEd

) ( )Ejσωµεµω −+ 2 = 0 (2)

en la cual ω = 2 π f , donde:

ω : velocidad angular (rad/seg)

f : frecuencia de la onda periódica (MHz)

ε : coeficiente de permitividad (F/m)

µ : coeficiente de permeabilidad (H/m)

σ : coeficiente de conductividad (S/m)

La solución de la ecuación anterior conduce a la suma de ondas. La

onda incidente y la reflejada, ambas se propagan en la misma dirección pero

en sentido opuesto. La onda de reflexión no se considera ya que se supone

que no se darán las condiciones para tal reflexión, en este caso sólo se

considera la onda incidente, cuya expresión es:

Capitulo II 15

( )xtjxeeEE βωα −−= 1 (3)

1E : condiciones iniciales de propagación

α : constante de atenuación del medio (Neper/m)

β : variación de fase (rad/m)

De la misma manera se obtiene una expresión para el campo magnético

(H):

( )xtjx eeHH βωα −−= 1 (4)

1.3. CLASIFICACIÓN DE LAS ONDAS SEGÚN SU MODO DE

PROPAGACIÓN

Según su frecuencia o longitud de onda las señales de radio se

comportan en forma diferente en cuanto a su propagación; clasificandose de

la siguiente manera:

Capitulo II 16

1.- Onda terrestre o superficial

2.- Onda directa

3.- Onda reflejada en tierra

4.- Onda difractada

5.- Onda de dispersión

6.- Onda ionosférica

La onda superficial se propaga directamente en las proximidades del

suelo, puesto que la superficie terrestre es en realidad un conductor, esta

sufre una atenuación a lo largo de su recorrido; dicha atenuación dependerá

directamente de las características del terreno sobre el cual pasa la onda.

Así por ejemplo, en el agua la atenuación es mínima, por lo que la onda

tendrá un rango de propagación mucho más amplio que cuando se

encuentra en terrenos con obstáculos.

La onda directa se propaga en línea recta a través del espacio, de la

antena emisora a la antena receptora, mientras que la onda reflejada se

propaga en el espacio entre las dos antenas pero no sigue una trayectoria

directa sino que se refleja desde la tierra hacia la antena receptora. El que

sean diferentes las trayectorias seguidas por las ondas directa y reflejada

hace que exista una diferencia de fase entre las mismas, lo cual influirá

directamente en la señal que llega a la antena receptora; la onda difractada,

además de la difracción en la superficie terrestre, en este caso en una colina,

sufre una refracción a lo largo de su trayectoria.

Capitulo II 17

La onda de dispersión se produce por una dispersión de la energía

electromagnética en las heterogeneidades de la troposfera, las cuales están

presentadas principalmente por pequeños volúmenes de aire que hacen que

exista una discontinuidad en el índice de refracción.

La onda ionosférica atraviesa la troposfera antes de incidir en las

capas ionosféricas donde se reflejan de nuevo a la tierra, de esta manera las

ondas de radio pueden llegar a un sitio más lejano obteniéndose un mayor

alcance. En este tipo de onda es costumbre hablar de una reflexión en la

ionosfera, pero en realidad lo que ocurre es un fenómeno de refracción

sucesivo en el interior de esta capa.

Es de hacerse notar que en todas estas ondas se produce el fenómeno

de refracción sucesivo, debido a la variación del índice de refracción de la

troposfera con la altura.

1.4. ESPECTRO DE FRECUENCIA

En la naturaleza existe un amplio espectro de ondas

electromagnéticas que se extienden desde las frecuencias muy bajas

(longitudes de ondas grandes) hasta las frecuencias extremadamente altas

(longitudes de ondas muy pequeñas) como son los rayos cósmicos. La

banda total de frecuencias y de longitudes de onda de las ondas

Capitulo II 18

electromagnéticas se denomina: espectro de frecuencias o espectro

electromagnético, tabla 1.

La parte del espectro correspondiente a las ondas de

radiocomunicaciones cubre el rango de 3 KHz a 300 GHz y se divide en

varias bandas, como lo indica la tabla 2 y en la tabla 3 se muestra la división

de las bandas SHF y EHF.

Tabla 2.1. Espectro de frecuencias.

nf 10*3= Hz p10=λ m

Fuente: Antenas y propagación. Zulima B. de Vielma (1996).

RAYOS I NFRARROJOS

ONDAS DE

R A D I

O C O M U N I C A C I

O N

O N D A S

C A L O R I C A S

RAYOS I NFRARROJ OS

LUZ VI SI BLE

U L T RR A Y V O I S O L E T A

R A Y O S X

R A Y O S

C O S M I C O S

R A Y O S

G A M M A

MI L I MET RI CAS

MI CROONDAS

P = 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 –14 -15 -16

n= 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Capitulo II 19

El uso de estas frecuencias esta regulado por la Unión Internacional de

Telecomunicaciones (UIT) que es la organización civil internacional

encargada de proveer procedimientos normalizados de comunicaciones,

incluyendo la asignación de frecuencias, las reglamentaciones de radio

referentes a la forma como deben operar los sistemas de radio, el uso de

frecuencias para los diferentes servicios y los criterios técnicos que deben

ser observados. La UIT funciona mediante conferencias mundiales, algunas

de las cuales son para tratar temas específicos y otras son para hacer la

revisión completa de la tabla internacional de frecuencias y tratar aspectos

relacionados con el uso internacional del espectro. Dentro de la UIT existe el

Comité Consultivo Internacional de Radio (CCIR) que es el organismo

encargado de producir informes que mantienen al día a los países miembros

en relación a varios campos de las radiocomunicaciones y de las

recomendaciones para procedimientos a ser adaptados en problemas

técnicos específicos (UIT, 1968). En Venezuela la Dirección General

Sectorial de Comunicaciones del Ministerio de Transporte y Comunicaciones

es el organismo encargado de asignar frecuencias y velar por el

cumplimiento de las reglamentaciones internacionales.

Capitulo II 20

Tabla 2.2. Bandas de 3 KHz a 300 GHz.

Banda de Frecuencia

Denominación Longitud De Onda

Subdivisión Métrica

3 – 30 KHz Banda 4 Muy bajas

frecuencias (VLF)

100 – 10 Km Ondas Miriamétricas

30 – 300 KHz Banda 5 Bajas frecuencias

(LF)

10 – 1 Km Ondas Kilométricas

300 – 3000 KHz

Banda 6 Frecuencias medias (MF)

1 – 0.1 Km Ondas Hectométricas

3 – 30 MHz Banda 7 Altas frecuencias

(HF)

100 – 10 m Ondas Decamétricas

30 – 300 MHz Banda 8 Muy altas

frecuencias (VHF)

10 – 1 m Ondas Métricas

300 – 3000 MHz

Banda 9 Ultra altas

frecuencias (UHF)

1 – 0.1 m Ondas Decimétricas

3 – 30 GHz Banda 10 Super altas

frecuencias (SHF)

10 – 1 cm Ondas Centimétricas

30 – 300 GHz Banda 11 Frecuencias

extremadamente altas (EHF)

10 – 1 mm Ondas Milimétricas

Fuente: Antenas y propagación. Zulima B. de Vielma (1996)

Tabla 2.33. División especial del espectro para las bandas SHF y EHF.

Bandas Frecuencias (GHz)

S 1.5 – 5.26

X 5.2 – 10.96

K 10.9 – 36

Q 36 – 46

V 46 – 56

Fuente: Antenas y propagación. Zulima B. de Vielma (1996)

Capitulo II 21

1.5. LEYES DE SNELL

Cuando una onda electromagnética se propaga por un medio de gran

extensión y cuyas características eléctricas son constantes e iguales en

todos sus puntos, la trayectoria que caracteriza su propagación no sufre

alteraciones. Sin embargo, si ella incide sobre una superficie S que separa

este medio de otro con características diferentes, aparecen otras ondas

generadas por la primera. Al incidir la onda (onda incidente) sobre la

superficie, se originan oscilaciones que irradian un campo dirigido hacia el

medio en que se propagaba la onda original (campo reflejado), y un campo

dirigido hacia el otro medio (campo de refracción o transmitido).

Estas leyes indican el comportamiento de la onda cuando sufre

refracción y reflexión y es posible demostrarlas partiendo de sus enunciados,

que dicen:

a. Las direcciones de propagación de las ondas incidente, reflejada y

refractada se encuentran contenidas en el plano normal a la superficie limite

de los dos medios. A este plano se le denomina plano de incidencia.

b. El ángulo de incidencia iθ , es igual al ángulo de reflexión rθ , tal

como se muestra en la figura 1. A esta ley se le conoce como la Ley de

Reflexión.

Capitulo II 22

c. La razón entre los senos de los ángulos de incidencia y refracción

es la razón inversa entre las constantes de propagación. A esta otra ley se le

denomina Ley de Refracción.

Figura 1. Onda incidente, reflejada y refractada según la ley de Snell.

Fuente: Antenas y conceptos básicos de propagación. C.E.T. (1997).

1.6. ATENUACIÓN EN EL ESPACIO LIBRE

Es la pérdida de transmisión que tendría lugar entre dos antenas en el

espacio libre, lejos de la tierra e independientemente de los efectos de está.

La atenuación en el espacio libre a lo largo de un trayecto radioeléctrico es la

referencia con la cual se comparan todas las variaciones de la atenuación del

trayecto (desvanecimiento).

Capitulo II 23

El anexo 1 ilustra la atenuación en el espacio libre en función de la

frecuencia y la distancia.

El estudio se formaliza considerando a las antenas como isotrópicas,

emitiendo igual densidad de energía en todas las direcciones. Como existe la

imposibilidad manifiesta de captar toda la energía emitida se obtiene una

atenuación denominada atenuación de espacio libre, para una propagación

libre de obstáculos.

Las perdidas relativas al espacio libre son:

- Absorción ionosférica por gases atmosféricos o precipitaciones.

- Difracción que produce contribuciones destructivas en las zonas de

Fresnel.

- Dispersión con desfoque debido a la curvatura de la capa reflectante.

- Desacoplamiento de polarizaciones.

- Refracción que produce la elevación de los obstáculos.

Caminos múltiples entre antenas.

La expresión de la atenuación entre dos antenas cualesquiera en el

espacio libre esta dada por:

LP = 92.4 + 20 Log F(Ghz) + 20 Log D(Kmts) – Gt – Gr (5)

donde Gt y Gr son respectivamente, la ganancia de la antena

transmisora y receptora en db, D se expresa en Km y F en Ghz.

Capitulo II 24

1.7. INFLUENCIA DE LA ATMÓSFERA EN LA PROPAGACIÓN

La característica de propagación de las ondas de radio depende de

muchos factores, tales como la frecuencia de trabajo, la polarización de la

onda, las características eléctricas del terreno sobre el cual se propaga, la

longitud de la trayectoria, el estado de la troposfera y muchos otros.

En este punto se estudiará la influencia de uno de estos factores, la

atmósfera la cual no es un medio homogéneo ya que las características de

transmisión del aire cambian con la altura y con la hora del día estos efectos

son marcados en la troposfera, en la cual tiene lugar normalmente la mayor

parte de la propagación radioeléctrica.

1.8. ÍNDICE DE REFRACCIÓN

La troposfera se puede considerar como un medio dieléctrico puro, con

una permeabilidad magnética igual a la del espacio libre. Partiendo de esto

podemos expresar al índice de refracción como:

n = rr µε (6)

Esta cantidad es muy cercana a la unidad, por lo cual se acostumbra a

utilizar el coíndice de refracción, que está definido por:

( ) 610*1−= nN r (7)

Capitulo II 25

Por otro lado, el índice de refracción depende de muchos factores

meteorológicos, pero para los efectos de ondas radioeléctricas se puede

definir con bastante aproximación como:

rN = T

6.77(

Te

p 81.4+ ) (8)

en donde:

p : presión atmosférica (milibarios)

e : presión de vapor de agua (milibarios)

T : temperatura absoluta (°K)

rN : coíndice de refracción

El UITT ha definido una atmósfera estándar donde el coíndice varia

según la siguiente ecuación:

( ) hr ehN 136.0315 −= (9)

donde h es la altitud en Km.

1.9. EL FACTOR k Y LA CURVATURA DE LA TIERRA

El factor k se define por la dirección y el valor de la curvatura del haz

con respecto a la curvatura de la tierra y cualquier cambio de k equivaldría a

una variación de las condiciones de la atmósfera ya que el índice de

refracción es variable.

Capitulo II 26

Es conveniente referirse a una atmósfera estándar que es la que

existe durante la mayor parte del tiempo, tomando en cuenta esta

consideración, el valor del factor k sería 4/3, también se ha comprobado que

este valor ocurre más del 60% del tiempo.

Las variaciones de k = 4/3 hasta k =2/3 ocurren aproximadamente

durante 0.1% del tiempo, por lo que es conveniente efectuar las pruebas de

propagación durante el tiempo en que prevalecen las condiciones de

atmósfera estándar ( k =4/3), es decir, durante el día entre las 9:00 de la

mañana y las 5:00 de la tarde. La confiabilidad del sistema depende

enormemente de las variaciones dek , es decir, del terreno, el lugar y el

tiempo. El análisis de los resultados debe tomar en cuenta estas variaciones

y para obtener una buena confiabilidad del sistema se debe determinar la

altura de las torres basándose en variaciones de k hasta k = 2/3.

Ocasionalmente pueden ocurrir valores negativos de k . Corrigiendo la

curvatura de la tierra por k = 4/3 resulta que el radio terrestre será de 8493

km en vez de 6370 Km.

Los valores de k oscilan entre:

Climas árticos k : 4/3 y 6/5

Climas tropicales k : 4/3 y 2/3

Capitulo II 27

1. ANTENAS

2.1. PRINCIPIO DE RADIACIÓN DE LAS ANTENAS

Las antenas son dispositivos utilizados para la emisión o recepción de

ondas electromagnéticas. Todas las antenas funcionan de manera similar, al

conectar una fuente de corriente alterna en los terminales de la antena

aparece una distribución de tensión y corriente a lo largo de ella, las cuales

varían de acuerdo a las dimensiones y tipo de antena. Por ejemplo, la figura

2 muestra la distribución de corriente y tensión en una antena dipolo de

media onda, en donde se puede apreciar que los extremos de una antena

son puntos de máxima tensión y mínima

Figura 2. Distribución de corriente y tensión en una antena dipolo

de media onda.

Fuente: Antenas y propagación. Zulima B. de Vielma (1996).

Capitulo II 28

corriente. La diferencia de potencial entre los conductores de la antena crea

un campo eléctrico, el cual es ortogonal al campo magnético creado por la

corriente que circula por ella, figura 3.

Los campos eléctricos y magnéticos creados por la antena alcanzarán

valores máximos y mínimos, dependiendo de la magnitud de la corriente.

Figura 3. Campos eléctricos y magnéticos de una antena

dipolo de media onda.

Fuente: Antenas y propagación. Zulima B. de Vielma (1996).

2.2. PARÁMETROS DE LAS ANTENAS

2.2.1. POLARIZACIÓN

La orientación de los vectores campos viene descrita por la polarización.

En general, una onda electromagnética cuyo vector intensidad eléctrica

(campo eléctrico) permanece sobre un plano fijo, se denomina onda

polarizada según un plano, y el plano que contiene a ese vector se denomina

Capitulo II 29

plano de polarización. Si el plano es vertical la polarización es vertical, si el

plano es horizontal la polarización es horizontal, es decir, que una onda cuyo

vector eléctrico siempre permanece paralelo a una determinada dirección, se

dice que está polarizada linealmente según esa dirección. Esto se observa

superponiendo todas las ondas y observando como varia el campo eléctrico.

Si las componentes del vector campo eléctrico E de una onda

electromagnética tiene la misma magnitud, fase y frecuencia, de modo que el

vector resultante esté siempre en un mismo plano, y su extremo describa una

línea, se dice que la onda esta linealmente polarizada. Dependiendo de la

polarización del vector campo eléctrico con respecto al plano horizontal, la

polarización puede ser vertical u horizontal, figura 4.

Figura 4. Polarización lineal: a) Vertical; b) Horizontal.

(a) (b)

Fuente: Antenas y propagación. Zulima B. de Vielma (1996).

Capitulo II 30

Si al combinar las ondas resulta que tienen la misma frecuencia pero

diferente fase, magnitud y direcciones, la polarización es elíptica. Si por el

contrario al combinar las ondas la fase es de 90º y las magnitudes son

iguales, la polarización es circular, figura 5.

Figura 5. Polarización: a) Circular b) Elíptica.

(a) (b)

Fuente: Antenas y propagación. Zulima B. de Vielma (1996).

Como el diagrama de radiación de la antena es recíproco, la

polarización de la antena también lo es. En un sistema de comunicaciones

cuando se escoge la polarización de la antena transmisora o de la receptora

se debe tener en cuenta la polarización de la antena en el terminal opuesto

ya que una antena responde mejor a una onda incidente de intensidad dada

cuando la polarización de la onda incidente es idéntica a la de la antena

receptora.

Capitulo II 31

Si en una región debe operar más de un sistema de comunicaciones,

para evitar interferencia es conveniente utilizar polarización cruzada, la cual

consiste en utilizar polarización ortogonal, es decir que la polarización de un

sistema debe estar desfasada 90° con respecto al otro. Dependiendo del tipo

de antena, esta técnica se puede lograr con una sola antena. Por ejemplo,

con una antena de bocina se puede transmitir y recibir dos informaciones con

la misma frecuencia. Lo cual aumenta al doble la capacidad de transmisión

de información de un canal dado.

2.2.2. RESISTENCIA DE RADIACIÓN

Por su naturaleza, este parámetro esta vinculado con la potencia de

radiación de la antena ∑P es decir, con el valor medio del flujo de energía

electromagnética que pasa en la unidad de tiempo a través de la superficie

que envuelve a la antena. Cuantitativamente, la resistencia de radiación se

define como aquella resistencia pura en la que se libera una potencia

numérica igual a la potencia de radiación, para una corriente en la resistencia

igual a la corriente en la antena. La potencia de radiación es activa no

reactiva (no regresa a la antena transmisora ni al transmisor) y por ello se

puede expresar por medio de una resistencia pura, llamada resistencia de

radiación, donde:

Capitulo II 32

²IP

RΣ

Σ = (10)

En la que I es el valor eficaz de la corriente de la antena.

La resistencia de radiación, aun siendo pura, no provoca una

transformación de energía eléctrica en térmica. Caracteriza la capacidad de

la antena para la emisión de energía electromagnética.

2.2.3. RESISTENCIA DE PÉRDIDAS

Junto a la potencia útil ∑P hay cierta potencia que se pierde en el

calentamiento de los conductores, en los aisladores, en la tierra y en objetos

situados cerca de la antena. A esta potencia de pérdidas pP corresponde

una resistencia llamada resistencia de pérdidas.

=pR²

I

Pp (11)

2.2.4. RESISTENCIA ACTIVA TOTAL DE UNA ANTENA

La potencia suministrada a la antena por el transmisor AP se obtiene

con la suma de la potencia de radiación y la potencia de pérdidas.

( )PPA RRIPPP +=+= ΣΣ2 (12)

Capitulo II 33

La resistencia que corresponde a la potencia suministrada a la antena

recibe el nombre de resistencia activa total de la antena.

=ARP

A RRIP

+= ∑² (13)

Los parámetros de antena ∑R , pR y AR son indeterminados a menos que se

convenga a que sección de antena se refiere. Normalmente, las resistencias

∑R , pR y AR se refieren a la máxima amplitud de corriente de antena o a la

corriente en la base de la antena (en los terminales del generador).

2.2.5. IMPEDANCIA DE ENTRADA

La impedancia de entrada de una antena es la impedancia que esta

presenta en los terminales a los cuales se conectara el equipo transmisor o

receptor mediante una línea de transmisión o un circuito de acoplamiento,

figura 6.

La impedancia de una antena es de fundamental importancia, por

comportarse está como un transductor entre el medio de propagación y el

sistema con el cual opera; la eficiencia con la cual la antena efectúa la

transferencia de energía esta internamente ligada con su propia impedancia.

Capitulo II 34

Figura 6. Diagrama de conexión de una antena a una carga (ZL). a) Impedancia de entrada; b) Circuito equivalente.

Fuente: Antenas y propagación. Zulima B. de Vielma (1996).

La impedancia de entrada de una antena que se encuentra cerca de

otras antenas u objetos se ve afectada por ellos; por su estudio, la antena se

considera aislada, de modo que su impedancia de entrada es igual a la

impedancia propia de la antena. En la figura anterior se muestra el circuito

equivalente de la configuración donde la antena ha sido sustituida por una

impedancia AZ y el equipo transmisor o receptor por otra impedancia LZ . A

cierta frecuencia, la impedancia de entrada de una antena puede

representarse por una parte resistiva, la resistencia de entrada AR y por una

parte reactiva en serie, la reactancia AX . La componente reactiva viene

determinada por el hecho de que en la zona de inducción de la antena existe

un campo eléctrico y otro magnético desplazados en fase 90° y que son

portadores de energía reactiva. Para aumentar el rendimiento de una antena

TRANSMISOR O

RECEPTOR

ZL ZA Z linea

Z linea Z antena

Z equipo

Capitulo II 35

se ajusta para que resuene a la frecuencia del generador. Entonces, AX = 0,

y la antena representa para el generador una carga puramente activa.

2.2.6. RENDIMIENTO DE UNA ANTENA

Es la relación entre la potencia de radiación y la potencia suministrada

a la antena:

PAAA RR

R

RI

RIPP

+===

∑

∑∑∑2

2

η (14)

Se ve por la fórmula que para aumentar el rendimiento de una antena

es indispensable aumentar la resistencia de radiación y disminuir la

resistencia de pérdidas.

2.2.7. DIRECTIVIDAD

La directividad (D ) es el parámetro que describe la propiedad que

tienen las antenas transmisoras de concentrar más energía en una dirección

que en otras, o las antenas receptoras de absorber más potencia incidente

en determinada dirección.

Si una antena es direccional, la densidad del flujo de potencia de

radiación de tal antena es diferente en diversas direcciones. El radiador

Capitulo II 36

isotrópico puntual es el único que es absolutamente no direccional, pero

cualquier antena real resulta direccional por lo menos en cierta medida.

La característica de directividad de antena muestra la dependencia de la

intensidad de campo de radiación respecto de la dirección, con la condición

que este campo sea medido siempre a igual distancia de la antena.

La intensidad de campo queda plenamente caracterizada por la

amplitud, la fase, y la polarización. Debido a esto, puede hablarse de

características de directividad en amplitud, fase y en polarización. Se utiliza

sobre todo la característica de directividad en amplitud; de su nombre se

suprime normalmente la palabra “amplitud”. La función que expresa esta

característica se llama “función de directividad”. La función de directividad

expresada gráficamente se llama diagrama de directividad.

2.2.8. FACTOR DE DIRECTIVIDAD

Se llama factor de directividad D a la relación entre la densidad del

flujo de potencia emitido por la antena dada en una determinada dirección, y

la densidad del flujo de potencia que emitiría una antena absolutamente no

direccional en cualquier dirección, siendo iguales las potencias totales de

radiación de ambas antenas y el supuesto de que la medición se lleve a cabo

a igual distancia de cada una de ellas.

Capitulo II 37

( )ϕθ ,D =avP

P ),( ϕθ (15)

2.2.9. GANANCIA

Se llama ganancia de antena G , al producto del factor de directividad

por el rendimiento de la antena, es decir:

ADG η= (16)

La ganancia caracteriza más plenamente a una antena que el factor

de directividad, pues el factor D sólo tiene en cuenta la concentración de

energía en una determinada dirección, mientras que el factor Aη tiene en

cuenta, además, la disminución de la radiación a causa de pérdidas de

potencia en la antena. Es decir, que además de tomar en cuenta la

concentración de energía en determinada dirección tiene en cuenta las

pérdidas de potencia de la antena.

Los factores de directividad y de ganancia de una antena pueden ser

medidos en nepers y decibelios.

( ) GdBG log10= (17)

( ) DdBD log10= (18)

Capitulo II 38

2.2.10. POTENCIA EFECTIVA RADIADA ISOTRÓPICAMENTE

La potencia efectiva radiada isotrópicamente, EIRP ; es la potencia

suministrada a una antena transmisora multiplicada por la ganancia de la

antena en una dirección dada con relación a una antena isotrópica. Es decir,

tt GWEIRP = (19)

La potencia efectiva radiada isotrópicamente es un parámetro

frecuentemente utilizado en el diseño de sistemas de comunicaciones y en

las estaciones de radiodifusión. Algunas veces se representa como ERP ,

pero se presta a confusión porque también se usa para indicar la potencia

efectiva radiada relativa a un dipolo de media onda.

2.2.11. AREA EFECTIVA O AREA DE RECEPCIÓN

El área efectiva se acostumbra a definirla para recepción porque es

donde tiene especial significado pero se puede usar indiferentemente para

recepción y transmisión. En recepción, representa el área equivalente a

través de la cual se extrae la energía de las ondas electromagnéticas que

llegan a la antena. Se define como la relación entre la potencia absorbida por

Capitulo II 39

la carga disponible en los terminales de la antena, y la densidad de potencia

incidente sobre la misma.

i

re P

WA = m2 (20)

donde rW es la potencia absorbida por la carga y es igual a:

2IRW Lr = (21)

donde I es la corriente eficaz en los terminales de la antena.

2.2.12. TENSIÓN MAXÍMA

Es la mayor tensión en un dipolo al ser excitado por una corriente

modulada con un coeficiente de modulación dado. Si supera la magnitud

tolerable, el campo eléctrico que rodea a la antena provoca la ionización del

aire y descargas eléctricas. En las ondas largas y medias la descarga tiene el

aspecto de corona (de luminiscencia), y en las ondas cortas lo tiene de

antorcha (llama). La descarga gaseosa que tiene lugar en una antena

sobrecargada esta en relación con la continua pérdida de energía en la

ionización y recombinación (restauración) de las moléculas del aire. Como

Capitulo II 40

resultado de las descargas gaseosas aumentan las pérdidas de energía

electromagnética y disminuye el rendimiento de la antena; se presenta el

peligro de destrucción de la antena por recalentamiento de los conductores y

ruptura del aislador y aumentan las deformaciones de la señal transmitida

debido a la modulación complementaria de la señal por las aleatorias

corrientes de la ionización.

2.3. CLASIFICACION DE LAS ANTENAS

Los tipos de antenas existentes son muy numerosos y se pueden

agrupar de diferentes formas. En general, se agrupan de acuerdo a su

aplicación, geometría y bandas de frecuencia.

1. Clasificación de acuerdo a su aplicación. Dependiendo del tipo de

servicio en el cual se usa la antena, se clasifican en antenas para:

Radiodifusión, Comunicación punto a punto, Navegación, Radar,

Radioastronomía, Telemetría.

2. Clasificación de acuerdo a sus características de radiación y

polarización. Según la forma del diagrama de radiación y polarización

de la onda emitida, se clasifican en antenas: Isotrópica,

Omnidireccional, Unidireccional, Multidireccional, Linealmente

polarizada, Circularmente polarizada, Elípticamente polarizada.

Capitulo II 41

3. Clasificación de acuerdo a su geometría. Desde el punto de vista

de la estructura de la antena, se clasifican en: Monopolo, Dipolo

doblado, Reflector parabólico, Reflector de esquina, Antena ranurada,

Rómbica, Delta, Yagi, Log-periódica, Lazo, Helicoidal, Bocina, Lente,

Arreglos lineales, Arreglos planares, Antena de microcinta, etc.

4. Clasificación de acuerdo a las bandas de frecuencia. Según la

banda de frecuencia en que se utilice la antena, se clasifican en:

antena de LF, MF, HF, VHF, UHF, etc.

2.4. ANTENAS FRECUENTEMENTE UTILIZADAS PARA MICROONDAS

2.4.1. TIPO BOCINA

Son ampliamente usadas en microondas en frecuencias superiores a

1 GHz, y se caracterizan por:

♦ Su alta directividad

♦ Amplio ancho de banda

♦ Bajo peso

♦ Proporcionan ganancias elevadas

♦ Haz de radiación estrecho en uno o varios planos de

transmisión

Capitulo II 42

Se construye por expansión hacia afuera del extremo de una guía de

onda, en uno o ambos planos, dándole la forma de bocina. Se pueden formar

a partir de una guía de onda rectangular o circular, originándose así las

bocinas rectangulares y las circulares, siendo las rectangulares las más

usadas.

Si la guía de onda rectangular se abre en un solo plano constituye una

bocina sectorial (plano H o plano E), mientras que si se abre en ambos

planos forma una bocina piramidal.

En las antenas parabólicas, las antenas de bocina solucionan en gran

parte el problema de la orientación de la energía de radiofrecuencia que las

parábolas reflejaran al espacio libre o dirección de interés.

2.4.2. ANTENAS DE RADIACIÓN DIRECTA

Las más usadas son las de tipo parabólica, estas consisten en un arco

parabólico iluminado por un alimentador en su foco. Del iluminador sale una

onda esférica que al ser reflejada por el paraboloide se convierte en una

onda plana.

La forma más simple de las antenas parabólicas es solo con polarización

plana la cual puede ser vertical u horizontal. Otras tienen polarización dual,

con separación entre los conectores vertical y horizontal. La polarización dual

generalmente presenta una ganancia un poquito menor que las antenas de

Capitulo II 43

polarización simple.

La eficiencia de las ganancias de las antenas parabólicas

comercialmente disponibles están en el orden de los 55 a 65%.

2.4.2.1. TIPO PARÁBOLA

Una antena parabólica esta constituida básicamente por un reflector

parabólico (en forma de parábola) y un elemento radiador ubicado en su eje

también denominado eje focal, figura 7; las dimensiones de las superficies

reflectoras de gran parte de las antenas parabólicas son grandes

comparadas con la longitud de onda, de forma que pueden usarse para

estudiar algunos aspectos de estas antenas las leyes de la óptica geométrica

basadas en radios y frentes de ondas.

Figura 7. Antena parabólica.

Fuente: Antenas y propagación. Zulima B. de Vielma (1996).

Capitulo II 44

2.4.2.3. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

La parábola se define como el lugar geométrico de los puntos

equidistantes de un punto fijo llamado foco ubicado en una línea denominada

directriz. Si desde el foco se emiten ondas que inciden sobre el reflector

parabólico, estas al chocar con la superficie se reflejan por propiedades

ópticas en una sola dirección que es opuesta al sentido de emisión de la

fuente o radiador focal (foco). Estos rayos reflejados son paralelos entre sí; si

suponemos que el elemento radiador genera ondas esféricas como en el

caso de una antena de bocina piramidal, se consigue transformar las ondas

no direccionales o débilmente direccionadas en ondas altamente

direccionales emitidas al espacio, logrando de esta forma la máxima

directividad posible de la antena. Por esto tiene la ventaja de ser fácilmente

orientable.

2.4.2.4. FUENTES PRIMARIAS DE LAS ANTENAS PARABÓLICAS

Las fuentes o elementos activos a utilizar en las antenas parabólicas

pueden ser de diversos tipos, entre estos tenemos:

♦ Un dipolo con elemento reflector o una placa reflectora

♦ Una antena helicoidal

♦ Una bocina

Capitulo II 45

♦ Guías de onda

♦ Una ranura o un arreglo de ellas

Para el correcto funcionamiento de una antena parabólica la fuente

debe mantenerse ubicada en el foco, por lo que hay que prestar atención a la

forma de soportar la fuente, dependiendo del tipo de alimentación utilizado,

conductor axial o guías de onda y del tamaño y las formas indicadas en la

figura 9.

Figura 9. Algunas formas de alimentar las antenas parabólicas: a) Alimentación axial; b) y c) Alimentación lateral.

(a) (b) (c)

Fuente: Antenas y propagación. Zulima B. de Vielma (1996).

El tipo de fuente a utilizar en determinada antena depende de la banda

de frecuencia en que debe operar está, la polarización, el nivel de potencia a

transmitir y la distribución del campo eléctrico deseada en la abertura. La

fuente seleccionada debe cumplir con las siguientes características:

♦ No debe tener radiación inversa (en sentido contrario a la

parábola)

Capitulo II 46

♦ Su ubicación debe ser en el foco, para que el campo en la

abertura este en fase

♦ Su tamaño no debe ser muy grande para que la perdida por

bloqueo sea mínima al igual que su peso

♦ Debe funcionar adecuadamente en toda la banda de la antena

2.4.2.5. DIRECTIVIDAD Y GANANCIA

La ganancia de una antena parabólica es la medida de la eficiencia de

la misma, para radiar en una determinada dirección. Además, es la relación

de la potencia radiada por la antena a la potencia radiada en la misma

dirección que presentaría una antena referencia. En el caso más común, la

antena de referencia es un radiador isotrópico o un dipolo elemental de

media onda para el caso de frecuencias bajas, manteniendo ambas la misma

potencia de alimentación.

Las antenas parabólicas pueden alcanzar niveles de ganancia del

orden de los 45 dB cuando el diseño geométrico esta bien logrado.

La ganancia de una antena parabólica no solo depende de las

perdidas ohmicas producidas por irregularidades de la superficie del reflector,

sino también de otro aspecto como lo es el elemento excitador (elemento

primario) o fuente.

Capitulo II 47

2.5. FUNCIÓN DE LAS ANTENAS TRANSMISORAS Y RECEPTORAS

Las antenas son parte indispensable de cualquier dispositivo de radio

transmisión o radio receptor. El conjunto línea de alimentación – antena debe

estar calculado por la más económica conversión de la energía de las ondas

guiadas en energía de ondas libres (y viceversa), así como también para la

reproducción sin distorsión de la información transmitida.

En el proceso de su propagación, las ondas de radio se dispersan más

allá de las líneas de radio comunicación y son absorbidas por el medio

circundante. Si la dirección de la radio comunicación es conocida y limitada,

las pérdidas pueden reducirse concentrando las ondas emitidas en

direcciones definidas.

Así pues, la antena de transmisión esta destinada a la transformación

de la energía de un campo electromagnético estacionario (o de inducción)

producido por la señal de radio, en energía de un campo electromagnético de

radiación, añadiendo además que este último debe emitirse en unas

direcciones dadas.

La antena de recepción esta destinada a la transformación de la energía

de una radio señal consistente en ondas de un campo de radiación que

proceden de direcciones dadas, en energía de un campo estacionario de

ondas electromagnéticas.

Capitulo II 48

El carácter de los procesos que tienen lugar en la antena transmisora

y receptora atestigua su reciprocidad. La reciprocidad de las antenas

encuentra su expresión en la posibilidad de utilizar una misma antena en

calidad de transmisora y de receptora, y de conservar invariables los

parámetros principales de la antena al pasar del régimen de transmisión al

régimen de recepción y viceversa.

Este principio tiene gran importancia práctica. En particular, todas las

estaciones de radio localización por impulsos, así como todas las estaciones

de radio destinadas a las comunicaciones con aviones y otras

radioestaciones móviles tienen, por regla general una antena común para la

transmisión y la recepción.

2.6. CARACTERÍSTICAS DE EXPLOTACIÓN DE LAS ANTENAS

Una antena de transmisión debe satisfacer las siguientes condiciones de

explotación:

1. Una alta solidez y seguridad mecánica en su explotación. Esta

propiedad es especialmente importante en las antenas de aviación las

cuales, al igual que los demás aparatos de los aviones, funcionan en

condiciones de gran variación de temperatura, humedad y presión

atmosférica, así como también de fuertes vibraciones mecánicas.

Capitulo II 49

2. Tamaño y peso mínimo. Estas propiedades, como la anterior, son muy

importantes en las antenas de los aviones y de las estaciones de radio

terrestres y móviles.

3. Sencillez y eficacia en la adaptación de los elementos del sistema de

antena, condiciones indispensables para el rápido ajuste de los

dispositivos de antena.

4. Costo mínimo de fabricación y de instalación de los dispositivos de

antena.

5. Explotación exenta de peligro, especialmente en las potentes

estaciones de radio, en cuyas antenas se excitan corrientes de una

potencia que llega a varios centenares de kilovatios.

6. Tiempo mínimo para el despliegue de la antena. Esta condición se

refiere principalmente a los dispositivos de antenas de las estaciones de

radio terrestres y móviles.

3. ZONAS DE FRESNEL

En un punto suficientemente alejado de las antenas perteneciente al

trayecto entre la antena transmisora y receptora, el frente de onda puede

considerarse plano como se observa en la figura 10. De acuerdo con la

teoría de difracción de Fresnel (en honor de Agustín Juan Fresnel), dicho

Capitulo II 50

frente de onda queda dividido en zonas que se denominan primera, segunda,

etc., dependiendo de la diferencia de camino que recorra la onda.

Según la figura 11 podemos definir unas regiones en el espacio entre el

transmisor (T) y el receptor (R), esas regiones son elipsoides de revolución

cuyos focos estan situados precisamente en T y R, figura 11.

Figura 10. Frentes de onda plano.

Fuente: Introducción a los sistemas de radio digital. C. E. T. (1997).

Capitulo II 51

Figura 11. Elipsoides de Fresnel.

Fuente: Introducción a los sistemas de radio digital. C. E. T. (1997).

Las intersecciones del frente de onda con los elipsoides (de Fresnel) son

círculos; esta es la razón por la que las zonas de Fresnel tienen la forma

representada en la figura 12.

Los rayos que proceden de las distintas zonas de Fresnel llegan al

receptor R con distintas fases y las amplitudes decrecen lenta y regularmente

desde el circulo central hacia afuera.

Figura 12. Zonas de Fresnel.

Capitulo II 52

Fuente: Introducción a los sistemas de radio digital. C. E. T. (1997).

4. SISTEMA DE COMUNICACIÓN

4.1. DEFINICIÓN DE SISTEMA DE COMUNICACIÓN

Un sistema de comunicación se define como el proceso de transferir

información de una fuente desde un punto a otro. Los componentes de un

sistema de comunicación son los siguientes:

a) Fuente de información: La fuente de información produce un mensaje o

una sucesión de mensajes por transmitir al terminal receptor o destino.

existen muchos tipos de fuentes de información y, por tanto, los mensajes

asumen diversas formas por lo general es posible clasificar ampliamente

los mensajes en tres tipos:

- Señales analógicas (onda de forma continua), que puede modularse

como funciones de variables de tiempo continuo. Ejemplo de ellas: el habla,

la música, la televisión, etc.

Capitulo II 53

- Señales digitales, que consisten en símbolos discretos, como la

salida de una computadora digital, la voz digitalizada y la televisión

digitalizada.

- Señales pulsátiles, que consisten en una sucesión de pulsos

estrechos, tales como los empleados en las aplicaciones con radar y otras

formas de detección.

El mensaje (señal) producido por una fuente no necesariamente debe

estar en forma eléctrica, por lo que debe convertirse mediante un transductor

de entrada en una forma de onda eléctrica que se conoce como señal de

banda base o señal de mensaje.

b) Transmisor: El objetivo del transmisor es convertir el mensaje en una

forma adecuada para su transmisión en el canal. Para lograr una

transmisión eficiente y efectiva, se deben desarrollar varias operaciones

de procesamiento de la señal. La más común e importante de estas

operaciones es la modulación, un proceso que se distingue por el

acoplamiento de la señal transmitida a las propiedades del canal, por

medio de una onda portadora.

c) Canal de transmisión: El canal de transmisión o medio es el enlace

eléctrico entre el transmisor y el receptor, siendo el puente de unión entre

la fuente y el destino, puede ser un par de alambres, un cable coaxial,

Capitulo II 54

una onda de radio, un rayo láser. Pero sin importar el tipo, todos los

medios de transmisión eléctricos se caracterizan por la atenuación, la

disminución progresiva de la potencia de la señal, conforme aumenta la

distancia. La magnitud de la atenuación puede ser pequeña o muy grande

generalmente es grande y por lo tanto es un factor que debe ser

considerado.

d) Receptor: La función del receptor es extraer del canal la señal deseada y

entregarla al transductor de salida. Como las señales son frecuentemente

muy débiles, como resultado de la atenuación, el receptor debe tener

varias etapas de amplificación. En todo caso, la operación clave que

ejecuta el receptor es la demodulación (o detección), el caso inverso del

proceso de modulación del transmisor, con lo cual vuelve la señal a su

forma original.

4.2. TIPOS DE SISTEMAS DE COMUNICACIÓN

Los sistemas de comunicación comprenden entre otros tipos:

- Sistemas analógicos de radio, televisión y telefonía

- Sistemas de relevadores por satélite

- Sistemas de navegación

- Sistemas de conmutación de redes y paquetes

- Sistemas digitales de comunicación

Capitulo II 55

- Sistemas de codificación y corrección de errores

- Sistemas de cifrado (en clave) y descifrado

- Sistemas de modulación y demodulación

- Sistemas de procesamiento y acondicionamiento de señales, entre

otros

Los sistemas de comunicación se vinculan cada vez más con los

sistemas de computación (Teleinformática).

4.3. CONEXIÓN ENTRE EL MUNDO ANALÓGICO Y EL MUNDO DIGITAL

Los mensajes pueden ser digitales o analógicos, los mensajes digitales

se construyen con un número finito de símbolos. Por ejemplo, el lenguaje

impreso consta de 28 letras, 10 números, un espacio y varios signos de

puntuación de esta manera, un texto es un mensaje digital construido con

cerca de 50 símbolos. De manera similar, un mensaje telegráfico en código

Morse es un mensaje digital construido con un conjunto de sólo dos símbolos

raya y punto; es, por lo tanto un mensaje binario, que comprende solamente

dos símbolos. Un mensaje digital construido con M símbolos se llama M-ario.

Por otra parte, los mensajes analógicos se caracterizan por contener

datos cuyo valor varia en un rango continuo. Por ejemplo, la temperatura a la

presión atmosférica de cierta localidad pueden variar dentro de un rango

continuo y pueden tomar un número infinito de valores posibles.

Capitulo II 56

Los mensajes digitales se transmiten utilizando un conjunto finito de

formas de ondas eléctricas: por ejemplo, en el código Morse una raya puede

transmitirse mediante un pulso eléctrico de amplitud A/2, y un espacio puede

transmitirse mediante un pulso de amplitud -A/2. La tarea del receptor

consiste en extraer un mensaje de una señal distorsionada y afectada por

ruido a la salida del canal. La extracción del mensaje es en ocasiones más

fácil en las señales digitales que en las señales analógicas. Considere un

caso binario: se codifican dos símbolos como pulsos rectangulares de

amplitudes A/2 y -A/2. La única decisión en el receptor será la selección

entre dos pulsos recibidos posibles, no entre los detalles de la forma de

pulso; la decisión se toma rápidamente con razonable certidumbre, aun si los

pulsos se encuentran distorsionados y afectados por ruido. En consecuencia,

un sistema de comunicación digital puede transmitir mensajes con mayor

exactitud que un sistema analógico en presencia de distorsión y ruido.

En contraste con los mensajes digitales, la forma de onda de los

mensajes analógicos es importante, y aún una leve distorsión o interferencia

en la forma de onda ocasionará un error en la señal recibida.

Cabe señalar que existe una tendencia a reemplazar los sistemas

analógicos por sistemas digitales, ya que estos últimos han venido a ser más

económicos debido a la reducción de costos lograda en la fabricación de

circuitos integrados.

Capitulo II 57

5. MICROONDAS

5.1. DEFINICIÓN DE MICROONDAS

Las microondas son ondas electromagnéticas con frecuencias

comprendidas entre 1 GHz (109 Hz) y 30 GHz, que corresponden a

longitudes de onda de 30 cm a 1 cm, de aquí que también se les conozca

como ondas centimétricas. Algunas veces también a frecuencias más

elevadas (hasta 600 GHz) se les llama microondas.

5.2. CLASIFICACIÓN DE LAS MICROONDAS

De acuerdo al tipo de señal que transportan, a los sistemas de

microondas se les puede clasificar en:

• Microondas analógicas: Fueron las primeras que surgieron y los

equipos de radio utilizados consistían básicamente de un transmisor

donde la señal mensaje era montada (modulada) directamente sobre la

señal portadora. Aplicándose el efecto inverso en el receptor

(demodulación).

• Microondas digitales: Con el advenimiento de la transmisión de datos

surgió la necesidad de adecuar las microondas a la transmisión de

Capitulo II 58

señales digitales. Para ello se utilizaron métodos de modulación

adecuados para señales que solo tienen dos estados posibles (0 y 1).

5.3. CARACTERÍSTICAS

5.3.1. REGENERACIÓN DE LA SEÑAL DIGITAL

La regeneración de la señal posibilita mayor tolerancia al ruido y/o

interferencias, dado que en cada repetidora de microondas se regenera

nuevamente la señal digital y por ello no se propagan las sucesivas

adiciones de ruido y/o distorsión como ocurre en los sistemas analógicos, en

los cuales no es posible regenerar la señal sino solamente amplificarla.

La tendencia mundial en comunicaciones es la conformación de redes

digitales de servicios integrados por lo cual se deberá contar con enlaces de

microondas digitales.

5.3.2. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS MICROONDAS

Debido a la relativa proximidad de éstas con las ondas visibles o luz,

hace que ambas tengan propiedades similares, es decir, las microondas

gozan de ciertas características de la luz, como por ejemplo, el sentido de

propagación visual o de línea recta por lo que las señales tienen una

Capitulo II 59

elevadísima directividad, esa alta directividad también permite que se pueda

colocar una gran cantidad de antenas (para los enlaces) en una misma torre

sin que exista interferencia o solapamiento de frecuencia producida por

enlaces vecinos. También es posible alcanzar grandes distancias mediante

el empleo de estaciones repetidoras en línea o mediante enlaces por satélite,

ya que la elevada frecuencia permite a la onda atravesar la ionosfera y salir

al espacio sin problemas al igual que la luz. Esto se debe a que las

microondas, a diferencia de las frecuencias de radio más bajas, no se

reflejan en la ionosfera y prácticamente tampoco las absorbe.

Otra ventaja importante asociada con el uso de las microondas en

comunicaciones, es su ancho de banda extenso. Un ancho de banda de 10%

en 3 GHz implica un espectro disponible de 300 MHz, lo que significa que

todas las señales de radio, televisión y otras comunicaciones (audio, vídeo o

datos), que se transmiten, pueden acomodarse en el ancho de banda de

10% alrededor de 3 GHz (por ejemplo, desde 2850 a 3150 MHz), donde

aproximadamente 1500 canales de radio en FM o 50 de televisión pueden

radiarse dentro de este rango. En virtud de que la gama de frecuencias bajas

del espectro de radio están congestionadas, existe la tendencia a utilizar

cada vez más la región de microondas (y aún frecuencias mas elevadas)

para diversos servicios. Actualmente, las comunicaciones por microondas se

usan mucho en redes telefónicas, sistemas de radiodifusión, televisión y

enlaces por satélites.

Capitulo II 60

Por otro lado, el empleo de microondas, como contraparte a las

virtudes de su alta frecuencia, tiene sus desventajas. En cuanto a la

propagación la directividad puede ser problemática ya que el menor

obstáculo bien ubicado, puede alterar considerablemente el sentido del

mensaje (incluso para frecuencias muy altas, un gran problema lo constituye

el vapor de agua y el oxígeno). Aquella mencionada similitud ondulatoria con

la luz que le otorgaba a las microondas tanta directividad hace que estas

también sufran ciertas propiedades que puedan resultar molestas, tales

como: reflexión, refracción y difracción, lo que podría hacer que el mensaje

(la señal portadora modulada), al chocar con un objeto, sea devuelto al

emisor o alterado por difracción. Estos fenómenos son función de la

frecuencia y son inevitables.

Las pequeñas longitudes de onda (de 1 mm a 10 cm), trae

consecuencias en relación con las dimensiones de los componentes o

dispositivos que se emplean comúnmente. Como las longitudes de onda son

reducidas, la fase varia rápidamente con la distancia. Por otro lado la

diferencia de fase originada por la interconexión entre varios componentes o

varias partes de un componente ya no es despreciable.

5.3.3. DESVENTAJAS DE LAS MICROONDAS DIGITALES CON

RESPECTO A LAS MICROONDAS ANALÓGICAS

Capitulo II 61

• Menor capacidad de transmisión de canales de grado de voz

• Menor distancia entre las repetidoras

• Mayor sensibilidad a la distorsión por propagación de la señal por

caminos múltiples

• Mayor consumo de energía

6. GUÍAS DE ONDA

6.1. DEFINICIÓN DE GUÍAS DE ONDA

Las líneas de transmisión de cables paralelos, incluyendo los cables

coaxiales, no pueden propagar eficazmente la energía electromagnética

arriba de 1 GHz aproximadamente, y en frecuencias arriba de 15 GHz, son

inservibles para distancias mayores de unas cuantas pulgadas por lo cual se

deben utilizar guías de onda.

Una guía de onda es un tubo conductor hueco, por lo general rectangular

en sección transversal pero a veces circular o elíptico. Una guía de onda no

conduce corriente en el sentido real, sino que sirve como un limite que

confina la energía electromagnética. Las paredes de la guía de onda son

conductoras y por tanto reflejan energía electromagnética de la superficie. Si

la pared de la guía de onda es un buen conductor y muy delgado, fluye poca

corriente en las paredes interiores y, en consecuencia, se disipa muy poca

Capitulo II 62

potencia. En una guía de onda, la conducción de energía no ocurre en las

paredes de la guía de onda, sino a través del dieléctrico dentro de la guía de

onda, por lo general, es de aire deshidratado o gas inerte.

6.2. GUÍA DE ONDA RECTANGULAR

Las guías de ondas rectangulares son las formas más comunes de guías

de onda. Para entender como funciona una guía de onda rectangular, es

necesario comprender el comportamiento básico de las ondas que se reflejan

en una superficie conductora.

Para propagar con éxito una onda TEM a través de una guía de onda, la

onda debe propagarse a lo largo de la guía en forma zig zag, con el campo

eléctrico máximo en el centro de la guía y cero en la superficie de las

paredes.

En las líneas de transmisión, la velocidad de las ondas es

independiente de la frecuencia, y para dieléctricos de aire o vacío la

velocidad es igual a la velocidad en el espacio libre. Sin embargo, en guías

de onda la velocidad varia con la frecuencia. Además, es necesario distinguir

entre dos tipos distintos de velocidades: velocidad de fase y velocidad de

grupo. La velocidad de grupo es la velocidad a la que se propaga la onda, y

la velocidad de fase es la velocidad a la que la onda cambia de fase.

Capitulo II 63

6.3. GUÍA DE ONDA CIRCULAR

La guía de onda circular es por mucho la más común; sin embargo, la

guía de onda circular se utiliza en aplicaciones de radar y microondas,

cuando es necesario o ventajoso propagar tanto ondas polarizadas verticales

como horizontales en la misma guía de onda. La figura 13 muestra dos

partes de la guía de onda circular unidas por una junta de rotación.

Figura 13. Guía de onda circular con junta de rotación.

Junta de rotación

Sección estacionaria

Sección rotativa

Fuente: Sistemas de comunicaciones electrónicas. Wayne Tomasi (1996).

Capitulo II 64

El comportamiento de las ondas electromagnéticas en la guía de onda

circular es el mismo como en la guía de onda rectangular.

6.4. GUÍA DE ONDA ACANALADA

La guía de onda acanalada es más costosa de fabricar que la guía de

onda rectangular estándar; sin embargo, también permite la operación a

frecuencias más bajas para un tamaño determinado. Una guía de onda

acanalada tiene mas perdida por unidad de longitud que la guía de onda

rectangular. Esta característica combinada con el incremento en su costo

limita su uso a aplicaciones especializadas.

6.5. GUÍA DE ONDA FLEXIBLE

La guía de onda flexible consiste de listones envueltos en espiral de

latón o cobre. La parte exterior esta cubierta con una capa suave dieléctrica

(casi siempre de hule) para mantener la guía de onda hermética contra agua

y aire.

Las guías de ondas flexibles se utilizan extensamente para la

interconexión de transmisores y receptores a unidades complejas y equipos

para pruebas de microondas.

Capitulo II 65

6.6. VELOCIDAD DE FASE Y VELOCIDAD DE GRUPO

La velocidad de fase es la velocidad a la que una onda cambia de fase

en una dirección paralela a una superficie conductora, como las paredes de

una guía de onda. La velocidad de fase se determina midiendo la longitud de

onda de una onda de frecuencia en particular y luego sustituyéndola en la

siguiente formula:

λfv ph = (22)

donde:

phv = velocidad de fase (m/seg)

f = frecuencia (Hz)

λ = longitud de onda (m/seg)

La velocidad de grupo es la velocidad de un grupo de ondas (o sea, un

pulso), está es la velocidad en la que se propagan las señales de información

de cualquier tipo. También es la velocidad en que se propaga la energía.

La velocidad de fase es siempre mayor o igual que la velocidad de grupo

y su producto es igual al cuadrado de la velocidad de propagación de

espacio libre; por tanto:

2cvv phg = (23)

donde:

gv = velocidad de grupo (m/seg)

Capitulo II 66

phv = velocidad de fase (m/seg)

c = 3*10-8 (m/seg)

6.7. FRECUENCIA DE CORTE Y LONGITUD DE ONDA DE CORTE

La frecuencia de corte es una frecuencia limitante absoluta; las frecuencias

por abajo de la frecuencia de corte no serán propagadas por la guía de onda.

En forma contraria, las guías de onda tienen una longitud de onda mínima

que puede propagarse, y es llamada longitud de onda de corte; está se

define como la longitud de onda del espacio libre más pequeña incapaz de

propagarse en la guía de onda. En otras palabras, solamente las frecuencias

con longitudes de onda menores a la longitud de onda de corte pueden

propagarse a lo largo de la guía de onda. La frecuencia y la longitud de onda

de corte se determinan por las dimensiones de la sección transversal de la

guía de onda; la figura 14 muestra una vista en sección transversal de una

parte de la guía de onda rectangular con dimensiones de a y b

(normalmente a se le designa a la más ancha de las dimensiones). La

dimensión a determina la frecuencia de corte de la guía de onda de acuerdo

a la ecuación 24.

b

Capitulo II 67

Figura 14. Vista de la sección transversal de una guía de onda rectangular.

Fuente: Sistemas de comunicaciones electrónicas. Wayne Tomasi (1996).

ac

f c 2= (24)

donde:

cf = frecuencia de corte (Hz)

a = longitud en sección transversal (m)

o, en términos de longitud de onda:

ac 2=λ (25)

Figura 15. Propagación de la onda electromagnética en una

guía de onda rectangular.

Capitulo II 68

a

Vista superior

Frecuencia enormemente enexceso del punto de corte

a

Frecuencia moderadamente enexceso del punto de corte

a

Frecuencia justo arriba delpunto de corte

Frecuencia en elpunto de corte

(a)

(b)

(c)

(d)

θ

Fuente: Sistemas de comunicaciones electrónicas. Wayne Tomasi (1996).

La figura 15 muestra la vista superior de una sección de guía de onda

rectangular e ilustra como las ondas electromagnéticas se propagan a lo

largo de la guía. Para frecuencias arriba de la frecuencia de corte (figuras 15

a, b y c), las ondas se propagan a lo largo de la guía reflejándose de un lado

a otro de la pared en varios ángulos. La figura 15d muestra lo que sucede a

la onda electromagnética en la frecuencia de corte.

Capitulo II 69

6.8. MODOS DE PROPAGACIÓN

Las ondas electromagnéticas viajan a lo largo de la guía de onda en

diferentes configuraciones llamadas modos de propagación. En 1955, el

instituto de ingenieros de radio (IRE) publicó un conjunto de estándares.

Estos estándares designaban los modos para guía de onda rectangulares

como TEm,n para ondas eléctricas transversales y TMm,n para ondas

magnéticas transversales. TE significa que las líneas de campos eléctricos

son transversales en todos los puntos (o sea, perpendiculares a las paredes

de la guía), y TM significa que las líneas de los campos magnéticos son

transversales en todos los puntos. En ambos casos, m y n son enteros

designando el numero de medias longitudes de onda de intensidad

(eléctricas o magnéticas) que existen entre cada par de paredes. m se mide

a lo largo del eje X de la guía de onda (el mismo eje con el cual se mide la

dimensión a ), y n se mide a lo largo del eje Y ( lo mismo que la dimensión b

).

La figura 16 muestra el patrón de campo electromagnético para una

onda de modo TE1,0 . El modo TE1,0 a veces se llama el modo dominante

porque es el modo mas “natural”.. En las frecuencias por encima de la

frecuencia de corte, los modos de propagación TE de orden superior con

configuraciones de campo más complicadas son posibles. Sin embargo, no

es deseable operar una guía de onda a una frecuencia donde estos modos

Capitulo II 70

superiores puedan propagarse. El siguiente modo superior posible ocurre

cuando la longitud de onda del espacio libre es igual a la longitud a (o sea, al

doble de la frecuencia de corte) en consecuencia, una guía de onda

rectangular opera por lo general dentro del rango de frecuencias entre cf y

cf2 . Permitir que los modos superiores se propaguen no es deseable

porque no acoplan bien a la carga y por tanto hacen que ocurran reflexiones

y que se creen ondas estacionarias. El modo TE1,0 es deseable porque

permite la guía de onda del tamaño más pequeño posible para una

frecuencia determinada de operación.

6.9. IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA

La impedancia característica de una guía de onda es análoga a la

impedancia característica de las líneas de transmisión de cables paralelos y

Figura 16. Vectores de campos eléctricos y magnéticos en una guía de onda rectangular: a) Vista del extremo; b) Configuración del campo

magnético en una sección longitudinal.

Capitulo II 71

a

b

(a)

Parte superior

E

H

Dirección de lapropagación de

o n d a s

Parte superior

(b)

Fuente: Sistemas de comunicaciones electrónicas. Wayne Tomasi (1996).

relacionada cercanamente a la impedancia característica del espacio libre,

tiene el mismo significado que la impedancia característica de una línea de

transmisión, con relación al acoplamiento de la carga, reflexiones de la señal

y ondas estacionarias. Se expresa matemáticamente como:

Capitulo II 72

0Z = 2

1

377

−

ffc

= og

λλ

377 (26)

donde:

0Z = impedancia característica (ohm)

cf = frecuencia de corte (Hz)

f = frecuencia de operación (Hz)

0Z es por lo general mayor que 377 Ω. De hecho, en la frecuencia de corte,

0Z se vuelve infinito, y a una frecuencia igual al doble de la frecuencia de

corte ( cf2 ), 0Z = 435 Ω.

6.10. ACOPLAMIENTO DE IMPEDANCIA

En las guías de onda se pueden realizar acoplamientos de

impedancias exactamente como en las línea de transmisión de cables

paralelos. En estas se pueden utilizar talones (espolones) reactivos, estas

porciones consisten de placas metálicas delgadas colocadas en forma

perpendicular a las paredes de la guía de onda y unidas a ellas en las orillas,

con una abertura entre ellas, figura 17. Cuando la abertura es paralela a las

paredes angostas, las susceptancia es inductiva; cuando es paralela a las

Capitulo II 73

paredes anchas, es capacitiva. La magnitud de la susceptancia es

proporcional al tamaño de la abertura.

Figura 17. Acoplamiento de impedancia de la guía de onda: a) Porción inductiva; b) Porción capacitiva.

(a) (b)

Fuente: Sistemas de comunicaciones electrónicas. Wayne Tomasi (1996).

Un poste colocado a través de la dimensión más angosta de la guía de

onda, como se muestra en la figura 18a actúa como una susceptancia

inductiva cuyo valor depende de su diámetro y su posición transversal. Los

tornillos de sintonización se muestran en la figura 18b, se proyectan en parte

a lo largo de la dimensión de la guía angosta, actúan como una capacitancia,

y se pueden ajustar.

Figura 18. Acoplamiento de impedancia de la guía de onda: a) Poste; b)Tornillo de sintonización.

Capitulo II 74

Tornillo desintonizacionPoste

a

(a)

b

(b)

Fuente: Sistemas de comunicaciones electrónicas. Wayne Tomasi (1996).

6.11. ACOPLAMIENTO DE LA LINEA DE TRANSMISION A LA GUIA DE

ONDA

La figura 19 muestra varias formas donde una guía de onda y la línea

de transmisión se pueden unir. Los acopladores mostrados pueden utilizarse

como lanzadores de ondas en el extremo de la entrada de una guía de onda

o como receptores de ondas en el extremo de carga de la guía. Las

Capitulo II 75

dimensiones marcadas 40λ y 4gλ son aproximadas. En la práctica, se

ajustan experimentalmente para mejores resultados.

Figura 19. Acoplamiento de la línea de transmisión a la guía de onda: a) Acoplador de cuarto de onda; b) Acoplador de paso derecho;

c) Acoplador de barra transversal.

L í n e a c o a x i a l L í n e a c o a x i a l

G u í a d e o n d a G u í a d e o n d a

b b

( b )

( a )

λ ο / 4

λ g / 4λ ο / 4

λ g / 4

Fuente: Sistemas de comunicaciones electrónicas. Wayne Tomasi (1996).

7. SISTEMAS DE ENLACE DE RADIOS

7.1. DEFINICIÓN DE ENLACE DE RADIO

Un enlace de radio es la interconexión de dos sitios a través de un canal

de transmisión el cual es el espacio libre o atmósfera de la tierra. Es

Capitulo II 76

necesario que no existan obstáculos entre los dos sitios que impidan el pase

de la señal radial.

Un enlace de radio consta de: equipos transmisor/receptor, fuentes de

poder, antenas, cables coaxiales, guías de onda, baterías, torres y

accesorios menores. Hablamos de transmisión digital cuando se

transmiten pulsos digitales entre dos o más puntos de un sistema de

comunicación; por tanto cuando se habla de enlace de radios digitales se

refiere a la transmisión de portadoras analógicas moduladas en forma digital,

entre dos o más puntos de un sistema de comunicación a través del espacio

libre o la atmósfera de la tierra.

Los sistemas de microondas digital se diferencian de los analógicos por

el tipo de señal de banda base transmitida a lo moduladores y

demoduladores.

7.2. DESCRIPCIÓN DE UN ENLACE DE RADIO

Los sistemas de enlace de radios deben cumplir con los siguientes

requerimientos:

- La señal sigue una trayectoria en línea recta o línea de vista (LOS).

- La propagación de la señal es afectada por la precipitación y la

atenuación del espacio libre.

Capitulo II 77

- Uso de frecuencias mayores de 150 MHz, permitiendo con eso la

transmisión de más información por portadora de radiofrecuencia mediante el

uso de banda base de información más amplia.

- Uso de modulación en ángulo ( FM o PM ) o técnicas de división en

tiempo y espectro de amplitud.

Una valiosa característica de la transmisión LOS es que podemos

predecir el nivel de la señal que llega a un receptor distante con una

exactitud conocida.

7.3. EQUIPOS DE RADIO

Los sistemas multicanales telefónicos de microondas están compuestos

por estaciones multicanales telefónicas, estaciones terminales de radio y

estaciones repetidoras de radio.

En la estación terminal de radio se encuentra el transmisor inicial y el

receptor final, los equipos moduladores y demoduladores que toman la señal

del equipo de portadoras y la modulan a una frecuencia intermedia o

viceversa y el equipo auxiliar formado por equipos de conmutación y de

supervisión y control.

En el momento de seleccionar el equipo de radio para un sistema de

microondas se deben tomar en cuenta las siguientes consideraciones:

• Potencia de transmisión

Capitulo II 78

• Ancho de banda de entrada al transmisor

• Características y figuras de ruido

• Opciones de frecuencia de transmisión

• Estabilidad de frecuencia

• Disponibilidad de las funciones de supervisión (cableado, alarma

y control)

• Costo del equipo

• Consideraciones futuras

7.4. TRANSMISOR Y RECEPTOR

En los sistemas de microondas la señal luego de pasar por una red de

pre-énfasis, la cual mejora las características de ruido del enlace, es

amplificada y luego modulada en frecuencia sobre una portadora de 70 MHz

(frecuencia intermedia FI). La onda modulada es convertida posteriormente a

la frecuencia de salida y esta señal puede ser aplicada directamente a la

antena del sistema para la radiación o para una amplificación adicional en el

caso de que la señal sea llevada por medio de una guía de onda hacia el

enlace de radio.

En el receptor, la señal FM pasa a través de un mezclador o convertidor.

Esta unidad heterodina la señal recibida con la señal del oscilador local para

Capitulo II 79

producir una frecuencia intermedia (70 MHz en la mayoría de las

instalaciones estandarizadas). De la salida del mezclador la frecuencia

intermedia es alimentada a través de algunas etapas amplificadoras, y

también por medio de un igualador de fase para corregir la distorsión de

retardo introducida por los filtros de frecuencia intermedia ( FI ). De aquí se

alimenta un limitador-descriminador que es el detector FM o demodulador

para obtener la banda base compuesta, más algunas otras señales de

alarmas. Después de la demodulación la señal de banda base compuesta es

pasada a través de una malla pre-énfasis, amplificada y separada para

obtener la banda base de información que es dirigida hacia el equipo

demultiplexor.

7.5. TORRES

Las torres y sus problemas tienen un efecto significativo en la mayoría

de las trayectorias de microondas, ya que en el diseño de las mismas es

necesario tener

conocimientos de las limitaciones que imponen las características de las

torres, las antenas y guías de onda.

Por ejemplo el ingeniero debe tomar en cuenta cuan alta puede ser la

torre con respecto al costo que pueda tener ésta en el momento de

establecer la longitud de la ruta.

Capitulo II 80

Existen dos tipos genéricos de torres: venteadas y autosoportadas.

Para torres muy cortas no hay mucha diferencia de costos, pero a medida

que la altura se incrementa, el costo de las torres tipo autosoportadas se

incrementa más o menos exponencialmente mientras que el de las torres

venteadas, que tienen sección transversal constante, se incrementa mas o

menos en forma lineal. Así, donde se requieren altas torres se prefiere el uso

de las torres venteadas, si existe suficiente terreno como para permitirlas.

Donde las torres autosoportadas no pueden ser evitadas, un estudio

considerable es garantía en el sistema de microondas para tratar de

mantener las rutas de manera que no se requieran alturas excesivas en las

torres.

El Anexo 2 muestra el área de terreno requerida para varios tipos de

torres.

7.6. POTENCIA PROMEDIO DE RECEPCIÓN

Es la potencia con la cual llega la onda al receptor, cuando está viaja en

condiciones normales de propagación; se toma en cuenta para calcular esta

la pérdida en los filtros que es la suma de las atenuaciones que sufre la onda

al pasar por los filtros de radiofrecuencia tanto en el transmisor como en el

receptor. Esta atenuación que producen dichos filtros es un dato del

fabricante y viene expresado en dB.

Capitulo II 81

Después del filtro de radiofrecuencias del transmisor, la onda pasa por

el alimentador y llega a la antena sufriendo una atenuación similar a la que

ocurre cuando la onda pasa de la antena receptora al receptor propiamente

dicho a través del alimentador que los une. La atenuación total que sufre la

señal corresponde a la pérdida en ambos alimentadores.

La pérdida de un alimentador es un dato del fabricante y viene

expresada en dB por unidad de longitud, por lo tanto, depende del

alimentador seleccionado.

Para calcular las pérdidas en los alimentadores se debe conocer el

largo de cada alimentador, sumarse y multiplicarse por la atenuación dada

por el fabricante. El largo de un alimentador es igual a la altura de la antena

en la torre más el recorrido que hay de la torre al equipo de radio.

7.7. DESPEJE

Es la distancia que existe entre en el trayecto directo (rayo de

microondas) y el punto más critico del perfil del terreno, el despeje es

denominado por algunos autores como el “clearence” figura 20.

Capitulo II 82

Figura 20. Despeje.

Fuente: Introducción a los sistemas de radio digital. C. E. T. (1997).

En los sistemas de enlace de radios la teoría de difracción afirma que el

trayecto directo entre el transmisor y receptor debe estar libre de obstáculos

a partir de una distancia como mínimo al 60% del radio de la primera zona de

Fresnel y si se despeja por ejemplo al 100% del radio de la primera zona hay

una ganancia mayor. El decidir el despeje es tarea del diseñador y queda a

criterio de este.

7.8. REFLEXIÓN

La reflexión es el cambio de dirección que sufre el rayo de microondas

cuando incide en una superficie; parte de la energía transmitida (onda

directa) puede ser interceptada por tierra, la cual después de reflejar la señal

(onda reflejada) la envía en dirección al receptor, lo que se traduce a nivel de

Capitulo II 83

este en una atenuación y desviación de fase. Con el fin de evitar el

desvanecimiento severo en el receptor producido por fluctuaciones de las

señales debido al fenómeno de reflexión, el camino seguido por las ondas

de radio debe seleccionarse de modo que la onda reflejada se debilite lo más

posible.

Figura 21. Onda directa y onda reflejada.

Fuente: Introducción a los sistemas de radio digital. C. E. T. (1997).

Para examinar el efecto de reflexión de las ondas es esencial conocer

las condiciones geográficas en el punto de reflexión y si la onda reflejada

puede evitarse por medio de un obstáculo.

La magnitud del campo resultante en el receptor, es el producto de la

suma vectorial del campo directo (que viaja con la onda directa) y el campo

reflejado. La figura 21 muestra el rayo de la onda directa y la onda reflejada.

Capitulo II 84

7.9. COEFICIENTE DE REFLEXIÓN

El coeficiente de reflexión es una cantidad que representa la relación

entre la onda reflejada y la onda incidente; conociéndose las condiciones

geográficas donde se encuentra el punto de reflexión y entrando a la tabla 4

se determina el coeficiente de reflexión.

Tabla 2.4. Coeficientes de reflexión.

Superficie de Agua

Prado Campo Ciudad,bosque, montaña

Frec. del Sistema

coeficiente de reflexión

coeficiente de reflexión

coeficiente de reflexión

coeficiente de reflexión

2 GHZ 1 0.8 0.6 0.3

4 GHZ 1 0.8 0.5 0.2

6 GHZ 1 0.8 0.5 0.2

11 GHZ 1 0.8 0.4 0.16

Fuente: Introducción a los sistemas de radio digital. C. E. T. (1997).

Desde el punto de vista de la selección del lugar donde se produce la

reflexión, se procura que el coeficiente de reflexión sea menor que 0.2 es

decir, que se atenúe la onda reflejada en más de 14 dB con respecto a la

onda directa para disminuir los efectos nocivos que produce está al receptor.

Capitulo II 85

8. RUIDO EN UN ENLACE DE RADIO

8.1. DEFINICIÓN DE RUIDO EN UN ENLACE DE RADIO

En todos los enlace de radios está presente el ruido, entendiéndose por

este aquellas señales no deseables que producen perturbaciones en el

sistema. Este es uno de los parámetros más significativos con efectos fuertes

en muchas de las fases del sistema. Por esta razón, para que la

comunicación se lleve a cabo satisfactoriamente, es necesario que se

conozcan las causas del ruido que estará presente para poder aplicar las

correcciones debidas desde el diseño.

Existen varios tipos de ruido en un enlace de radio, dependiendo

algunos del nivel de la señal en el receptor, mientras que otros dependen de

la carga aplicada al sistema.

El ruido total en el sistema aumenta con la presencia de los

desvanecimientos, por lo que es de suma importancia el estudio de estos, ya

que la calidad de un enlace esta determinada por la cantidad de ruido

presente y por la confiabilidad del sistema.

8.2. RUIDO TÉRMICO

Capitulo II 86

El ruido térmico es causado por las variaciones aleatorias de la corriente

en cada porción del equipo electrónico y está presente donde esté aplicada

una señal. Una parte del ruido térmico, a menudo llamado ruido intrínseco,

es aquel que es generado en el transmisor y en las ultimas etapas del

receptor; el cual es independiente del nivel de entrada en el receptor.

La porción más importante del ruido térmico incluye el ruido generado

por la resistencia de la antena más el generado en los circuitos terminales

del receptor (incluyendo los alimentadores). El punto de partida para calcular

el ruido térmico en el receptor es el ruido térmico generado en la resistencia

de la antena; para sistemas de microondas terrestres el ruido de la antena

transferido al receptor se ha calculado como –174 dBm por ciclo de ancho de

banda, o –114 dBm por mega-ciclo de ancho de banda. En un receptor

perfecto esta sería la única fuente de ruido en el terminal, pero cualquier

receptor real contribuirá así mismo con ruido adicional, el cual incrementara

el ruido equivalente de entrada por el valor en dB del ruido del receptor. El

ruido total de entrada equivalente ( N ) en dBm se puede calcular como:

rMHz FBN ++−= )log(10144 (27)

donde MHzB es el ancho de banda en MHz y rF es la figura de ruido el cual

es un dato del fabricante.

Este ruido representa el umbral de detección, pero se debe entender

claramente que en un sistema de microondas FM este umbral no representa

un nivel de señal usable. El verdadero umbral de trabajo llamado umbral FM

Capitulo II 87

o punto de ruptura FM ocurre cuando la potencia de la señal es

aproximadamente 10 dB mayor que la potencia del ruido. En estos puntos los

picos de la señal comienzan a exceder los picos del ruido llegando a

silenciarse el receptor. El punto de silenciamiento del receptor, o umbral del

receptor, generalmente se ajusta de modo que sea igual al umbral FM para

mantener en lo posible una comunicación más o menos clara.

Si la señal de entrada cae por debajo del umbral FM, el ruido en el

canal se incrementa rápidamente a un nivel intolerable.

El umbral FM ( FMT ) puede calcularse como:

rMHzFM FBT ++−= )log(10104 (28)

La razón señal/ruido ( NS ) se calcula por medio de la expresión:

))30(10(Pr)( FKTBeLogdbmNS

++−= (29)

donde:

Pr= Potencia Recibida.

K= Constante de Boltzman(1.38*10-23)

T= Temperatura en grados Kelvin.

F= Figura del ruido en dB.

Be= Ancho de banda del sistema.

Capitulo II 88

En función de la relación señal/ruido, el ruido térmico viene expresado

por:

( )10

90

10N

S

N−

= (pw) (30)

8.3. RUIDO DE INTERFERENCIA

La interferencia en los sistemas de radio, que causa degradamiento en la

transmisión, puede ser introducida a través de las antenas, guías de onda,

cables, radiación o por las espureas producidas en el mismo equipo de radio.

Debido a que un sistema de radio depende del medio atmosférico para

la transmisión, está sujeto a la interferencia de sistemas que usen el mismo

medio. Esto incluye no solo el equipo de radio, radar y otros dispositivos, sino

también otras partes del mismo sistema.

En los casos más simples estas pueden ser productos de espureas o

combinaciones de productos, que llegan a la entrada del receptor,

produciendo un resultado neto de interferencia en la sección de frecuencia

intermedia del receptor.

8.4. INTERFERENCIAS DE RF

Capitulo II 89

Las interferencias consideradas en un diseño de red digital de

microondas son originadas principalmente por los arreglos de canales de RF

y por problemas de propagación; generalmente causan un prejuicio sobre la

calidad de la transmisión.

Desde la presencia de co-canales y/o canales de RF adyacentes en el

mismo tramo o en tramos cercanos, es de cualquier modo causa de

interferencia. El objetivo de la evaluación de las interferencias sobre cada

tramo será la definición del valor de los posibles efectos de degradación

sobre la portadora, considerada por una o más señales de interferencia.

Esto origina algunos criterios de diseño de redes que son parcialmente

diferentes de los usados hasta ahora por redes analógicas FDM/FM

completamente.

En particular, tres condiciones de interferencia deben ser

consideradas:

- DIGITAL-DIGITAL

- ANALÓGICO-DIGITAL

- DIGITAL-ANALÓGICO

Los sistemas digitales son altamente tolerantes a interferencias.

Un ejemplo concreto de estos rasgos es la aplicación común de la

transmisión de co-canales de dos bancos digitales (baja/mediana capacidad),

donde la operación correcta del sistema se basa en el desacople de la

polarización cruzada (XPD).

Capitulo II 90

De tal manera que la señal digital trabaja bien uniforme con un muy

bajo radio de portadora a interferencia (carrier to interference: IC = 15 - 40

dB de acuerdo al esquema de modulación).

Sobre las bases de este principio, esto es considerado frecuentemente

el mayor problema en una mezcla de red analógico/digital, es decir, por la

interferencia digital-analógico.

Sin embargo en una red compleja hay mucha interferencia,

configuraciones donde el banco digital puede mantener el valor IC mínimo

aceptable, incluso en condiciones de desvanecimiento.

La tolerancia de IC digital depende principalmente del sistema de

modulación.

En particular, el sistema de modulación que requiere un bajo nivel de

señal a ruido ( NS ) para el umbral BER (bit error ratio) es más tolerante a las

interferencias.

De tal manera que una modulación del tipo 4 PSK será por ejemplo

más resistente que una del tipo 16 QAM debido al umbral (threshold)

producido por un IC bajo.

8.5. RELACIÓN SEÑAL/RUIDO

Capitulo II 91

Para cuantificar el efecto del ruido sobre la inteligibilidad de un mensaje,

hay que definirlo en términos matemáticos. Pero como el ruido es una señal

aleatoria, no es posible establecer una expresión algebraica que defina

implícitamente una relación amplitud vs. tiempo para el ruido. Sin embargo,

hay una manera de cuantificar o caracterizar el efecto del ruido en los

sistemas de comunicación y esto se hace mediante el “criterio de la relación

señal/ruido, NS ”.

Una relación señal/ruido se puede definir en diferentes formas; esto

es, pueden ser relaciones entre valores eficaces, valores instantáneos,

valores picos o de potencia. Por eso, al hablar de relación señal/ruido hay

que especificar que tipo de valores se toma. La caracterización mas

empleada para la relación señal/ruido es aquella definida como “la razón

entre el valor promedio de la potencia de la señal útil con respecto al valor

promedio de la potencia de ruido”; para conveniencia, todas estas potencias

estarán normalizadas en base a una resistencia de 1 ohm.

El criterio de la relación NS así definido, es particularmente útil en el

diseño y comparación de sistemas analógicos. Por ejemplo, la relación NS

en un canal telefónico normal no debe bajar de 26 dB, mientras que para una

reproducción de alta fidelidad aceptable la relación la relación NS debe ser

de por lo menos 50 dB.

Capitulo II 92

La relación NS es entonces uno de los parámetros más importantes

en los sistemas de comunicación. El ingeniero de comunicaciones debe

conocer perfectamente la influencia que sobre ella ejercen otros parámetros

del sistema (ganancia, ancho de banda, etc.) para poder optimizar la relación

NS .

8.6. CONSIDERACIONES ACERCA DEL RUIDO EN LOS ENLACE DE

RADIOS

La confiabilidad de un sistema de microondas se expresa en base a las

condiciones del ruido a las cuales está sometido dicho sistema. El UITT ha

emitido consideraciones sobre las cuales debe estar el ruido máximo

causado por el enlace en función del tipo de señal que esta transmitiendo. Es

de hacer notar que cuando un sistema cumple las recomendaciones para

comunicaciones telefónicas también se cumple (salvo raras excepciones)

para las transmisiones de televisión y telegrafía.

Para cumplir con el UITT toda suma de ruidos del enlace tiene que

ser:

• Menor o igual que (3d + 200) pwp para d > 840 Km.

• Menor o igual que (3d + 400) pwp para 840 < d < 1670 Km.

• Menor o igual que (3d + 600) pwp para 1670 < d ≤ 2500 Km.

donde d es igual a la longitud total del enlace (Km).

Capitulo II 93

9. SISTEMAS DE TRANSMISIÓN DIGITAL

9.1. MODULACIÓN POR PULSOS CODIFICADOS (PCM)

El código de modulación por pulsos codificados es un método de

modulación en el cual una onda analógica es transmitida en una forma digital

equivalente. Uno de los fundamentos de este método de modulación es el

teorema de muestreo. Según este teorema si una señal de banda limitada es

muestreada a intervalos regulares de tiempo, y a una tasa igual o mayor que

el doble de la mayor frecuencia significativa de la señal, entonces el

muestreo contiene toda la información de la señal original. La señal original

puede ser reconstruida mediante el uso de un filtro pasabajo.

Para desarrollar una señal PCM de una o varias señales analógicas,

deben seguirse tres procesos: muestreo, cuantificación y codificación. El

resultado es una señal binaria en serie o un flujo de bits, la cual puede o no

ser aplicada a una línea de transmisión con un paso adicional de modulación.

Una de las principales ventajas de la transmisión digital es que las

señales pueden ser regeneradas en puntos intermedios del enlace. La

desventaja asociada a esto es un incremento en el ancho de banda

requerida para PCM. Los sistemas prácticos requieren un ancho de banda 16

veces mayor que sus contrapartes analógicos. La regeneración de la señal

digital es simplificada y particularmente efectiva cuando la señal transmitida

Capitulo II 94

es binaria las cuales toleran niveles de ruido considerablemente mayores a

los que soportan los sistemas analógicos.

9.1.1 CONSTRUCCIÓN DE UNA SEÑAL PCM

9.1.1.1. MUESTREO

El muestreo es la acción de tomar representaciones de una señal a

instantes de tiempos fijos para de esta manera obtener una replica discreta

de la señal original; este muestreo debe hacerse a una frecuencia no menor

del doble de la frecuencia máxima de la señal original.

Si se toma un canal de voz estándar de 300 - 3400 Hz, y se muestrea

con una tasa de 8000 muestras por segundo, se estaría cumpliendo con el

teorema del muestreo, y se puede esperar recuperar toda la información de

la señal original. De esta manera los muestreos para canales de voz se

hacen cada 125µseg.

9.1.1.2. ONDA PAM

Casi todos los sistemas prácticos de PCM involucran multiplexación

por división de tiempo (TDM). En este caso, el muestreo no se realiza sobre

Capitulo II 95

un canal de voz sino sobre varios, generalmente 24 ó 30. El resultado de

este muestreo múltiple es una onda modulada por amplitud de pulsos (PAM).

Si un canal de voz nominal de 4 KHz debe ser muestreado 8000 veces

por segundo y un grupo de 24 canales de voz deben ser muestreados

secuencialmente para interponerse entre ellos, formando una onda PAM

multiplexada, este proceso debe ser hecho mediante un suicheo digital.

Operando un suiche por un periodo de 5.2 µseg por cada canal de voz, son

muestreados sucesivamente los canales desde el 1 hasta el 24. Esta

secuencia debe ser hecha en un período de 125 µseg. Este periodo puede

ser llamado arreglo (frame).

9.1.1.3 CUANTIFICACIÓN

Las muestras de señales de voz u otras señales continuas tienen una

banda continua de amplitud y por lo tanto los niveles de amplitud de estas

señales son infinitos. Como los sentidos humanos son capaces de percibir

solo diferencias finitas de intensidad, es posible aproximar los niveles

continuos de intensidad por números finitos de niveles discretos. Si se

asignan niveles discretos de amplitud con un espaciamiento lo

suficientemente cercano, se puede hacer que la señal aproximada

prácticamente no se distinga de la señal continua original.

Capitulo II 96

La conversión de una muestra analógica (continua) de la señal a una

forma digital (discreta) se conoce como proceso de cuantificación.

La diferencia entre dos valores discretos se conoce como “cuanto” o

magnitud de escalón. El error de cuantificación consta de las diferencias de

entrada y salida del cuantificador, siendo el máximo valor de este error la

mitad de un paso de cuanto.

9.1.1.4. CODIFICACIÓN

Los sistemas prácticos de PCM usan códigos binarios de 7 y 8 niveles,

es decir:

27 = 128 niveles

28 = 256 niveles.

Existen métodos para el mejor aprovechamiento del número de

niveles, con el fin de lograr una fidelidad aceptable sin aumentar en exceso el

número de niveles.

Uno de los sistemas más usados, consiste en asignar mayor número

de niveles para las amplitudes más pequeñas de la señal.

Esta curva es usada por los sistemas europeos (CEPT) de 30+2

canales y se conoce como ley A. La curva se obtiene mediante la formula:

´log1 AAX

Y+

= 0≤ V≤ V/A (31)

Capitulo II 97

AAX

Ylog1

)log(1+

+= V/A ≤ V ≤ V (32)

donde A=87.6. La ley µ (utilizada en Japón y limitada a sistemas PCM de 24

canales) establece:

)1log()1log(

µµ

++

=X

Y 0 ≤ V ≤ V/ µ (33)

donde µ =255

9.1.1.5. MULTIPLEXACIÓN

Es la transmisión simultánea de dos o más señales a través de un

único canal utilizando división de tiempo o división de frecuencia. El proceso

de operación multicanal permite mediante la técnica de multiplexación,

combinar en el transmisor los mensajes de varias fuentes de información,

transmitirlos como un solo bloque y luego separarlos en el receptor. Como

solamente se necesita un transmisor y un receptor, aunque mucho más

complicados, una ventaja de la operación multicanal es la disminución de

equipo y, por su puesto, costo. La gama asignada a cada mensaje individual

se denomina comunmente “canal”.

Capitulo II 98

• MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN DE FRECUENCIA:

Es el proceso para la transmisión de dos o más señales en una vía

común, mediante la utilización de una banda de frecuencias distinta para

cada señal; se abrevia FDM.

• MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN DE TIEMPO:

Es el proceso para la transmisión de dos o más señales en una vía

común, mediante la utilización de intervalos sucesivos de tiempo para las

diferentes señales; se abrevia TDM.

En ambos sistemas FDM y TDM, las señales de canales individuales son

moduladas y multiplexadas por los equipos terminales de una manera más

eficiente para su transmisión. La diferencia es que en los sistemas FDM, para

discriminar las señales provenientes de diferentes canales, estos se

convierten a diferentes frecuencias; mientras que en TDM, las señales son

transmitidas en diferentes momentos.

9.2. EL CONCEPTO DE ARREGLO (FRAME)

El resultado final del proceso de muestreo, cuantificación y

codificación es una serie de pulsos, que requiere cierta indicación o

Capitulo II 99

identificación del comienzo de la secuencia de muestreo. Esta identificación

le indica al receptor cuando comienza y termina cada secuencia completa de

muestreo; a este ciclo completo se le llama arreglo (frame).

El sistema CEPT 30+2, es un sistema de 32 canales, de los cuales 30

se utilizan para la transmisión de voz o datos, y los otros dos canales se

utilizan para la transmisión de información de sincronización y señalización,

cada canal es alojado en una ranura de tiempo y se numeran desde 0 hasta

31 como se observa en la tabla 5.

Tabla 2.5. Información según el canal.

CANAL TIPO DE INFORMACION

0 SINCRONIZACION

1 - 15 VOZ O DATOS

16 SEÑALIZACION

17 - 31 VOZ O DATOS

Fuente: Sandrea y Valecillos (1996).

En el canal 0 un código de sincronización o palabra es transmitida

cada 2 arreglos, ocupando los dígitos del 2 al 8 como sigue:

0011011

Capitulo II 100

En los arreglos sin la palabra de sincronización, el segundo bit del

canal 0 es mantenido en 1 y los restantes bits del canal pueden ser usados

para la transmisión de señales de supervisión e información.

9.3. MODULACIÓN DIGITAL: ASK, FSK, Y PSK

Así como existe una multitud de técnicas de modulación para señales

analógicas, también la información digital se puede imprimir sobre una onda

portadora de muchas maneras.

Dado un mensaje digital, la técnica de modulación más sencilla es la

manipulación por corrimiento de amplitud (ASK), donde la amplitud de la

portadora se conmuta entre dos ó más valores, por lo general el puesto (on)

y el fuera (off) de las señales binarias. La onda modulada resultante consiste

entonces de pulsos de RF o marcas, que representan al binario 1, y

espacios, que representan al binario 0. De manera similar, se podría

manipular la frecuencia o fase dando la manipulación por corrimiento de

frecuencias (FSK) o la manipulación por corrimiento de fase (PSK). Estos

tipos de modulación corresponden a la AM, FM y PM respectivamente, con

una señal modulante de pulso rectangular.

Capitulo II 101

9.4. MODULACIÓN PARA EQUIPOS DE BAJA Y MEDIA CAPACIDAD

Casi la totalidad de los diseños para equipos de baja y media capacidad

recurren a la modulación PSK de 4 estados de fase (4PSK). Sin embargo

algunos diseñadores recurren a modulaciones derivadas de FSK o QAM

(como es la modulación TCM Trellis Code Modulation).

En FSK se define el índice de modulación d como el producto de la

separación entre las frecuencias emitidas en Hz y la duración del símbolo T

en seg. En equipos comerciales se usa CP-FSK (Continuos Phase FSK) y

MSK (Minimum Shift Keyed) para 2 y 8 Mb/s.

En CP-FSK no existen cambios abruptos de frecuencia y el índice

adoptado es de 0.7. Cuando d= 0.5 se obtiene MSK logrando una

performance igual a 2PSK con demodulación coherente y con menor ancho

de banda que MSK.

9.5. CRITERIO DE LA TASA DE ERROR DE BIT (BER)

La UITT en la recomendación 378-3 describe el desempeño de un

sistema digital en términos de dos BER y de tres objetivos basados acerca

de los aumentos repentinos de error. Los dos BER tienen un valor alto y un

valor bajo. El valor alto de BER y los aumentos repentinos de error pueden

en muchos sistemas ser los objetivos más significantes y para el caso de los

Capitulo II 102

sistemas LOS pueden determinar el espacio de las repetidoras. El valor bajo

de BER puede servir de control de desempeño para la mayor parte del

tiempo (sobre el 80%) cuando los efectos de desvanecimiento son

despreciables y cuando la interferencia intersimbolos y la interferencia

intercanal comienzan a ser significativa.

Tomando en cuenta el valor bajo de BER la UITT ha propuesto un

diseño de tasa de error de 1 en 1010 por kilómetro para sistemas de

transmisión en un enlace digital hipotético de 25000 km. Para un enlace de

radio repetidor digital de 2500 km esto da una tasa de error de 2,5.10-7 la

cual excluye contribuciones producidas por los equipos multiplexores. Para

cerca del 80% del tiempo un BER de 1.10-7 debería ser usado para una

frecuencia hipotética de un enlace digital de 2500 km.

La porción del tiempo durante el cual el valor alto de BER puede ser

excedido tiene una gran influencia en el diseño de un sistema. Es deseable

establecer el más alto criterio de tasa de error para un circuito de referencia

de 2500 km para el 0.01% del tiempo, pero esto puede representar una

carga monetaria impráctica para una compañía de telecomunicaciones o de

administración al construir semejante sistema. Ciertamente un sistema

diseñado en el cual el BER no exceda mas del 0.1% para cualquier mes del

año resultaría un sistema más económico. Por otro lado este sistema no

podría ser comparado favorablemente con sistemas de microondas FDM-FM

(analógicos) ya existentes. Así un criterio de tasa de error entre 0.01% y

Capitulo II 103

0.1% reduciría los costos y prestaría un servicio de calidad. El valor del BER

debería estar en cualquiera de los casos entre 1.10-3 y 1.10-6 para la más alta

tasa en un enlace de 2500 km.

En el cálculo de un enlace de radio, el valor del BER se relaciona

directamente con la expresión 0NEb , dependiendo del tipo de modulación.

Existen tablas que relacionan un valor determinado de BER con dicha

relación para distintos tipos de modulación (AM, FM, PM). Si se desea

obtener el valor de esta relación para un valor diferente del BER que

establece la tabla, puede calcularse aproximadamente agregando 1 dB por

cada potencia de 10. Por ejemplo, para la modulación en FM CP-FSK, la

relación 0NEb es igual a 10.7 dB para un BER de 1.10-4. Para usar un BER

de 1.10-6 la relación seria 12.7 dB.

10. DESVANECIMIENTO

10.1. DEFINICIÓN DE DESVANECIMIENTO

El desvanecimiento es una pérdida de potencia adicional en el receptor.

La onda llega al receptor con una potencia promedio, pero en ciertos

períodos de tiempo esta potencia sufre un desvanecimiento pudiendo incluso

silenciarse el receptor.

Capitulo II 104

Como el ruido térmico y el de interferencia dependen del nivel de la

señal de entrada, estos aumentan con el desvanecimiento.

El desvanecimiento es un fenómeno que se cuantiza con una pérdida

en el canal de transmisión y como su origen se encuentra en las variaciones

climatológicas producidas en la zona de estudio, su comportamiento es

aleatorio y por lo tanto su tratamiento estadístico.

10.2. MARGEN DE DESVANECIMIENTO

El margen de desvanecimiento es el nivel al cual puede caer la señal

desde un nivel recibido sin desvanecimiento, antes que el sistema deje de

operar correctamente. Este margen provee un intervalo de “seguridad” para

proteger el enlace contra efectos de desvanecimiento por multitrayectoria,

interferencia y atenuación por lluvia.

Como se mencionó antes existen varios tipos de desvanecimiento según

las causas que lo producen. En el caso de enlace de radios de microondas

digital resaltan tres tipos: plano, selectivo, y por interferencia. Los dos

primeros engloban el desvanecimiento por multitrayectoria.

A fin de considerar los efectos de estos tipos de desvanecimiento se

define el margen de desvanecimiento compuesto (Composite Fade

Margin, CFM ) ver la figura 22.

Capitulo II 105

Figura 22. Margen de desvanecimiento.

Fuente: Antenas y conceptos básicos de propagación. C.E.T. (1997).

10.3. CAUSAS DEL DESVANECIMIENTO

Durante pequeños porcentajes de tiempo un enlace puede experimentar

que el nivel de señal disminuye o se distorsiona. A esto se le conoce como

desvanecimiento de la señal. Este desvanecimiento se debe principalmente a

dos fenómenos llamados desvanecimiento por multitrayectoria y

desvanecimiento debido a precipitaciones (lluvia).

Las interrupciones debidas a multitrayectoria son normalmente de corta

duración, menos de 10 segundos. La suma de estas interrupciones nos da el

comportamiento del error de los sistemas de enlace de radios y deberían ser

Capitulo II 106

comparados con los objetivos de la UITR dados en su Rec. 634-1.

Por otro lado, las interrupciones debido a precipitaciones generalmente

son mayores a los 10 segundos, se denominan “indisponibilidad” y es

agregada a la indisponibilidad total del enlace. Esta indisponibilidad total

debería ser comparada con los objetivos establecidos por la UITR en su Rec.

557.

El desvanecimiento debido a las diferentes capas de la atmósfera es el

factor de degradación dominante de los enlace de radios de microondas, a

frecuencias menores a aproximadamente 10 GHz; a frecuencias mayores la

degradación del comportamiento está denominado por desvanecimientos por

lluvia.

Algunas condiciones meteorológicas en el espacio que separa el

transmisor del receptor, pueden causar un efecto atenuador en la señal

recibida. Los rayos que normalmente se deberían perder en la troposfera

pueden ser refractados a la antena receptora y ser sumados a la señal

deseada. La relación entre la fase y amplitud de estas señales recibidas

determina la salida definitiva en el receptor.

Lo mencionado anteriormente afecta la transmisión de las señales

digitales de dos formas, permitiendo clasificar el desvanecimiento por

multitrayectoria en: plano, también conocido como no-selectivo o térmico, el

cual afecta principalmente los sistemas de radios digitales de pequeña

capacidad (8 – 16 Mbits/s) y en que todas las componentes de la señal

Capitulo II 107

portadora son atenuadas uniformemente a lo largo de la banda; y el

selectivo, también conocido como dispersivo, el cual como su nombre lo

indica es selectivo en frecuencia, es decir, solo algunas componentes

espectrales son atenuadas causando la distorsión del espectro, y tiene

mayor importancia en sistemas de mediana y alta capacidad (34 – 155

Mbits/s). Estos tipos de desvanecimientos pueden ocurrir individualmente;

ver figura 23.

Figura 23. Comparación entre los tipos de desvanecimiento por multitrayectoria.

Fuente: Antenas y conceptos básicos de propagación. C.E.T. (1997).

La interrupción total será la suma de la interrupción debida a la

interrupción plana y la interrupción selectiva; estos dos efectos serán

tratados separadamente.

Capitulo II 108

Es importante considerar lo siguiente: diseñar un sistema de alta

capacidad con un margen de desvanecimiento basado en compensar solo el

efecto plano puede ser engañoso, dado que los efectos selectivos tienen

consecuencias significativas en la cantidad de interrupción que un enlace

sufrirá debido a distorsiones en amplitud y retardo a lo largo del ancho de

banda del canal. Estas distorsiones causan un exceso de intermodulación

intersimbólica en lugar de un incremento en el ruido térmico contenido en la

señal recibida. El BER se puede sobrepasar sin una indicación de que el

margen de desvanecimiento plano se ha excedido.

10.4. DESVANECIMIENTO PLANO

Se debe a la absorción y dispersión del haz de microondas por el agua,

el vapor de agua y la lluvia. Reviste importancia únicamente en frecuencias

de 10 GHz y superiores pero su efecto es notable en frecuencias tan baja

como 6 GHz.

Unicamente las lluvias muy intensas pueden provocar una interrupción

total de un enlace de microondas, pero cuando tal cosa ocurre afecta

igualmente a todos los canales del enlace. Afortunadamente, durante la lluvia

intensa no se produce desvanecimiento debido a la propagación por

trayectos múltiples.

Capitulo II 109

Además, la atenuación varia con el tamaño de las gotas de lluvia, y

hasta el presente no se dispone de índices que permitan establecer una

correlación entre los índices pluviométricos y el tamaño de las gotas. Los

resultados experimentales concuerdan estrechamente con los valores

previstos en 11 GHz, que es la banda más afectada.

Se debe notar que la tasa de lluviosidad a ser considerada no es la

total anual, sino la intensidad instantánea en el momento de la ocurrencia.

10.5. DESVANECIMIENTO SELECTIVO

El desvanecimiento selectivo tiene como causa principal la propagación

por múltiples trayectos.

La onda directa es recibida junto con la secundaria (o secundarias),

reflejada o refractada. Dependiendo de la relación de fase entre ellas, el

modulo de la resultante puede asumir diversos valores, desde la suma de los

módulos de la onda incidente (sí están en fase) hasta el desvanecimiento

total (sí están en contrafase). A su vez, la relación de fase entre las ondas

incidente depende de la frecuencia instantánea y de la frecuencia entre los

tiempos de propagación en los trayectos directo e indirecto.

El desvanecimiento selectivo puede ser causado por la reflexión

(desvanecimiento de la zona de Fresnel), se produce cuando el rayo

reflejado reduce al rayo directo, es decir, siempre que el margen sobre

Capitulo II 110

obstáculos del trayecto es igual o cercano al radio de una zona par. La señal

en el receptor puede resultar disminuida en varios dB según sea el

coeficiente de reflexión del trayecto. Esto ocurre sobre todo cuando, por

negligencia se ha escogido para el margen sobre obstáculos un valor

cercano al radio de una zona par en condiciones atmosféricas normales. Las

capas atmosféricas elevadas pueden también provocar reflejos imposibles de

predecir o evitar.

En numerosos trayectos resulta imposible evitar los reflejos en el suelo

o en el agua. En algunos trayectos radioeléctricos sobre llanuras

desprovistas de vegetación o campos sembrados se han registrado

coeficientes de reflexión de hasta 0.9 que corresponde a reducciones de la

señal superiores a 20 dB.

10.6. DESVANECIMIENTO DEBIDO A LOS OBSTÁCULOS

Los rayos se curvan hacia arriba (k <1) lo que causa el bloqueo del

rayo incidente en el receptor. Se denomina este efecto “protuberancia de la

tierra”, pues al disminuir k la tierra parece sobresalir e interponerse al

trayecto radioeléctrico. El desvanecimiento de este tipo se produce sólo

raramente en los trayectos que han sido trazados teniendo en cuenta el

margen sobre obstáculos recomendado, pero cuando se produce afecta

simultáneamente a todos los canales radioeléctricos.

Capitulo II 111

10.7. RECOMENDACIONES EN RELACION AL DESVANECIMIENTO

El CCIR ha dado tres recomendaciones respecto al desvanecimiento, que

todo enlace de radio debe satisfacer para que su confiabilidad se mantenga

dentro de los limites establecidos. Las recomendaciones son las siguientes:

• PRIMERA RECOMENDACIÓN

En un enlace de radio de longitud d tal que:

50 km ≤ d ≤ 840 km

la potencia de ruido promedio tomado en una hora, no debe exceder el valor

(3d + 200) pw.

Esta potencia de ruido promedio en una hora se debe al ruido térmico

(propio de los equipos) y al ruido de desvanecimiento.

• SEGUNDA RECOMENDACIÓN

En un enlace de radio de longitud d tal que:

50 km ≤ d ≤ 840 km

la potencia de ruido promedio tomado en un minuto, con muestras en más

del 20% del tiempo de un mes no debe exceder el valor (3 d + 200) pw.

Capitulo II 112

• TERCERA RECOMENDACIÓN

En un enlace de radio de longitud d < 280 km, la probabilidad de que el

valor medio de potencia de ruido no exceda 47500 pw, debe ser como

máximo:

%0112.0%1.02500280

==P

si el enlace de radio tiene una longitud d > 280 km, la probabilidad de que el

valor medio de potencia de ruido no exceda los 47500 pw, debe ser como

máximo:

%1.02500

dP = (33)

11. ESTUDIO DE COMPORTAMIENTO Y DISPONIBILIDAD

Los criterios de comportamiento, por ser generales, deben ser algo

abstractos y en general no medibles directamente. Pero, tanto para planificar

una red, como para fijar limites en su comportamiento se necesitan valores

numéricos, así surgen los llamados parámetros de comportamiento.

Estos estudios son objetivos que determinan el tipo y calidad de servicio

que se puede transportar, la elección de los equipos para proveer la red, y

por último el costo y rentabilidad del servicio.

Capitulo II 113

El parámetro más fácil de medir es la tasa de error. En términos

generales la tasa de error, se encuentra contando el número de unidades de

información recibidas conteniendo errores Ne , y dividiendo por el número de

unidades de información recibidas Nt , durante un intervalo de medición

especificado, por lo tanto:

BERNtNe

= (35)

Usualmente el número de unidades de información recibidas, es igual al

número de unidades de información transmitidas, pero existen sistemas

donde las unidades de información pueden perderse, o llegar a duplicarse;

en estos casos podrían ser contados como errores, o ser contabilizadas

aparte.

Si la información no está estructurada o su estructura no es conocida

con anterioridad, la información se mide a nivel de bit y surge la tasa de

errores en los bit (BER). Si en cambio esta está estructurada, ya sea en

octetos o bloque de mayor longitud (hasta miles de bits); el bloque pasa a ser

la unidad de información. En estos casos se evalúa la tasa de bloques

erróneos (BLER). En general se entiende que el bloque es erróneo cuando

éste tiene uno más bits en error.

Capitulo II 114

Existe la posibilidad de que un vinculo deba transportar información

estructurada, pero que no se conozca la estructura por venir de distintas

fuentes. En este caso se adopta una duración del bloque arbitraria por

ejemplo: 1 seg, 1 dseg, etc. Surge así la tasa de segundos libres de error.

Estas generalmente se expresan en porcentajes, es decir, % SLE, % DSLE.

Se define una ráfaga como el agrupamiento de uno o más bits, que

comenzando y terminando con un bit en error, están separados de las

ráfagas adyacentes por un espacio de al menos G bits. Los errores que

aparecen más cerca que G se agrupan en una ráfaga (BURST).

Dado que cada uno de los servicios que serán transportados tiende a

tener diferentes requisitos de comportamiento, cada tipo de sistema (óptico,

enlace de radio, satélite, etc) tiene su capacidad de comportamiento y cada

red tiene una diferente estructura, el proceso de establecer objetivos no es

sencillo. Además, las telecomunicaciones modernas frecuentemente

involucran interconexiones de redes de diferentes operadores, tanto a nivel

nacional como internacional, por lo que la estandarización es necesaria para

asegurar una adecuada calidad de transmisión global cuando se hagan estas

interconexiones.

La primera responsabilidad es de la Unión Internacional de

Telecomunicaciones UIT (International Telecommunication Union, ITU), una

agencia especializada de la Organización de las Naciones Unidas (ONU). La

UIT tiene dos cuerpos técnicos principales que son: el CCITT (International

Capitulo II 115

Telegraph and Telephone Consultative) y el CCIR (International Radio

Consultative Committee). Estos cuerpos fueron denominados UITT e UITR,

respectivamente, en marzo de 1993 durante la reestructuración de la UIT.

Los estándares de comportamiento son tratados por un número separado de

grupos de estudios dentro de la UITT y la UITR. Para el caso del diseño de

sistemas de microondas digitales, los grupos más importantes son el grupo

de estudio XVIII del UITT, el cual es responsable de determinar los objetivos

de comportamiento de las redes en general y el grupo de estudio IX del

UITR, el cual es responsable de determinar los objetivos para el diseño de

los sistemas de microondas digitales que sean consistentes con los

requisitos de estas redes. Estos objetivos son publicados en forma de

recomendaciones y reportes.

Entonces, hay dos criterios fundamentales para describir la calidad de

una transmisión digital, estos son el comportamiento y la indisponibilidad.

La indisponibilidad es definida por la Rec. G.821 de la UITT como sigue:

Un período de tiempo indisponible (unavailable time, UAT) comienza

cuando la señal es interrumpida o la relación de bits errados (BER) en cada

segundo es peor que 10-3 por un período de 10 segundos consecutivos.

Estos 10 segundos son considerados tiempo indisponible. El período de

tiempo indisponible termina cuando la señal es puesta en servicio o el BER

en cada segundo es mucho mejor que 10-3 por un período de 10 segundos

consecutivos. Estos 10 segundos son considerados tiempo disponible.

Capitulo II 116

Es posible que este criterio de 10 segundos sea reevaluado en el futuro

ya que experiencias prácticas han demostrado que algunos servicios (por

ejemplo datos a alta velocidad, usuarios de telefonía celular) son intolerantes

a interrupciones en el orden de 10 segundos o más. De hecho se usa un

BER igual a 10-9 para evaluar el comportamiento de enlaces usados

exclusivamente para transmisión de datos.

Es común el uso de un término llamado interrupción (outage) cuando se

refiere a cualquier período de tiempo en que el BER excede 10-3. La

interrupción, por lo tanto, afecta tanto el comportamiento del error como la

disponibilidad.

Las redes nacionales e internacionales a lo largo del mundo tienen

muchas configuraciones si se toma en cuenta el tamaño del país, terreno,

población, etc. Por la tanto, los modelos de redes de transmisión son

necesarios para describir de una manera general estas redes.

Se debe tener en cuenta que los sistemas estarán ocasionalmente

indisponibles para su uso, ya sea por fallas del equipo, o debido a

perturbaciones importantes en el canal. Durante estos períodos la

información recibida puede ser esencialmente aleatoria, y la tasa de error, si

se mide, seria muy alta; el comportamiento normal del sistema se vería

oscurecido si tales mediciones fueran incluidas en el calculo de los

parámetros de comportamientos.

Capitulo II 117

11.1. ESTUDIO DE OBJETIVOS DE COMPORTAMIENTO DE UN ENLACE

Los parámetros usados por la UITR e UITT para medir el

comportamiento del error son llamados: Segundos con muchos errores

(severely errored seconds, SES ), minutos degradados (degraded minutes,

DM ), segundos errados (errored seconds, ES ). Hay otro parámetro

denominado BER residual (residual BER, RBER) que mide el

comportamiento del enlace cuando está libre de errores.

A continuación se muestra la definición de cada uno de estos

parámetros:

• Minutos degradados (DM ): un minuto degradado es un período de 60

s durante el cual el BER promedio es mayor que 10-6. En este período no

se incluyen los segundos de UAT y SES . Un BER de 10-6 es el punto a

partir del cual las degradaciones comienzan a ser perceptibles para

telefonía.

• Segundos con muchos errores (SES ): son aquellos segundos en que el

BER es mayor que 10-3 pero en períodos más cortos que 10 s. Un BER

de 10-3 es el punto desde el que la degradación se vuelve inaceptable

para la mayoría de los servicios y muchos procesos en las redes de

transmisión comienzan a fallar (por ejemplo los multiplexores pierden la

alineación de trama).

• Segundos errados (ES ): período de un segundo con al menos un bit

Capitulo II 118

errado. Se especifica a 64 kbit/s.

• BER residual (RBER): caracteriza el comportamiento del error en

ausencia de desvanecimiento.

11.2. DISPONIBILIDAD DE UN ENLACE

La indisponibilidad es una medida de la cantidad de tiempo que un

sistema no está capacitado para prestar servicio. Por lo tanto, las

interrupciones con una duración relativamente larga tales como fallas de

equipos y las interrupciones de corta duración como las producidas por lluvia,

pueden contribuir a la indisponibilidad. Por convención, los objetivos de

disponibilidad son normalmente expresados como un porcentaje de un año o

mayor.

Las causas de la indisponibilidad son básicamente:

• Condiciones de propagación (multitrayectoria y lluvia)

• Fallas de equipos y mantenimiento

Todas estas causas se deben tomar en cuenta a la hora de calcular la

indisponibilidad total.

Adicionalmente, la disponibilidad se define como:

( )%100 lidadIndisonibiidadDisponibil −= (36)

Capitulo II 119

11.2.1. CAUSAS DE INDISPONIBILIDAD

11.2.1.1. CONDICIONES DE PROPAGACIÓN (MULTITRAYECTORIA)

Las condiciones de propagación que afectan la disponibilidad son

aquellas que son constantes y tardan en cambiar su condición, como la

atenuación por lluvia y la presencia de ductos. La indisponibilidad debido a

las condiciones de propagación usualmente son insignificantes en la mayoría

de los enlaces de larga distancia donde la frecuencia de operación

generalmente está por debajo de los 10 GHz, y el mayor problema es el

desvanecimiento por multitrayectoria, que generalmente tiene duraciones

menores a los 10 s. La indisponibilidad por lluvia, que se explicara más

adelante, se convierte en el problema realmente importante para frecuencias

mayores a los 10 GHz. De hecho, es uno de los factores que prácticamente

determina la longitud de los enlaces con frecuencias operando por encima de

los 15 GHz.

11.2.1.2. EQUIPOS

La confiabilidad de un equipo es usualmente expresada como el tiempo

promedio entre fallas (Mean Time Between Failures, MTBF ). Algunos

fabricantes de equipos de enlace de radios digitales dan MTBF en el orden

Capitulo II 120

de las 100.000 horas o más para un equipo de radio terminal sin protección.

El MTBF da una medida de la frecuencia y número de interrupciones

debidas a fallas en los equipos, pero la indisponibilidad también depende de

la duración de la falla.

La duración de la falla se describe normalmente como el tiempo

promedio de restauración (Mean Time To Restore, MTTR ) medido en horas.

En un sistema sin protección del MTTR depende de la eficiencia y

organización del mantenimiento, incluye el diagnóstico del sistema, la

organización del personal (número, localización, horas de trabajo, etc). Un

MTTR de unas pocas horas es típico en estaciones urbanas, es decir, que el

personal se encuentre en la estación o la misma sea de fácil acceso. En

estaciones de radio repetidoras, remotas y extraurbanas, es más difícil

restablecer el servicio rápidamente sin el uso de sistemas automáticos de

conmutación de protección (configuración Monitor Hot Stand-By, MHSB ).

11.2.1.3. LLUVIA

La transmisión de señales de microondas por encima de

aproximadamente 10 GHz es vulnerable a la precipitación. La lluvia, nieve,

ventisca, partículas de hielo y granizo pueden atenuar y dispersar las señales

de microondas, lo que resulta en una disponibilidad reducida desde el punto

de vista de calidad del sistema. La energía se atenúa debido a la radiación

Capitulo II 121

(dispersión) y la absorción (calentamiento).

La atenuación debido a la absorción es mayor que la atenuación debido

a la dispersión para longitudes de onda que son grandes comparadas con el

tamaño de la gota. Para longitudes de onda que son pequeñas comparadas

con el tamaño de la gota, la atenuación debido a dispersión es más grande

que la atenuación debido a la absorción.

B. REVICION DE LITERATURA.

En la actualidad existe una gran diversidad de información relacionada

con el tema en cuestión, y esta mencionada información podría tener como

fuentes manuales, trabajos de grado, proyectos, etc.

Entre los trabajos de grado que presentaron una perspectiva

interesante y muy relacionada con el tema, podríamos mencionar:

La investigación realizada en la empresa PEQUIVEN por el Bachiller

José Abdel Chacon Oliveros, Titulada Diseño de un Sistema Radio Móvil

Especializado Basado en Tecnología Troncalizada Caso: PEQUIVEN,

Complejo Zulia. (1997) Obtenido como resultado la prevención de un

congestionamiento del sistema de radio móvil convencional instalado

actualmente en el complejo Zulia.

Capitulo II 122

En esta misma linea de investigación son coincidente los estudios de

SANDREA Y VALECILLOS (1996) DISEÑO DE UN SISTEMA DE

COMUNICACIÓN VIA MICROONDAS DIGITAL ENTRE LAS

LOCALIDADES SABANETA DE PALMA / MARACAIBO. CANTV. REGION

NOROCCIDENTAL. Quienes con un profundo estudio teórico alcanzaron los

objetivos planteados en su investigación, proyectado así las características

de una plataforma de interconexión que le permitiría. a la CANTV abordar la

problemática planteada.

C. DEFINICION DE TERMINOS BASICOS.

Dado el lenguaje utilizado en la presente investigación, es

imprescindible la definición de la terminología utilizada en la misma. De un

resumen de varias fuentes bibliográficas consultadas por el autor ANTONIO

NAVA se obtuvieron los siguientes términos básicos:

ü Ancho de Banda: Rango de frecuencias asignadas a un canal.

ü Antena isotrópica: es una antena ideal con ganancia unitaria (0db). Esta

irradia igualmente en todas direcciones, es decir, es perfectamente

omnidireccional.

ü Atenuación: se conoce como la perdida de la potencia transmitida al ser

recibiàa.

Capitulo II 123

ü Asíncorna: Un método de transmisión que no requiere de un reloj común,

ya que separa los campos de los datos por bits de inicio y finalización.

ü Banda base: Es el lugar de la comunicación donde se introducen las

señales y ruidos a nivel de canales, de ese punto pasara a la fase de

modulación.

ü Baudio: Unidad de memoria que denota él numero de elementos de

señales (bits), que pueden ser transmitidos en un segundo.

ü BER (Bit Error Rate): Consiste en una variable que nos indica la tasa de

bit errados que es causada por una determinada transmisión, para así

determinar la calidad del sistema.

ü Canal de transmisión: Es el enlace eléctrico entre el transmisor y el

receptor, siendo el puente de unión entre la fuente y el destino.

ü Circuito de datos: Es el circuito entre la estación terminal de datos y una

central de comunicación de datos y/o concentrador. El circuito de datos

incluye el equipo terminal del circuito de datos en el lado terminal, y

también puede incluir un equipo similar a este en el lugar donde se

encuentra instalada la central de conmutación de datos o concentrador.

ü Decibel: Es la unidad utilizada para expresar las ganancias y/o

atenuaciones en forma logarítmicas.

ü Demultiplexación: Es el proceso de separar dos o más señales que,

fueran previamente conbinadas (Multiplexadas) por un multiplexor y

transmitidas sobre un canal simple.

Capitulo II 124

ü Demodulación: Se puede definir como el proceso inverso de la

modulación.

ü Distorsión: es la alteración de la señal debido a la respuesta imperfecta

del sistema a ella misma.

ü Enlace Multiplex: Es un enlace que habilita el equipo terminal de datos,

para tener acceso a varios canales de una red sobre un circuito simple.

ü Frecuencia: Cantidad de ciclos que completa una onda por unidad de

tiempo.

ü Frecuencia de portadora: Es la frecuencia de la inmodulada

fundamental puesta afuera de un radio transmisor.

ü Guía de Onda: Es el conductor utilizado para la conexión física entre el

transmisor y la antena, depende de la frecuencia de trabajo y del tramo a

recorrer.

ü Interferencia: es la contaminación por señales extrañas, generalmente

artificiales y de forma similar a las de la señal.

ü Interconexión: En hardware, se aplica el limite entre dos unidades, a

través del cual todas las señales que pasan son cuidadosamente

definidas. Dicha definición incluye niveles de señal, impedancia, tiempos,

secuencias de operaciones y el significado de las señales. En Software

hace referencia a las características de la forma empleada para

comunicar dos módulos que actúan dentro de un entorno relacionado.

Capitulo II 125

ü Interfaz: Interacción entre elemento de Hardware, Software y seres

humanos; las interfaces de hardware son trayectorias físicas que deben

conectar e intercambiar señales electrónicas en un orden preestablecido.

Las interfaces de Software están constituidas por los mensajes

específicos establecidos entre los programas. Las pantallas de las

terminales, los teclados y los mandos de bastón son ejemplos de

interfaces hombre/maquina.

ü Línea de abonados: Termino de uso general, para describir una “línea

telefónica” o un “circuito de datos”.

ü Medio homogéneo: Es el medio cuyo de refracción es la unidad.

ü Microondas: Onda electromagnética, con una frecuencia superior a 900

Mhz. Las señales son transmitidas por antenas especiales que deben

estar a la vista.

ü Módem: Son dispositivos destinados especialmente a la conversión de

señales digitales en analógicas y viceversa, su nombre proviene de la

contracción de modulación y demodulación.

ü Modulación: Es el proceso de modificación de algunas características de

la onda portadora de acuerdo con valores puntuales de la información a

ser transmitida.

ü Multipunto: Forma de conectar varios lugares para transmitir información

entre ellos.

Capitulo II 126

ü Nodo: Es la descripción topográfica de una red, un nodo es un punto de

unión de enlaces o de conmutación de las rutas que siguen los mensajes

de datos, desde el punto de vista del flujo de datos.

ü Polarización: se produce cuando los vectores correspondientes a los

campos eléctrico y magnético, relacionados con una onda

electromagnética viajan a ángulos rectos entre si y también a la dirección

de propagación de la onda.

ü Protocolo de comunicación: Norma de comunicaciones, un protocolo es

un conjunto de características del software, hardware y procedimientos

que permiten a un sistema (como terminal o computadora), intercambiar

mensajes con otro mediante una red de comunicaciones.

ü Receptor: es el elemento que extrae la señal del canal y la entrega al

transductor de salida.

ü Reflexión: es cuando una onda viaja en cierto medio y encuentra una

frontera que conduce a otro, donde parte de la onda incidente rebota en

el primer medio con el mismo ángulo de incidencia.

ü Refracción: consiste en la transmisión de una onda de un medio a otro.

ü Ruido: Son señales aleatorias e impredecibles de tipo eléctrico

originadas de forma natural dentro o fuera del sistema.

ü Transmisor: es el elemento encargado dentro de un sistema de

comunicación de pasar el mensaje al canal en forma de señal.

ü Transmisión analógica: son aquellos sistemas en los cuales las formas

Capitulo II 127

de onda que conducen la información se reproducen en el destino sin el

empleo de técnicas de codificación digital.

ü Transmisión digital: Es una secuencia ordenada de símbolos

obtenidos de un alfabeto de tamaño finito.

D. DEFINICION DE VARIABLES.

Las variables que se consideran en esta investigación son:

ü Degradaciones.

ü Enlace de radio.

DEFINICION CONCEPTUAL:

ü Degradaciones: Efecto de degradar o degradarse.(Fuente: Enciclopedia

Microsofft Encarta 97.

ü Enlace de Radio: Un enlace de radio es la interconexión de dos sitios a

través de un canal de transmisión el cual es el espacio libre o atmósfera

de la tierra. Es necesario que no existan obstáculos entre los dos sitios

que impidan el pase de la señal radial. (Fuente: Introducción a los

sistemas de radio digital. C. E. T.).

Capitulo II 128

DEFINICION OPERACIONAL.

ü Degradaciones: Es toda aquella alteración considerada como errores

en la transmisión, que producen una baja calidad en un enlace de

comunicación, pudiendo representarse como una tasa de B.E.R (Bit

Error Rate) con un índice relativamente alto.

ü Enlace de Radio: Es un medio de transmisión que utiliza el espacio

libre para el transporte de datos.

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