Rf Avanzado1

Radio Frecuencia Bsico

(RF / Wireless )Abril 2011

Joel Santiago

Objetivo

2

Conocer los fundamentos de seales de RF.Desarrollar habilidades analticas en la resolucin de fallas.Conocer los fundamentos de la comunicacin celular.Entender la forma de trabajo de las tecnologa celular.

Temario

3

1.- Anlisis de Seales

2.- Fundamentos de RF

3- Mediciones de Potencia

4.- Analizador de Espectro

5.- Analizador de Redes

6.- Mediciones de Figura de ruido

7.- Mediciones de Ruido de Fase

8.- Fundamentos Comunicacin Celular

9.- Prueba de Estaciones Base

10.- Conector Care

Definiciones de Instrumentos

Precisin

Compara un valor de medidaen contra de un valor conocidollamado de referencia.

Resolucin

4

La capacidad del sistema demedicin para detectar yfielmente indicar pequeoscambios en las caractersticasdel resultado de la medicin

Definiciones de Instrumentos

Linealidad

Es el grado en que el diagramade entrada, comparado con larespuesta de la salida, seaproxima a una lnea recta

Estabilidad

5

Capacidad de un instrumentode medicin para retener sucalibracin a travs de unperodo prolongado. Laestabilidad determina laconsistencia de un instrumentoa travs del tiempo.

Caractersticas de la Seal

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Onda y/o Seal

Definicin:

Es una propagacin de una perturbacin de alguna propiedad de un medio, por ejemplo, densidad, presin, campo elctrico o campo magntico, que se propaga a travs del espacio transportando energa.

Naturaleza Tipos

Mecnica: Son las ondas que necesitan un medio material o la cuerda para transportarse, hay tres tipos de ondas mecnicas: unidimensional bidimensional, tridimensional.

Electromagntica: No necesitan un medio para su movimiento y viaja a travs del espacio, con la velocidad de la luz 299, 792, 458 m/s

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Propagacion de Ondas

Longitudinal: Hacen que las partculas del medio se muevan paralelamente a la direccin de propagacion de la onda.

Transversal: Hacen que las partculas oscilen perpendicularmente a la direccin de la propagacion de la onda

8

(http://web.educastur.princast.es/proyectos/fisquiweb/movond/index.htm)

Analisis de Seales

Continas ( Analgica ): es una seal "suave" que est definida para todos los puntos de un intervalo determinado del conjunto de los nmeros reales.

Fn = Asen (c t + ); = 2 f

Discretas ( Digital ): es una seal discontinua que est definida para todos los puntos de un intervalo determinado del conjunto de los nmeros enteros

Fn = Asen (( n/SR ) + ); = 2 f y (n/SR) valores discretos

Se puede representar as

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http://es.wikipedia.org/wiki/Onda_(f%C3%ADsica)

Amplitud

Es la diferencia entre el valor maximo de la

seal y el valor minimo de 1 ciclo

Frecuencia

Es el numero de ciclos que se repite una seal en un segundo

Caracteristicas de Seales AC

12

Fundamentos de Seales AC( Freq )

13

299.792.458 m/s = 3 X 108 m/s

Donde puedo visualizar las seales?

Dominio del tiempo:

En el Osciloscopio, la pantalla despliega la representacin de una amplitud contra el tiempo de la seal de entrada. Forma de onda muestra la apariencia y magnitud instantnea de la seal con respecto al tiempo pero no necesariamente indica su contenido en frecuencia.

Dominio de la Frecuencia:

En el analizador de espectros es un instrumento de dominio de la frecuencia, muestra una grfica de la amplitud contra la frecuencia tambin llamado espectro de frecuencias. En el analizador de espectros el eje horizontal representa la frecuencia y el eje vertical la amplitud.

14

Representacin de Seales

15

Armnicos

Definicin:

Distorsiones de las ondas sinusoidales de tensin y/o corriente de los sistemas elctricos, debido al uso de cargas con impedancia no lineal, a materiales ferromagnticos, y en general al uso de equipos que necesiten realizar conmutaciones en su operacin normal.

Causas:

Perdidas de la potencia activa.

Sobretensiones en los condensadores.

Errores de medicin.

Mal funcionamiento de circuitos de proteccin.

Daos en los aislamientos.

Disminucin de la vida til de los equipos

16

1n

n0n0 )tn(senCC)t(f

ImparesPares

Armonicos Tiempo

17

Armnicos Frecuencia

18http://ww2.unime.it/weblab/ita/waveforms/waveforms_ita.htm

Fundamentos de RF

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Sistema de Comunicaciones

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Simplex: Una sola direccion

Half-Duplex: Ambas direciones pero no al mismo tiempo.

Full-Duplex: Al mismo tiempo en ambas direcciones

Full-Full-Duplex: TX-RX entre dos o mas estaciones

Modos de Transmisin

Factores de Escala

22

Espectro Electromagntico

23

Espectro Distribuido en Bandas

24

Bandas ISMISM = Industrial, Scientific and Medical

25

Canales y Frecuencias GSM

Band Channel NumberTransmit Frequency

(MHz)

Receive Frequency

(MHz)

850

128 824.2 869.2

190 836.6 881.6

251 848.8 893.8

900

975 880.2 925.2

38 897.6 942.6

124 914.8 959.8

1800

512 1710.2 1805.2

699 1747.6 1842.6

885 1784.8 1879.8

1900

551 1858 1938

661 1880 1960

810 1909.8 1989.8

Canales y Frecuencias de WCDMA

Band Channel Number (DL)Transmit Frequency

(MHz)

Receive Frequency

(MHz)

1

10562 1922.4 2112.4

10700 1950 2140

10838 1977.6 2167.6

2

9662 1852.4 1932.4

9800 1880 1960

9938 1907.6 9938

5

4357 826.4 871.4

4408 836.6 881.6

4458 846.6 891.6

6

4387 832.4 877.4

4400 835 880

4413 837.6 882.6

Canales y Frecuencias de CDMA

Band Channel NumberTransmit Frequency

(MHz)

Receive Frequency

(MHz)

800MHz

367 836.01 881.01

799 848.97 893.97

991 824.04 869.04

1900MHz

0 1850 1930

600 1880 1960

1199 1909.95 1989.95

Unidades de Medicin

29

Unidades Lineales y Logartmicas

Unidades Lineales

Una escala con iguales divisiones para iguales valores

Unidades Logartmicas

Las escalas logartmicas se definen en funcin de las potencias de la cantidad subyacente (base), o se tiene que estar de acuerdo en medir la cantidad en unidades fijas.

Razon de usar magnitudes logaritmicas:

La respuesta del odo humano a la intensidad sonora es de tipologartmico.

En comunicaciones se manejan magnitudes de voltaje, corriente y potencia en rangos muy amplios

30

Decibel

Unidad relativa empleada en acstica para expresar unarelacin entre 2 magnitudes ( potencia, voltaje, corriente ).

Son muy usados debido a que son fcilmente sumados orestados.

1 Bell = 10 dB, aumento de potencia de 10 veces

2 bell = 20 dB, aumento de potencia de 100 veces

3 bell = 30dB, aumento de potencia de 1000 veces

31

10 tiene 1 cero = (por lo tanto)..... Log 10 = 1

100 tiene 2 ceros = (por lo tanto)..... Log 100 = 2

10000 tiene 4 ceros = (por lo tanto)..... Log 10000= 4

DEFINICIN # 1

El logaritmo de un nmero n en base a se define como el nmero al que hay que elevar a para obtener el nmero n.

loga n = x ax = n

El logaritmo es, por tanto, la operacin inversa a la potencia,

igual que la divisin es la operacin inversa de la multiplicacin

OTRAS PROPIEDADES

Los logaritmos tienen la propiedad de convertir las multiplicaciones ensumas, las divisiones en restas, las potencias en multiplicaciones y laraces en divisiones.

Porqu utilizar este sistema?

La razn es muy simple, cuando hay

sistemas con ganancias y/o perdidas

(ganancias negativas), es mucho ms fcil

que stas se sumen y/o resten y as

obtener la ganancia final.

Variantes del Decibel

dBm

Se refiere a decibeles relativos a 1mW ( disipados ) en una resistencia de 50 ohms.

dBmV es la denominacin cuando la referencia es 1 miliVolt .

dBSDT es una denominacin encontrada a veces en lugar de dBV.

dBi = relacin para ganancia de antenas referidas a la ganancia sobre nivel antena isotrpica.

dBd = relacin para ganancia de antenas referidas a la ganancia sobre nivel antena dipolo de media onda.

dBc = encontrado en analizadores de espectro para indicar relacin de potencia de alguna perturbacin (ruido) con respecto a la portadora.

35

Sound Preasure LevelNiveles de Presion del Sonido

Es la medida en las variaciones de la onda de presin acstica que encontramos en la atmsfera (dB-SPL).

Podemos percibir de 0 hasta 120 dB-SPL.

El umbral de audicin est en el 0 dB, y el umbral de dolor alrededor de los 120 dB.

36

Comparacin Watts Vs. dBs

Antenna

Receiver

Antenna

Trans.

Line

Transmitter

Trans.

Line

20 Watts TX output

x 0.50 line efficiency= 10 watts to antenna

x 20 antenna gain= 200 watts ERP

x 0.000,000,000,000,000,1585 path attenuation= 0.000,000,000,000,031,7 watts if intercepted by dipoleantenna

x 20 antenna gain= 0.000,000,000,000,634 watts into line

x 0.50 line efficiency= 0.000,000,000,000,317 watts to receiver

+43 dBm TX output

-3 dB line efficiency= +40 dBm to antenna

+13 dB antenna gain= +53 dBm ERP

-158 dB path attenuation= -105 dBm if intercepted by dipole antenna

+13 dB antenna gain= -92 dBm into line

-3 dB line efficiency= -95 dBm to receiver

Decibel con niveles de referencia

Antenna

Receiver

Antenna

Trans.

Line

Transmitter

Trans.

Line

Formula del Decibel

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!!!Siempre y cuando las impedancias sean iguales!!!

Si el resultado de la ecuacin es mayor que la unidad el sistema tiene GANANCIA

Si el resultado de la ecuacin menor que la unidad el sistema tiene una PERDIDA

Decibeles con Impedancias

Impedancias iguales Impedancias Diferentes

40

Decibel Positivos y Negativos

Positivos P>1 ( GANANCIA )

Si la Potencia es G =2

El valor en dB = 3.01 dB

Si Potencia =4


Si Potencia =8


Si Potencia =16


Negativos P

Formulas Decibel Variantes

42

Conversion dB a Unidades Lineales

Potencia Voltajes

43

Relacin Potencia Vs. dB

44

Decibel ExamplesNumber N dB1,000,000,000 +90100,000,000 +8010,000,000 +701,000,000 +60100,000 +5010,000 +401,000 +30100 +2010 +104 +62 +31 00.5 -30.25 -60.1 -100.01 -200.001 -300.0001 -400.00001 -500.000001 -600.0000001 -700.00000001 -800.000000001 -90

Redes de Circuitos - Lineales

En magnitudes lineales, la ganancia total de un sistema en cascada es igual al producto de las ganancias de cada uno de los bloques.

La ganancia total se calcula de la siguiente forma: G = G1 X G2 X ... X Gn

45

Redes de Circuitos - Decibeles

En el caso de una conexin en serie (cascada) de circuitos de dos puertos,

se puede calcular fcilmente la ganancia total (o la atenuacin total)

sumando los valores en decibelios.

La ganancia total se calcula de la siguiente forma: a = a + a + ... + an

46

Decibel - ejemplos

Hallar la ganancia total del sistema

47

G1 = 10 log A1 = +30 dB

G2 = 10 log P = -10 dB

G3 = 10 log A2 = +40 dB

Gt = G1 + G2 + G3 = +30 dB -10 dB + 40 dB = +60 dB

En lugar de emplear 1.000.000 veces el numero +60dB lo hace ms fcilmente

manejable

Ejercicio:

Dos bloques amplificadores se encuentran conectados en

cascada. Calcular:

* La ganancia total magnitud lineal y logartmica

(dB)

* Calcular el voltaje Vo

Ejemplos

El sistema de la figura 2.2 est formado por dos amplificadores de 20 y 15 dB de ganancia respectivamente, conectados mediante una lnea de 12 km de longitud, cuya atenuacin es de 2 dB/km. Calcular la potencia entregada a la salida , si la potencia de entrada es de 4 dBm. Calcular tambin el voltaje entregado a la carga si sta es una resistencia pura de 150 .

49

Ejemplos

Si tienes una seal que sufrio una amplificacin de 390 veces su seal de entrada, escribe entre que valores de decibel es posible que se amplifico.

Un dispositivo que aumenta su seal en 40dB, cuantas veces amplifico la seal en forma lineal.

50

Decibel - ejemplos

La intensidad debida a un nmero de fuentes de sonido independientes es la suma de las intensidades individuales Cuntos decibelios mayor es el nivel de intensidad cuando cuatro nios lloran que cuando llora uno?

Si un preamplificador tiene, en la entrada un 1 V, en la salida hay 10 V.

Determina si es ganancia o perdida:

Resultado de la operacin:

51

Decibel ejemplos

Tengo un amplificador cuya ganancia es de 20dB. Si la potencia de la seal

de entrada es 1W, qu potencia en W tendr a la salida del mismo?

Tengo un amplificador cuya ganancia es de 40dB. Si la potencia de la seal

de entrada es 1W, qu potencia en W tendr a la salida del mismo?

52

Practica # 9Decibeles ejercicios

Calcular la potencia de salida de un atenuador de 3 dB como porcentaje de la tensin de entrada.

Calcular la potencia de salida de un atenuador de 6 dB como porcentaje de la tensin de entrada.

Calcular la potencia de salida de un amplificador de 20 dB como porcentaje de la tensin de entrada.

53

Practica # 10Decibeles ejercicios

Al transmitir una seal a travs de un cable sufre una atenuacin de 10dB. Si necesito recibir en un extremo 2W de potencia, Cuntos dBm deber tener la seal que se enve en el otro extremo?

54

dBm

Unidad de medida utilizada, principalmente, en telecomunicacin para expresar la potencia absoluta mediante una relacin logartmica.

Se define como el nivel de potencia en decibelios en relacin a un nivel de referencia de 1 mW

55http://www.aubraux.com/design/milli-watts-to-dbm-calculator.php

Ejercicios con dBms

Determina los dBms de los siguientes medidas

2 W

1 W

500 mW

100 mW

Un transmisor de microondas tiene una potencia de salida de 600 mW. Cuantos dBms? Respuesta

Sound Preasure LevelNiveles de Presion del Sonido

Es la medida en las variaciones de la onda de presin acstica que encontramos en la atmsfera (dB-SPL).

Podemos percibir de 0 hasta 120 dB-SPL.

El umbral de audicin est en el 0 dB, y el umbral de dolor alrededor de los 120 dB.

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Variantes del Decibel

dBm

Se refiere a decibeles relativos a 1mW ( disipados ) en una resistencia de 50 ohms.

dBmV es la denominacin cuando la referencia es 1 miliVolt .

dBSDT es una denominacin encontrada a veces en lugar de dBV.

dBi = relacin para ganancia de antenas referidas a la ganancia sobre nivel antena isotrpica.

dBd = relacin para ganancia de antenas referidas a la ganancia sobre nivel antena dipolo de media onda.

dBc = encontrado en analizadores de espectro para indicar relacin de potencia de alguna perturbacin (ruido) con respecto a la portadora.

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Que mido en DECIBELES

60

Relacin seal a ruido (S/N)

SINAD

Ruido

Promediado del ruido

Factor de ruido, figura de ruido.

Ruido de fase

Parmetros S

VSWR y coeficiente de reflexin

Intensidad de campo

Ganancia de antena

Factor de cresta

Potencia en canal y potencia en canal adyacente

Calidad de modulacin EVM

Nivel de Presin Sonora

Ruido

Ruido

R. Correlacionado

R. No Correlacionado

Externo

Interno

Atmosfrico

Extraterrestre

Hecho por el Hombre

Trmico

De Disparo

Tiempo de trnsito

Distorsin Armnica

Intermodulacin

Respuesta en Corriente AlternaComponentes Pasivos

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Formula

Smbolo

Condiciones

CD: Circuito abierto

CA: Corto circuito

dt

dvCi

Formula

Smbolo

Condiciones

CD: Corto circuito

CA: Circuito abierto

dt

diLv

Comportamiento AC en Componentes

64

El voltaje se adelanta respecto a la corriente

Comportamiento AC en Componentes

65

El voltaje se atrasa respecto a la corriente o la corriente se adelanta respecto al voltaje

Categorizacin Componentes

66

Componentes Pasivos: Dispositivos o elementos en los cuales una de las particularidades es que sirven de soporte fsico de los sistemas electrnicos, sin posibilidades normales de amplificacin, es decir aquel que no puede suministrar una potencia promedio que sea mayor que cero.

Duplexor Diplexor Filtros ( pasivos )Acopladores Puentes SpplitersCombinadores Aislantes AtenuadoresAdaptadores LT Guias de ondaCables Dielectricos R, L, C

Componentes Activos: son aquellos que son capaces de excitar los circuitos o de realizar ganancias o control del mismo

Diodos RFIC TX/RX ModulosSintonizadores Convertidores VCOsOsciladores Transistores

Impedancia

Es la oposicin de un elemento al paso de la corriente alterna se puede expresar de diferentes formas.

67

Notacion algebraica:

Resistencia Reactancia

Representacin Grfica Impedancia

68

Ejemplos Practica

Cul es la reactancia inductiva de un circuito que tiene una inductancia de 0.6H y se le esta aplicando una seal alterna de una frecuencia de 25 Hz? XL = 94.24 = 94.24

Cul es la reactancia capacitiva de un circuito que tiene una capacidad de 0. 1 uF y se le esta aplicando un voltaje alterno con una frecuencia de 60 cps? XC = 26525.83 = 26525.82K K

69

Ejemplos

Obten los valores de reactancia Inductiva para un circuito que tiene los siguientes valores. Variando la frecuencia cada 50KHz

Vo = 1 V

R = 10

C = 1 F

L = 1 mF

F = 50 KHz 1 MHz

70

Ejemplos

Obten los valores de reactancia Capacitiva para un circuito que tiene los siguientes valores. Variando la frecuencia cada 50KHz

Vo = 1 V

R = 10

C = 1 F

L = 1 mF

F = 50 KHz 1 MHz

71

Impedancia

Formula para calcular la impedancia si el circuito contiene R y C

Formula para calcular la impedancia si el circuito contiene R y L

Formula para calcular la impedancia si el circuito contiene R, L, C

72

Impedancia Ejemplos

Determine Z & I del circuito

R= 100 K ; C= 0.022F

73

Z=158.68 K / I = 0.547 mA Z=9.49 K / I = 3.70mA

Determine la Z & I del circuito

XL = 3.76 K

XC = 13.26 K

Z = 9.493 K

I = 3.70 mA

R = 15 K

C = 0.01F

L = 500 mH

Reactancia Ejemplos

Una inductancia de 60 mH esta conectado en serie con una resistencia de 90 y una capacitor de 50F y un generador que entrega 60 cps y un voltaje de 30 volts.

Calcular la potencia.

74

Carta de Smith

75

Representacin Grafica de Impedancia

76

https://laboratoriosvirtuales.upv.es/eslabon/Ejercicio?do=Smith_Z

Carta de Smith

Resistencia Reactancia

77

Ejercicio Practica

78

Identifica los siguientes puntos en la grafica:

Z = 5.0 + j2.0

Z = 5.0 + j0.5

Z = 0.0 + j0.2

Z = 0.0 - j5.0

Z = 0.2 j0.5

Z = 1.0 j0.1

Seala la parte real ________________

Seala la parte capacitiva ____________

Seala la parte inductiva _____________

Representacin Impedancia

79

Relacin de Impedancia vs. Coeficiente de Reflexin

80

Acoplamiento de Impedancia

81

Acoplamiento de Impedancia

Que es acoplar impedancias?

Lograr que la impedancia de salida de la fuente y la impedancia de entrada de la carga sean iguales .

Zcarga = Zlinea =Zfuente

Por que se acopla la impedancia?

Para una mxima transferencia de potencia

Para una tensin mxima en la seal a transmitir

Proporcionar filtrado y selectividad a la seal

82

Efectos No acoplar Impedancias

83

Acoplamiento de Impedancia Tipo LMatching Impedance

84

La impedancia ZL en paralelo con la reactancia de C debe ser siempre mayor que Zi.

Ejemplos de Configuracin

85

Acoplamiento de Impedancia Tipo

86

Acoplamiento de Impedancia Tipo Por transformador

87

Ejemplos

Disear una red de impedancia para acoplar una Impedancia de fuente de 15 - j 15 a una Impedancia de Carga de 100 - j50 ohm, con una frecuencia de trabajo de 100 MHz, la red de acople debe adems, actuar como un filtro pasabajo entre la fuente y la carga

88

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