REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITCNICO SANTIAGO MARIO ESCUELA DE INGENIERA ELECTRNICA EXTENSIN MATURN

RUIDO SOLAR Y SUS EFECTOS EN LAS TELECOMUNICACIONES

MATURN, JULIO 2011

AUTOR: Cheng Guerrero Rubn Sanchez Janineth Mundaray Eliannys Guzmn Jose Saffontt Seccin: 6to D. Nocturno

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CONTENIDO LISTA DE FIGURAS..................................................................................IV INTRODUCCIN .........................................................................................1 1. CONCEPTOS BSICOS............................................................................2 1.1. Ruido......................................................................................................2 1.2. Sistema satelital.....................................................................................2 1.2.1. Bandas de frecuencias utilizadas.....................................................3 1.3. Mancha solar.........................................................................................4 1.4. Movimiento de translacin...................................................................4 2. RUIDO SOLAR...........................................................................................5 2.1. Cundo y por qu ocurren estas interferencias?.............................6 2.2. Manchas Solares...................................................................................7 3. EFECTOS SOBRE COMUNICACIONES ESPACIALES.....................8 3.1. Daos fsicos. Control de los satlites..................................................8 3.2. Perturbaciones en la rbita................................................................10 3.3. Degradaciones en la propagacin. Sistemas de navegacin............12 3.4. Casos reales de satlites afectados.....................................................13 3.5. Otros efectos. Soluciones en general..................................................14 3.6. Influencia sobre comunicaciones ionosfricas:................................15 3.7. El nivel de potencia interferente recibida del sol depende de:........16 CONCLUSIONES........................................................................................18

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LISTA DE FIGURAS FIGURA 1.SATELITE ...................................................................................3 FIGURA 2.MOVIMIENTO DE TRASLACIN.........................................4 FIGURA 3.RADIACIN SOLAR.................................................................6 FIGURA 4.REGIONES QUE SUELEN SER AFECTADAS......................7 FIGURA 5.ALTURA SOBRE TIEMPO DE VIDA DEL SATLITE.....11

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INTRODUCCIN En el mundo de las telecomunicaciones es sabido que el sol es la mayor fuente de radiacin electromagntica existente y es asumido la forma en que afecta a las comunicaciones va satlite de nuestro planeta. En algunas pocas del ao, la energa del Sol puede interferir en la seal de un satlite durante pocos minutos. Este fenmeno es denominado Interferencia Solar. .

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1. CONCEPTOS BSICOS 1.1. Ruido Las seales que se generan en procesos de transmisin traen consigo una serie de perturbaciones e interferencias que son consideradas como no deseadas, las cuales son producidas por seales ajenas a las mismas. Dichas seales no deseadas son quienes generan el ruido en los sistemas de comunicaciones y por lo general producen distorsin en la recepcin de la seal original. 1.2. Sistema satelital El satlite permanece en rbita por el equilibrio entre la fuerza centrifuga y la atraccin gravitatoria. Si se ubica el satlite a una altura de 35860 Km sobre el plano del Ecuador, estos giran en torno a la tierra a una velocidad de 11070 Km./hr, con un periodo de 24 hrs. Esto hace que permanezca estacionario frente a un punto terrestre, de all su nombre de satlite geoestacionario. De este modo las antenas terrestres pueden permanecer orientadas en una posicin relativamente estable en un sector orbital. Debido a su gran potencia los satlites para Tv necesitan de un espaciamiento de por lo menos 8 grados, para as evitar que el haz proveniente de la Tierra ilumine a los satlites vecinos tambin. Los sistemas satelitales constan de las siguientes partes: Transponders Estaciones terrenas

El transponder es un dispositivo que realiza la funcin de recepcin y transmisin. Las seales recibidas son amplificadas antes de ser retransmitidas a la tierra. Para evitar interferencias les cambia la frecuencia.

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Las estaciones terrenas controlan la recepcin con/desde el satlite, regula la interconexin entre terminales, administra los canales de salida, codifica los datos y controla la velocidad de transferencia. Como medio de transmisin fsico se utilizan medios no guiados,

principalmente el aire. Se utilizan seales de microondas para la transmisin por satlite, estas son unidireccionales, sensibles a la atenuacin producida por la lluvia, pueden ser de baja o de alta frecuencia y se ubican en el orden de los 100 MHz hasta los 10 GHz. FIGURA 1. SATELITE

1.2.1.

Bandas de frecuencias utilizadas

Se han dispuesto, mundialmente, varias bandas de frecuencia para su uso comercial por satlite. La ms comn de estas consta de una banda central de 500 MHz centrada en 6 GHz en el enlace hacia arriba (hacia el satlite) y centrada en 4 GHz en el enlace hacia abajo (hacia la Tierra). La banda de 500 MHz, en cada una de las frecuencias, esta normalmente dividida en 12 bandas, servidas por cada transponder, de 36 MHz de ancho de banda cada una, mas 2 MHz a ambos extremos para proteccin (el espaciamiento entre las bandas es el responsable del ancho de banda en exceso). Cada banda de transponder esta, a su vez, dividida en un cierto nmero de canales de frecuencia, dependiendo del tipo de aplicacin o de la seal que s este transmitiendo. Las bandas de frecuencia usadas son: C: uplink 5,925-6,425 GHz, downlink 3,7-4,2 GHz Ku: uplink 14-14,5 GHz, downlink 11,7-12,2 GHz

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Ka: uplink 19,7 GHz, downlink 31Ghz

Las bandas inferiores se encuentran superpobladas. No as las bandas superiores. En la banda Ku los satlites pueden espaciarce a 1 grado. Pero estas ondas tienen un inconveniente, la lluvia, ya que el agua es un gran absorbente de estas microondas tan cortas. 1.3. Mancha solar Una mancha solar es una regin del Sol con una temperatura ms baja que sus alrededores, y con una intensa actividad magntica. Una mancha solar tpica consiste en una regin central oscura, llamada "umbra", rodeada por una "penumbra" ms clara. Una sola mancha puede llegar a medir hasta 12.000 km (casi tan grande como el dimetro de la Tierra), pero un grupo de manchas puede alcanzar 120.000 km de extensin e incluso algunas veces ms. 1.4. Movimiento de translacin En el movimiento de traslacin alrededor del Sol tarda 365 das (un ao)lo que origina las estaciones. La Primavera comienza el 21 de marzo, el Verano el 21 de junio, el Otoo el 21 de septiembre y el Invierno el 21 de diciembre. El Sol est ms cercano a la Tierra en invierno FIGURA 2. MOVIMIENTO DE TRASLACIN

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2. RUIDO SOLAR Este ruido es de respuesta variada. Es el ruido extraterrestre ms complejo, y se produce por la actividad de la corteza de nuestro sol. Mientras no se producen agitaciones de la corteza o manchas solares la produccin de ruido es baja y de respuesta plana. Sin embargo, en perodos aparentemente definidos, la actividad superficial del sol se incrementa violentamente y produce manifestaciones energticas intensas, que se suman a la energa del ruido blanco anterior. Este es el tema principal de esta investigacin. El Sol se comporta como un emisor de ondas de radio que emite en un amplio margen de frecuencias. Es cierto que los rayos del sol son muy tiles para el satlite, a fin de alimentar con energa los paneles solares que generan electricidad, hay ciertas situaciones, producidas en ciertas pocas del ao, en la que la alineacin estacin terrena-satliteSol no resulta favorable. Cuando esto ocurre, la radiacin solar entra directamente a la antena parablica de la antena terrestre interfiriendo con el enlace de bajada del satlite. Esta radiacin solar alineada produce ruido. El grado de interferencia depende de la orientacin del lbulo principal de la antena de recepcin con relacin a la direccin hacia el satlite y el Sol. Esta interferencia es mxima cuando el eje

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principal de la antena est alineado con la lnea satlite-Sol. La interferencia es un poco menor para pequeas desviaciones de esta alineacin. En esta situacin, la temperatura de ruido introducida por el Sol es de unos 25.000 K. FIGURA 3. RADIACIN SOLAR

2.1. Cundo y por qu ocurren estas interferencias? El fenmeno ocurre dos veces al ao cuando el sol cruza el ecuador, durante el equinoccio de primavera y durante el de otoo, es decir, durante los meses de febrero a marzo y de septiembre a octubre respectivamente. Este fenmeno ocurre dos veces al ao, durante aproximadamente 7 das seguidos. Ocurre alrededor del 21 de marzo y del 21 de septiembre. Como la luz solar directa puede afectar a la antena receptora, se la suele pintar con una pintura no reflectiva, de manera que los rayos incidentes no se concentren totalmente en el alimentador de la antena. El sol se coloca detrs del satlite impidiendo la buena recepcin de la estacin terrena. Durante el tiempo que permanezcan alineados la energa radiada por el sol se superpone a la seal transmitida por el satlite anulndola por completo. Poco se puede hacer en estos casos, salvo esperar a que el sol salga del ngulo de recepcin de la antena.

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Dependiendo de la frecuencia de radiacin, la actividad solar y las antenas de recepcin el corte de seal puede durar hasta 10 minutos varias veces al da varios das seguidos. La duracin de esta interferencia puede ser desde medio minuto hasta un cuarto de hora. La duracin exacta se puede calcular y depende del ancho del haz de la antena receptora, de la latitud geogrfica y de la fecha. Este deterioro es gradual, a medida que el lbulo principal de la antena se va acercando a la lnea satlite-Sol. FIGURA 4. REGIONES QUE SUELEN SER AFECTADAS

2.2. Manchas Solares Las manchas solares producen disturbios magnticos sobre la superficie de la estrella solar y debido a esto existen altsimas emisiones de ondas electromagnticas y una intensa emisin de rayos X que abarcan un amplio rango de frecuencias que van desde la banda de HF hasta los rayos X, haciendo de esto una manifestacin de alto ruido en la banda de VHF y mostrando brillantes auroras boreales. La banda de los 15m (21.000 a 21450 KHz) es muy buena para las comunicaciones a larga distancia aunque por su elevada frecuencia es muy influenciada por el ciclo de las manchas solares. Por eso durante los aos de baja actividad solar es poco til para las comunicaciones excepto en el medio da y en los aos de alta actividad solar est abierta casi todo el da.

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3. EFECTOS SOBRE COMUNICACIONES ESPACIALES Los sucesos solares y el viento solar constituyen uno de los principales problemas a los que se enfrentan los satlites en general y los de comunicaciones en particular. A continuacin se consideran estos efectos y algunas soluciones, que estn muy relacionados, por lo que es difcil realizar su clasificacin. Otras clasificaciones tambin seran posibles. 3.1. Daos fsicos. Control de los satlites. El viento solar es causa de importantes daos en los equipos embarcados, que pueden quedar inutilizados. La electrnica de a bordo debe estar preparada para soportar las tormentas magnticas, y existe normativa para. la proteccin de los equipos y el recubrimiento de los satlites, as como para los materiales que puedan verse afectados por la accin qumica de la radiacin solar. Se colocan pantallas metlicas e incluso cajas que intentan proteger los equipos electrnicos. No obstante, al incidir sobre las pantallas la lluvia de electrones, protones y neutrones, stas emiten electrones, o incluso rayos X que pueden entrar en el satlite, depositando cargas sobre los componentes electrnicos. Los electrones se mueven 40 veces ms rpido que los protones, lo que produce que la superficie exterior de los satlites est cargada con un exceso de carga negativa. En cambio, la parte iluminada por el Sol sufre la incidencia de fotones que arrancan electrones a un ritmo muy superior al de la captacin, dando lugar a una carga neta positiva en esa zona. As, cuando el satlite est iluminado por el sol, tiene una carga neta positiva y negativa durante los eclipses, que solo duran 72 minutos en los das entre el 20 de Marzo y el 23 de Septiembre. (poca denominada de equinoccio)

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Los delgados aislamientos que separan los microscpicos elementos de los circuitos integrados no soportan los intensos campos elctricos originados por las cargas electrostticas acumuladas. Se producen descargas que. producen interferencias electromagnticas que inducen tensiones en los cableados y conllevan conmutaciones y respuestas indeseadas.

Estas rdenes "fantasmas no suelen tener graves efectos, pero en ocasiones... desapuntan las antenas desplazan el satlite de su posicin, e incluso lo dejan fuera de servicio.

En ocasiones las descargas producen averas. Se protege a los satlites mediante pinturas especiales y recubrimientos hechos a base de materiales conductores elctricos que se interconectan entre si, para evitar las diferencias de potencial producidas por cargas estticas superficiales. Los paneles solares se deben recubrir con materiales transparentes, por razones evidentes (hay que dejar pasar la luz solar). Los continuos impactos que reciben de las partculas que componen el viento solar, que incrementan su nmero en caso de tormenta, van daando las clulas fotoelctricas, que con el tiempo van perdiendo eficiencia. El viento solar alcanza picos de velocidad de 1500 Km/s, con protones de 0.4 MeV y partculas alfa de ms de 1 MeV. Estos picos se producen una vez cada varios aos, pero degradan el funcionamiento de los paneles solares de un 10 % a un 20 %. Una celda solar bien protegida puede recibir el equivalente de 30.000 electrones por cm cuadrado en 7 aos en la rbita geoestacionaria.

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El efecto de los meteoros no es tan importante, pues si bien pueden producir ocasionalmente la prdida de alguna celda solar, no degradan significativamente el funcionamiento del panel solar en su conjunto. La vida til del satlite vendr determinada por la degradacin de los paneles solares, pues una vez deje de obtener suficiente energa elctrica de ellos, dejar de funcionar. Los satlites de rbitas bajas cruzan los anillos de Van Allen con frecuencia, los geoestacionarios en cambio slo en su rbita de transferencia; no obstante se tiene muy en cuenta en la proteccin de ambos tipos de satlites, pues en esos anillos hay partculas de hasta 40000 eV. Los satlites que emplean propulsin elctrica tienen menos velocidad y, por tanto, se ven afectados ms tiempo por los anillos de Van Allen. 3.2. Perturbaciones en la rbita Cuando se producen erupciones solares, la parte exterior de la atmsfera terrestre se expande ligeramente, lo que incrementa la resistencia al avance que sufren los satlites, que termina por reducir su tiempo de vida. Los satlites en rbitas bajas, con altitudes en el perigeo de menos de 2000 Km, son objeto de esa resistencia que poco a poco va haciendo caer al satlite. Si ste se encuentra a menos de 200 Km, cae rpidamente y a menos de 180 Km, le quedan pocas horas antes de entrar en la atmsfera. Si finalmente esto se produce, es probable que el satlite se desintegre debido a las altas temperaturas producidas por el rozamiento, pero si es muy grande, es probable que algunos pedazos lleguen a la superficie terrestre, con el peligro que esto conlleva. La velocidad de cada del satlite depende de... su seccin recta, su masa,

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y de la densidad del aire a lo largo de la rbita.

Como esta ltima vara mucho es muy difcil predecir el momento y el lugar en que se producir la entrada. FIGURA 5. ALTURA SOBRE TIEMPO DE VIDA DEL SATLITE

No obstante existen dos ndices, para un punto concreto, que cuando sufren un incremento indican un aumento en la densidad atmosfrica a altitudes de 120 Km. Son: el F10 (flujo de radio solar de 10 cm.) y el Ap (ndice geomagntico). Como ejemplo, un satlite de 100 Kg/m2 de relacin masa/seccin recta a 270 Km. de altura tardara 10 das en caer si F10 es de 250; en cambio, tardara mucho ms, casi 30 das si la actividad solar es menor (F10=70). Esta fuerza de resistencia al avance desorienta el satlite, perjudicando su misin. Adems, el viento solar constituye una fuerza que acta mecnicamente sobre los satlites, desvindolos de su posicin, o inclinndolos. Por ello deben ser tenidos en cuenta sus efectos al realizar el proceso denominado Satlite Station Keeping, y el de Attitude Control .

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Los satlites que emplean sistemas de propulsin compuestos de bobinas magnticas necesitan conocer el campo magntico en el punto en que se encuentran para propulsarse con precisin. Como el campo vara en funcin de los eventos solares, que son impredecibles, se generan problemas que llevan a imprecisiones en la situacin de los satlites. 3.3. Degradaciones en la propagacin. Sistemas de navegacin. La propagacin a travs de la ionosfera causa degradacin en las seales de satlites. Las irregularidades en las densidades de iones y electrones, que adems varan en el tiempo, causan variaciones aleatorias de amplitud y fase en la seal. Estas variaciones se llaman scintillation (centelleo) y producen fading (desvanecimiento) por un tipo especial de multicamino. Se han observado en enlaces de satlites a travs de la ionosfera a frecuencias del orden los GHz. Este efecto tiene ms relevancia en latitudes cercanas al ecuador geomagntico, y menos en latitudes medias aunque tambin se observa. Durante los mximos de actividad solar el centelleo se caracteriza por desvanecimientos de 20 dB durante ms del 30% del tiempo. En cambio, en los mnimos de actividad solar el desvanecimiento en la banda L rara vez supera los 3 dB. Si la ionosfera se ve afectada por explosiones nucleares de gran altitud, o por accin de agentes qumicos, los efectos de la scintillation son mucho mayores. Los sistemas GPS emplean la banda L y modulacin PSK con deteccin coherente. Debido al centelleo no es posible determinar con suficiente precisin la fase de la seal recibida. Si el fading es lento y profundo, se producen desplazamientos de fase en el PLL de salida y si es rpido el PLL no puede seguir en fase a la seal. pueda seguir enganchado, si se producen frecuentemente

Aunque

desplazamientos de fase empeoran los ratios de error de la demodulacin PSK

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coherente. Si el receptor puede continuar demodulando los datos, se puede seguir realizando la navegacin, pero con una prdida importante de exactitud. Cuando se sufre desplazamientos de fase pero no se desengancha, una solucin es emplear un PLL enganchado en frecuencia. Si se desengancha en fase, una solucin sencilla es emplear demodulacin PSK Diferencial (DPSK). 3.4. Casos reales de satlites afectados Existen varios ejemplos de satlites perdidos temporal o definitivamente por estas causas. Un satlite de los llamados Canadian Anik, se perdi hace algunos aos. En la figura se muestra un Anik protegido por su lata para el lanzamiento. El 11 de Enero de 1997, AT&T perdi contacto con su Telestar 401. Fabricado por Lockheed Martin, es un satlite dedicado a la difusin de televisin y fue lanzado en 1993. Sucesos como ste tienen importantes consecuencias, pues este satlite daba servicio a empresas tan importantes en USA como ABC, Fox y PBS. En casos como ste, las repercusiones econmicas pueden ser grandes, pues el satlite iba a ser vendido a Loral Space & Communications Ltd. Durante un tiempo, al menos, grandes planes de inversin dependen de la gravedad de un suceso solar. El 7 de Octubre de 1995, el Intelsat 511, en rbita geoestacionaria, a 180 grados Este, usado para comunicaciones entre USA y Australia, sufri una descarga electrosttica, que encendi un motor, produciendo un importante desapuntamiento. Esto oblig a que se iniciara el proceso de adquisicin para recuperar el aparato. Este proceso fue ms largo de lo normal por. la hora local del satlite en la que se produjo el fallo (6 pm), la configuracin de los sensores del satlite, y la geometra Tierra-Sol.

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Finalmente se consigui recuperar el control y el satlite volvi a funcionar con normalidad. Estudiando grficas de actividad solar de aquellos das se observ la simultaneidad de un pico importante con el percance sufrido por el Intelsat 511. El 19 de Octubre de 1989 comenzaron a producirse 3 grandes eventos solares que duraron aproximadamente 6 das. Se caracterizaron por un alto flujo de electrones e iones pesados. Durante estos sucesos se observ un gran nmero de perturbaciones en la RAM del ACS CPE (Attitude Control System Control Processing Electronics) del TDRS-1 (Telemetry & Data Relay Satellite). A continuacin se puede observar un TDRS en proceso de fabricacin. En la RAM del TDRS se produjeron 243 perturbaciones, causadas sin duda alguna por el flujo de protones e iones pesados con muy altas energas procedentes del Sol. Estas perturbaciones, llamadas SEU's (Single Event Upsets), consisten en el cambio del valor lgico de 1 bit de memoria debido a pequeas descargas producidas por la incidencia de iones. En la misma RAM se tom nota de los errores gracias a un algoritmo de deteccin de errores (checksum). La sonda Galileo, que fue lanzada el da antes de estos sucesos observ el flujo de iones pesados que afect al TDRS-1. La sonda Galileo midi el fenmeno solar. Todos estos datos con las predicciones tericas permiten afirmar que los eventos solares tienen importantes repercusiones en la microelectrnica de los satlites. 3.5. Otros efectos. Soluciones en general. Los eventos solares pueden producir otros efectos como... errores espreos en la transmisin seales errneas en los detectores.

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Cuando un satlite deja de funcionar total o parcialmente, lo importante es garantizar el servicio. Para ello, se recurre a desviar el trfico a otros satlites, o al duplicado de los sistemas y de los equipos de abordo con la intencin de mejorar la disponibilidad. Cuando grandes grupos empresariales o gobiernos se lanzan a la aventura de la comunicacin por satlite, con las grandes inversiones que conlleva, se contratan seguros para prevenir daos o accidentes en los satlites que puedan producir grandes prdidas econmicas. Adems, antes de ser enviados al espacio se les somete a todo tipo de pruebas para comprobar su fiabilidad y correcto funcionamiento. Se protege a los satlites de las inclemencias del tiempo solar. Para conseguirlo existe normativa que especifica los recubrimientos de los equipos y de la electrnica de a bordo, y se emplea electrnica cualificada para el espacio, tcnicas de procesado de seal para el espacio y ASICS (Aplication Specific Integrated Circuits ),

que consigan una suficiente solidez frente a la radiacin (Radiation Hardness). 3.6. Influencia sobre comunicaciones ionosfricas: La existencia de cargas en la ionosfera permite la transmisin en la banda de HF a grandes distancias. Cuando el sol se encuentra en su mnima actividad, la ionosfera puede transmitir slo las frecuencias ms bajas a una determinada distancia, en cambio, en los mximos de actividad solar, tambin las altas frecuencias pueden alcanzar las mismas distancias. En la banda de onda corta (SW), las erupciones solares producen desvanecimientos en la seal, debido a que con los rayos X aumenta la ionizacin de la capa D, lo que produce un incremento de la atenuacin de esta capa. El

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desvanecimiento, y la erupcin que lo produce, siguen el mismo patrn y tienen la misma duracin, producindose rpidamente y desapareciendo lentamente. En las altas frecuencias, es de menor valor y duracin. En la banda de LF y VLF, pueden producirse errores de fase debidos a cambios repentinos en la composicin de las cargas de la ionosfera. 3.7. El nivel de potencia interferente recibida del sol depende de: La frecuencia: La radiacin solar vara en intensidad con la frecuencia; mientras que para la banda de VHF constituye una interferencia de importancia relativa, para una frecuencia de 4 GHz, la radiacin solar supera en 20 dB la potencia tpica recibida en la Tierra procedente de un satlite de difusin de televisin. El ancho de banda del receptor, como es lgico, a mayor AB, mayor potencia de ruido.

El ancho de haz de la antena receptora, pues si sta es muy directiva, mientras est apuntando al Sol, prcticamente no recibir nada ms que ruido.

Nivel de actividad solar. Esta interferencia siempre se produce en horas diurnas cuando la actividad humana es mayor. En la estacin receptora no se puede hacer nada, salvo esperar a que el Sol salga del arco que queda dentro del lbulo principal del diagrama de radiacin de la antena receptora.

Por otra parte, los enlaces que incorporan la tcnica de Espectro Ensanchado (Spread Spectrum), en muchos casos tienen capacidad de ensanchar el ruido procedente del Sol. Adems, este ruido es...

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predecible, estacional,

y solo afecta a una ciudad al mismo tiempo. En este sentido hay que tener en cuenta que el Sol se mueve a una velocidad aparente de 15/h 0,25/min de tiempo, y ocupa tan slo la 5,4 millonsima parte del ngulo slido subtendido desde la superficie terrestre.

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CONCLUSIONES Este ruido es de respuesta variada. Es el ruido extraterrestre ms complejo, y se produce por la actividad de la corteza de nuestro sol. Mientras no se producen agitaciones de la corteza o manchas solares la produccin de ruido es baja y de respuesta plana. Sin embargo, en perodos aparentemente definidos, la actividad superficial del sol se incrementa violentamente y produce manifestaciones energticas intensas, que se suman a la energa del ruido blanco anterior

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