UD1. CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE ...profesores.sanvalero.net/~arnadillo/Documentos/Apuntes...MAGNITUDES...

1

UD1. CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE RADIOCOMUNICACIONES

OBJETIVOS

OBJETIVOS:

• Distinguir los agentes que intervienen en unsistema de comunicaciones.

• Conocer y diferenciar las magnitudesfundamentales de una señal.

2

ALGO DE HISTORIA

• En 1819 Hans Crinstian Oersted observó cómo un hilo por el que circulaba corriente hacía que se desviase una aguja imantada, demostrando que la electricidad producía magnetismo.

• Un año después André Marie Ampère amplió estas observaciones.

• Como consecuencia de los trabajos de Oersted y Ampèrese descubrió que una corriente eléctrica tiene efectos magnéticos idénticos a los que produce un imán. Además, de la misma forma que hay fuerzas entre imanes, también existen fuerzas entre alambres que conducen corrientes eléctricas.

ALGO DE HISTORIA

En 1831 Michael Faraday profundizó en este fenómeno demostrando el efecto inverso, que un campo magnético induce corriente en un hilo conductor próximo. Pero que esto sólo ocurría si el campo magnético era variable. Los descubrimientos de Farady fueron decisivos en el desarrollo de generadores eléctricos. Mientras que los de Oersted y Ampère lo fueron en el diseño de motores eléctricos.

3

ALGO DE HISTORIA

En 1887 Heinrich Rudolf Hertz demostrase experimentalmente la propagación de ondas electromagnéticas, ondas radio u ondas hertzianas. Aunque anecdótico, no deja de ser sorprendente elhecho de que Hertz no tuviera el acierto de pronosticar y aún menos de explotar el potencial de su esquema transmisor-receptor. Transcribamos a continuación una conversación entre él y uno de sus alumnos en la Universidad de Bonn:-“¿Qué uso se le puede dar a tan interesantefenómeno?”-“No tiene ninguna utilidad, de momento. “Contestó Hertz, que prosiguió,-“Es solo un experimento que prueba que el maestro Maxwell estaba en lo cierto, tenemosestas misteriosas ondas electromágneticas que no podemos ver con nuestros ojos. Pero estánahí.”-“Entonces, ¿cuál es el siguiente paso?”Preguntó uno de sus alumnos. Ante lo cual Hertz se encogió de hombros. Era un hombremodesto, sin pretensiones y, aparentemente, con pocas ambiciones. Contestó:-“Ninguno. Creo.”

ALGO DE HISTORIA

Marconi realizó sus primeros experimentos con ondas radio en el ático de la casa de sus padres en Bolonia. Inicialmente sólo consiguió transmitir a distancias de unos pocos metros, pero hizo progresos importantes hasta que logró alcanzar distancias de 2 kilómetros.Conocedor de la importancia de estos experimentos decidió hacer una demostración a las autoridades de su país, que no se hicieron eco del potencial de la radiocomunicación.Marconi decidió hacer la propuesta en el Reino Unido. En 1897 Marconi demostró la posibilidad de conectar dos puntos separados por agua uniendo las orillas del canal de Bristol y eliminando así la necesidad de cables submarinos. En 1899 enlaza el canal de la mancha, es la primera radiocomunicación internacional.

4

ALGO DE HISTORIASimulación experimento Marconi

EL MENSAJE EN LAS RADIOCOMUNICACIONES

• Tradicionalmente, se ha definido la comunicación como latransmisión o intercambio de información entre un emisor y unreceptor. Dentro de este proceso, podemos distinguir cincoelementos diferenciados:

• Emisor: es el origen de la información.• Canal: es el medio físico utilizado para transmitir lainformación (aire, cable, vacío, fibra óptica,…).• Código: es el conjunto de signos y reglas que se utilizanen la comunicación. Estas reglas son arbitrarias y debenser conocidas por el emisor y el receptor.• Mensaje: es la información que queremos transmitir.• Receptor: es quien recibe la información.

5

EL MENSAJE EN LAS RADIOCOMUNICACIONES

• Se suelen clasificar los distintos tipos de mensajes enestos cuatro grupos:

• El sonido (teléfono, radio, …).• El texto (telegrafía, teletipos, servicios de mensajería

corta (SMS),…).• Los datos (redes de ordenadores, Internet, …).• Las imágenes (televisión, fax, …).

EL MENSAJE EN LAS RADIOCOMUNICACIONESCuriosidades

• El número MACH es la relación que existe entre lavelocidad de un objeto y la velocidad del sonido.

• Este número se utiliza en aviación para indicar lavelocidad de los aviones:• Mach 1: 343 m/s.• Mach 2: dos veces la velocidad del sonido.• Mach 3: tres veces la velocidad del sonido.

Los aviones supersónicos alcanzan velocidades de entre1,2 y 5 veces la velocidad del sonido.

6

EL SONIDO

• Al hablar, al golpear un instrumento, al dar una palmadao al provocar cualquier ruido, lo que hacemos es hacervariar la presión de las moléculas de aire que nosrodean.

• Esta variación se propaga por el aire en forma de onda.Debido al rozamiento entre las moléculas, esta onda noviaja indefinidamente, sino que se atenúa con ladistancia hasta desaparecer.

• El sonido es una onda mecánica, por lo que necesita unmedio para propagarse.

• La velocidad a la que viaja dicha onda depende de lascaracterísticas del material por el cual se propague elsonido.

EL SONIDO

• Así, en materiales rígidos como el acero esta velocidades de 5.140 m/s, mientras que en el agua es deaproximadamente 1.500 m/s.

• En el aire a una temperatura de 20 ºC, esta velocidad esde poco más de 340 m/s (1.225 km/h), que es lo que seconoce coloquialmente como velocidad del sonido.

• El sonido no se propaga en el vacio. Ejemplo:Video de ejemplo

• Otra característica del sonido es que, dado que las vibraciones se transmiten en la misma dirección en la que se propaga, se trata de una onda longitudinal.

Animación de ejemplo

7

EL SONIDO

• Demostración velocidad del sonido:

Ejemplo demostrativo

Puedes observar cómo el sonido no se transmite a la misma velocidad por todos los medios, sino que lo hace mucho más rápidamente en los sólidos que en los líquidos, y más lentamente en los gases.

EL SONIDO

Una vez introducida la distancia (por ejemplo 2000 m) se obtienen los tiempos de viaje, en este caso:

Aire: 5.88 s, Agua: 1.33 s; Acero: 0.38 s.

Como la velocidad se define como el espacio recorrido por unidad de tiempo (v = s/t) el cálculo de las velocidades es inmediato:1) Velocidad del sonido en el aire: vaire = 2000/5.88 ≈ 340 m/s

2) Velocidad del sonido en el agua: vagua = 2000/1.33 ≈ 1500 m/s

3) Velocidad del sonido en el acero: vacero = 2000/0.38 ≈ 5200 m/s

8

EL SONIDOPercepción del sonido

La recepción del sonido se fundamenta en la transformación de la energía transportada por la onda sonora en otro tipo de señal.El mecanismo receptor suele ser una membrana que vibra a la misma frecuencia que las ondas recibidas.En el ser humano esta recepción recibe en nombre de audición siendo el detector el tímpano.

EL SONIDOPercepción del sonido

- Oido externo: es la parte visible, que recoge las ondas sonoras hasta alcanzar el timpano que vibra con la señal sonora.

- Oido medio: Formada por tres huesos (martillo, yunque y estribo), que transmiten las vibraciones del timpano hasta el oido interno.

- Oido interno: La clóquea esta llena de un líquido y la vibración se transmite en el hasta las terminaciones nerviosas que llegan al cerebro.

Video explicativo funcionamiento del oidoFuncionamiento interno del oido

9

EL SONIDOCuriosidad

• Cuando un avión se acerca a la velocidad del sonido, laforma en que el aire fluye alrededor de su superficiecambia y se convierte en un fluido compresible, dandolugar a una mayor resistencia y produciendo una ondade choque.

• Una onda de choque es una onda de presión abruptaproducida por un objeto que viaja más rápido que lavelocidad del sonido en dicho medio produciendodiferencias de presión extremas y aumento de Tª.

• Esta onda de presión se desplaza como una onda defrente por el medio, siendo una de sus caracerísticas queel aumento de presión en el medio se transmite comoonda sonora percibiéndose como una gran explosión.

RADIOCOMUNICACIÓN

- La radiocomunicación se define como el tipo de comunicación realizada a través de ondas radioeléctricas.

- Las ondas radioeléctricas son ondas electromagnéticas que se propagan a través del espacio. Al contrario de lo que sucede con las ondas mecánicas como el sonido, pueden propagarse a través del vacío. Esto hace posible, entre otras cosas, las comunicaciones vía satélite y espaciales.

Información

Transmisor

Información

Receptor

Línea de transmisión

Antena

Línea de transmisión

Antena

10

RADIOCOMUNICACIÓN

- El emisor o transmisor es la parte del sistema que se encarga del tratamiento y posterior transmisión de la información. La misión del transmisor es transformar la señal que se desea transmitir (mensaje) de modo que pueda viajar a través del medio de transmisión, así como entregarla a este con la potencia suficiente.

- El receptor se encargará de realizar la función inversa al transmisor. Es decir, recogerá la señal que ha viajado a través del medio de transmisión y, gracias a los distintos bloques que lo conforman, intentará recuperar el mensaje original.

ESTACIONES DE RADIOCOMUNICACIÓN

- Existen muchos tipos de estaciones de radiocomunicación, que se pueden clasificar siguiendo varios criterios:

• Según la información que transmiten: radio, televisión, telefonía móvil, ...

• Estaciones fijas o estaciones móviles.

• Estaciones terrestres o estaciones ubicadas en satélites..

11

ESTACIONES DE RADIOCOMUNICACIÓNCuriosidad

• El primer ingenio para transmitir información a través demecanismos eléctricos fue creado por Samuel Morse. Enaquellos tiempos, la tecnología no permitía reproducir lavoz humana o cualquier sonido, mediante corrienteseléctricas.

• Morse desarrolló un sistema que consistía en transmitirseñales de duración variable, formando códigos.

• Este procedimiento se utilizó primero con la base delcableado para, más tarde, ser usado con ondaselectromagnéticas, naciendo las primerasradiocomunicaciones.

MAGNITUDES FUNDAMENTALESSeñales

Según la RAE, se define magnitud como la propiedad física que puede medirse, como la altura, la longitud, la superficie, el peso, etcétera.

- Amplitud: La amplitud es el valor máximo de una señal.

12


En ocasiones, nos referiremos a la amplitud como amplitud de pico e, incluso, en señales que toman valores a ambos lados del eje horizontal, puede medirse la amplitud de pico a pico.

En el caso del sonido, la amplitud determina con qué intensidad se escucha un sonido. Así, cuando se sube el volumen de una radio lo que se está haciendo es aumentar la amplitud de la señal que se entrega a los altavoces.


Frecuencia y Periodo:

Se dice que una onda o señal es periódica cuando se repite en el tiempo, es decir, cuando presenta ciclos repetitivos. Se llama período al tiempo que tarda la señal en completar cada uno de esos ciclos. La frecuencia se define como el número de ciclos o repeticiones por segundo que presenta una señal periódica. Se mide en hercios (Hz) o hertz. 1 Hz equivale a 1 ciclo por segundo.

13


Por tanto, la frecuencia se corresponde con el inverso del período:

1 f = ; [Hz] T

El oído humano es capaz de captar frecuencias de sonido de 20 Hz (sonidos graves) a 20.000 Hz (sonidos agudos). Este hecho es debido a que la sensibilidad del sistema auditivo humano solo es capaz de adaptarse a los valores comprendidos entre estos dos niveles. La voz humana se encuentra normalmente en el rango de frecuencias de 80 Hz y 1.100 Hz.


Longitud de onda:

Se define la longitud de onda (λ) como la distancia espacial que recorre una onda a lo largo de un período de señal. Se mide en metros (m). La frecuencia y la longitud de onda de una señal se relacionan entre sí a través de la velocidad de propagación de la señal en el medio:

F= V/λ λ=V/f

Se trata, por tanto, de un parámetro que depende del medio por el que se propaga la onda.

Calculo longitud de onda

14


Así, la longitud de onda de un sonido con frecuencia 1 kHz que se propaga a través del aire es de 34 cm. Esa misma señal transmitiéndose a través del agua tendrá una longitud de onda de 1,6 metros.


Ancho de banda: El ancho de banda es el rango de frecuencias para el que se ha diseñado un sistema y para el cual funciona correctamente.Se define como la diferencia entre dos frecuencias, una superior y otra inferior. Se mide en hercios (Hz).

Ancho de Banda

15

PREFIOS UNIDADES FUNDAMENTALES

MAGNITUDES FUNDAMENTALES

El belio (B): Es una unidad relativa, la cual se define matemáticamente como la relación entre la potencia de la magnitud estudiada y otra magnitud de referencia. Esta unidad se utiliza tanto en acústica (para indicar la presión sonora de un sonido) como para magnitudes eléctricas. Para la mayoría de las aplicaciones, el belio resulta una unidad de medida demasiado grande. Por este motivo, se utiliza habitualmente su submúltiplo decibelio (dB).

dB= 10 log (Ps/Pe)

El decibelio es una unidad logarítmica. Así, una diferencia de dos veces la potencia de una señal corresponde a 3 dB.

16


Se aplica a la especificación de ganancias o atenuaciones deuna señal. Supongamos un amplificador a cuya entradatenemos una señal S1 de potencia P1 y a la salida una señal S2de potencia P2.


17


En el caso del sonido, se toma como referencia para medir los niveles de presión el llamado umbral de audición, que corresponde a la presión acústica del sonido más débil que es capaz de percibir el oído humano (Po = 2 · 10-5 Pa). El nivel de presión sonora se calcula utilizando la siguiente fórmula:

Lp = 20 log (P1/P0) dB

MAGNITUDES FUNDAMENTALESConversión eléctrica de un sonido

Se puede definir como un mecanismo de transformación de una magnitud física a una señal eléctrica proporcional a los valores de la magnitud a medir, tengamos por ejemplo en el caso el sonido, las variaciones de presión del aire al producir un sonido generan, mediante un mecanismo transductor, una señal eléctrica variable.Los dispositivos capaces de convertir una presión acústica (sonido) en una señal eléctrica, o viceversa, reciben el nombre de transductores electroacústicos. Existen micrófonos dinámicos y capacitivos.

18

MAGNITUDES FUNDAMENTALESLa señal digital

Mientras que las señales analógicas pueden nacer de formanatural, por ejemplo, registrando un sonido con un micrófono, lasseñales digitales son artificiales y requieren un procesado.

Una señal analógica es continua en el tiempo y puede tomarcualquier valor (infinitos valores) de amplitud dentro de un rango.En cambio, una señal digital solamente podrá tomar un númerolimitado de valores dentro del rango.

¿Por qué surge la señal digital?Los elementos digitales son más económicos, aportan menordistorsión, entre otras ventajas, así como que las señalesdigitales se pueden encriptar para asegurar la transmisión.


19


MAGNITUDES FUNDAMENTALESDigitalización mediante PCM

Digitalizar una señal es representarla mediante una secuenciade números.

1. Muestrear una señal con el criterio “Nyquist”, que dice quesiempre la frecuencia de muestreo debe ser al menos eldoble de la señal a muestrear.

2. Una vez obtenida la secuencia de muestras se asocia cadauna de ellas a un número “CUANTIFICACIÓN”

3. Asignar esta Cuantificación a un código binario “codificación”o “encriptación”.

20



21



Generalmente la velocidad de conversión se mide en Muestras/Segundo (Samples/s)

22

MAGNITUDES FUNDAMENTALESVentajas PCM

1. En comunicaciones a largas distancias, las señales PCMpueden regenerarse por completo en estacionesrepetidoras intermedias porque toda la informaciónestá contenida en el código.

2. En cada repetidor se transmite una señalesencialmente libre de ruido. Los efectos del ruido nose acumulan y solo hay que preocuparse por el ruidode la transmisión entre repetidoras adyacentes.


3. Los circuitos para la modulación y demodulación sontodos digitales, alcanzando por ello gran confiabilidad yestabilidad, y se adaptan con rapidez al diseño lógico decircuitos integrados.

4. Las señales pueden almacenarse y ponerse a escala enel tiempo de manera eficiente.

23


5. Puede usarse un código eficiente para reducir larepetición innecesaria de información binaria (laredundancia en los mensajes).

6. Una codificación adecuada puede reducir los efectosdel ruido y la interferencia.


La gran DESVENTAJA de PCM es su gran ancho de banda en

comparación con el ancho de banda que requiere la señal

analógica original, sin embargo con las ventajas tan potentes

que posee, con mucha frecuencia se recurre a la PCM para

ser utilizados en los sistemas de comunicaciones.

Anchode

Banda

Ruidoy

Errores

24

MAGNITUDES FUNDAMENTALESTeorema de Nyquist

El teorema de Nyquist establece que para reconstruir una señal muestreadase debe muestrear como mínimo a 2 veces la máxima frecuencia de laseñal original

MAGNITUDES FUNDAMENTALESTeorema de Nyquist

Como ejemplo pongamos un canal telefónico en el cual seha limitado el ancho de banda de la voz al rango de 20 Hz a4 KHz.

De acuerdo al teorema de Nyquist la frecuencia mínima demuestro debe ser 8 KS/s

Para un convertidor de 8 bits (8 bits por muestra) tendríamosuna velocidad de transmisión de 8 (KSamples/s) x 8(bits/Sample) = 64 Kbps

25

ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

El sonido es generado, más tarde se transforma en una señal eléctrica, tras ello esta señal se emite mediante electromagnetismo, a través del aire, de un emisor a un receptor que traduce este tipo de ondas y las transforma otra vez en la señal de salida.

¿Cómo se consigue una onda electromagnética desde una corriente eléctrica?

El proceso se basa en hacer pasar una corriente eléctrica por un conductor, de forma que genera campos magnéticos radiales concéntricos al conductor. Estas ondas serán variables en amplitud (valor máximo) si también lo es la corriente que las produce. En resumen, la variación de una corriente eléctrica produce la variación de un campo magnético. Este proceso es recíproco, lo que nos permitirá recuperar la señal inicial en el receptor.

ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Ejemplo de emisión recepción de señal:

Ejemplo de un sintonizador de radio:

26

ONDAS ELECTROMAGNÉTICASLos Canales

Para poder aprovechar de una manera eficiente el espectro radioeléctrico esnecesario establecer algún tipo de ordenación de las emisiones. Habitualmente,se establecen distintos anchos de banda para cada servicio deradiocomunicación y, dentro de ellos, distintas franjas o canales para cada una delas emisiones.

Así, por ejemplo, el ancho de banda asignado a la televisión digital terrestre(TDT) se divide en canales de un ancho de banda de 8 MHz. Dentro de cadauno de estos canales se puede emitir y recibir un múltiplex que, a su vez,estará formado por varias emisiones o programas de televisión y/o radio.

El término canal también se emplea refiriéndonos a las señales de sonido cuandodistinguimos entre el canal derecho y el canal izquierdo de una emisión enestéreo. Dado que el ser humano dispone de dos oídos y de la capacidad paradiscernir de dónde procede un sonido, se estableció que disponer de dos canalesdistintos mejoraría la calidad de la escucha.

En contraposición a la mejora de calidad, aparece el inconveniente de necesitarun mayor ancho de banda para la transmisión.

ONDAS ELECTROMAGNÉTICASEspectro electromagnético

27

ONDAS ELECTROMAGNÉTICASEspectro Radioeléctrico

El espectro radioeléctrico es el conjunto de frecuencias en lasque se propagan las ondas electromagnéticas por el espacio.

Este rango se encuentra entre las frecuencias de 9 kHz y 3.000GHz, y así lo recogen las normativas de la Comisión Europea yla Ley General de Telecomunicaciones.

Se trata pues de un recurso universal y limitado que requiereuna regulación y organización. Sin esta ordenación, es decir, sicada estación o servicio de comunicaciones emitieraarbitrariamente en la frecuencia que deseara, sería imposiblegarantizar una mínima fiabilidad de las telecomunicaciones, yaque las interferencias serían continuas.


El organismo internacional encargado de regular el uso delespectro radioeléctrico es la Unión Internacional deTelecomunicaciones (ITU), con sede en Ginebra (Suiza), que esel organismo especializado de Naciones Unidas para lastecnologías de la información y comunicación.

Una primera división del espectro se realiza a través de lasbandas de frecuencia. La clasificación más utilizada para lasbandas de frecuencia es la que definió en 1953 el ConsejoConsultivo Internacional de Radiocomunicaciones (CCIR) de laITU:

28



A su vez, se establece otra clasificación dentro de las bandas de VHF y UHF que es la siguiente:

29

ONDAS ELECTROMAGNÉTICASCobertura, Alcance, Ruido y Atenuación

Supongamos que nuestra voz se oiga muy lejos,instintivamente tendemos a gritar más fuerte, pero tenemos unlímite. Si en lugar de unas decenas de metros se pretendieraser oídos a varios kilómetros, es evidente que fracasaríamosen el intento. De esta necesidad aparece la tecnología de laradiodifusión.

Se puede definir la cobertura o alcance como la distancia a laque podemos recibir la señal emitida con una calidadsuficiente. Este parámetro depende de muchos aspectos, entreellos de los equipos de emisión (calidad y potencia máxima deradiación) ya que las ondas se atenúan en gran valor con ladistancia.


En el caso de las ondas terrestres directas entre la antena emisora y receptora no existen obstáculos, luego lógicamente, cuanto más altas se encuentren las antenas mayor distancia alcanzará. Por este motivo las antenas de radiodifusión y televisión se sitúan a gran altura en montañas o construyendo grandes torres (Torrespaña en Madrid).Por medio de una fórmula muy sencilla podemos saber el alcance máximo que puede proporcionar una antena emisora. Esta distancia viene dada por la línea tangente a la superficie de la Tierra y es el límite de visibilidad entre la antena emisora y la receptora.

30


La fórmula es la siguiente:

Alcance (Km) = 3,6 * ( H + h )

- H: es la altura de la antena emisora.- h: es la altura de la antena receptora.

Ejemplo: Si una antena emisora se encuentra situada en lo alto de una montaña a una altura de 500 m y la antena receptora está en lo alto de un edificio, y tiene una altura de 30 m el alcance teórico de la transmisión será de:

Alcance = 3,6 * ( 500 + 30 ) = 100,21 = 100 Km


Si ahora aumentamos la antena emisora 20 m, o sea, 520 m y la altura de la antena receptora se mantiene igual 30 m el alcance será de:

Alcance = 3,6 * (520 + 30 ) = 101,8 Km

El aumento ha sido de 1,8 Km solamente.Si ahora aumentamos la antena receptora a 50 m ( la misma distancia que se aumentó anteriormente en la antena emisora) el alcance será de:

Alcance = 3,6 * (500 + 50 ) = 105,95 = 106 Km

El aumento es de 6 Km luego la conclusión es que para lograr una mayor distancia es mejor aumentar la altitud de la antena receptora que aumentar la de la antena emisora.

31


El ruido está formado por un conjunto de señales no deseadasque perturban la señal transmitida, lo cual afecta directamentetanto a la calidad de la señal como al alcance que inicialmenteesperábamos de la misma.El ruido puede estar generado por diversas causas,dispositivos activos y pasivos que forman los equipos,radiaciones externas, situación atmosférica, perturbacionesque se transmiten por las líneas y que son generadas por otrascargas en funcionamiento, ....

Señal final = señal ideal + ruido.


Un factor muy importante a la hora de estudiar la calidad yfiabilidad de un sistema de comunicaciones es la relaciónseñal a ruido (o factor de ruido). Este parámetro mide larelación existente entre el nivel de potencia de la señaldeseada y el nivel de ruido.

Esta relación, denominada habitualmente por sus siglasinglesas SNR (signal to noise rate) o S/N (signal/noise) esadimensional. En escala logarítmica se medirá en dB:

32



Una clasificación de los distintos tipos de ruido es la siguiente:

• Ruido térmico (o ruido de Johnson-Nyquist): es el ruidoproducido por la agitación de los electrones por efecto de latemperatura. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será laagitación. Este ruido existirá en todos los sistemas detransmisión, ya que solamente será nulo a la temperatura decero absoluto (0 ºK, que equivalen a −273 ºC). Esindependiente del voltaje o de la corriente eléctrica queapliquemos. La potencia del ruido es muy similar en todas lasfrecuencias, por lo que también se le conoce como ruidoblanco.

33



34



35



36



37



38



39



40



- Ruido Flicker (o ruido 1/f): en este caso, la presencia deruido es mayor a bajas frecuencias, disminuyendo esteconforme aumenta la frecuencia. Por su distribuciónespectral, se le conoce también como ruido rosa.

- Ruido impulsivo: formado por impulsos de poca duración ygran amplitud sobre la señal.

En cuanto a la atenuación, se basa en el concepto de que laenergía de la señal disminuye conforme aumentamos ladistancia respecto del foco emisor de la misma. Estefenómeno, unido al ruido, provocará que la señal se degradedurante su propagación, con la consiguiente merma de calidad.

41


La atenuación limita el alcance de una señal. En el caso deuna señal de radiocomunicaciones que viaja por la troposfera,esta se verá afectada por, entre otros, los siguientesfenómenos:

- Concentraciones de agua o hielo que existen en la atmósferay que absorben y dispersan la energía.- Las moléculas de agua (nubes, humedad ambiental,…)

absorben energía cuando las ondas electromagnéticas semueven por ella.

- Los fenómenos meteorológicos como la nieve, lluvia,niebla,… también son capaces de generar atenuación ydispersión de la señal.

- La vegetación de la superficie también genera absorción endichas señales.


42


La proporción y la intensidad con la que cada uno de ellosafecte a la señal dependerán principalmente de la frecuenciade la señal y de la modulación empleada.

PROPAGACIÓN ONDAS DE RADIOPropagación, reflexión, refracción y difracción

Las ondas electromagnéticas, durante su viaje a través delespacio, pueden encontrarse con distintos obstáculos. Segúncómo afecte esto a la señal, tendremos distintos fenómenos.

REFLEXIÓNLa reflexión se produce cuando una onda electromagnéticaincide en una superficie, reflejándose parte de ella en otradirección. Esto dependerá de varios factores como larugosidad de la superficie, el grosor, humedad, capacidad deabsorción o penetración de la energía en el medio, ... así comode características de la señal como la longitud de onda y elángulo de incidencia.

43


En cualquier reflexión nos encontraremos con que el materialabsorbe parte de la energía (onda absorbida o transmitida almedio) y refleja otra parte (onda reflejada). Así, definimos elcoeficiente de reflexión como la relación entre el campoeléctrico reflejado y el incidente. Este coeficiente valdrá 0 paramateriales absorbentes puros y 1 para materiales reflectantespuros.


En resumen reflexión es el cambio de dirección de un rayo ouna onda que ocurre en la superficie de separación entre dosmedios, de tal forma que regresa al medio inicial.

44


REFRACCIÓNCuando una onda se encuentra ante un obstáculo, se produceel fenómeno conocido como difracción, es decir, cada frentedel obstáculo se convierte en un nuevo foco emisor.Refracción es el cambio de dirección que experimentauna onda al pasar de un medio material a otro. Solo seproduce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie deseparación de los dos medios y si estos tienen indices derefraccion distintos. La refracción se origina en el cambiode velocidad de propagación de la onda.


DIFRACCIÓNEs un fenómeno característico de las ondas, éste se basa enel curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran unobstáculo o al atravesar una rendija. La difracción ocurre entodo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en lasuperficie de un fluido y ondas electromagnéticas Tambiénsucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito sepropaga

45


DISPERSIÓNOtro fenómeno importante en la propagación de la señal es elde dispersión, que se produce en obstáculos pequeños encomparación con la longitud de onda de la señal (superficiesrugosas), y que consiste en la degradación de la señal debidoa la reflexión en distintas direcciones de esta.


INTERFERENCIASEs un fenómeno en el que dos o más ondas se superponenpara formar una onda resultante de mayor o menor amplitud.El efecto de interferencia puede ser observado en cualquiertipo de ondas, como luz, radio, sonido, ondas en la superficiedel agua, etc.

46


Cuando dos ondas se propagan en la misma dirección, conigual frecuencia y amplitud. Cuando las dos ondas grises estánen fase el resultado es una amplitud mayor, cuando estánfuera de fase se neutralizan y la amplitud es cero.

INTERFERENCIASInterferencia constructiva

PROPAGACIÓN ONDAS DE RADIOOndas Estacionarias

Las ondas estacionarias son aquellas ondas en las cuales,ciertos puntos de la onda llamados nodos, permaneceninmóviles. En este tipo de ondas, las posiciones donde laamplitud es máxima se conocen como antinodos, los cualesse forman en los puntos medios entre dos nodos.Las ondas estacionarias son producto de la interferencia.

Cuando dos ondas de igual amplitud, longitud de onda yvelocidad avanzan en sentido opuesto a través de un medio seforman ondas estacionarias. Por ejemplo, si se ata a una paredel extremo de una cuerda y se agita el otro extremo haciaarriba y hacia abajo, las ondas se reflejan en la pared yvuelven en sentido inverso.

47

PROPAGACIÓN ONDAS DE RADIOOndas Estacionarias

Si suponemos que la reflexión es perfectamente eficiente, laonda reflejada estará media longitud de onda retrasada conrespecto a la onda inicial. Se producirá interferencia entreambas ondas y el desplazamiento resultante en cualquierpunto y momento será la suma de los desplazamientoscorrespondientes a la onda incidente y la onda reflejada. Enlos puntos en los que una cresta de la onda incidente coincidecon un valle de la reflejada, no existe movimiento; estos puntosse denominan nodos.

PROPAGACIÓN ONDAS DE RADIO

Las formas de propagación de la señal son variadas:

• Directa: la señal va del trasmisor al receptor de forma directa, sinningún tipo de obstáculo. Las estaciones están en alcance visual (líneade vista) y/o antenas muy altas.

• Superficial o Terrestre: las señales se propagan superficialmentesiguiendo la curvatura de la Tierra debido a un proceso de difracción.

• Reflejadas: las señales son reflejadas en superficies lisas respecto dela longitud de onda de la señal.

• Propagación troposférica: donde las señales se transmiten por la bajaatmósfera.

• Propagación por reflexión ionosférica: las señales se reflejan en laionosfera y regresan a la superficie terrestre.

48

PROPAGACIÓN ONDAS DE RADIO

Algunos ejemplos:

Onda Directa / Reflejada

Propagación Ionosférica

PROPAGACIÓN ONDAS DE RADIOCapas de la atmósfera

La ionosfera es un conjunto de capas la atmósfera, en la cual el aire seagrupa en láminas muy delgadas y que, bajo la radiación solar, sufre laionización de sus átomos. Esta ionización (acumulación de cargaeléctrica) permite la reflexión de algunos tipos de señal.

49


La troposfera es la capa más baja de la atmósfera, de hecho,comienza a nivel de suelo y se extiende pocos kilómetros arriba. Es lacapa en la que se encuentra la vida y contiene el porcentaje máselevado de masa de la atmósfera. En ella se encuentran el agua, vaporde agua, polvo y nubes. La presión atmosférica en esta capa es másalta, así como la temperatura del aire; esto último debido al efectoinvernadero que provocan las capas superiores de la atmósfera.

La propagación ionosférica consiste en la reflexión de las ondaselectromagnéticas en la capa ionizada. Con esto, se consigue unmayor alcance de la señal. Además, habrá que tener en cuenta que lasuperficie de la tierra no es plana y que, conforme aumentamos ladistancia de transmisión habrá que empezar a tener en cuenta el radiode curvatura de la Tierra, que nos impediría la visión directa entre dostorres muy separadas entre sí.


La ventaja de la ionosfera es que actúa como repetidor y es accesibledesde cualquier punto de la Tierra, ofreciendo un gran alcance deseñal. Aunque no todas las frecuencias de señal pueden servir para latransmisión a través de la misma. La señal se comportará de formadistinta según la frecuencia y el ángulo de incidencia en la ionosfera.Sin embargo, la ionosfera no es homogénea en propiedades a lo largode toda su longitud, por lo que distinguiremos en ella una serie decapas según sus propiedades:

• Primera capa: de 60 a 90 km, la cual refleja las frecuencias bajas yatenúa las frecuencias altas y medias.

• Segunda capa: de 90 a 130 km, puede provocar interferencias, suacción es variable en las señales de HF, según esté en el día o lanoche el alcance de las mismas varía.

50


• Capa tercera: de 150 a 250 km, existe únicamente durante unashoras al día, por la noche, esta capa se une con la cuarta capa. Es unacapa de paso, esto es, las ondas no suelen reflejarse en ella, sino quela atraviesan.

• Cuarta capa: de 300 a 450 km, es la capa reflectora de las señalesde HF. En la propagación ionosférica se establece una zona de sombracuando deseamos ampliar la cobertura de la señal, esta zona desombra habrá que tenerla en cuenta cuando deseemos llegar adistancias mayores.

PROPAGACIÓN ONDAS DE RADIOInfluencia de la frecuencia en la propagación

Las señales radioeléctricas de alta frecuencia (longitud de onda corta) tienen buenas posibilidades de penetrar en la ionosfera e incluso atravesarla, llegando a puntos más altos que las de baja frecuencia.

Las de baja frecuencia (longitud de onda larga) pueden llegar a la ionosfera y ser reflejadas en un punto más o menos alto, dependiendo de la frecuencia.

Por lo tanto, utilizando señales de alta frecuencia conseguiremos un alcance más grande, ya que su reflejo se realiza a alturas mayores.

Por otra parte, como la ionosfera se encuentra a menor distancia de la Tierra durante el día y a mayor durante la noche, la misma emisión, si el ángulo de incidencia lo permite, y a igual frecuencia, consigue un alcance y aprovechamiento mayor.

51

PROPAGACIÓN ONDAS DE RADIODesvanecimiento o fading

Los niveles de potencia recibida no son homogéneos, aunque muchasveces teóricamente se consideren como si lo fueran para simplificar losmodelos. En realidad, fluctúan “alrededor” de un valor medio calculado.

PROPAGACIÓN ONDAS DE RADIODesvanecimiento o fading

Estas variaciones de potencia de señal recibida son aleatorias, ydependen del tiempo atmosférico, de las reflexiones, de la refracción,de la difracción,…Para calcular la predicción de desvanecimiento habitualmente seutilizan modelos probabilísticos, que nos dan una estimación de lasvariaciones de señal que pueden producirse en un trayecto dado. Lascaracterísticas de los desvanecimientos son variadas:

• Probabilidad:• Dependencia del tiempo:• Mecanismo de desvanecimiento: esto es, el elemento que produceesta serie de desvanecimientos en la señal.• Espectro: ya que el desvanecimiento puede afectar a todos losvalores de frecuencia o únicamente a algunos.• Profundidad: el desvanecimiento, además de su frecuencia, tambiénse valora según sus pérdidas de señal, las cuales se indican endecibelios (dB).

52

CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE RADIOCOMUNICACIONES

UD1. CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE ...profesores.sanvalero.net/~arnadillo/Documentos/Apuntes...MAGNITUDES...

Documents

Transcript of UD1. CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE ...profesores.sanvalero.net/~arnadillo/Documentos/Apuntes...MAGNITUDES...