Monografía de Radio enlace Digital (página 2)

Podemos plantear que como Problema Científico será: Hacer un análisis de la factibilidad del empleo de un RED, así como el cálculo de dicho enlace determinando los parámetros energéticos de los Transmisores y Receptores, teniendo en cuenta las influencias que el medio de propagación ejerce sobre la onda de radio en el trayecto.

Como Objeto de Estudio nos referiremos a: Analizar la factibilidad del empleo de un RED, frecuencias de trabajo a utilizar de acuerdo a las necesidades, determinación del perfil del terreno, sus características y la influencia de los mismos en el trayecto de radioenlace, despeje de la zona de Fresnel, así como el cálculo de los parámetros dados en particular los del Receptor a utilizar.

Nuestro Campo de Acción se centrará en la investigación y desarrollo matemático para poder desarrollar todos los cálculos referentes a un RED.

Las Tareas Científicas a desarrollar son las siguientes:

Estudio y análisis de la factibilidad de establecimiento de un RED entre dos localidades.

Valoraciones de las características del terreno y las condiciones de propagación, así como la determinación de las zonas de Fresnel a partir del trazado del perfil del terreno.

Cálculo de los parámetros energéticos de la estación de RED para las condiciones de propagación.

Diseño y proposición del enlace por un RED.

Como Hipótesis nos plantearemos: Con el diseño del enlace por un sistema de RED la determinación de la factibilidad de su empleo y su realización práctica posibilita el aumento de las vías y los canales de comunicación disponibles y por consiguiente el aumento de la estabilidad del servicio, además con el objetivo de preservar para tiempos de contingencia los medios técnicos tales como: el cable coaxial, la fibra óptica y el cable multipar con el equipamiento que estos tienen asociados.

De acuerdo a lo expuesto anteriormente podemos plantear que los resultados que se esperan.

Económicos: Además de la ampliación de las vías de procesamiento de la información y la rapidez de su Transmisión mediante los soportes digitales, el ahorro de tiempo, fuerza laboral y divisa libremente convertible por concepto de importación, reparación y mantenimiento de los sistemas empleados por cable una vez preservados.

Sociales: El aumento de los canales e comunicación destinados a la población.

Militares: La preservación de los medios de comunicaciones por cable de diferentes tipos y su estado de conservación técnica para su empleo en tiempos de contingencias, mayor operatividad al disponer de varios vías de comunicación incluyendo reservas de mayor fiabilidad en cuanto a poder utilizar soportes digitales de alto nivel de codificación.

Tema General

Realizar el cálculo de la Potencia en el Receptor realizando el Perfil del Terreno.

Para realizar este nos auxiliaremos de desglosar en varios pasos el tema hasta llegar finalmente a determinar la Potencia en el Receptor que es nuestro objetivo.

1er Paso: Breve descripción del terreno en el cual se trabajará.

El enlace entre los puntos seleccionados Guanajay y Quivicán cubre una distancia de 35Km, por este enlace se podrán transmitir señales de audio, video y datos si fuera necesario, escogimos ese trayecto puesto que las características del relieve en esta zona el cual es predominantemente de baja altura sobre el nivel del mar ayudando a este un diseño del enlace menos costoso.

Datos:

• Frecuencia para la cual trabajaremos el diseño es de 13Ghz.

• Velocidad de transferencia será de 34Mbits/s.

• Utilizaremos antenas de tipo parabólicas y con una ganancia de 35dBi.

• Contará con una Potencia en el Transmisor de 800mW.

• Sensibilidad de los equipos Receptores será de -80dBm.

• Longitud del enlace será 35Km.

• Puntos a conectar:

• Guanajay=100m. (Altura sobre el nivel del mar)

• Quivicán=40m. (Altura sobre el nivel del mar)

2do Paso: Realización del perfil para el terreno.

3er Paso: Determinación del Radio de la 1ra Zona de Fresnel.

3er Paso: Determinemos H para un 70% de liberación de la Zona de Fresnel.

H>0,577R1 para trayecto abierto y para tener margen de seguridad se liberará el 71% de la 1ra Zona de Fresnel.

Para que sea liberado el 71% de la 1ra Zona de Fresnel la altura de las antenas quedaría:

Altura antena Tx=40m. (Guanajay)

Altura antena Rx=35m. (Quivicán)

4to Paso: Determinación de las diferentes atenuaciones.

• Atenuación en el Espacio Libre mediante la determinación del Balance Energético.

Esta es la pérdida en el espacio libre, la atenuación de la línea será 0,02dB/m y por lo tanto asumiendo un largo de las líneas a utilizar entre Receptor y Transmisor de 105m se tiene que habrá una atenuación de 2,1dB.

• Atenuación por Vapores y Gases.

• Atenuación debido a la lluvia.

Con Polarización Vertical calculando para el 0,01% del tiempo y asumiendo una zona H se obtiene R=32mm/h, determinemos los coeficientes KH y donde se obtiene:

La atenuación sería entonces:

Longitud Efectiva.

• Pérdidas Totales.

5to Paso: Determinación de la Potencia en el Rx.

Asumiendo que la Sensibilidad del Rx es (-80dBm), pues entonces el enlace se establecerá bajo las condiciones impuestas y con una Potencia del Tx incluso menor que la supuesta. Además teniendo en cuenta que -80dBm es un valor típico de Sensibilidad:

Analicemos la flecha para dos valores diferentes de K, y mediante la siguiente expresión:

Se obtiene este valor paras la flecha teniendo el punto crítico a 9Km del Tx, como resultado de la anterior consideración para el valor de , la altura del punto más crítico se afecta por un desplazamiento , obstruyendo de esta forma más del 57,75% de la 1ra Zona de Fresnel. Esto conlleva a tener que variar la altura de la antena Receptora, manteniendo constante la altura de la antena Transmisora, lo cual se muestra en el papel de para que se libere el 71% de la 1ra Zona de Fresnel, para se necesitará una altura de 60m.

Tema Específico

Análisis de la factibilidad de un Radio enlace Digital a partir de un conjunto de datos.

En la actualidad se han desarrollado ampliamente los sistemas de radioenlaces digitales debido a las siguientes razones:

• La relativa simplicidad del diseño de los circuitos digitales y la facilidad de aplicación de la técnica de circuitos integrados tales como microprocesadores a la circuitería digital.

• El incremento en el uso y disponibilidad de las técnicas de procesamiento digital como la conmutación digital.

• La amplia difusión del uso de las computadoras digitales para manejar todo tipo de datos.

• La posibilidad de las señales digitales de su codificador para minimizar los efectos de ruido y la interferencia.

Muchos desarrollos en el campo de las comunicaciones han contribuido al reciente crecimiento de las aplicaciones de los sistemas de microondas digitales, dichos desarrollos se basan en la rapidez de incremento de la cantidad de tráfico telefónico que puede ser transportado de manera eficientemente y de forma económica por métodos digitales, la demanda de nuevos servicios tales como facsímil, televisión digitalizada, datos de alta velocidad, mayor eficiencia espectral de alta frecuencia mediante la mezcla de datos, tráfico de voz digitalizada y la apertura de nuevas bandas por encima de los 10Ghz los cuales son más apropiados para métodos digitales que por procedimientos analógicos. (Por regeneración)

En dependencia de la configuración del sistema la capacidad y la longitud, los sistemas de radioenlace digitales son frecuentemente más económicos que las nuevas facilidades de Transmisión por Fibra Óptica o Satélites.

La factibilidad del empleo delos radioenlaces digitales entre otros está dada por un grupo de ventajas:

• La transmisión es casi independiente del número de Repetidores, es decir, de la longitud del sistema.

• Facilidades de acoplamiento del radioenlace digital con la fibra óptica, satélites digitales, sistemas de cables con las centrales digitales entre otros.

• La posibilidad de transmisión eficiente y simultánea de fuentes de información digitales, voz digitalizada, televisión digitalizada y otras fuentes analógicas, las cuales han sido convertidas a un formato de transmisión digital.

• Sobre los 10Ghz se requieren muchos Repetidores.

Las técnicas de modulación digital tienen Repetidores regenerativos y son más apropiados que su contraparte analógica, es decir, que usando Repetidores regenerativos de radio el ruido no se acumula y entonces aún cuando exista un gran número de Repetidores de Radio la calidad de la transmisión es muy buena, no siendo así en un sistema analógico donde el ruido acumulativo se incrementa debido al gran número de Repetidores.

Por otro lado la tendencia actual es incrementar la eficiencia espectral y la economía utilizando modulaciones de más niveles, mejorando la información del espectro utilizando procesos de ecualización y códigos autoconectivos, además se presenta la posibilidad de operar estos nuevos sistemas con polarización cruzada por radiocanal, con lo cual se obtiene una utilización del espectro de radiofrecuencias sensiblemente superiores.

El papel de los radioenlaces digitales en las redes de transmisión es significativamente positivo, todo lo cual depende del logro de importantes objetivos como son:

• La disminución de los costos en comparación con la transmisión por cable.

• Proporcionar la capacidad de transmisión requerida con otro aprovechamiento de las bandas tradicionales o explorando las superiores a los 10Ghz.

Si nos remitimos a las Recomendaciones de la UIT-R F-754 sobre los sistemas de radioenlaces destinados a comunicaciones interurbanas del tipo digital se señala: ¨La calidad de Transmisión de un sistema digital se expresa por la proporción de bits erróneos ¨, la UIT-T no ha fijado aún los valores admisibles de la propagación de bits erróneos y en la Recomendación de la UIT-R F-634 se señala la forma en que se especificaría la proporción de errores de un sistema digital de radioenlaces y cuales son los objetivos de proporción de errores para los sistemas de larga distancia, de estos objetivos y de las características de un sistema digital se desprende que lo más importante es la proporción de errores más alta (Que defina la ¨Interpolación¨ del sistema) que puede rebasarse en pequeños porcentajes de tiempo.

La proporción de errores admisibles que se puede rebasar durante pequeños porcentajes de tiempo se determina sobre la base de la disponibilidad del sistema requerido, los valores dados para los circuitos de larga distancia en la Recomendación de la UIT-R F-634 pueden también utilizarse como guía para obtener los valores admisibles de la proporción de bits erróneos y los porcentajes de tiempo correspondientes a circuitos de hasta 250Km.

Dadas las condiciones favorables en lo que concierne al desvanecimiento, los sistemas digitales de radioenlace pueden en ciertas regiones ser diseñados para una atenuación mayor por tramo que los sistemas analógicos correspondiente en los que el parámetro predominante es la potencia media de ruido y por otro lado, los efectos de las reflexiones laterales que en un sistema analógico pueden producir un ruido de intermodulación relativamente elevado suelen ser despreciables en los sistemas digitales.

En los sistemas digitales con Repetidores que regeneran los sistemas digitales, la degradación de la calidad de transmisión causada por el aumento del número de vanos se traduce en una acumulación de bits erróneos y no en una acumulación de la potencia de ruido, la proporción de bits erróneo de todo el sistema de radioenlaces regenerativo puede mejorar de forma considerable si se aumenta ligeramente la relación portadora/ruido.

Los sistemas de Radioenlaces Digitales permiten establecer económicamente circuitos interurbanos de 250Km o más de longitud que cumplen los objetivos especificados en las Recomendaciones de la UIT-R-F 594 en materia de calidad de funcionamiento, ahora si bien es difícil prever las necesidades a largo plazo respecto a enlaces interurbanos en los países en desarrollo, la elección de la capacidad de un sistema debe asegurar la rentabilidad óptima basados en tales premoniciones, una instalación inicial de un equipo será antieconómica si su capacidad es mayor que las necesidades futuras y por otra parte la sustitución de un sistema más pequeño instalado inicialmente cuando sea inadecuada su capacidad, estaría entonces justificando instalar un sistema de capacidad superior y el equipo inicial se podrá destinar a otro enlace de poco tráfico. Por todo lo planteado anteriormente conviene entonces utilizar equipos de estado sólido para reducir la potencia requerida y simplificar los mantenimientos y los circuitos de estado sólido permiten reducir las dimensiones de los aparatos utilizados, sin embargo, esta reducción no debe efectuarse si va en detrimento de la confiabilidad del servicio y de la facilidad del mantenimiento.

Tema Investigativo

Técnicas de Medición.

Para que y porque medir.

Dentro del amplio y extenso espectro de las actividades que de alguna manera tienen que ver con dispositivos de medición, no es extraño encontrar personas que aún no tienen una idea clara de la importancia de la necesidad de medir.

En algunos casos -Pocos por suerte- se llega incluso a pensar que medir es un gasto o un costo innecesario, actitud ésta que poco tiene que ver con los tiempos en que vivimos, con el desarrollo social y tecnológico alcanzado y con la necesidad de considerar a nuestros semejantes en cuanto a su protección personal, sus bienes y en general con el patrimonio de la comunidad.

Quien ha tenido la oportunidad de transitar por el campo de las mediciones, independientemente de la especialidad o disciplina de la ciencia y la técnica donde se haya desempeñado, en su gran mayoría le queda bastante claro que medir es aprender, es seguridad, es eficiencia y es desarrollo.

Medir es Aprender: Si establecemos a modo de semejanza que el proceso de medición y el resultado final, el valor medido, es un medio de ampliar y complementar la capacidad sensorial del hombre y que esta capacidad está asociada con su actividad cerebral, podemos decir que medir es aprender, continuando con este razonamiento que medir es aprender o adquirir el conocimiento de alguna cosa, llegamos al saber que es conocer dicha cosa y por lo tanto, entramos en una secuencia de acontecimientos vinculados entre sí que conducen al mejoramiento y constante crecimiento de nuestro entendimiento o dicho de otra manera inteligencia. Los parámetros básicos necesarios para adoptar la línea de trabajo más idónea y así alcanzar el objetivo o fin propuesto en un proyecto, inevitablemente en la mayoría de los casos involucra una o varias mediciones y el conocimiento de la necesidad de medir, de sus aspectos técnicos, del instrumental utilizado y su estado de conservación va a depender en gran parte del éxito o del mayor o menor contenido de desaciertos que indudablemente van a influir en los costos finales del proyecto y de la calidad del mismo. Como resultado del proyecto vienen las obras, construcciones, procesos, etc. y junto con éstas las necesidades de realizar controles y verificaciones a los efectos de comprobar que todo se desarrolla dentro de lo previsto y de acuerdo con las normas y regulaciones vigentes

A modo de ejemplo, en el caso del control de voladuras se dan circunstancias en particular donde los trabajos que se realizan mediante el uso de explosivos se desarrollan en zonas alejadas de poblaciones y en algunos casos en zonas inhóspitas, es real que en este tipo de lugares las perturbaciones, tanto sean del tipo onda aérea o su equivalente a través del suelo, el margen de error es amplio y salvo consideraciones relacionadas con los aspectos propios de la obra, la ecología y conservación del medio ambiente y las relacionadas con la seguridad en el uso de explosivos en todos sus aspectos, podemos decir que prácticamente no hay restricciones, por ello en esta situación podríamos pensar que el uso de instrumental, en este caso sismográfico, no sería necesario y de alguna manera un gasto de difícil justificación pero aun así, no está todo dicho. En estos tiempos, donde las oportunidades de trabajo no son abundantes y sumado a esto, la competencia es cada vez mayor, salvo en casos excepcionales hay que estar en la búsqueda de nuevas oportunidades, nuevas obras y éstas pueden estar en zonas urbanas o lugares alejados donde se encuentren distintos tipos de instalaciones o bien en lugares apartados en presencia de instalaciones eléctricas, sanitarias, telefónicas, conductos en general, etc. o lo que es más complejo aun, un lugar donde existan una combinación de las situaciones anteriores.En estos casos, el control de la voladura es crítico aquí el conocimiento de las técnicas de medición y donde medir, el conocimiento del instrumental a usar y el conocimiento previo de los límites de seguridad a cumplir son fundamentales, demás está decir que un error en estas situaciones puede llevar a consecuencias muy serias con resultados y costos de difícil evaluación.Volviendo a lo expresado anteriormente que no todo estaba dicho, donde se podría pensar que el uso de instrumental, en este caso sismográfico no sería necesario y un gasto de difícil justificación, encontramos una gran oportunidad: La de ajustar nuestros métodos y técnicas, la de estudiar y comprender más acertadamente el resultado de nuestras mediciones, la de corregir errores, la de optimizar los trabajos que estamos realizando mejorando su desarrollo y perfil de costos, etc., todo esto en un medio del que podemos disponer, sin mayores consecuencias de límites más amplios en los desvíos que pudiéramos cometer e iniciar las acciones para su correspondiente corrección.

Medir es Seguridad: Al transcurrir el tiempo, las sucesivas mediciones suministran una valiosa información permitiendo desarrollar proyectos más acertados, mejorar costos y satisfacer mejor las necesidades del cliente.Detrás de cada proyecto y de cada obra lo que se termina ofreciendo es seguridad, seguridad en el cumplimiento de la obra en los plazos establecidos, seguridad que los trabajos se realizan de acuerdo con las mejores reglas del arte y de la técnica, seguridad de disponer de los correspondientes registros de lo medido que documenten lo realizado durante los trabajos ante requerimientos o necesidades para posteriores proyectosMedir es Eficiencia: Las mediciones acertadas y en el momento oportuno evitan costos innecesarios y conducen hacia direcciones más correctas en el desarrollo de las tareas facilitando la toma de decisiones, tanto en el proyecto como durante la marcha de las obras o de los procesos involucrados.Medir es Desarrollo: No es muy desacertado pensar que el desarrollo de la humanidad está en cierta forma relacionado con los avances en materia de mediciones, muchos fenómenos serían imposibles de analizar y por consiguiente de estudiar, si no existiera algún medio para observarlos o medirlos en el terreno de la investigación, por ello es permanente la búsqueda por encontrar nuevos sistemas o medios que permitan observar, registrar y relacionar con alguna magnitud de medición el objeto bajo estudio.Por todo lo dicho anteriormente podemos decir que muchas de las decisiones desde las más sencillas y domésticas, hasta las más complejas dentro del ámbito de la ciencia y la tecnología han sido y son posibles de tomar debido a la existencia de información aportada por quienes tienen presente la importancia de medir.

Mediciones de Parámetros.

Las mediciones de parámetros de los sistemas digitales de radio ya sean en laboratorio, durante la construcción en fábrica o en la instalación y puesta en operación, es una de las tareas más importantes de la ingeniería de transmisión digital, dichas mediciones pueden ser ejecutadas sobre prototipos pero también son de extrema importancia en los sistemas más sofisticados como es el caso del monitoreo continuo de la operación de complejos sistemas de microondas digitales.

Aquí describiremos solamente algunas de las técnicas más importantes de medición de la operación de los sistemas digitales y para este fin se supondrá que poseemos familiaridad con las técnicas de medición convencionales utilizadas en los sistemas de comunicaciones analógicos.

Desafortunadamente muchos ingenieros practicantes y estudiantes del campo de la transmisión digital no estudian cuidadosamente las capacidades y limitaciones de los instrumentos de medición; como resultado ocurren serios errores frecuentemente en las mediciones.

Técnicas de medición en laboratorio y mediciones para las pruebas de aceptación

Los bloques principales de tres Transmisores y Receptores de microondas digitales se muestran en la figura 1, donde el canal medido tiene una frecuencia central f0 y las frecuencias centrales de los canales adyacentes son de f0+f y f0-f.

Figura 1. Configuración de prueba de un sistema de microondas digital.

Todos los transmisores de radio son excitados por generadores de secuencia binaria pseudo-aleatoria (PRBS) independientes a la misma velocidad fb, si la longitud de la secuencia binaria de estos generadores es suficientemente larga, ellos simularán satisfactoriamente el tráfico real aleatorio (En las mediciones, en el laboratorio o en la fábrica, las antenas Transmisoras y Receptoras no son parte del conjunto de prueba), las condiciones de desvanecimiento que son características de un radiocanal, la interferencia y el ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN) en los primeros pasos de los Receptores se simulan por niveles externos variables del generador AWGN y generadores sinusoidales los cuales se agregan al canal medido, los efectos de la interferencia de canal adyacente y la interferencia co-canal (CCI), sobre los parámetros de operación de un sistema digital se evalúan por medio de la inserción de atenuadores variables en los canales adyacentes con el objetivo de evaluar los efectos de señales moduladas y no moduladas (CCI) sobre la BER y el efecto "jitter" en el sistema, para ello se requiere un oscilador sinusoidal en el conjunto de mediciones de la figura 1; además también se requiere un transmisor de radio que tenga la frecuencia central que caiga dentro del ancho de banda del radiocanal deseado a medir.

Los efectos del ruido sobre la operación en la fase del sistema, además de las imperfecciones en los parámetros de la portadora y en la recuperación de la temporización de los símbolos (CR y STR) se extrapolan de los resultados medidos.

Para obtener los resultados de un oscilador como portadora de referencia no modulada y una señal de temporización o reloj de referencia a una velocidad de fb, ambas se alimentan directamente al circuito demodulador, estas mediciones "back-to-back" son posibles si el "jitter" y el oscilador de referencia libre de ruido están disponibles en el extremo Receptor, donde este es el caso de las pruebas de aceptación en fábrica de los sistemas de radio pero en un sistema instalado, donde el Transmisor está separado del Receptor en varios km y es dificultoso la generación de señales de referencia libres de ruido.

Los efectos de las No-Linealidades del amplificador de RF tales como la conversión AM-AM y AM-PM, así como el efecto de la abertura espectral en frecuencias sobre el parámetro BER, se evalúan frecuentemente con un conjunto de mediciones como el de la figura 1, la fuente de datos PRBS y el Detector de BER que se muestran en las figuras 1 y 2 tienen el siguiente principio de operación:

Figura 2. Mediciones de BER con un "SCRAMBLER" y un "DESCRAMBLER".

El haz de datos binarios D1 se agrega a una compuerta OR exclusiva del haz binario R1 donde este haz binario se ha obtenido de una combinación predeterminada de n bits en un registro de desplazamiento y un conjunto de coeficientes C1, C2, ……,Cn para los cuales toman los valores de 0 a 1 y entonces cuando el haz de bits pseudo-aleatorios R1 se agrega al haz de datos de entrada D1 se obtiene un haz de datos con "Scrambler" S1 , este haz alimenta al transmisor digital de radio y dicho Receptor digital regenera los datos y los entrega a la entrada del "Descrambler" el cual es auto-sincronizado, como se muestra en la figura 2 teniendo la misma estructura que el "Scrambler", es decir, entrega a su salida el haz de datos D1 igual al transmitido suponiendo que no hay errores en la transmisión, ahora si debido al ruido, interferencia o cualquier otra causa ocurren errores en la transmisión entonces a la salida ocurrirán hasta k+1 errores, donde k es el número de posiciones de realimentación del registro de desplazamiento de longitud máxima de n bits, el contador de errores debe acumularlos en un intervalo lo suficientemente largo del tiempo para que muestre un estimado lo más real posible del valor verdadero de la probabilidad de error y así el número total de errores acumulados se divide por k+1 veces el número total de bits transmitidos y el resultado se muestra como la probabilidad de error del sistema Pe.

Como es sabido además de las especificaciones de la BER, Pe, un abonado requiere conocer los segundos libres de errores y los intervalos libres de errores en ambos promedios, estos parámetros se obtienen por la inclusión de un contador de eventos y un registrador del tiempo al conjunto de mediciones de la figura 2.

La BER y los segundos libres de errores son parámetros finales del sistema, esto es, ellos frecuentemente no dan una visión de los problemas de "Hardware" del sistema o sus degradaciones graduales ya que luego las mediciones efectuadas del diagrama de ojo recibido, pueden brindar una idea de los problemas del sistema y son una ayuda para la detección de fallos en la operación, un monitor de diagrama de ojo sencillo se muestra en la figura 3.

Figura 3. Medidor de abertura del Diagrama de Ojo.

Este monitor brinda mejor resolución del diagrama de ojo recibido que el "Display" convencional de un osciloscopio y el amplificador de control automático de ganancia (AGC), el demodulador, el LPF (filtro pasa bajo) del Receptor, regenerador de datos y el convertidor de datos, representan un diagrama en bloques simplificado de un Receptor coherente, el amplificador AGC entrega un nivel de entrada constante de FI al demodulador y entonces el nivel de señal de banda base es independiente del desvanecimiento u otras variaciones de la portadora.

Los n Detectores de umbral entregan un estado lógico "1" de salida, si en los instantes de muestreo la señal recibida más las muestras de ruido exceden sus correspondientes niveles de umbral preseleccionados, el procesador de la lógica, en dependencia del algoritmo lógico adoptado entrega la información del valor pico o efectivo de la abertura del ojo.

Este monitor digital del diagrama de ojo relativamente simple brinda la capacidad de monitorear el diagrama de ojo y mostrarlo automáticamente en un "Display" de un sistema en servicio, para propósitos de monitoreo del estado del sistema, de la diversidad o de la conmutación, el valor numérico indicado en el "Display" es muy representativo.

En la mayoría de los sistemas digitales de radio es necesario que el Transmisor esté en cascada a la salida del regenerador en los repetidores, donde la BER se acumula de salto a salto y entonces la probabilidad de error total del sistema es n veces la probabilidad de error de cada salto y n es el número de saltos (En realidad la probabilidad de error total del sistema es la suma de las probabilidades de error de cada salto porque no son iguales exactamente cada una), esto es verdadero en un sistema severamente afectado en banda si el efecto "jitter" efectivo y pico a pico están dentro de un 10% a un 20% de la duración de los bits.

Un conjunto de mediciones para la evaluación del efecto "jitter", en una cascada de transmisores digitales y repetidores regenerativos se ilustra en la figura 4, donde el contador de frecuencia localizado a la salida del último Receptor cuenta el número de cruces por cero de la temporización recobrada, este proceso se repite para un número de posiciones diferentes del pulso de temporización libre de "jitter".

La teoría de operación del medidor de "jitter" se muestra en la figura 5.

Figura 4. Conjunto de medición de "jitter" que requiere un reloj de referencia libre de "jitter".

Figura 5. Mediciones de "jitter" con el medidor de este efecto esquematizado en la figura 4.

Cuando un pulso de reloj muestreado está en una posición xj menor que x0 entonces no hay entrada lógica simultánea en la compuerta AND de la figura 4 y entonces por este desfasaje no hay respuesta en el contador de frecuencias, de otra forma cuando la muestra está situada en xj mayor que x1 entonces el reloj muestreado y la señal con "jitter" tienen lugar simultáneamente, de manera que para este desfasaje el contador de frecuencias cuenta todos los pulsos de reloj, lo cual muestra la frecuencia de los pulsos.

El "jitter" pico a pico es igual a (x1–x0), esto corresponde con una diferencia de fase en el tiempo de dos instantes en los cuales el contador de frecuencias empieza a contar y cuando comienza a contar todos los pulsos de reloj, dividiendo el número acumulado de cruces por cero por la frecuencia de reloj, se obtiene F(xj), es decir, la función de distribución de probabilidades del "jitter", la función densidad de probabilidad del "jitter" f(xj) de la figura 5 se obtiene de F(xj) por:

Ecuación 1.

En la ecuación 1, xj es el instante de tiempo del correspondiente cruce por cero, el "jitter" efectivo simbolizado por Jrms se calcula por:

Ecuación 2

Donde el instante medio en la ecuación 2, está dado por:

Ecuación 3

En el método descrito se ha mostrado como medir y compactar con la ayuda de un medidor simplificado el "jitter" pico a pico, las funciones de distribución y densidad de probabilidad de una señal con "jitter" y el "jitter" efectivo, este método se aplica a una gran variedad de señales variables aleatorias.

La dificultad de éste método solamente consiste en que requiere un reloj de referencia libre de "jitter" en el extremo Receptor.

Mediciones de BER y efecto "jitter" para los sistemas en servicio

La medición más poderosa en servicio de la BER es la técnica de monitoreo de los pseudo-errores, ahora revisemos el método de medición de la BER para los sistemas fuera de servicio y describiremos la teoría de los Detectores pseudo-errores y su aplicación en el monitoreo de la operación en servicio de los sistemas de radio digitales.

La evaluación de la probabilidad de error de un sistema digital de radio que no está en operación (Fuera de servicio), se hace con un patrón de prueba pseudo-aleatorio predeterminado y conocido de antemano, el cual se transmite a través del radiocanal, el instrumento de medición del Receptor calcula la probabilidad de error al comparar los bits recibidos con una réplica almacenada del patrón de bits transmitidos, ahora la dificultad principal asociada con esta técnica de medición simple, es que no se usa para evaluar la operación de un sistema en servicio que trafica el haz de datos desconocidos del abonado, el tráfico tiene que ser interrumpido para ejecutar esta prueba del sistema, la duración requerida de la medición puede ser excesivamente larga, por ejemplo, para evaluar una BER de 10-9 de un haz de datos de 10Mbits/seg y suponiendo un estimado estadísticamente satisfactorio al menos 10bits erróneos se cuentan y la medición dura aproximadamente 20minutos y esto no es práctico para un radiocanal con desvanecimiento donde el resultado de la medición en servicio de la BER sirve para el control principal de la señal del equipo de protección por conmutación.

Para aumentar la rapidez del tiempo de evaluación, los Detectores pseudo-errores utilizan una trayectoria de datos secundaria además de la trayectoria principal, la implantación del Detector de pseudo-errores en un circuito demodulador QPSK a 40Mbits se muestra en la figura 6.

Figura 6. Realización del detector pseudo-errores por modificación del filtraje.

El canal en fase (Canal I) y el canal en cuadratura (Canal Q) alimentan los demoduladores de símbolos binarios de fs=20MBauds con sus correspondientes regeneradores de datos a la salida, en este ejemplo se supone que el filtraje en el extremo Receptor se ejecuta exclusivamente por medio de filtros pasa bajos de post-modulación para una velocidad de los datos de 40Mbits/seg (20MBauds) el mínimo ancho de banda del filtro pasa bajo LPF1 es de 10Mhz y si la relación S/N a la entrada del regenerador es de 15dB entonces la BER de los datos es de 10-8.

En la trayectoria secundaria de los datos, un aislador ("Buffer") se inserta para evitar la carga de los datos del trayecto principal y a la salida del "Buffer" existe un filtro pasa bajo LPFp, el cual se diseña para tener un ancho de banda de ruido tan grande como el doble que el ancho de banda del filtro LPF y la potencia de señal demodulada a la salida de los filtros LPF y LPFp es aproximadamente la misma, estas potencias de señal son iguales dentro de 0,6dB si uno de los filtros y el otro conjuntamente con el amplificador "Buffer", tienen la misma pérdida de inserción, suponiendo que el ruido blanco aditivo gaussiano es solamente la causa del mecanismo generador de errores, la potencia de ruido a la salida del filtro LPFp será 3dB mayor que la salida del filtro LPF (Esto ocurre porque el AWGN tiene una densidad espectral constante y la potencia total de ruido está directamente relacionada con el ancho de banda del filtro), entonces en este caso la relación (S/N)p en la trayectoria pseudo-error es igual a 15dB-3dB=12dB y esta relación corresponde a una probabilidad de error Pep de aproximadamente 10-5.

En un sistema en operación (S/N), (S/N)p, Pe, Pep, son cantidades desconocidas y luego la idea ingeniosa de que el circuito de pseudo-detección use una compuerta OR exclusiva (XOR), permite obtener así un número el cual es directamente proporcional a la BER desconocida del sistema en operación, la compuerta OR exclusiva tiene la siguiente tabla de verdad:

Tabla 1. Ley combinatoria de la compuerta XOR.

Si Pe y Pep son ambas cero (10-8 ), entonces los mismos datos están presentes en ambas entradas de la compuerta XOR, entonces en este caso la salida de la compuerta XOR es continuamente cero, ahora si los errores en la trayectoria de los datos no ocurren simultáneamente con los errores en la trayectoria del pseudo-generador, entonces de la salida de la compuerta XOR aparecerá un estado unitario cuando hay un error en solo una de las dos trayectorias, en nuestro ejemplo la trayectoria pseudo-error tiene Pep=10-5 y por consiguiente la BER es 103 veces mayor que la BER de 10-8 de la trayectoria de datos principal, entonces la salida de la compuerta XOR brindará un estado lógico "1" a una frecuencia la cual es directamente proporcional a Pep-Pe Pep (Es decir 10-5-10-810-5 ).

Para finalizar veamos las técnicas de medición del efecto "jitter" en servicio, en la figura 4 se analizó un conjunto de mediciones simple del efecto "jitter" este conjunto es recomendado para mediciones en laboratorio y en pruebas de aceptación en fábrica, pero no es apropiado para mediciones en el campo donde la distancia entre los saltos consecutivos prohíbe la obtención económica de una portadora separada para el reloj de referencia libre de "jitter", en este método simple el generador PRBS de la figura 4 puede ser reemplazado por la fuente de tráfico de los abonados en servicio y entonces el problema principal de las mediciones en servicio del efecto "jitter" es el de generar un reloj de referencia libre de "jitter" en el extremo Receptor o encontrar un método alternativo por el cual se pueda estimar el "jitter" del sistema aún cuando no esté disponible un reloj libre de "jitter", es por ello que veremos así métodos alternativos, aún cuando son más dificultosos de realizar que el método empleando el reloj de referencia libre de "jitter" en el extremo Receptor, sin embargo, puede no resultar la mejor variante pero la importancia de las mediciones en servicio del efecto "jitter" en los sistemas de microondas digitales quedó esclarecido en la figura 1 y entonces el diseñador en estas condiciones no puede asegurar que su efecto "jitter" está dentro de las especificaciones establecidas.

Cuando un equipo digital de radio abandona la plataforma de producción de cualquier fabricante respetable, tendrá su "jitter" dentro de las especificaciones, después de la instalación es posible que el equipo se desajuste, las variaciones de la temperatura, la humedad, cualquier tipo de ruido o interferencia, la edad de los componentes o cualquier otra causa, pueden ser tales que el "jitter" de extremo a extremo se torne excesivo pudiendo ser excesivo solamente durante cierto período de tiempo en el día, mientras que a otras horas la BER del sistema no se degrada notablemente y entonces pueden no notarse las afectaciones.

Si se supone que aún con el mejor equipo, una degradación variable en el tiempo es una posibilidad real entonces puede ser peligroso suponer la disponibilidad de una señal de referencia libre de "jitter", por ejemplo, en un sistema radio digital a 400Mbits/seg, puede ser dificultoso obtener un reloj de referencia libre de "jitter" para propósitos de medición, la duración de un bit es de 2,5seg (2,5×10-9 seg) entonces una señal de referencia libre de "jitter" debería tener un "jitter" el cual sea al menos 10 veces más pequeño que la duración de los bits esto es 0,25seg, por lo que debe ser difícil tener un monitor en servicio para asegurar que la referencia libre de "jitter" no exceda los límites especificados, se desprende que para menores velocidades binarias puede ser dificultoso asegurar que la referencia libre de "jitter" supuesta posee esta cualidad todo el tiempo y el principio de una medición en servicio del efecto "jitter" que no requiere una referencia libre de "jitter" se ilustra en las figuras 7 y 8, método desarrollado por el Dr. Kamilo Feher.

Figura 8. Conjunto de mediciones en servicio de "jitter".

Figura 9. Diagrama en el tiempo de un reloj y de un pulso de forma estrecha ambos con "jitter".

El reloj regenerado CJ tiene un "jitter" en servicio desconocido, este se abre en dos partes; la trayectoria superior tiene un desfasaje fijo que es un múltiplo natural del período de un bits de reloj, el propósito de esta línea de desfasaje fija es la de brindar un reloj con "jitter" a la entrada de la compuerta AND tal que el "jitter" desfasado tenga el mismo valor pico a pico y densidad de probabilidad que el reloj regenerado original CJ, luego debido al gran desfasaje (Típicamente n10) la correlación entre las dos trayectorias del "jitter" es despreciable.

El generador de barrido de muy baja frecuencia automáticamente coloca el desfasaje de la línea de retardo variable a diferentes valores, el efecto de la línea de retardo variable en la posición del reloj con "jitter" y sin é se explica en la figura 8, el resto del la medición en servicio tiene el mismo principio de operación que los descritos para los sistemas fuera de servicio, la única diferencia es que en este método no se requiere un reloj de referencia libre de "jitter" el cual se reemplaza por un reloj de referencia con este efecto que tiene la misma cantidad de "jitter" que el reloj regenerado de este parámetro desconocido y entonces el contador muestra un "jitter" pico a pico el cual es el doble que el reloj con "jitter" desconocido.

En conclusión el ingeniero de sistemas debe tener en mente que en un sistema digital de radio de varios saltos que tenga un gran número de repetidores regenerativos en cascada, hay dos parámetros de operación del sistema los cuales tienen un efecto acumulativo y se degradan a medida que el número de saltos es mayor, los cuales son: el "jitter" y la probabilidad de error (BER), luego es deseable que los sistemas digitales modernos de radio tengan incorporadas facilidades que monitoreen continuamente estos parámetros del sistema.

Aplicación de las técnicas de medición

GPS en tiempo real con precisión centimétrica a levantamientos batimétricos.

La continua evolución de los Sistemas de Posicionamiento Global (GPS) está haciendo posible su introducción, cada vez mayor en aplicaciones topográficas, precisamente una de estas aplicaciones son los levantamientos batimétricos.

Existe gran variedad de métodos para realizar los levantamientos batimétricos, pero sin lugar a dudas el más extendido y utilizado por los profesionales de la topografía, es el método combinado de GPS + Ecosonda Digital, esta última metodología desarrollada, gracias a una alta sincronización Ecosonda-GPS posee una mayor precisión en el levantamiento planimétrico y altimétrico (X, Y, Z, p).