CONCEPTOS GENERALES DE TRANSMISIÓN POR RADIO Definiciones básicas y terminología. Definición de standares radioeléctricos. Gestión de frecuencias. Denominación de las emisiones. Características de propagación. Conceptos generales: PIRE, PRA, G/T Revisión del concepto de balance de enlace. Fórmula de Friis para el enlace. Discriminación y aislamiento de polarización. Modelo energético de un sistema de comunicaciones. Tipos de sistemas radioeléctricos: limitados por interferencia, limitados por ruido. Caracterización del canal radio: distribución estadística, métodos de predicción Distribuciones estadísticas de la propagación radioeléctrica. Métodos empíricos de predicción de propagación Efecto de los meteoros (Transmisión y Propagación)
TERMINOLOGÍA Y DEFINICIONES Definiciones generales Radiocomunicación: Telecomunicación realizada por ondas en espacio a frec< 3000GHz Espacial: hace uso de elementos situados en el espacio Terrenal: distinta de la espacial y la radioastronomía Gestión de frecuencias (gran importancia por la escasez del recurso) Atribución de bandas a servicios (UIT en las Conferencias Internacionales (1)) Adjudicación de frecuencias a los servicios de una banda dentro de una zona (1) Asignación de frecuencias a nivel Administración Local a las estaciones radioeléctricas: frecuencia y banda (anchura necesaria más el doble de la tolerancia en frecuencia) Servicios y modos de explotación Servicios: Móvil son servicios tipo punto-zona o zonales. Fijo son servicios tipo punto-punto Radiodifusión servicios zonales destinados a la recepción por el público general Modo de explotación: símplex (transmite alternativamente), dúplex (transmite simultáneamente), semidúplex (símplex en un punto y dúplex en otro)
CARACTERÍSTICAS DE EMISIONES Parámetros de emisión Clase de emisión: características de una emisión. Anchura de banda: necesaria (aquella que garantiza una calidad y velocidad de transmisión dadas), ocupada (fuera de ella hay un porcentaje .5% de potencia) Tolerancia en frecuencia. Emisiones no deseadas: fuera de banda(su eliminación afecta a la calidad), no esencial Potencia: cresta (PEP), media (Pm), portadora (Pc). Polarización: lineal (horizontal, vertical, oblicua); circular. Parámetros de recepción Intensidad de campo mínima utilizable Relación de protección en RF (relación entre señal deseada e interferente que asegura una calidad en recepción) Parámetros de explotación Zona de cobertura: intensidad de campo mayor de un umbral determinado Zona de servicio: se garantiza al explotador del servicio una relación de protección
BANDAS DE FRECUENCIAS Nº Símbolo frecuencia 4 VLF 3 – 30 kHz 5 LF 30 – 300 kHz 6 MF 300 – 3000 kHz 7 HF 3 – 30 MHz 8 VHF 30 – 300 MHz 9 UHF 300 – 3000 MHz 10 SHF 3 – 30 GHz 11 EHF 30 – 300 GHz 12 300 – 3000 GHz DENOMINACIÓN BANDAS DE FRECUENCIA L 1 – 2 GHz S 2 – 4 GHz C 4 – 8 GHz X 8 – 12 GHz Ku 12 – 18 GHz K 18 – 27 GHz Ka 27 – 40 GHz BANDAS MICROONDAS CUADRO DE ATRIBUCIÓN DE FRECUENCIAS Región I: Europa, Africa, Siberia, Oriente Medio Región II: América del Sur y del Norte Región III: Australia, Sureste Asiático, Pacífico Sur
DENOMINACIÓN DE EMISIONES Anchura de banda necesaria mediante: 3 cifras y una letra que ocupa la posición de la cifra decimal: H (Hz), K (Khz), M (Mhz) y G (Ghz). Ejemplo: 180.4 Khz…….180K 180.6 Khz…….181K 1.25 Mhz……..1M25 Clase de emisión mediante símbolos: Primero: modulación, N (ninguna), A (amplitud), H (BLU), C (BLV), F (freq) Segundo: naturaleza señal moduladora: 0 (ninguna), 1 (canal digital), 3 (analógico), 8 (2 canales multiplex) Tipo de información: D (datos), E (voz), F(vídeo) Cuarto: calidad: J G H N Multiplaje: N F T Telefonía DBL, 6000 Hz, cal. Comercial 6K00A3EJN Telefonía BLU, port. Completa, 3000Hz, cal. Comercial. 3K00H3EJN Radiodifusión FM, calidad estéreo, 256 Khz 256KF8EHF Televisión color, sonido monoaural, vídeo 6.25 MHz 6M25C3FNN sonido 750 KHz 750KF3EGN Clasificación según su clase y anchura de banda necesaria Ejemplo de denominación de emisión
CARACTERÍSTICAS DE PROPAGACIÓN Tipos de ondas según la frecuencia Onda de superficie: para frecuencias inferiores a 30 MHz. Alcances largos y estabil. Onda ionosférica: entre 3 y 30 MHz. Grandes alcances, inestabilidad. Onda espacial freq superiores a 30 MHz: Onda directa: alcanza el receptor de manera directa Onda reflejada: conecta transmisor y receptor a través de una reflexión Ondas por reflexión multitrayecto Onda por dispersión troposférica: reflexiones en turbulencias de capas de la troposfera Influencia del medio de transmisión Reflexión Refracción Difracción Dispersión Absorción Efecto de meteoros e influencia con la frecuencia
EFECTOS DE LA TROPOSFERA (Gp:) 30MHz (Gp:) 30GHz (Gp:) CONDUCTOS (Gp:) 500 MHz (Gp:) 15 GHz (Gp:) 1 GHz (Gp:) REFLEXIÓN EN CAPAS (Gp:) ABSORCIÓN MOLECULAR (Gp:) HIDROMETEOROS (Gp:) DISPERSIÓN TROPOSFÉRICA (Gp:) REFRACCIÓN
PARÁMETROS FUNDAMENTALES Ganancia directiva: cociente entre la intensidad de radiación producida por una antena en una dirección y la que produciría una antena isótropa PIRE: potencia isótropa radiada equivalente en la dirección del diagrama de directividad PRA: potencia radiada aparente, producto de la potencia entregada a la antena por su ganancia respecto al dipolo en ?/2. G/T: cociente entre la ganancia de la antena y la temperatura equivalente de ruido a la entrada del receptor. Es inversamente proporcional a la densidad de potencia. T PIRE Pdi (Gp:) TX (Gp:) CIRC ACOPLO (Gp:) CIRC. ANTENA (Gp:) CIRC. ANTENA (Gp:) CIRC ACOPLO (Gp:) RX (Gp:) AT (Gp:) AR (Gp:) R (Gp:) Pet (Gp:) Ltt (Gp:) Ltr (Gp:) P’t (Gp:) Pt (Gp:) Pr (Gp:) P’r (Gp:) Pdr (Gp:) Lat (Gp:) Lar (Gp:) Gr (Gp:) Gt (Gp:) Lb
PARÁMETROS FUNDAMENTALES Superficie equivalente de absorción para una antena dada es la relación entre la potencia disponible y la densidad de flujo incidente. Para una antena isótropa se demuestra que vale:
Para una antena con ganancia G:
Relación con la superficie geométrica:
Longitud efectiva de la antena relación entre el campo incidente en la antena y el voltaje inducido en sus terminales.
CONCEPTO DE BALANCE DE ENLACE Balance de enlace es la relación que existe entre la potencia disponible en el receptor con la entregada en el transmisor a través de las pérdidas y ganancias en el trayecto. En el lado de transmisión: Ltt: pérdida en los circuitos terminales del transmisor (asociadas a la desadaptación antena-tx) Lat: pérdida asociada al rendimiento de la antena Gt: ganancia directiva para el transmisor En el lado de recepción: parámetros equivalentes a los de transmisión. Pérdidas básicas de propagación Lb, función de la frecuencia, distancia, medio, altura de antenas y modo de propagación. Además hay que considerar las pérdidas por desacoplo de polarización (Gp:) TX (Gp:) CIRC ACOPLO (Gp:) CIRC. ANTENA (Gp:) CIRC. ANTENA (Gp:) CIRC ACOPLO (Gp:) RX (Gp:) AT (Gp:) AR (Gp:) R (Gp:) Pet (Gp:) Ltt (Gp:) Ltr (Gp:) P’t (Gp:) Pt (Gp:) Pr (Gp:) P’r (Gp:) Pdr (Gp:) Lat (Gp:) Lar (Gp:) Gr (Gp:) Gt (Gp:) Lb
FÓRMULA DE FRIIS (Gp:) ?R (Gp:) ?T
La Ecuación de Friis permite calcular las pérdidas de inserción de un radioenlace en función de parámetros de transmisión de ambas antenas asociados a las direcciones en que cada una de ellas ve a la otra. eT, eR : vectores unitarios de polarización
FACTOR DE PÉRDIDAS POLARIZACIÓN En el caso más general se puede escribir: obteniéndose acoplo perfecto (FPP=1) sólo cuando: Antena receptora y onda incidente (antena transmisora) tienen exactamente la misma polarización: elipses coincidentes y mismo sentido de giro para observadores situados sobre cada una de las antenas.
REUTILIZACIÓN DE POLARIZACIÓN Ante la congestión de las bandas de radio la utilización de antenas de alta pureza de polarización permite hoy día duplicar la capacidad de una banda reusándola en polarización, esto es, transmitiendo y recibiendo canales que ocupan la misma banda sobre dos polarizaciones ortogonales. Esto se está haciendo por ejemplo en el servicio fijo por satélite, transmitiendo y recibiendo simultáneamente sendas polarizaciones lineales ortogonales. Para evitar interferencias entre canales ortogonales el nivel de radiación contrapolar de las antenas no debe superar -35 dB. Nótese que el anterior requerimiento también condiciona el posicionado (ajuste) del eje de polarización de la estación terrena. Un desajuste de 1º en la orientación del eje de referencia de polarización (variación máxima admitida en estaciones terrenas) causa pequeñas pérdidas en el acoplamiento copolar pero acopla -35 dB de componente contrapolar.
XPD: Discriminación contrapolar XPI: Aislamiento contrapolar:
ECUACIÓN DE BALANCE DE ENLACE La ecuación general de balance de enlace es Ejemplo: Se considera un enlace entre un transmisor que entrega una potencia de 10 w a una antena de ganancia directiva 8 dB y rendimiento de 95% a través de un cable con 1.2 dB de pérdidas. La antena receptora tiene una ganancia directiva de 3 dB y un rendimiento de 97.7% y la pérdida en el cable de conexión al receptor es de 1 dB. La pérdida básica de propagación es de 120 dB. Hallar ganancias de potencias, pérdidas de transmisión y potencia recibida. Ejemplo: Solución: G’t=7.8 dB G’r=2.9 dB Pérdida de transmisión=109 dB Pdr=-71.5 dB
RUIDO EN SISTEMAS DE RADIO Todos los cuerpos con una temperatura diferente de 0ºK desprenden radiación incoherente (ruido). La antena capta esa radiación de todos los cuerpos que la rodean a través de su diagrama de radiación. Siendo NDR la potencia de ruido disponible en bornes de la antena, su temperatura de ruido se define mediante:
k, cte. de Boltzman=1,38 10-23 (julio/K) Bf, el Ancho de Banda de Ruido (Hz) TA, la temperatura de Ruido de Antena (K) En función de la Temperatura de Brillo TB (?,?) asociada a la radiación de ruido que incide sobre la antena para la dirección (?,?), la Temperatura de Antena TA se obtiene como:
TA depende de orientación de la antena respecto de las radiofuentes celestes y de la atmósfera, pero sobre todo de la banda de frecuencia de trabajo.
VALORES TÍPICOS DE TA (MF, HF y VHF) Isolíneas de ruido atmosférico a 1 MHz en dB referidos a KT0B (Gp:) Ruido Atmosférico Asociado a los 100 rayos/s (Gp:) Máximo Zonas Tropicales (Gp:) Polos (Gp:) Mínimo (Gp:) Ruido Cósmico (Gp:) Temperatura de ruido en MF y HF
Antenas de haz estrecho apuntando con el lóbulo principal a una elevación???sobre el horizonte con atmósfera clara (sin sumar contribución del suelo) La atenuación atmosférica producida por la lluvia, niebla, etc. incrementa la temperatura de antena en un valor: Valores típicos de Ta (Bandas de Microondas) (Tm, valor medio de la temperatura física de la atmósfera). Incrementos típicos en el rango de microondas (Gp:) Ruido de Fondo (Gp:) Absorción de gases atmosféricos
INTERFERENCIA Modelo para la interferencia simple
Tipos de interferencia: simples, múltiples, cocanal y de canales adyacentes. Sistemas punto a punto Se suman en potencia las contribuciones de las distintas fuentes interferentes. Relación portadora interferencia: Sistemas zonales: Cálculo del campo utilizable en el emplazamiento del transmisor deseado Campo utilizable función de los campos perturbadores
Distancia de cobertura del TX deseado a la distancia a la que existe el campo utilizable. (Gp:) Gtd (Gp:) TD (Gp:) TI (Gp:) Gti (Gp:) Gri (Gp:) Grd (Gp:) TX des (Gp:) TX int (Gp:) RX des (Gp:) Lbi (Gp:) Lbd
Se clasifican atendiendo a la perturbación dominante. Sistemas limitados en ruido Cobertura función del factor de ruido del sistema receptor Se especifica mediante la potencia umbral de recepción (depende del balance de enlace) y los márgenes de desvanecimiento
En la mayoría se trata de sistemas punto a punto Sistemas limitados por interferencia Cobertura depende de la interferencia admisible o prevista. Son sistemas de cobertura zonal que se especifican mediante el valor mediano del campo utilizable en el emplazamiento del transmisor deseado. Ejemplo: sistemas de radiodifusión en bandas métricas y sistemas de radiocomunicaciones móviles. TIPOS DE SISTEMAS RADIOELÉCTRICOS
CARACTERIZACIÓN DEL CANAL RADIO El medio de propagación experimenta variaciones aleatorias de dos tipos: Con las ubicaciones y con el tiempo. Variabilidad del trayecto de propagación debido a: Radiocomunicaciones zonales y perfil orográfico muy complejo o de tipo urbano Existencia de: distribuciones estadísticas de propagación y de métodos empíricos de predicción. Distribuciones estadísticas de propagación: Distribución normal de campo. Distribución Rayleigh Distribución Rayleigh+logNormal Distribución de Nakagami Rice Concepto de mes más desfavorable. Métodos empíricos de predicción: Recomendación 370 del CCIR Método de Okumura Hata Método del COST 231
DISTRIBUCIÓN NORMAL La intensidad de campo en dB sigue una distribución normal: Se manejan las siguientes funciones de probabilidad
Estas funciones se evalúan mediante aproximaciones numéricas. Aproximación en series de potencias (2.13.9) Aproximación de Hastings (2.13.10) En ocasiones resulta conveniente expresar el valor del campo superado con una probabilidad p dada. Se utiliza la función la función Si p>0.5:
Se suele utilizar papel gaussiano
DISTRIBUCIÓN RAYLEIGH Se utiliza para modelar la envolvente de la señal resultante de propagación multitrayecto.
Es uniparamétrica x es la amplitud en valor absoluto La probabilidad de superar un cierto valor viene dada por la función complementaria
Se suele utilizar papel Rayleigh representando en abscisas la probabilidad de rebasar los valores indicados en ordenadas.
DISTRIBUCIÓN RAYLEIGH+LOG NORMAL En aplicaciones de comunicaciones móviles el campo puede seguir una ley Rayleigh pero con una mediana variable que se distribuye con una ley log-normal. La función de distribución global será:
No es expresable mediante funciones elementales. Se suele utilizar un papel Rayleigh resultando la Rayleigh normal aquella cuya desviación es 0. Ejemplos: variación del campo en un entorno urbano o un terreno muy accidentado.
DISTRIBUCIÓN DE NAKAGAMI RICE Típica de radioenlaces punto a punto. La señal está constituida por una componente determinística y varias componentes aleatorias: Función biparamétrica c: valor eficaz de la componente det. 2b: valor cuadrático medio de la aleat. Io: función de Bessel de orden 0 y primera especie. Si c=0 la función degenera en una Rayleigh Si c2>>b resulta una gaussiana En papel Rayleigh se ha supuesto la potencia media de la señal 2b+c2
CONCEPTO DE MES MÁS DESFAVORABLE Para el análisis de la calidad se establecen umbrales de funcionamiento. Si la señal está por debajo de un umbral el enlace está cortado. Los criterios de calidad aplicables en sistemas de radio se refieren a un período de tiempo normalizado como “cualquier mes”. Mes más desfavorable se define como el período de un mes dentro de 12 meses civiles durante el que se rebasa más tiempo el umbral. FTRMD porcentaje de tiempo durante el que se supera el umbral en el mes.
RECOMENDACIÓN 370 DEL CCIR (I) En comunicaciones zonales hay gran variabilidad de trayectos. Esto afecta a servicios radiodifusión o móviles. Surgen métodos empíricos de propagación. Proporcionan una estimación rápida de la pérdida básica de propagación. REC. 370 del CCIR Concebido para el medio rural y destinado para la planificación de servicios de radiodifusión sonora y TV. Parámetros de dependencia: Bandas de frecuencia: VHF y de UHF (IV y V) PRA de 1 kw Campo superado en un 50% de ubicaciones Campo superado un tanto por ciento del tiempo Trayecto de propagación: mar o tierra Altura de antena receptora 10 m. Altura efectiva de antena TX: altura de antena sobre nivel medio entre 3 y 15 Ondulación del terreno (valor estándar 50 m)
RECOMENDACIÓN 370 DEL CCIR (II)
MÉTODO DE OKUMURA HATA Aplicable en entornos urbanos. Curvas de Okumura: Valores de campo para medio urbano, diferentes alturas efectivas de antenas y bandas de frecuencia y una PRA de 1kw. Antena RX 1.5 m. Correcciones para ondulación, pendiente del terreno y distintas alturas. Expresiones de Hata Desarrollo de expresiones numéricas para las curvas normalizadas de Okumura. Fórmula de Hata
f, frecuencia en Mhz: 150